河川におけるDOシミュレーション
研究第三部 主任研究員
日本建設コンサルタント㈱㈱建設技術研究所

中川 芳一*
小池 達男*
大久保秀一*

15の水質成分とは、DO、BOD、水温、クロロフィルa、有１．
はじめに機態窒素、アンモニア性窒素、亜硝酸性窒素、硝酸性窒

正常流量は河川における流水の正常な機能を維持す

素、無機態リン、溶解性リン、大腸菌群数、任意の非保存るために必要な流量であり、適正な河川管理のため設定性物質、および３つの保存性物質である。モデルは支川される。正常流量の設定において考慮すべき事項の１つも含めた河川網に対しての適用が可能である。物質の輸に流水の清潔の保持があり、河川水質を良好な水準に保送に関しては縦断方向の移流と分散が考慮されている。

つことが要求される。この河川水質を代表する水質項目

QUAL2Eは定常モデルとしても非定常モデルとしてとして、従来からBOD（生物化学的酸素消費量）が用いも使用できる。ただし、河川の流量や流入負荷量は定常られることが多かった。しかし、BODは有機汚濁の状態条件での計算に限られ、非定常での計算はできない。非を表す指標であり、水質面からの障害を直接もたらすも定常モデルでは、気象データを非定常で与え、気象条件のではない。このため、河川の生態系等への影響を表すに対応した水質の日間変動等を計算するものである。
シミュレーションは芦田川の八田原ダムから河口堰ことのできる水質指標が求められる。

までの44kmの区間を対象とし、計算距離ピッチは１km

DOは水中の溶存酸素量を表す指標であり、河川におとし、対象区間のモデル化を行った。

ける生物の生息への影響を直接表す指標となる。溶存酸素の不足による魚貝類の酸欠死は水質事故として扱われ、特に貝類や卵、稚魚等の遊泳力の小さい水生生物に３．
モデル定数の同定とって酸素不足は致命的である。また、自浄作用の確保モデル定数の同定は定常状態で行った。

等の水質環境の維持や利水にとっても溶存酸素は重要

本稿の目的は河川流量が低下した状況下におけるDOな項目となる。
このため、本稿では、水質からみた必要流量の設定のをシミュレートし、流量とDOとの関係を定量把握する情報とするため、渇水時のDOのシミュレーションを行ことである。このため、厳しい渇水であった平成６年７い、流量とDOとの関係等について検討した。

月を計算対象期間とし、河川縦断方向に同一日定期水質調査の実施されている７月13日を対象日として、当日の水文、気象条件のもとで、計算水質が実測水質に適合す

２．
水質シミュレーションモデル

るよう試行計算によりモデル定数の同定を行った。定数
同定後のシミュレーション結果を図−１に示す。定常状

シミュレーションモデルとしては米国のEPAを中心

態では、おおむね実測結果を再現できた。

として開発されたQUAL2Eを用い、中国地方の一級河川また、定常状態で同定したモデル定数をもとに非定常である芦田川を対象としてシミュレーションを行った。

状態での再現計算を試みた。

シミュレーションモデルとしてQUAL2Eを採用した

水温の再現結果を見ると、日間の水温差はほぼ再現でのは以下の理由による。

きているが、計算値は実測値より１〜２℃程度高くなっ・汎用性を持ったモデルの開発を目的として作成されている。DOについては、実測値が日中が９mg/l以上、夜たものである。

間が４mg/l未満と昼夜で５mg/l以上の濃度差を呈して・ソースプログラムやドキュメントがインターネットいるのに対し、計算値は昼夜の濃度差が２mg/l程度に上で公開されている。
・欧米を中心に適用事例が多くある。

とどまっている。これは、本モデルが順流部を対象とし・一般に公開されていることから機能の追加などのバた河川水質シミュレーションモデルであるのに対し、芦ージョンアップがさまざまな研究者によって行われ

田川は河口部に堰を有し、そこで河川水が湛水し、植物ている。

プランクトンの活動に適した環境となっており、河川内QUAL2Eはアメリカ合衆国のEPAが中心となって開での昼夜のDO生産消費活動（主に光合成と呼吸）が計算よりも活発であったためと考えられる。

発した非線型の水質モデルであり、15の水質成分の中かこのように非定常状態での水温、DO濃度の値の再現らユーザーが選んだ水質項目を計算することができる。
＊前リバーフロント研究所長

24河口からの距離（km）
43

流量、取水量（m3/s）

641393733

31292725

2321

191715131197

府中

大渡橋

5435

5

31

河道内の水収支
取水、流入

上戸手
宇津渡川

矢野原

設定流量

前原

3 下流
2出口
川

10

父
石 御大 調井 川
手堰-1-2-3

五ケ
村
用
水神
砂 谷
川 川

服部
川

府 六
中 地
市 蔵
上 用
水 水

井溝

有地
川

中津原
森脇
七社

瀬戸

山手
草
高屋 出 戸
川 原

中津原

三ヶ瀬
用
水

河口
堰

45
40

水温35

計算値
実測値

山手橋
0：00 12：00

30
25
20
15

大渡橋 7：40府中大橋 8：09

上戸手 8：45

小水呑橋
10：51

6：00

中津原 5：40

宇津渡川下流 7：00

105DO（mg/l）

044 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 11412DO

計算値
実測値

12：00
府中大橋
8：09

1086

宇津渡川下流
7：00

6：00

大渡橋 7：40

4

中津原 5：40

2BDO（mg/l）

0

小水呑橋 10：51

上戸手
8：45

山手橋 0：00

44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

10
山手橋 0：00
計算値
BDO
9
実測値
87612：00
小水呑橋510：51
436：00
中津原 5：40
宇津渡川下流上戸手 8：45
府中大橋
2大渡橋 7：40
7：00
8：09
1044 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

