地球環境研究,Vol.6(2004)

熊谷市の地下水涵養量の推定
小川進＊

齋

藤恵



介＊＊

＃村毅＊

弘

キーワード：雨水浸透ます､ GIS､ リモートセンシング､ 地下水涵養､ 湧水

１. はじめに

３. 方法

都市化に伴う不浸透域の増加は､ 都市型水害､ ヒート降水量､ 蒸発散量､ 浸透量､ 流出量､ 上下水道漏水量

アイランド､ 湧水の枯渇の原因となっている｡ こうしたから地下水涵養量を土地被覆ごとに求め､ 町丁目単位で水環境の悪化に対処すべく､ 雨水浸透ますの設置等の流集計した｡

域対策がとられている｡ そこで本研究では湧水の枯渇や地下水位低下への対策として､ 雨水浸透施設の最適配置

３−１. 土地被覆分類

を GIS やリモートセンシングを用いて検討することとLandsat-TM データを用いて土地被覆分類を行った｡

した｡ 今回はまず土地被覆分類と土壌試験を含めた水文Landsat-TM データを用いて土地被覆分類を行う場合､解析結果より､ 現況の浸透量の推定を試みた｡

１時期のデータから水田等を精度良く抽出することは困難である｡ そのため表１に示す農繁期と農閑期の２時期のデータを用いて教師つき分類を行い､ 森林､ 水田､ 畑

２. 対象地域地､ 草地､ 市街地､ 水域､ 裸地に分類した｡ 各土地被覆

対象地域である埼玉県熊谷市は新荒川扇状地に位置しの面積率を表２に示す｡ており､ ここを流下する表層水が伏流水となって浸透する地域である (図１)｡ 現在､ 約16万の人口を抱え､ 県北の中心となっている市である｡

３−２. 農業用水量および降雨量
農地 (水田､ 畑地) では５月から10月までの農繁期に大量の水を消費する｡ 熊谷市の水田でも６月半ばから９月にかけて約3,000mm の水が灌漑用水として使用される｡ このうち､ 浸透量は15−25mm/day (中澤､ 1991)であり､ 農繁期総浸透量は約2,000mm と推定される｡
よって水田については降雨による浸透量に農業用水の浸透量として2,000mm を加えることにした｡ 同様に畑地では400mm の水が農業用水として使用されるため､ こ

表１

使用データ諸元Landsat−TM: Path＝107, Row＝35
1997／２／25 (農閑期)
1997／８／４ (農繁期)

表２

図１

研究対象地

土地被覆率 (％)

水 田

畑 地

森 林

草 地

裸 地

市街地

水 域

31.2

12.8

2.6

4.1

3.9

44.9

0.4

＊

立正大学地球環境科学部
立正大学大学院地球環境科学研究科学生 (現 国際航業株式会社)＃
2003年度立正大学大学院地球環境科学研究科オープンリサーチセンター業績＊＊25熊谷市の地下水涵養量の推定 (小川・斎藤・村)の値を考慮して計算を行った｡

    ………………………… 

なお､ 計算に用いた年間降雨量は熊谷気象台の10年間(1991〜2000年) の記録の平均値､ 1,310mm とした｡

ここで､  ､  ：有効毛管駆動圧､ ：粘性補正因子  である｡  及び３−３. 浸透量および流出量

より導く以下の式で求める｡

土地被覆ごとに土壌サンプルを採取し浸透試験を行う

    ………………………

ことで､ 土地被覆ごとの浸透能を算定した｡
浸透能を表現するには､ 浸透方程式があるが鉛直一次
元浸透では土壌中の浸潤前線 (wettingfront) に Darcy

土地被覆ごとの浸透能より積算浸透量を算出し､ 以下の式より流出率を算定した｡

則を適用した Green と Ampt (1911) による次式があ……………………………………

    …………………………… 

：湿潤深さ､ ：毛管吸引圧 (＞０) である｡ ところ  る｡

ここで､ ：浸透能､ ：飽和透水係数､ ：湛水浸､は Campbell 式 
 …………………………………

：流出率､

ここで：一雨降雨量､

：一雨積算浸：年間降雨量である｡

透量､



で､ 浸透現象を三次元的に蒸発まで含めて記述するには､
一 般 的 に は Darcy 則 を 不 飽 和 浸 透 ま で 拡 張 し たRichards の式が用いられる｡
   ……………………………… ３−４. 蒸発散量
ペンマン法 (1948) により蒸発散量を算定し､ 土地被覆別地下水涵養量を推定した (Brutsaert, 1982)｡  
 …………………………………… 

ここで､ ：体積含水率､ ：不飽和透水係数､ ：総ポテンシャル､ ：深度､ ：マトリックポテンシャ   ………

…………………………………………
  ルである｡ Philip (1957) は Richards (1952) の式を一様な一次元､ 半無限土壌カラムに適応して､ 次の近似



