京都大学防災研究所年報 第 56 号 B 平成 25 年 6 月
Annuals of Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., No. 56 B, 2013

統一水質指標の適用と汚濁負荷量に関する研究−−ライン川を対象として—Comparison of Water Quality Indices and Flux -Applying to Rhine River-

寺本智子(1)・山敷庸亮・寶馨
Tomoko TERAMOTO(1)， Yosuke YAMASHIKI and Kaoru TAKARA(1)

京都大学大学院工学研究科(1)Department of Civil Engineering， Graduate school Engineering， Kyoto UniversitySynopsis
A composite index is developed to assess source water quality at global scale. In thisstudy we have testified application of WQ indices developed by GEMS/Water Program.
The approach for development was three-fold: (1) to select guidelines from the World
Health Organization that are appropriate in assessing global water quality for humanhealth， (2) to select variables that have an appropriate guideline and reasonable global
coverage， and (3) to determine， on an annual basis .The developed index includes
frequency and extent to which variables exceeded their respective WHO guidelines， ateach individual monitoring station.

キーワード: GEMS/Water， 水質， 統一水質指標
Keywords: GEMS/Water， Water quality， Global Water Quality Indices1.

はじめにの危機に備えるために質的なアセスメントを行うことのできる指標が必要であると考えた．質的なアセ

国連教育科学文化機関（UNESCO）の“World Waterスメントを行うためには，共通の水質項目の計測をResources at the beginning of the 21st Century'”による行い，さらに統一した計測方法，同程度の頻度で水と人口増加によって水需要が増加するといわれてい質を計測する必要がある．しかし現状は国ごとに水る．

質測定項目や頻度が異なっており，国境をまたぐ大一方，水の供給面に関しては気候変動による水資

陸河川において水質を比較することは容易ではない．

源の偏在化，そして水質汚濁による水供給量の減少

そこで本研究では複数の指標に対し統計分析を行いが今以上に深刻になると推測されていて，今後水の統一指標の算出を行った．

需要量と供給量の不均衡が生じ，世界の水問題が危水質状況を統一した指標で表すことで，複数の指機的な状況となる可能性が高いといわれている．

標で水質状況を比較するよりも統括的・明示的に水しかしこのような状況に対して水の量的なアセス

質状況を把握することができるという利点がある．

メントは十分に行われているが，質的なアセスメン

このことにより，河川管理政策を効率的に行うことトは十分であるとは言えない．このような将来の水ができると期待される．

― 97 ―

現在，GEMS/Waterではこの水質指標開発に取り組

German Frontierんでいるが，現在開発されている統一指標は環境変化による基準を超えた指標の数，基準を超えた値の総数，またその基準を超えた値と基準値の幅が変化した場合に，統一指標がどの程度の影響があるのかMainzを定量化を行っていない．そのため，基準を超えた指標の数，基準を超えた値の総数，またその基準をMaxau

超えた値と基準値の幅に関して統一指標がどのように変動するか判断するのが難しい．

Rekingen

そこで本研究では，ライン川を対象とし水質を統Fig.1 Study Area一指標で表し，また求められた統一指標を用いて各水質パラメータが統一指標にどのような影響を与えるのかの感度分析を行い，変動の幅がどのように統3.研究方法

一指標に影響するのかを推測することを目的とする．

3.1

全球統一指標（ WQI）

これによって，不確実な事象に対して，統一指標がどのくらい変動するのが推測することができ，こ(1) Water Quality Index(WQI)とはれにより，土地利用変化，人口変化などの外的要因

GEMS/Waterで開発されている水質の評価を行うが統一指標に影響するのかが判断できるようになる

ための統一指標である．また複数の水質項目を設定ことが期待できる．

した基準（例えばWHO水質基準）に対して変動値の項目数・頻度・幅を統計的に解析し，一つの指標に

2.

