第64回(2020年度)

北海道開発技術研究発表会論文

酸素溶解装置の冬期運用と効果について（国研）土木研究所 寒地土木研究所 水環境保全チーム ○杉原 幸樹
巖倉 啓子

網走湖で塩水層の貧酸素水塊の解消を目的に酸素溶解装置の酸素供給による水質変化について実水域で試験・観測を行った。結氷下から融雪後まで装置を連続運転させた結果、結氷下では湖内の流動が抑制され、2ヶ月の装置運用でおよそ90000 m2に溶存酸素供給影響が確認され、硫化水素濃度は大幅な低下が確認された。一方で、融雪後は湖内流動が再開し、水塊移動に伴い溶存酸素供給効果が流下する挙動が確認された。
キーワード：底層貧酸素、硫化水素、酸素溶解

100km

1. はじめに水 中設

網走湖

停滞性水域の底層貧酸素改善を目的に様々な研究1)-4)がなされている。主に淡水域を対象とし、流速を発生させる手法で貧酸素改善が行われている。これらは酸素供給により栄養塩濃度、金属イオン濃度の低下が観測され、溶存酸素量(DO)の上昇を報告している。しかし、塩水性水塊で流動の影響が無視できない区域、および結氷する
水域での酸素供給の影響については報告がない。そこで
我々は実際の結氷する汽水湖沼での酸素供給効果を検証することを目的として、網走湖の貧酸素塩水に水中型気液溶解装置(WEP：特許第3849986号、松江土建(株)・土木研究所)を用いて、DO供給時に起こる化学的変化について報告5)し、硫化水素の酸化によって固体硫黄が析出して無害化することを明らかにした。さらに現地に
WEP酸素供給プラントを建設し、目的とする水深に選
択的にDO供給し、実水域においても水質が改善することを報告6) した。そこで本研究は、結氷下および融雪期の運用による観測結果をまとめ、DO供給効果について報告するものである。

A
3km
呼人港

100m
B3
B2

陸 上設

B1

網走川
下流

網 走 川 上 女満別川

８

４

６

図-1 調査位置図
水位：標高-0.2～2.4 m
残気吐出：標高-3.5m
境界変動
標高-4～-7 m
塩淡境界

浮泥層

吸水：標高-6.8 m
湖底：標高-8.2m m
吐出：標高-7.3

アンカー
支持層：標高-9.3 m

図-20

2. 試験設備の建設と観測

左：水中設備外観と右：水中設置概略立
B2

塩分

岸壁

DO

水温

(1) 対象水域
北海道北東部に位置する網走湖(図-1参照)を対象水域とした。下流部では網走川を通じてオホーツク海に接続し、海水が遡上して湖内では塩水と淡水の二層構造を形成している。網走湖の水位は潮位や洪水により標高－
0.2～2.4 mで変動し、平均水位は標高0.39 m(国土交通省、
水文水質DBより1971～2016年の網走湖観測所平均)であ

標高(m)

-2
-4
-6
-8

設置・採水
塩淡境界
湖底

-10

Sugihara KOKI,Iwakura KEIKO－ 196 －

250 200 150 100 50
岸壁からの距離(m)

0 0

5

10

15

20

25

塩分，DO(mg/L),水温(℃)

図-3 断面位置図と水質鉛直分布（B2 地点：2017/8/28）

(2)試験設備
網走湖内の呼人港に酸素精製機など陸上設備、および岸壁から 160 m湖心側(図-1 中 B2 地点)の標高－7 mの位
置に WEP など水中設備を 2017 年 8 月 28 日に建設・設置し、概略を図-2 に示す。水中設備は吐出量 120 m3/h のポンプを搭載し、B2 地点に図-2 に示す様に水中立上で係留設置した。図-3 に岸壁からの断面図および設置日の B2 での鉛直投下式の水質計(Hydrolab 社、DS5)での水質鉛直観測結果を示す。B2 において標高－6.2 m に明瞭な塩淡境界が存在し、塩水層は無酸素状態であった。境界面付近に DO 供給するため、吐出口が標高－7.3 m、吸入口が標高－6.8 m になるように係留した。ここで、陸上で精製された酸素ガス(濃度 92 ％)を水中設備に圧送し、圧送総量の 80 ％が水中溶解する。そのため余剰酸素を残気吐出口から排気する必要がある。残気吐出口は、気泡上昇による塩水の連行が起きないように標高－3.5 mに設定した。陸上設備は酸素圧送するための圧縮機や配電盤を装備し、送気管と電線を水中設備に接続させた。
2017 年 8 月 29 日より 24 時間の連続運転を開始した。
本研究では結氷期の 2017 年 11 月 20 日から 2018 年 4月 20 日までの観測結果、及び融雪後の 2018 年 5 月 25
日から 2018 年 8 月 20 日までの観測結果をまとめる。なお、上記期間に故障等による WEP の運転停止はないが、2018 年 4 月 20 日～2018 年 5 月 25 日までは薄氷流出や融雪出水によって現地作業が危険なため機器の再設置ができずにデータが取得できなかった。