解を得た｡
 
 …………………………………  ………………………………………   

ここで ：吸収能､ ：定数である｡ しかしながら

Richards の式を実際に数値解析で使用するには､ 一般



的には土壌水分特性をあらかじめ実験的に求めていなけ

ここで､ればならない｡ たとえば Campbell (1974) の次の実験  ……………………  





…………………………………  ……………………………………… 
：蒸発散量､､  
､：有効エネルギー (mm/day)､ ：

風関数 (mm/day)､ ：平均風速 (m/s)､式を必要とする｡
 
 ……………………………………  

………………………………… 

水蒸気圧 (hPa)､



：飽和

：水蒸気圧 (hPa)､  ：正味放射量 (W/m )､ ：蒸発潜熱 (＝2.454×106J/kg)､ ：
2短波長放射量 (W/m2)､：アルベド､ ：下向き長波 長 放 射 量 (W/m ) ､  ： 上 向 き 長 波 長 放 射 量2

ここで  ：空気エントリー値､ ：飽和体積含有率､(W/m2 )､：定数である｡ Philip 式  は Green-Ampt 式と等価係数､：表面消散係数 (＝0.97)､

：大気消散：ステファン・ボルツマン係数 (5.67×10−8であるので､ 次のように変換することができる｡ (小川・Wm−2 K−4 )､ ：気温 (K)､ ：地温 (K) である｡

和泉､ 1990)

なお､ 土地被覆別アルベドは､ Kotoda (1986) の値を26 
 ……………………………… 用いた｡

地球環境研究,Vol.6(2004)

図２

水田

畑

土地被覆分類図表３

飽和透水係数 (cm／s)

地

林

森

草地

裸地

1.8×102 1.6×102 2.6×102 3.5×103 1.9×102

表４
水田

畑

図３

地

森

市街地

表５
水域

−

水−

田

畑0

地

林

草

地

裸地

森

0

吸収能 (cm／s1/2)

1.3×102 5.0×102 3.0×102 7.6×103 8.3×103

−

水域

水−

３−５. 上下水道の漏水量
上下水道の漏水量を町丁目ごとに求めた｡ 上水道の使用量は､ 人口あたり366l/day である｡ したがって､ 町

田

畑

954

地835

林

流出率 (％)草0

表６
市街地

年間蒸発散量分布図

森

地

裸0

地

市街地

0100

水域
0

年間蒸発散量 (mm)
林
970

草地
908

裸

地

市街地

783781

水域1,023５に示す｡ 市街地以外の土地被覆では飽和透水係数が10−2 cm/s のオーダーと非常に高いため流出率は０と推定された｡

丁目ごとの人口より使用量が求まり､ 無効水率10％から年間蒸発散量の推定結果を表６及び図３に示す｡ 土地漏水量が算出される (熊谷市水道部､ 2002)｡ 下水道は被覆ごとの差は顕著であるものの､ 町丁目ごとの集計でほぼ上水道の使用量に相当し､ 漏水率も同程度と考えらは800mm 台前後と､ 地域による差は小さい傾向となっれることから､ 上水道の漏水量と同じく10％とした｡

た｡
漏水量分布図を図４に示す｡ 水道管は人口の多い市街

４. 結

果

熊谷市の土地被覆分類結果を図２及び表２に示す｡ 市地に集まるため､ 必然的に市街化率の高い中心部の町丁目に漏水量が集中している｡ 蒸散量と比べると収支全体に対する絶対量は小さい値にとどまった｡

街地が５割近くを占め､ 市の半分が不浸透域であること以上の結果より年間地下水涵養量を求めた｡ 結果を表が読み取れる｡ また､ 市の北部や荒川南岸の水田地帯に

７及び図５に示す｡ 市の中心から離れた地区は雨水浸透休耕田が見られ､ 減反による水田面積の減少が認められに加え､ 水田灌漑による浸透が大きく影響していることた｡

が読み取れる｡ 一方､ 市街地が集中している地区では､土壌試験により土地被覆ごとの飽和透水係数､ 吸収能を求め浸透率を算出した｡ それぞれの結果を表３､ ４､

降雨はほとんど流出してしまい､ 地下浸透は上下水道の漏水によって成り立っていることが明らかとなった｡

27

熊谷市の地下水涵養量の推定 (小川・斎藤・村)

