５．地下水の水質
2011年度（H23年度）

地下水盆管理学概論
福島大学 共生システム理工学類
環境システムマネジメント専攻
柴崎 直明

2009年のアジア地下水ヒ素汚染フォーラム（福島大学）

今年のアジア地下水ヒ素汚染フォーラム（宮崎市）

昨年のアジア地下水ヒ素汚染フォーラム（新潟市）

地下水の水質ー２つの側面
地下水の履歴に関する情報源
地下水の存在形態や流動状態を反映
地下水の資源的価値の指標
利用に安全かどうかの判断基準

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本来の地下水の水質

地下水中の溶存物質

地球規模での水文的循環過程のなかで，地下水の起源となる降水⇒一般に溶存物質の量は少ない（特殊なケース：送風塩や排ガス，火山ガス）

水と大気，土，生物の相互関係により，自然にコントロールされてきた地下水の水質は，長時間かけて地層・岩石との相互作用で形成される特徴がある。

地下水の溶存物質の大部分⇒地層や岩石，有機物などとの反応でもたらされる

海水の塩分濃度（１）

海水の塩分濃度（２）海水の場合、塩分濃度は3.3～3.7％くらい

海水には、塩化ナトリウムなどのいろいろな塩類（無機電解質）が溶けている。

塩分濃度の公式：
濃度（％）＝

海水中の塩類の濃度を、塩分（濃度）とよぶ。

溶質の質量÷（溶質の質量＋溶媒の質量）×100

通常、ｐｐｔ（千分率）や‰（パーミル）の単位（質量千分率）で表す。

濃度3.5％の塩水の場合、1ｋｇの塩水は外洋水の平均的な塩分濃度＝約35‰965ｃｃ（＝965ｇ）の水＋35ｇの塩からなる。

海水1ｋｇ中に、約35ｇの塩類が溶けている

地下水の分類

蒸発残留物による分類【Drever(1982)による】

日本の水道水分類
淡水汽水
塩水
かん水

溶存固形物総量（mg/L）
0～1,000
1,000～20,000
海水とほぼ同じ海水よりもかなり多い

蒸発残留物を基準として，500 mg/L以下2

温泉法による温泉の定義

地下水の水質分析値の表示(1)

次のいずれかの条件にあてはまるもの

水質分析の目的により異なる

１）温泉源から採取されるときの温度が25℃以上

１） 「mg/L」
最もよく使用される単位
一定体積の地下水中の溶存物質の重量

２）溶存固形物総量が水1 kg中に1g以上のものや，特定の成分を一定濃度以上に含むもの

水質基準に関する省令でも採用

地下水の水質分析値の表示(2)

地下水の水質分析値の表示(3)2） 「mg/kg」
一定重量の地下水中の溶存物質の重量3） 「ppm」
環境データの表示によく利用される百万分率のこと「mg/kg」に相当する

日本では，温泉の分析表に使用溶存物質量の少ない地下水は，試料１Lを1 kgとみなして，「mg/L」単位と「ppm」単位を厳密に区別しないで使用している

水質分析法
地下水の水質分析に関係する公定法の例
１）水質基準に関する省令（2011改正，厚生労働省）
２）工業用水試験方法（JIS K 0101: 1998，日本規格協会）
３）上水試験方法（2011年版，日本水道協会）
４）鉱泉分析法指針（2002，環境省自然保護局）

地下水の主要成分
汚染地下水などを除く地下水中の主要な化学成分は，９成分
陽イオン：Na+, K+, Ca2+, Mg2+
陰イオン：
Cl-, SO42-, HCO3非解離成分： H4SiO4 （溶存ケイ酸）
ガス成分：
CO23

地下水中のその他の成分(1)
浅層地下水には，硝酸イオン（NO3-）の溶存量が多いものがある

その場合は，主要成分にNO3-を加えて10成分とする

バングラデシュのヒ素による地下水汚染状況

アジアの地下水砒素汚染

地下水中のその他の成分(2)微量だが，鉄イオン，マンガンイオン，リン酸イオンなども溶存することがある
このほか，自然由来のヒ素やフッ素が地下水中に高濃度に溶存し，健康被害を与えていることもある

ヒ素中毒患者の手(Arsenical Keratosis)

ハータイ省での井戸水質調査（アジア砒素ネットワーク, 2005）

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ハーナム省での井戸水質調査

ハーナム省で測定したヒ素濃度

地下水の化学組成の解析

地下水水質の分析項目

地下水中の化学成分は，水と地層の相互作用で形成される
水質は化学平衡などいくつかの原理や法則に規定されている
地下水の主要成分の分析が不可欠

地下水分析試料の採取（１）１）試料の採取場所に注意
多くの深井戸では，いくつかの帯水層にスクリーン（＝ストレーナ）が設置されている目的の帯水層から地下水を採取する方法(1) 井戸構造の明らかな井戸を選定(2) パッカーや特殊なポンプを使用

