関東森林研究論 文71-1(2020)

山地森林流域源頭部における湧水の水質特性
瀧澤英紀 1・鈴木崚平 2・小坂泉 1
１ 日本大学大学院生物資源科学研究科
２ 日本大学生物資源科学部
要旨：山体内の地下水が渓流水質形成に与える影響を明らかにするため，８カ所の湧水の Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺，HCO3⁻，Si 濃度を継続的に測定して安定性を調べた。比較的濃度が一定で季節変化が小さい湧水もあるが，いくつかの湧水は３，４月の融雪期に最も低濃度となり，８，９月に最も高濃度となる緩やかな季節変化を示した。湧水の水質は基岩地質由来の長石の化学風化による溶存物質の供給により，Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺濃度，HCO3⁻濃度と Si 濃度が調和して流出していた。８カ所の湧水では，Si と HCO3⁻濃度の変動が少ない湧水と，両者の濃度変化に比例関係があるもの，不規則に変化するものとあった。地下水は両者の濃度が高く一定とすると，地下水の湧水の他に，雨水や融雪水が土壌浸透過程で混合し，さらにその程度が変化する湧水があることが分かった。
キーワード：湧水，ケイ酸塩，重炭酸，融雪，溶存イオン

Water chemistry of spring waters in the uppermost area of forest catchment
Hideki TAKIZAWA1, Ryouhei SUZUKI2 and Izimi KOSAKA1
Graduate School of Bioresource Sci. Nihon Univ., Fujisawa 252-0880 1
Coll. Bioresource Sci. Nihon Univ. 2
Abstract: To clarify the role of groundwater in the process of stream water quality, the variation of Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺，HCO3⁻ andSi concentrations were investigated in eight springs. These water concentrations in some springs were relatively stable and theseasonal changes were small, while other springs had the lowest concentration during the snowmelt season in March and April, andthe highest concentration in August and September. Due to the chemical weathering of Na-Ca feldspar from the base rock geology,
the water quality of the spring discharged out in harmony with the Na⁺, Ca2⁺, Mg2⁺, HCO3⁻ and Si concentration. There were springs
with stable concentrations of Si and HCO3⁻, those with a proportional relationship between them, and those with irregular changes.
Assuming that the concentration of deep groundwater was constant, it was found that there were springs whose concentration
decreases due to mixing of variable rainwater or snowmelt water in the soil layer.
Key-word: spring water, Silicate, Bicarbonate concentration, melting water and ion concentration.

雨や地表流成分がエンドメンバーとして考えられる（10）。

Ⅰ はじめに山地森林流域からの流出過程について，渓流水の溶存

本研究では、湧水は山体内の地下水成分を多く含むと考イオンの形成過程と共に研究が進むと，山体内や斜面土え，渓流の最上流部などの複数の湧水点の溶存イオンな壌の物質動態などを渓流水質によって推測できる。一般

どを継続的に測定して湧水の濃度分布を調べた。に，渓流水は斜面土壌からの中間流と山体内の地下水流

一般に，山体内の地下水あるいは深く浸透した地下水の混合と考えられる。湧水は渓床の堆積物などによる水は，Ca2⁺濃度や HCO3⁻濃度などが高い水とされ，SiO2 濃質負荷の影響が極めて少ない。富士山規模の降水から湧度は流出プロセスと共に表層土壌から徐々に濃度が上昇

水の流出過程では滞留時間は数十年との報告もあるがする傾向がある(２，５，９)。また，渓流水の流下方向の（12），本調査では稜線から最大で 300ｍ程度の斜面下部

Ca2⁺濃度変化や電気伝導度変化を測定して，深層の地下に出現する湧水なので，それより滞留時間の短い現象を水の流入を調べ，深層崩壊発生場の探査の試みなど水質対象としている。渓流水の流出成分を分離する場合，比が利用されている（１，３，４）。そこで，本研究では湧較的滞留時間の長い山体内の地下水，表層の土壌水，降水の陽イオンおよび重炭酸イオンと Si 濃度を長期間測

－

113 －

（受理日 2020 年 2 月 17 日）

定し，濃度が高く変動の少ない安定した地下水水質の特徴や，濃度変動がある湧水の特性などを調べた。
Ⅱ 材料と方法
１．調査地 調査対象地は群馬県利根郡みなかみ町の日本大学演習林（面積 158ha，標高 650~985m）内の三つ又沢流域 13.7ha とすのこ沢であり，そのうち標高 700～850m に出現する湧水８地点を対象とした。図－１に調査地および採取した湧水地点を示す。図中には通称で湧水を示し、流域界の稜線も示した。地質は，新第三紀デイサイト流紋岩と黒色泥岩，新第三紀粟沢礫岩層を主体とし，ローム堆積域も確認される。調査地周辺の年平均降水量，平均最深積雪深はそれぞれ 1755mm，2.1m である（７,８）
。植生は落葉広葉樹林が主体で，ブナ・ミズナ
ラ・コナラ林が約７割，カラマツ・スギ人工林が約３割分布する。
２．調査項目 湧水５地点（崖下，そのべ，山小屋，岩清水，山ひだ）に関しては 2019 年１~９月にかけて各月１~２回の湧水を採水した。それ以外の湧水３地点（すのこ沢上，すのこ沢下，三つ又）は８月のみ採取した。
測定項目は Na⁺，K⁺，Ca2⁺，Mg2⁺，Cl⁻，NO3⁻，SO42⁻ ，HCO3⁻イオン濃度および Si 濃度である。
３．分析方法 Na⁺，K⁺， Cl⁻，NO3⁻，SO42⁻の濃度について，イオンクロマトグラフィー（883，メトローム社）を用いて測定した。Ca2⁺，Mg2⁺，Si 濃度はマルチタイプ