分水温計(JFE アドバンテック Compact-CT)、光学式溶存酸素計(JFE アドバンテック RINKO-W)、クロロフィ
ル濁度計(JFE アドバンテック Infinity-CLW)を係留した。
B1 と B2 間、B2 と B3 間は 25 m の距離をとって南北方向に配置した。設置期間中は 1 時間間隔でデータを取得した。
b)鉛直観測投下式水質計(Hydrolab 社、DS5)で B2 を中心に 300 m
四方内の 13 地点で水質鉛直分布観測を行い、空間的な水質観測を実施した。観測項目は水温、塩分、DO、濁度で、実施日は 2018 年 2 月 28 日、 5 月 25 日である。
c)水質分析、底質分析
2017 年 10 月 26 日、2018 年 8 月 20 日および鉛直観測と同一日に B2 地点の標高－7.5 m(塩水)で採水を行い、日本工業規格に準じた水質分析を行った。分析項目は全、全リン(T-P)、全窒素(T-N)である。加えて、硫化水素については、酢酸亜鉛固定法により定量した。また、参考として北海道開発局網走開発建設部の定期水質観測結果
から湖心のデータを比較した。

3. 観測結果(1)水位・気象図-4 に気温と積雪深、図-5 に国土交通省網走潮位、
網走湖水位をまとめる。各データは気象庁 WEB より毎正時データを取得した。なお、目視観察による湖水面の全面結氷日は 2017 年 12 月 10 日、全面開氷日は 2018 年
4 月 10 日であった。本研究では便宜上 2017 年 12 月 10日から 2018 年 4 月 10 日を結氷期、2018 年 4 月 10 日以降を融雪後と呼称する。積雪深は気温が上昇に転じる 2 月
20 日をピークとして減少に転じ、3 月 26 日にゼロとなった。図-5 より結氷期でも氷面が変動することが確認される。なお、氷厚の連続観測データはない。気温が気温(℃)、積雪深(cm)る。なお、塩淡境界面は標高－4～－7 mで変動し、表面水位とは独立に変動する。このため本論文では高さを規定するために水深ではなく、標高で統一する。
網走湖の塩水層は湖内に局在化して貧酸素化しているため、硫化水素やアンモニアなどの有害物質が蓄積され、強風等で淡水層に供給されて、たびたび大規模な生物斃
死やアオコ発生などの水質障害が発生しており、塩水層の水質改善が重要な課題となっている。なお、網走湖は
例年12月～3月まで湖面が全面結氷し、最大1 mほどまで氷厚が成長する水域である。結氷前後も塩水と淡水が混合せず全層での循環期は存在しない、さらに氷板により水面からの酸素供給が遮断されるため、湖水全体のDOが低下する挙動を示す。そのため通年で嫌気溶出が継続する水塊構造となっており、塩水層の栄養塩濃度や硫化水素濃度は経年的に増加傾向にある。

80

積雪深

40
20
0
-20

11/20 12/20 1/20 2/20 3/20 4/20 5/20 6/20 7/20 8/20

図-4 網走観測所の気温と積雪深変化
1.5

網走港潮位

網走湖水位

1.0
標高(m)