１）主要成分
２）水温
３）ｐH
４）電導度
（電気伝導度，Electric Conductivity）
５）蒸発残留物
６）酸化還元電位７）問題となる化学成分

地下水分析試料の採取（２）２）試料の変質に注意
一般に地下水はCO2分圧が高い
試料を大気中にさらすとCO2を放出し，pHが１～２上昇することが多い
炭酸カルシウム（CaCO3）の沈殿を生じる

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その他の試料変質の例(1)１）酸化反応一般に地下水は還元的環境を示す
試料を大気中の酸化的環境にさらすと，溶存物質の酸化反応が進行する
2Fe2++4HCO3-+H2O+1/2O2=2Fe(OH)3+4CO2

その他の試料変質の例(2)１）微生物の作用
水中微生物の活動で，水質変化することがある

微生物の作用でNH4+からNO3-に容易に変化する

Fe2+がFe3+に酸化され，不溶性の沈殿物を生成

水質の指標ー水温
地下水の水温は，地下水の流動が遅いため地温に影響される

恒温層以深の地温地下増温率に従い上昇する
日本の平均地下増温率は，3℃／100m

地温は，深さとともに年格差が小さくなる
地表の影響が及ばなくなると，恒温層となる

地下増温率は，場所により異なる（深度100mあたり，0～5℃以上）

恒温層までの深度： 日本では15～20m

地下水温を測定すると．．．
年間をとおした地下水温の測定により，水質の指標ー電導度（EC）
物質の電気伝導性をあらわす量
電導度＝比抵抗の逆数

地下水の涵養域や浸透速度など，地下水流動系を解明する手がかりを得ることができる

単位は，mS/mまたはS/m（SI単位系）（昔は，S/cmがよく使われていた）
例： 1,000 S/cm＝100 mS/m
電導度により，大まかな溶存イオン量を把握することができる（ただし温度換算に注意）

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水質の指標ー溶存固形物総量
溶存物質総量や，総溶解固形分ともいう
英語では，Total Dissolved Solids (TDS)

水質基準としてのTDS
日本ではTDSではなく，蒸発残留物を使う
WHO飲料水ガイドライン値＝1,000 mg/L

溶存成分分析値の合計（主要成分といくつかの微量成分の総計）

USEPA基準値＝500 mg/L

TDS(mg/L) = Na++K++Ca2++Mg2++Cl+SO42-+HCO3-+(NO3-)+H4SiO4+CO2+微量成分

水質の指標ー蒸発残留物
試料を110℃で乾燥したときに残る物質の量
注意： 蒸発残留物≠TDS
試料の蒸発乾固により，CO2が抜け，HCO3は炭酸塩になり，H4SiO4はおおむねSiO2として残留する

蒸発残留物の計算方法
蒸発残留物(mg/L) =Na++K++Ca2++Mg2++Cl-+SO42+0.492HCO3-+(NO3-)+0.625H4SiO4+微量成分
神奈川県足柄平野の例では，
ER (mg/L) = 0.926×TDS (mg/L)－56.4

水質の指標ーpH
水素イオン（H+）濃度の指数
pH=7: 中性
pH<7: 酸性pH>7: アルカリ性（塩基性）
pHは温度により変化する
水の解離定数が温度により変化するため温度が上がるほど，pHは下がる

pHと炭酸物質
強酸性の温泉水や特殊な環境の地下水を除き，地下水のpHは溶存している炭酸物質に支配されている炭酸物質の３成分
H2CO3： 炭酸
HCO3- : 重炭酸イオン
CO32- : 炭酸イオン
pHが8.3以下の地下水では，HCO3-とみなしてよい

7水質の起源
１）鉱物の溶解

均一溶解反応溶解反応が進行しても，固相が生じない(a) 均一溶解反応(b) 不均一溶解反応
２）地中における炭酸物質の生成
有機物の存在により炭酸物質を生成する

不均一溶解反応例： 無定型ケイ酸が水に溶解する反応SiO2(amorph)+2H2O=H4SiO4
均一溶解反応する鉱物：岩塩（NaCl），方解石（CaCO3）,石膏（CaSO42H2O）など

鉱物・岩石の溶解による水質組成

溶解反応の進行により，固相が形成される
例：曹長石がCO2を含む水に溶解する反応
2NaAlSi3O8+11H2O+2CO2=2Na++2HCO3-+Al2Si2O5(OH)4+4H4SiO4
この過程で，粘土鉱物の一種カオリナイトが生成する

参考文献
水収支研究グループ編「地下水資源・環境論－その理論と実践－」
共立出版、1993年

予告

11月15日に小テストやります
出題範囲：第1回～第5回
時間：20～30分
資料・ノートなど，持ち込み可（PC・携帯端末は不可）!!

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