図４
表７水田2,956

畑地875

年間漏水量分布図

図５行い､ これをもとに水文解析から熊谷市の町丁目ごとの年間地下水涵養量 (mm)
森

林
340

草地402

裸地

市街地

527

108

年間地下水涵養量分布図

水域

雨水浸透量分布図､ 蒸発散量分布図､ 地下水涵養量分布287

図を作成した｡ これらの分布図は雨水浸透施設設置の計画に利用できるものである｡ 熊谷市の湧水量の減少は宅５. 考

地開発と減反による水田面積の減少が主な原因である｡

察

浸透施設の設置だけでは､ 限界があることを銘記する必本研究の結果から町丁目ごとの水収支の傾向が明らか要がある｡となった｡ 特に市の中心部での浸透量の低さが顕著に表れた｡ こうした市街地の水循環を改善するためには､ 雨
2

水浸透ます設置が有効である｡ 60m の屋根面積に対し3て､ 50mm/h の降雨を仮定すると､ ３m /h の流出であり､ 浸透ますの標準処理量1.6ｍ3/h から２基で十分対応できる｡ しかし市街地面積は38.2km2であり､ 雨水浸透ます２基で100ｍ 2 の敷地をカバーすれば､ 765,000基が参考文献
１) Brutsaert, W., Evaporation into the Atmosphere,
Kluwer Academic Publishers, 1982.
２) Kotoda,K.,

Estimation

ofriverbasin

evapotranspiration, Environmental Research Center Papers, University of Tsukuba, 8, 1986.
３) Green, W.H. and G.A. Ampt, Studies on soil physics, 1,必要となる｡ 効率よく浸透施設を設置するには､ 透水性The flow of air and water through soils, J. Agr. Sci., 4, 1,舗装等の設置も検討しなければならない｡ この計算で明

pp. 1−24, 1911.

らかなように､ 熊谷市の湧水量の減少は宅地開発と減反による水田面積の減少が原因である｡ したがって､ 浸透施設の設置だけでは､ 以前の湧水を取り戻すことには限界があることも銘記する必要がある｡

４) Richards, L.A., Capillary conduction of liquids throughporous mediums, Physics, 1, 318−333, 1931.
５) Campbell, G.S., A simple method for determining unsaturated conductivity from moisture retention data, SoilSci. 117, pp. 311−314, 1974.
６) Philip, J.R., The theory of infiltration: 4. Sorptivity and

６. 結論

algebraic infiltration equations, Soil Sci.,84, pp. 257−264,1957.

熊谷市の水循環の改善に雨水浸透ますの設置が計画さ

７) Penman, H.L., Natural evaporation from open water,

れている｡ この効果を最大限に生かすための基礎的な解

bare soil, and grass, Proc. Roy. Soc. London, A193, 120−析を行った｡ すなわち､ 衛星データから土地被覆分類を

146, 1948.

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地球環境研究,Vol.6(2004)

８) 小川 進・和泉 清, 流域の浸透パラメータとその評価法,
土木学会論文集, 第423号, pp.121−129, 1990.

９) 熊谷市水道部, 平成13年度水道事業年報, 2002.
10) 中澤弌仁, 水資源の科学, 朝倉書店, 1991.

要旨

都市化に伴う不浸透域の増加は､ 都市型水害､ ヒートアイランド､ 湧水の枯渇の原因となっている｡
こうした水環境の悪化に対処すべく､ 雨水浸透ますの設置等の流域対策がとられている｡ そこで本研究
では湧水の枯渇や地下水位低下への対策として､ 雨水浸透施設の最適配置を GIS やリモートセンシングを用いて検討することとした｡ 今回は土地被覆分類と土壌試験を含めた水文解析結果より､ 現況の浸透量の推定を試みた｡ まず､ 流域の浸透パラメータの簡便な推定法を導出した｡ すなわち､ フィリップ式の２項を浸透計で実験的に求め､ グリーン・アンプト式の項に対応させ､ キャンベルの土壌水分特性の実験式から全てのパラメータを同定した｡ 本研究は､ 熊谷市での浸透実験の実測値や土壌の特性値をもとに､ 流域浸透事業の方向を検討した基礎的な研究である｡

Groundwater Recharge Estimate in Kumagaya CitySusumu OGAWA＊, Keisuke SAITO＊＊, and Hiroki TAKAMURA＊＊

Faculty of Geo-environmental Science, Rissho University, ＊＊Graduate School Geo-environmental Science, Rissho University

We derived a simple evaluation method for groundwater recharge estimate with GIS inKumagaya City. The Philip's two-term equation was available for infiltration parameters. Eightkinds of infiltration tests were carried out for each 1-km by 1-km mesh in the city. From satellitedata, a land cover classification map was obtained. For each land cover, rainfall, runoff, andevapotranspiration were calculated. Rainfall was averaged for ten years at Kumagaya Meteorological Station. Runoff was derived from rainfall and Philip's infiltration parameters each land
cover. Evapotranspiration was calculated with modified Penman's equation from the meteorological parameters. Finally, groundwater recharge was estimated each town in the city.

Keywords: infiltration pit, GIS, groundwater recharge, remote sensing, seepage

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