研究対象河川したもので，多項目を総合した水質汚濁の程度が，客観的・直観的に明示されることができることがこ

本研究対象河川は，ヨーロッパのスイス・フランの指標の特徴である．

ス・ドイツ・オランダを流れているライン川である．
ライン川は水運が発達し，その内陸水路と豊富な(2) WQI算出方法

地下資源によってライン川流域の経済的，人口的に正確な統一指標を算出するためには，算出する前発展していった．しかし，ライン川の水質は流域のに基準の選択・適切な水質項目をえらばなければ，人口増加や工業化によって，1970年代にはヨーロッならないために，最初に基準，水質項目の抽出を行

パの下水道と言われるほど水質は悪化していた．こい，最後にWQI算出を行う．のような状況に対しライン川汚染防止国際委員会に関する協定（1963年），ライン川塩化物汚染防止条約（1976年），ライン川化学汚染防止条約(1976年)などの国境をこえた対策がおこなわれていたが，いずれも効果があったとはいえない．しかし，1986 年にスイスのサンドスで起きた化学工場火災に伴う水質事故を契機に，ようやく国際委員会による本格的な取組みが始まり｢ライン川行動計画｣を立案した．その結果，1980 年代の終わり頃から，ライン川の環境は衛生上良質な例に挙げられるまでに回復した．

Table.1はWHO飲料水基準とEU，アメリカ，そして日
本における水質基準を比較したものである．
本研究では，ほぼすべての水質項目に対し，基準を設定しているWHO飲料水基準を用いた．
次に水質項目・水質地点・対象年度の選択方法を行う．これは指標算出するための水質項目を選択することで自動的に決めることができる．この研究では，世界の水質測定項目の 20％が計測している水質項目を WQI の算出に使用する水質項目とした．その本研究では，対象河川をライン川とし，その中から4か所をWQI算出のとして選んだ．その4地点は上流から，スイスのRekingen，ドイツのMaxau，Mainz，オランダのGerman Frontierである．この対象地点4か所の位置をFig.1に示す．

は じめ に， 比較 対象 とな る水 質基 準を 決め る．

水質項目を Table.2 に示す．
WHO飲料水基準では， 水質測定項目を“許容”，“健康”，“微生物”のカテゴリーに分類している．このカテゴリー分類を利用し，総合的なWQIだけでなく“許容WQI（以下AWQI）”，“健康WQI（以下HWQI）”のといった目的に応じた統一指標の算出も行うことができる．

― 98 ―

基準を超えた水質項目数

Table.1 Comparison of WHO drinking water guidelines100

総水質項目数for selected parameters against guidelines from theEuropean Union (EU)， United States (USA EPA) andJapan(2)

またF2は，基準を超えた水質計測数の割合を表し，式(3)で与えられる．
基準を超えた計測数
総計測数

100

(3)

最後に F3 は，基準がどのくらい超えているかを表し，まず基準をこえた計測値に対してどのくらい基準値を超えているか（振幅；EX）を算出する．その算出式は式(4)で与えられる．

EX
Table.2 Water quality Parameters measured in 20% of allcountries

計測値
基準値1(4)

さらに求めた EX に対して正規化平方和(nse)を算出する．式(5)で与えられる．
総計測数(5)

この正規化平方和を 1 から 100 までの範囲に変換したものが F3 である．これは式(6)で与えられる．
.

.

(6)

(4)評価方法(3)の算出方法を適用し WQI を計算するとその値はじめにAWQIとは，味覚やにおいなどに影響を及ぼす可能性のある水質項目を用いた指標で，“快，不は 0 から 100 までの数値で算出される．この結果を評価方法と比較して水質の状況を把握する．

快”を示す統一指標である．

WQI の評価方法は，95 から 100 までは“Excellent

つぎにHWQIは，人体に害を及ぼす可能性のある水（大変よい）”，80 から 94 までは“Good（よい）”65

質項目を用いた指標で，人体に影響のあるかないかから 79 までは“Fair（普通）”，45 から 64 まではを示す統一指標である．

“Marginal（ 悪い）0 から 44 までは“Poor（大変悪い）”算出に使用する水質項目数や水質測定頻度に関しては，少なすぎると算出結果が高くなり，正確な結までの 5 段階のスケールで評価する．Table.3 は，算出値と評価との対応表である．