(3)現地観測a)自記計観測
結氷期の 2017 年 11 月 20 日～2018 年 4 月 20日の間は図-1 中 A 地点に超音波流速計(TELEDYNE RD Instruments
Workhorse sentinel 1200 kHz)を標高－9 mに係留した。流速は 60 分間隔で毎秒 5 回の測定を 60 秒行った平均値を取得した。また、B1、B2、B3 の各地点の標高－7.5 m に塩気温60

Sugihara KOKI,Iwakura KEIKO－ 197 －

0.5
0.0

-0.5
-1.0

11/20 12/20 1/20 2/20 3/20 4/20 5/20 6/20 7/20 8/20

図-5 網走港潮位と網走湖水位

北方成分

東方成分

50

東方積算流速(cm/s)

北方積算流速(cm/s)

500
400

0

300

-50

200

-100

100

-150

0
11/20

12/20

1/20

2/20

3/20

-200
4/20

図-6 結氷期の積算流速変化（標高-7.5 ｍ）
積算期間：2017/11/20～2018/4/20
北方流速積算値(cm/s)

10 ℃まで上昇した 3 月 10 日に湖水位も急上昇し、水際の開氷により氷面変動が助長されたと推察される。さらに 4 月 1 日に気温が 20 ℃まで急上昇すると融雪洪水流
入により、湖水位の上昇となった。なお、このとき降雨はなく、氷板も残存していた。また、結氷期は潮位が湖水位よりも高くなる頻度が多いため、海水の逆流により湖内に海水が流入している。一方で融雪後は降雨に連動して湖水位が上昇し、6 月 15 日や 7 月 10 日に水位のピークが観測された。

1200
1000
800
600
400
200
0
-200
-200

融雪後

結氷期

秋期

標高（m）

(2)自記計観測結果
まず A 地点の超音波流速計の標高－7.5 m の観測結果を抽出して北方成分と東方成分の各成分毎に流速を積算
融雪後した結果をまとめる。北向きおよび東向きの流速を正値
結氷期として、任意期間中の毎時観測流速を単純加算して、時系列の積算値とした。そのため北向きまたは東向き流速-150 -100
-50
0
50
100
が連続する場合は正値が増大し、南向きまたは西向き流
東方流速積算値(cm/s)
速が連続する場合は負値が増加することになる。
図-7 水塊の相対軌跡
図-6 は結氷期のデータで起算点を 2017 年 11 月 20 日
(A 地点標高-7.5 m，積算期間 80 日)
13 時、積算期間を 2018 年 4 月 20 日 13 時までとした結果である。11 月 20 日から 12 月 12 日までは各成分は北
塩分
濁度
水温
DO
0
向き、西向きに卓越してに変動するが、その後は変動幅-1が小さくなっていた。さらに北方成分は 4 月 10 日にピ-2ークを有する挙動となり、3 月 30 日から北向きに変動-3
しはじめ、4 月 10 日に南向きに変動方向を変える挙動-4がみられた。これら変動契機は全面結氷や部分開氷と一-5致しており、結氷により湖水流動が抑制されることが確
-6
-7
認された。
-8
次に図-6 の結果より横軸に東方積算流速、縦軸に北-9方積算流速をとり、標高－7.5 m における水塊の移動軌
051015 0 10 20 30 40
跡の解析結果を結氷期および融雪後について図-7 にま
塩分、濁度(NTU)
水温(℃)、DO(mg/L)
とめる。積算期間は結氷期は 2018 年 1 月 1 日 0 時～3 月
図-8 B2 地点の水質鉛直分布（2018/2/28）
20 日 23 時、融雪後は 2018 年 6 月 1 日 0 時～8 月 18日 23時の各 80 日間とした。結氷期の水塊はやや北西に向か
表-1 標高-7.5ｍにおける DO と濁度観測値の統計値
い揺らぎながら、原点近傍に集中する軌跡であった。一時期 項目 統計値
B1
B2
B3
DO 平均値
0.18 11.69
1.11
方で融雪後は北西に向かい移動する結果となった。2017(mg/L) 標準偏差 1.23
7.61
3.01
年の結氷前の観測結果からも北西方向に水塊が移動して9.03 21.35 41.59
濁度 平均値
おり、無氷期は同様の水塊移動となっていた。この結果(NTU) 標準偏差 16.68 28.61 41.59から、結氷の有無により水塊移動は大きく異なり、結氷
DO 平均値
0.10 14.02
2.08
により水塊移動が抑制されることが確認された。
(mg/L) 標準偏差 1.02
8.96
4.49
結氷期の 2 月 28 日の B2 地点における水質鉛直分布を
濁度 平均値
13.59 156.22 71.01(NTU) 標準偏差 13.08 237.22 90.91
図-8 に示す。このとき氷厚は 80 cm であった。DO の躍
DO 平均値- 4.240.16
層は標高－6.5 m 付近にみられるが、水温や塩分は躍層(mg/L) 標準偏差
- 6.650.90を形成せずに、緩やかな連続勾配を有して、表層ほど小濁度 平均値- 45.33 23.99
さい値となる分布であった。さらに WEP の吐出口であ(NTU) 標準偏差
- 51.81 40.93
る標高－7.3 m 付近に DO と濁度のピークが確認された。
表-1 に B1、B2、B3 地点の標高－7.5m の各観測デー
WEP の吐出によって水塊の攪乱が起きないことは確認 7)しており、この結果からも逆水温勾配や塩分躍層の破壊
タの統計値をまとめる。参考として 2017 年秋期の結果に影響せずに、DO を供給して、硫化水素の酸化によりも加える。B1 では秋期、結氷期ともに DO と濁度が同無害化していることが確認された。
程度であり、通年で南向きの流れが発生しづらいためと
Sugihara KOKI,Iwakura KEIKO－ 198 －