図－２. Na⁺, Ca2⁺, Mg2⁺, HCO3⁻, Si 濃度の経時変化

発光分光分析装置（ICPE-9000，島津製作所）により測定

Fig.2 Variations of Na⁺, Ca2⁺, Mg2⁺, HCO3⁻ and Si

した。HCO3⁻濃度は硫酸滴定により測定した。

concentration
Ⅲ 結果
図―２に Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺，HCO3⁻，Si 濃度の測定結果を示す。連続的に採水が行われた５つの地点の中で山小屋湧水は比較的安定しているものの，他の４つの湧水点の水質は３，４月の融雪期に最も低濃度となり，８，９月に最も高濃度となる緩やかながら季節変化を示している。山小屋湧水は Na⁺濃度が高く，HCO3⁻，Si 濃度も比較的高かった。一方，Ca2⁺イオンは崖下湧水とすのこ沢下湧水で高く，８，９月の HCO3⁻イオン濃度は山小屋湧水よりも崖下およびすのこ沢下湧水の方が大きな値となった。
Ⅳ 考察
Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺の流出は山体基岩地質あるいは土壌の図－１. 三つ又・すのこ沢流域の８カ所の湧水点母材として，長石の化学風化あるいは火山噴出物の化学Fig.1 The location of the eight springs in the Mitsumata

風化に大きく起因している。図－３に Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺濃and Sunokozawa watershed

度と Si 濃度の関係を示す。両者には大まかに比例関係が－114 －

関東森林研究71-1(2020)に Cl⁻濃度を足すことによって見積もるとほぼ１：１関係より下に出現し，縦軸の陽イオンはケイ酸塩鉱物の風化由来として説明できる。しかし、湧水８地点全体では湧水ごとで若干異なるが X 切片を持つ１：１の直線的な比例関係が残る。X 切片を持つ意味として、その分の Siは単独(例えば，SiO2)で流出したと考えられ、湧水ごとに１：１の直線的な比例関係があることに関しては、Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺と Si が１mol/L ずつの組み合わせで流出していたと考えられる。
次に Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺濃度と HCO3⁻，Cl⁻濃度の和との関係を比較した（図－４(b）。Si 濃度との関係に比べて直線性が極めて高いことがわかり，重炭酸イオンは Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺イオンとバランスを取って流出していることがわかる。２価のイオンである Ca2⁺，Mg2⁺の１mol/L は，１価の重炭酸イオン２mol/L とバランスをとるので，縦図－３. 湧水の Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺濃度と Si 濃度

軸の陽イオンの約半分は重炭酸イオンと流出しているとの関係考えられる。

Fig.3

Relationshipbetween

Na⁺+Ca2⁺+Mg2⁺

ここで流紋岩の構成鉱物の例を示すと Na・Ca‐長石concentration and Si concentration in spring waterの溶解反応は以下の式となる(６)。

あることがわかる。Na⁺イオンの流出に関しては，みなか(Na,Ca)Al3 Si5 O16 + 3CO2 + 11⁄2 H2 O

みは温暖雪域で年間降水の 30－40％は冬季に供給され，→ Na+ + Ca2+ + 3⁄2 Al2 Si2 O5 (OH)4 (カオリナイト)

海塩由来の Na や Cl も降水降雪に相当量含まれるものと+ 2H4 SiO4 + 3HCO−3考えられる。そこで，溶存する Cl イオンは全て Na と共すなわち，Na⁺，Ca2⁺１mol/L ずつに対してオルトケイに降水によりもたらされたものと仮定し，Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺酸２mol/L，重炭酸３mol/L となり図－４はケイ酸塩鉱物

濃度と Si＋Cl⁻濃度の関係を比較した（図－４(a）。図にはの溶解を測定していることがわかる。海塩由来の Na 推１：１の直線も示した。海塩由来の Na 分について X 軸定精度をさらに上げる必要があると考えるが，本試験地

図－４. 湧水の Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺濃度と Si，Cl⁻濃度の関係(a および Cl⁻， HCO3⁻濃度の関係(bFig.4 Relationship between Na⁺+Ca2⁺+Mg2⁺ concentration and Si+Cl⁻ concentration in spring water (fig.(a) and relationshipbetween Na⁺+Ca2⁺+ Mg2⁺ concentration and Cl⁻+ HCO3⁻ concentration (fig.(b)－115 －日本大学みなかみ演習林内の８つの湧水の Na⁺，Ca2⁺，