果が出せないという特性から，“4 By 4ルール”という基準を満たしたものを算出に用いる水質項目としTable.3 Index Designation

た．“4 By 4ルール”とは，1年間に，最低4つの水質項目を測定し，さらに，その項目の測定回数が1年間に最低4回あるというものである．
(3)算出方法
選択した水質項目に対し，その水質項目の基準と比較し，比較した結果を統計分析し，分析結果を足し合わせ，WQIを算出する．
その算出式は式(1)で与えられる．

100

(1)

この数式におけるF1は基準を超えた水質項目の割

4.

研究結果

4.1

研究対象の年と使用した水質項目

WQI算出基準より，1987年・1988年が研究対象の合を表し，式(2)で与えられる．

年となった．

― 99 ―

Table4にWQI算出に使用した水質項目を示した．

German Frontierにおける汚濁負荷量

54地点では，アンモニア・塩素イオン・ナトリウム・硫酸塩・亜鉛を，またスイスのRekingenを除いた3地

ここで，他の4地点よりWQIの低く，水質が悪いと点では鉄を使用した．またTable4の●は基準値をこ結果の出た最下流German FrontierにおいてWQIと汚えた水質項目を表している．

濁負荷量の比較を行った．
この地点では，Table.6に示されるようにアンモニ

Table4. Parameters used to calculate WQI in the Rhine

ア・塩化物イオンの計測回数が鉄の計測回数と比較

River

すると2倍計測され，またナトリウム・硫酸塩・亜鉛と比較すると3倍計測されていた．
このことから，その2水質項目が統一水質指標において重要な水質項目であると考え，この2水質項目の濃度ではなく実際の総量と汚濁負荷量と統一水質使用がどのような関係にあるかアンモニア・塩化物イオンの汚濁負荷量を求め，それらとWQIとを比較す

4.2

る．

算出結果

算出式を利用しライン川の4地点のWQIを算出した結果をTable.5に，またそれを折れ線グラフにした

Table.6 Number of parameters in German Frontier

ものをFig.2に示す．
この結果より，WQIはスイスにある最上流はWQIが100という値がまたドイツにある中流2地点では90台，さいごにオランダにある最下流では80台という上流から下流に従ってWQIが低くなっているという結果が得られた．ライン川の4つの地点における水質5.1の状況は統一指標(WQI)で表すと，望ましい状況ということが分かる． また下流になるほどWQIが低下しアンモニア汚濁負荷量
この地点におけるアンモニア汚濁負荷量をFig.3に示す．ているので，上流と比較して下流の水質の状況は悪いということがいえる．
また，各地点において，個別の指標を議論すると，統一指標(WQI)が低い下流では，アンモニア・塩素イオンの2水質指標が基準値を超え，ドイツにある中流の2地点では鉄のみが基準値を超えた．
Table.5 The result of WQI in Rhine River

Fig.3 Ammonia Flux at German Frontierin Rhine River
アンモニア汚濁負荷量は1979年においては年間7万トン近くあり，その量を1984年まで維持していたが1985年に急激に減少した．しかし2年後に一時その量が増加した．この急激な増加はこの1987年の1年だ
けで，アンモニア汚濁負荷量は減少を続け，1980年
Fig.2

WQI

comparison

downstream in Rhine Riverbetween

upstreamandthe

代後半に急激に減少し1990年代にはその量は半分以上も減少，年間2万トン以下まで減少した．

― 100 ―

5.2

塩化物イオン汚濁負荷量と，中流のドイツにある2地点のMaxau，Mainzでは，この地点における塩化物イオン汚濁負荷量をFig4

鉄が基準をこえていた．これはライン川の水運を利に示す．1980年代後半まで汚濁負荷量は年間100万ト用した鉄鋼業が河川周辺に立地していたため，工業ン近くあり，増加・減少を繰り返している．しかし，排水から鉄の溶出が起こっているのではないかと推1989年に急激に減少し，年間100万トン以下の量にな測される．
また，下流のオランダのGerman Frontierでは，アっている．

