博 士 （ 地 球環 境 科 学 ）山崎学

学位論文題名
Studyonhydrochem
icalprocessesofsubsurfaCeWaterintheni
ValWaterShed（多雪山地流域における地中水の水質形成と流出過程）

学位論文内容の要旨
流域における 水・化学物質循環の研究は，人為起源の汚染や環境変化 が将来的に流域へ及ぼす影響を予測す る上で重要である，特にこの分野では，山地流域における降雨・融雪時の水の流出過程と水質形 成機構を解明することが主要な研究課題の―っとされている．本研究の観測対象である寒冷多雪山地流域では，冬季問に降る雪が解けることなく流域内に積雪として大量に貯留され，融雪期入る と降雨流出に比べ流出量が非常に大きく，その継続期間も非常に長い融雪流出が生じる．このよ うな融雪流出における河川水の水質は，河川に流出する融雪水と地下水それぞれの水量と水質によって決まる．これまでに河川水をnewwater（融雪水起源）とoldwater（地下水起源）の2成分に分離する2成分分離法を用いることで流出過程を調べる研究が多くなされてきた，しかし，降雨流出 の研究に比べて融雪流出の研究は，流域が積雪に覆われていることによる観測の困難さから，融 雪流出時の地中における水の流出経路や水質形成に関して直接観測を行い議論した研究例はほと んどない，そこで本研究では，多雪山地流域の融雪期において，地中水の水質形成と河川への流出メカニズム，それに伴う河川水の水質形成メカニズムについて明らかにすることを目的とした，観測は北海道北部に位置する母子里試験流域（l.
2ktr12)で行った．降水量，積雪下面からの融雪流出量，河川流量が観測され：降水，融雪水，地中水，湧水，河川水が採水され水質データが得られた．このうち地中水は地表面から深さー50cm〜200cmの範囲で河川近傍，斜面域，湧水そばなど様々な地点で採 水された．ここで使われる地中水とは土壌水と地下水の両方を含む言葉である．
また，河川近傍，斜面域，湧水そばにおいて，テンシオメ―タによる地中水流動の直接観測を行った ．観測は2000
年 の融雪期から2004年の融雪期までの5回の融雪期を中心に夏期も含めた様々な期間で行われた，
地中において化学変化が起こらないトレ―サーである酸素同位体比（dlso）と塩化物イオン(CI‑)の湧水・地中水 の濃度変化を調べた結果，流域内にa180とCI‑濃度の安定した地下水が存在することが分かった ．そして融雪水の6 180とcr濃度がそれぞれ―定値となる期間において2成分分離を行った結果．河川水に占めるoldw
aterの割合は融雪期間中，60―90％の間を日変化し，日平均値にすると約・80％で安定して推移することが明らかとなった，この結果は，水質の安定したoldwaterを大量に河川へ流出させるだけの大き な地下水のりザ―バ―が存在することを示唆する．
融雪期間中の大量の地下水がどこからどのように河川に流出しているかを調べるために．テンシ
オメータによる 地中水の流動観測を行った．河川近傍では地下水帯が存在し，地下水の流動は夏― 1560 ‑期の降雨時に河道方向への横向きの流動が起こるのに 対し，融雪期には鉛直上向き成分が非常に大きくなり，地下水の流動量も夏期の4倍になった．また，融雪流出が増加するにっれて．新たに水が湧き出し始めた谷頭部においても地下水流出の寄与が大きかった，逆に流域内の大部分を占める斜面域においては，夏期降雨時だけでなく融雪期においても融雪水や降雨の影響を受けた地中水が地下ヘ降下浸透していることが明らかになった，融雪初期から融雪最盛期にかけて河川水に占める地下水の割合が常に約80％を占めるのは，斜 面域で融雪水が地下に浸透し，その浸透量に対応するだけの地下水量が河川近傍や新たに水が 流出し始めた谷頭部において河川に流出するためと考えられた，河川水の大部分を占めるoldwaterをより詳しく調べるために，地中において風化による化学変化が起こるケイ酸塩(Si02)濃度を用いる，まず，深さ50cm‑‑
200cmで採水された地中水のSi0エ濃度を調べた結果，Si0
エ濃 度がほぼ0mg/Lである融雪水 や降雨が土壌に浸透すると，地中での滞留時間の増加とともに濃度が増加し，最終的にSi
02
濃 度が15mg/Lまで上昇し一定値を示すことが分 かっ た， このS
i02濃度が15mg/Lである地中水の6180は観測期間中ほとんど変化しな かったことから．この地中水は地下水の濃度を示していると考えられる．採水深度が200cmまでなのでこの地下水を浅い地下水した値を示した，そこで，と名づけた．