考えられる。一方で、B2 では結氷期に DO、濁度ともに高濃度となり、B3 まで効果が波及していることがわかる。秋期に比べて水塊流動が抑制されることで、硫化水
素の酸化反応がより進行しやすくなるため、B2 の水質変化が確認しやすくなっているものと推察される。一方で秋期は水塊流動が卓越するため、B2 より北側の B3 で濁度が上昇するような流下挙動が観測されている。さらに、融雪後には結氷期に比べ水塊流動が活発になり、流下輸送が再開されると同時に流動接触する新規硫化水素
に対して十分な反応時間と酸素量が確保できないことで、DO や濁度の急激な低下が観測されている。秋期では濁度が B2 から B3 にかけて上昇傾向を示すが、融雪後では逆に低下傾向を示していた、これらは水塊の流動方向に起因していると推察される。
(3)鉛直観測結果
次にWEP設置位置を中心として、面的に鉛直観測を行い標高－7.5 mのDOと濁度を抽出し、クリギング法により内挿したコンター図を示す。図-9は2月28日、図-10は5月25日の観測結果である。図-9のDOは中心付近に10mg/Lの高濃度がみられ、半径50～100 mの同心円状に分布するDOが検出された。2月28日はWEPの運転開始から178日、結氷後から78日経過しており、継続運転と水塊移動抑制の影響により、DO、濁度はいずれも高濃度で広範囲に効果が観測された。図-7の水塊移動状況からも、
WEP本体付近に水塊が滞留するため、硫化水素の酸化が進行しやすく、DOが残存することが確認される。濁度は本体より50 m西側が最も高濃度で160 NTUであり、その地点から同心円状に約300 m四方の範囲に濁度が分布していた。
図-10より融雪後の5月25日では、DOの分布はWEP本
体より北西向きにのびる楕円状となり、本体近傍のDOも結氷期と比較すると4.0 mg/L程に低下した。濁度も本体から北西向きに広がる分布となり、結氷期に比べ濁度も低下していた。これらは開氷にともなって滞留水塊の移動が促進され、結氷期の改善水塊が流下拡散したことを示しており、DO供給点においては新規無酸素水塊の暴露によって、改善効果が更新されることが確認された。
ここで酸化除去された固体硫黄が硫化水素として再溶存する量は非常に少ないと思われ、水塊流動が湖内循環するならば、DO供給をするほど硫化水素は漸減すると想定される。また、5月25日はWEPの運転開始から265日経過しているが、含有硫化水素が膨大なため、開氷による流動再開で改善効果が初期化されるように見える。一方で、水塊移動が抑制される結氷期では、約2ヶ月のDO供給でおよそ90000 m2に影響が波及することが確認された。
(4)水質分析結果
水質分析結果について B2 地点および湖心(B2 から距
離 1.7 km)の塩水層(標高－7.5 m)での 2 地点比較を示す。
図-11 に T-P の時系列変化を示す。B2 では 2017 年 8 月
30 日より DO 供給を継続している。B2 は WEP 運転前は