河口からの距離（km）

図−１

再現計算結果（定常状態）性には問題があるが、当モデルにより水温、DOの日周の上流の流量、水質条件のもとでの渇水時水質シミュレ変化の傾向を把握することは可能である。

ーション（定常状態）を行い、流量とDOの関係、流下に伴うDOの変化、水温変化のDOへの影響について検討した。

４．
水質シミュレーション
３．で同定したシミュレーションモデルにより、種々
25

14DO
12DO（mg/l）

10

流量＝3m3/s

流量＝5m3/s

流量＝7m3/s

流量＝11m3/s

流量＝50m3/s

8642044 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

河口からの距離（km）

図−２

４−１

上流端流量を変化させた時の予測結果

地点（９km）では流量が５m3/s以下でDOが逆に高くな上流流量条件による水質変化っており、他の２地点と傾向を異にしている。これは、前述した河口堰での湛水の影響によると考えられる。

上流端流量（八田原ダム放流量）を変化させた時の予測計算結果を図−２に示す。

４−２

17kmよりも上流部では流量が少ないほどDOが低く上流水質条件による水質変化

上流端DO（八田原ダム放流DO）を変化させた時の予なり、DOと流量との間には相関がみられる。しかし、測計算結果を図−４に示す。

17kmよりも下流では流量が３m3/sのとき一時的にDOが高くなる区間が存在する。これは、流量が少ないほど上流端DOの影響を受ける区間は流下距離約８kmま流下過程における再曝気等の影響を大きく受けるためであり、それより下流には影響が及ばない。上流端DOと考えられる。また、河口堰近くでは、流量が３m3/s〜が10mg/lのときは過飽和の状況にあり、流下過程でDO11m3/sの範囲で、流量が小さいほどDOが高くなっておは消費される。一方、５mg/l、３mg/lの時は再曝気でDOり、これは水中での植物プランクトンの生産活動が影響が供給される状況がシミュレートされている。
また、上流端水温（八田原ダム放流水温）を変化させしているためと考えられる。

た時のDOの予測計算結果を図−５に示す。

主要地点における流量とDOとの関係を図−３に示す。上戸手地点（21km）と中津原地点（14km）では流量

上流端水温によるDOへの影響は、水温変化の影響がの増加に伴いDOも増加する傾向が見られるが、山手橋及んでいる14km（流下距離30km）付近までの区間でみDO（mg/l）

られ、水温が高いほどDOは低くなっている。これは水9.0

温が高いほど飽和溶存酸素濃度低くなり、かつ水中での8.0DO消費が盛んになることによるためと考えられる。

7.0

なお、上流端BOD水質、および支川からのBOD流入負6.0

荷量を変化させた場合の予測計算も行ったが、DOへの5.0影響はほとんど見られなかった。

4.0
3.0
2.0

山手橋

河口から9km

中津原

河口から14km

上戸手

河口から21km

５．
おわりに上戸手 近似曲線1.0

中津原 近似曲線

水質からみた必要流量の設定の情報とするため、水生0.001020304050

生物の生息等への影響を直接表す水質指標であるDOの60流量（m3/s）

図−３シミュレーションを行った。水質モデルとしてQUAL2Eを用い、芦田川を対象として渇水時の水質シミュレーシ

流量とDOの関係

261412DO=3.0mg/l

DODO=5.0mg/l
DO=10.0mg/l

DO（mg/l）108642044 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

河口からの距離（km）

図−４

上流端DOを変化させた時の予測結果

1412

水温18℃

DO

水温22℃
水温28℃

DO（mg/l）108642044 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

河口からの距離（km）

図−５

上流端水温を変化させた時のDO予測結果

ョンモデルを同定した。同定された水質シミュレーショ域では滞留時間が長いことから水中での生産・消費活ンモデルにより、種々の流量、水質条件のもとでの渇水動がより活発となることによる。このため、本モデルと時水質シミュレーションを行い、流量とDOの関係、流湛水域を対象とした水質モデルとを組み合わせること下に伴うDOの変化、水温変化のDOへの影響について検が考えられ、これは今後の課題とする。

討した。

最後に、本研究に際し有益な御助言を頂いた土木研究

主要な成果をまとめると以下となる。

所下水道部田中水質研究室長、建設省河川局河川環境課

1）作成した渇水時の水質シミュレーションモデルによならびに中国地方建設局福山工事事務所調査設計第一り、定常状態では実測結果を再現でき、非定常状態でも、課の各位に謝意を表します。

DO濃度の再現性には問題があるが、日周変化の傾向は再現できる。

【参考文献】

2）この水質シミュレーションモデルを用いて種々の流量条件や気象条件のもとでのDOを予測することがで

1）財団法人リバーフロント整備センター：芦田川河川

き、河川の生態系等への影響を考慮した水質からの必要

水環境検討業務報告書、1999年３月

流量設定のための情報を得ることができる。

2）中川芳一、大久保秀一、小池達男：河川におけるDO

一方、モデルの限界として、本モデルでは湛水域でのシミュレーション、リバーフロント研究所報告、第10夏季DOの上昇が十分に再現できない点が挙げられる。

号、PP64−74、財団法人リバーフロント整備センター、

これは本モデルが順流部を対象としたものであり、湛水

1999年10月
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