浅い地下水のS
i02濃度は場所によらず15mg/L
で安定

浅い地下水 のS
i02
濃度を河川水・湧水のS
i0よ濃度と比較した．その結果，水呑み湧水のSi02濃度は15mg/L
で一年中安定した値を示したことから，水呑み湧水は地下水

浅いを起源とする地下水が流出していることが分かった，ー方，河川水・谷局湧水・源流3
湧水

は，流出量が少ない夏季にSi
02
濃度が15 mg/Lを超え，最大25 mg/Lまで上昇した．融雪期に入って流出量が増加すると，河川水の濃度は15 mg/L以下に，湧水の濃度は15 mg/L前後まで低下していた．この結果から，流域内に25mg/L前後のS
i02濃度を持つ地下水が存在することが示唆された．この地下水は15 mg/LのSi02濃度を持つると推測されるため，深い地下水

浅い地下水に対し相対的に深い地下に存在すと名づけられた．融雪期において谷局湧水・源流3湧水の6'80とC
I‑濃度は―定値を示すことから，この2つの湧水への融雪水の混入はないと考えられる．そのため湧水のSi0：濃度低下は，流出量の増加とともにSi02
濃度が高い
低い

浅い地下水

深い地下水からS
i0エ濃度のからの流出に切り替わったことを示唆する，湧水のSi02濃度が融雪期に変化するので，河川に流出する地下水(oldwater)のSi02濃度も変化すると推測される，そこで6180とCI‑濃度を用いて行われた2成 分分離の結果からold w
aterとnew w
aterの流出量を使い，oldw
aterのSi02濃度を見積もった，この時，new waterのSi02濃度は3mg/Lとおいた．その結果，融雪期間における河川水のSi02濃度低下の大部分は，oldwaterのSi02濃度低下によって引き起こされていることが明らかとなった，また，oldwaterのSi02濃度はoldwaterの流出量の増加と伴に濃度が低下し，流出量が0.08rr13/sを超えるとS
i02濃度は14.
5mg/Lで安定した値になることが分かった．
すなわち，河川に流出する地下水(oldwater)の起源においても，流出量の増加に伴い水から浅い地下水

大出水時に深い地下へ切り替わることが明らかになった．

浅い地下水が河川水の水質に大きな影響を与えるという水文化学プロセスは，本研究サイトのような多雪地域の融雪流出を研究することで初めて明らかになった重要な結果である，多くの流域における水・化学物質循環を解明する上で，深い地下水 と 浅い地下水 という2種類の地下水と河川水の水質との関係を調べる，という新しい着目点を本研究は提示したと言える，

学 位論文審査の要旨
主査
副査
副査

助教授 石川信敬
教授 福田正巳
教授 杉本敦子

副査

教授 鈴木啓助（信州大学理学部）

学位 論 文題 名
Study on hydrochemical processes of subsurface waterin the nival watershed（ 多雪 山地 流域 にお ける地中水の水質形成と流出過程）