では降水降雪による溶存物質も測定しており，海塩由来Mg2⁺，HCO3⁻，Si 濃度を連続的に調べ，それぞれの相互関係を調べた。
濃度変動が少ない山小屋湧水と，濃度変化に比例関係があるもの（そのべ，崖下），不規則に変化するものとあった。風化層の風化速度が一定で安定的な深い地下水があるとすると，集水域が一定の湧水，集水域が変化して雨水や融雪水が混合する湧水があることが分かった。Si
濃度， HCO3⁻濃度，Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺濃度などが地下水を表すエンドメンバーとなるか検証が必要である。
引用文献(１) ハフィザアクター・正留誉恵・寺本行芳・下川悦郎(2010)南九州における深層崩壊地の地下水水質の特徴．
雨水資源化学会誌．16(1): 9-12
図－５. 湧水の Si 濃度と HCO3⁻濃度の関係(２) 生原喜久雄(1994)渓流水の水質形成に及ぼすプロト

Fig.5 Relationship between Si concentration andン（H+）の影響．水文・水資源学会誌 7(4): 325-331

HCO3⁻ concentration in springs(３) 地頭園隆・下川悦郎・寺本行芳(2006)深層崩壊発生の Na と Cl 供給量についても議論が進むものと考える。
図－５に湧水の Si 濃度と HCO3⁻濃度の関係を示す。図

場の予測法の提案―鹿児島県出水市矢筈岳山体を例にして―．砂防学会誌 59(2): 5-12には１：１直線（実線）の他にそのべおよび崖下湧水そ(４) 地頭園隆(2014)渓流水の電気伝導度を用いた深層崩れぞれの近似直線も示した。Si 濃度と HCO3⁻濃度ともに壊発生場の予測．砂防学会誌 66(6): 56-59

滞留時間の長いあるいは深部浸透した地下水で濃度高く(５) Muraoka, K., Hirata,T. (1988) Stream water chemistryなる物質である(２，５，９)。山小屋湧水は濃度が高く変during rainfall events in a forest basin. J. Hydrol., 102: 235-253

動が少なく，そのべと崖下湧水は両者濃度変化に比例関(６) 鹿園直建(2002)化学風化作用の河川水水質，特に溶係があり，岩清水湧水は不規則に変化しているように見存シリカ濃度に与える影響．地学雑誌 111(1): 55-65

える。両者濃度に比例関係を持つ２つの湧水は y 切片を(７) 玉乃井梓・豊泉恭平・瀧澤英紀・小坂泉(2017)多雪森

持ち，図－４でみられた Si 単独で流出している関係がみ林小流域における２年間の溶存イオンの流出過程についられ，さらにはそれぞれの比例関係は若干異なるが，例て，関東森林研究 68(2): 177-180

えばそのべはおよそ２の傾きを示す。これは Si と HCO3⁻(８) 豊泉恭平・前島健人・大類和希・小坂泉・長坂貞郎・

濃度が一定の比率２：１で増減していると考えられる。

瀧澤英紀(2016)奥利根源流部の多雪地森林小流域におけ

図－３，４，５の様に Na⁺，Ca2⁺，Mg2⁺，HCO3⁻，Si が比る融雪期の水質形成について，関東森林研究 67(1): 93-96

例関係に流出しているということは、おおまかには長石(９) 辻村真貴・恩田裕一・小松陽介・清水卓弘・村松和の様なケイ酸塩鉱物の化学風化溶解物が温度や降水量な也・服部重明・中川有里・松井孝子(2001)礫層および風化どの気候値として規則的に一定量流出している（11）こ花崗岩からなる丘陵地源流域における流出・水質特性．とを示していると考えらえる。風化層の風化速度が一定

水文・水資源学会誌 14(3): 229-238

で濃度に上限値を持つような地下水流に濃度が薄い降雨(10) Sklash, M.G., Farvolden, R.N. (1979) The role ofや融雪水の様なものが混合すると考えると，それぞれ決groundwater in storm runoff. J.Hydrol. 43:45-65

まった比率で希釈されていると考えられる。すなわち，(11) White, A.F., Blum, A.E., (1995) Effects of climate on

溶存物質濃度高く一定の湧水や混合比率が変化する湧水

chemicalが同じ流域の中に混在し，混合比率が変化する湧水は集Cosmochimica Acta, 59(9): 1729-1747

水域が変化し，降雨などが混ざる過程が変化すると考え(12)吉岡龍馬・北岡豪一・小泉尚嗣(1993)同位体組成からられる。

推定される地下水の流動系について―三島市及びその周

weatheringinwatersheds.

Geochimica

辺地域を例にして―，地下水学会誌 35(4): 271-285
Ⅳ まとめ－116 －et