150

0
-50
-100

装置設置位置装置設置位置
-50

0

50

100

150

北方距離(m)

濁度(NTU)

濁度(NTU)

北方距離(m)-150-150 -100

DO(mg/L)

北方距離(m)50

DO(mg/L)

北方距離(m)100

装置設置位置装置設置位置
東方距離(m)
図-9 標高-7.5 m の水質平面分布

東方距離(m)
図-10 標高-7.5 m の水質平面分布(2018/2/28 上：DO，下：濁度)(2018/5/25 上：DO，下：濁度)

Sugihara KOKI,Iwakura KEIKO－ 199 －

T-P(mg/L)

4

2
1

湖心

B2

12/1
1/31
4/2
6/2
8/2
図-11 B2 と湖心の T-P の変化

T-N(mg/L)

20
15
10
5

湖心

0
10/1

B2

12/1

1/31

4/2

6/2

8/2

図-12 B2 と湖心の T-N の変化
B2:5/25

湖心:8/206090
硫化水素(mg/L)

120

B2:2/28

0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
0

30

150

図-13 硫化水素分布の変化

4． まとめ網走湖の底層貧酸素改善のため、現地に酸素供給装置を建設し、現地スケールでの運用試験を実施した。
結氷期を含め、通年での継続運転を実施した結果、結氷下においてもDO供給は可能で、結氷により水塊流動が抑制されることで、DOの上昇が明瞭に観測された。
さらに硫化水素の酸化によって生成する固体硫黄を濁度として影響範囲を観測すると約90000 m2に効果が波及していた。融雪後には水塊流動が大きくなるため、効果範
囲が局在化しないためにDOや濁度は低下するが、その影響は広範囲に拡散する結果となった。また栄養塩濃度の低下や硫化水素の40 ％の削減が確認され、吐出標高
において最も酸化が進行した。また、塩水層内の鉛直方向にも影響が波及して底質の酸化挙動も確認されて、特に結氷期において顕著であった。

2)

3)

4)

5)

6)

参考文献
1)

3

0
10/1

標高(m)

湖心と同程度であったが、運転後は濃度が低下しており、継続運転により、湖心よりも低濃度を維持している。
B2 では 5 月 25 日が最大値となるような山型の変化を示
し、結氷期から融雪後に濃度が増加していた。図示期間
中の湖心と B2 の平均値は各々3.2 mg/L、2.6 mg/L であり、約 20 ％の濃度低下となっていた。図-12 の T-N 変化も同様に、B2 では湖心より低濃度であるが、結氷期から融雪期にかけて濃度増加する変動であった。なお、無機態窒素は全てアンモニウム態であり、硝酸態や亜硝酸態は検出されなかった。図示期間中の湖心と B2 の平均値
は各々15 mg/L、12 mg/Lであり、約 20 ％の濃度低下となっていた。WEP の特徴はその場の水塊を吸引して、DOのみを加えるため、希釈は起こらない。よって栄養塩濃度は硫化水素や土粒子の酸化反応に起因して、生成した個体硫黄や酸化された浮遊土粒子に吸着され水中濃度が低下していると推察される。
次に B2 地点における、硫化水素の鉛直分布の変化を
図-13 に示す。結氷中の 2 月 28 日、融雪後の 5 月 25 日の結果および融雪後の 8 月 20 日の湖心での分布を示す。
標高－7.5 mの硫化水素濃度は 2 月 28 日は 44 mg/L、5 月
25 日は 23 mg/L、湖心で 89 mg/Lであった。DO 供給標高の濃度低下が顕著であり、結氷期よりも融雪後の方が硫化水素低下しており、継続運転による影響と考えられる。
さらに湖底付近まで濃度が低下しており、塩水層内（標高－6.0 m～－9.0 m）全体での硫化水素濃度積算値から暫定的に湖心と比較して 36～40 ％の硫化水素の濃度低下が確認された。

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D. H., Jonathan, P.D., Spencer,D.K., Ryan,P.M.,
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