流t tr
こ おけ る水・化学物質循環の研究は、 人為起源の汚染や環境変化が将来的に流域´＼2曼ぼ す影響を予測する上で重要である。特にこの分野では山地流喊における降雨・融雪時 の水 の流 出過 程 と水 質形 成機 溝を 解明 する こと が主 要な 研究 課題のーっとされている。これまでは融雪水流出の研究は 、河川水をneWwater（融雪水起源）、とoldwater（地 下水 起源 ）の 2成分 に分 離す るこ とが主 であり、融雪水の地中における水質形成や流出 経路 に関 する研究はほとんどない。本研 究では多雪山地流域の融雪期において、地中水 の水 質形 成と河川への流出メカニズム、 それに伴う河川水の水質形成メカニズムについて明らかにすることを目的として いる。
観 測 対 象 流 域 に 北 海 道 北 部 母 子 里 試 験 流 域 （ 1． 2km2)を 選 び 、 2000年〜 2004年の 5
融雪 期を 中心 に、降水量、河川流量、融雪水 量の連続測定と降水、融雪水、地中水、湧水、 河川 水の 水質解析を行った。なおここで 使われる地中水とは土壌水と地下水の両方を含む言葉である。まず河川水の精度 良レヽ成分分離のためのトレーサー探しを行い、融雪前 期に は酸 素同 位 体比 （8180)、融 雪最 盛期 に は塩 化物 イオ ン(Cl‑)が指標になる事を 見 出 し た。 また 流域 内に は6恥 とCl瑚渡 の安 定し た地 下水 が存 在す るこ と、 及ぴ 河
川水 に占 める old waterの割 合は 日平 均値で 約80％であり、この値は融雪期を通して安定し て推 移す るこ と を明 らか にし た。 これは水質の安定したold wa
terを大量に河川へ流出 させ るだ けの大きな地下水のりザーバー が存在することを示唆する。さらにテンシ
オメ ータ によ る地中水の流動観測から地下水 の流出経路を調べ、夏期の降雨時には地下水は 河道 方向 に対して横向きの流れであるが 、融雪期には鉛直ヒ向きの流動となり地下水の 流量 は降 雨時 の 4倍 にな るこ とを 示した 。一方、流域斜面域に茄いては、夏期降雨
時 と 同様 に 融 雪 水は 地下へ 降下 浸透し てい ること が明 らかに した 。
次 に 地 中に おい て化 学変 化が 生じ るケ イ酸 塩(Si02)濃 度を 用い てold waterの挙 動を調 べた 。深 さ50cnr 200cmに茄ける地中水のSi02
濃度変化から、Si02
濃 度がほば0mg/L
で あ る 融 雪水 が地 中浸 透し た後 、地 中水 のSi0濃度 は噌 加し 最終 的に 15mg儿の 一定 値― 1562 ‑を 示すこと が分かっ た。Si02
濃 度が15mg/Lである 地中水 の6180が、融 雪期間 中ほとん
ど 変化しな かったこ とから 、この地 中水は 地下水と 考えら れ、採水 深度が200cmまで と浅い のでこの 地下水 を 浅い 地下水 と名づ けた。 浅い地 下水 のSi02濃度と湧水のSioz
濃 度の比較 すると 、谷頭湧 水では S
i02濃度が15mg/L
で一 年中安定 した値 を示した
こと から 浅 い地下 水 を起 源とする 地下水 流出であ ること が分る。一方、河川水、河川 近 鰯勇 水 、 源流 湧 水 では 、 流 出量 が 少 ない 夏 季 にSi0濃 度が 15mg／ Lを超 え 最 大25mg儿ま で 上 昇し た こ とか ら 、 流曦 内 に 25mg儿前 後 の Si02濃 度を 持 っ 地下 水 が 存笛 ナ
る こ とが 示 唆 され た 。 この 地下 水は15mg
儿 のS
i02濃度 を持っ 浅い地下 水 に 対し、相対 的に深い 地下に 存在する と推測さ れるた め 深い 地下水 と名づけられた。融雪期に 流出量が 増加する と河J11水の濃 度は15
鵬 儿以下に 、河川 近傍湧水 や源流 湧水の濃 度も 15mg儿 前後 ま で 低下 し た 。し か し 融雪 期 に おい て も 湧水の 6
恥と Cl―濃度 は一定値を示 すことか ら、こ の湧水へ の融雪水 の混入 はないと 考えら れる。そこで河川近傍湧水や源 流湧水の S
i02濃度低 下は、流 出量の 増加とと もに、 S
i02濃度の高い 深い地下水
か ら、濃度 の低い 浅い地 下水 の 流出に 切り替わ ったと 推測した 。次に2成分 分離の結 果 を 用 い て oldWaterの Si02濃 度 を 見 積 も る と 、 oldwa
terのSi02
濃度はoldwaterの 流出量の 増加と伴 に低下 し、流出 量が0．08
n13/sを超え ると14．5mg儿で 安定した 値に な るこ と が 分か っ た 。す なわ ち，河 川に流出 する地下 水く01dWater） の起源 においても 流出量の 増加に 伴い 深 い地下水 から 浅い地 下水 ヘ切り替わることが明らかに な った 本 研 究は 浅 い地 下水 が河 川水の水 質に大き な影響 を与える という 、融雪
水の 河川流出 に関す る水文化 学プロセ スを初 めて明ら かにし たものであり、多くの流域に おける水 ・化学物 質循環 を解明す る上で ， 深い 地下水 と 浅 い地下水 とい う2
種 頃 の 地 下 水 と 河 川 水 の 水 質 と の 関 係 を 調 べ る と い う 新し い 着 目点 を 提 示し た 。
審査 委員一同は、これらの成果を高く評価し、また研究者として誠実かつ熱心であり、大学 院博士課 程にお ける研鑽 や取得単 位など もあわせ 、申請 者が博士（地球環境科学）の学 位を受け るのに 充分な資 格を有す るもの と判定し た。