ンモニアが基準を超えていたが，これは同流域で盛んに行なわれている畜産業からの排泄物が原因であると推定される．ライン川流域においては，特にオランダにおいて，畜産排水の規制は厳しくなっているが，その広大な面積故，地下水の硝酸汚染が問題になっている．
上流と下流を比較すると基準を超える水質項目の種類が異なっていているが，下流に行くにしたがって基準を超える回数が増加していることが分かった．
この基準値を超えている水質項目，またその測定回数などが統一指標(WQI)に反映されており，統一指標

Fig.4 Chloride Flux at German Frontierin Rhine River

5.3(WQI)は水質を客観的・直観的に明示するのに有効な指標であるといえる．

汚濁負荷量とWQI

アンモニア，塩化物イオン汚濁負荷量とWQIの比較を行いFig5に示す．
アンモニアの汚濁負荷量は，塩化物イオンのその量と比較し相対的に少ないので，このグラフの下部に表示されている．
WQIは1989年から1992年にかけ低下したが，しかし塩化物イオン汚濁負荷量は減少し，逆相関を示した．一方，アンモニア汚濁負荷量とWQIに関しては，徐々に汚濁負荷量が減少している一方，WQIがほぼ1989年から1992年をのぞき大きく変動せず一定であるととらえることができることからアンモニア汚濁負荷量についてもWQIと相関をもたないことが分かった．

7.

おわりに

WQI算出に関しては，(1)汚濁の総量基準ではなく濃度基準であることで実際の汚濁を正確に反映していない．(2)4 By 4ルールによって，算出できる地点や年が限られてしまい河川の汚濁の経年変化をとらえることができない，(3)水質状況を表すのに多くの国で使われているBOD，COD，DO，SSなどがWQI算出のための水質項目に含まれていないなどの問題がある．この問題を解決し，水質状況を客観的に表すことのできる汚濁負荷量を基準とした統一指標作成が必要である．

謝辞

本稿作成にあたり，GEMS/Waterに蓄積されている貴重な水質データ使用することができた．データ提供に協力し て いただいたGEMS/WaterのDr. Richard
Robarts，Ms， Kelly Hodgsonに厚く御礼申し上げる．

参考文献
Fig.5 Comparison of WQI and Flux at German Frontierin
CCME. 2001. Canadian water quality guidelines for theRhine River

protection of aquatic life: CCME Water Quality Index

6.

1.0 ， User’s manual. In: Canadian Environmental

考察

quality guidelines ， 1999 ， Canadian Council of
はじめに水質基準をこえた指標について考察する

Ministers of the Environment， Winnipeg， Manitoba― 101 ―(http://www.ccme.ca/assets/pdf/wqi_usermanualfctsht_e.pdf)

UNEP GEMS/Water Programme..2007. Global Drinking
Water Quality Index Development and Sensitivity

CCME. 2005. Canadian Environmental Sustainability

Analysis Report

Indicators. Freshwater Quality Indicator: Data Sources(http://www.gemswater.org/publications/pdfs/gwqi.pdf )and Methods. Catalogue no. 16-256-XIE

UNEP GEMS/Water Programme. 2005. Workshop report:(http://www.statcan.ca/bsolc/english/bsolc?catno=16-2

Development and use ofglobal water quality

56-XIE#formatdisp)
UNESCO IHP 1999. Summary of the Monograph “Worldindicators and indices. Vienna ，Water Resources at the beginning of the 21st Century'”s/indicators_workshop_report.pdf)

Austria 4-6thMay.2005.(http://www.gemswater.org/publications/pdf(http://webworld.unesco.org/water/ihp/db/shiklomano(論文受理日：2013年6月11日)

v/summary/html/summary.html)― 102 ―