温暖化による水資源への影響
風間聡 1・沖大幹 2（1 東北大学大学院 環境科学研究科・2 東京大学 生産技術研究所）
摘要
温暖化による気候変動が水資源に与える影響について、現在予想されていること、およびその適応策に関する研究を紹介する。水資源問題は、個々の問題が複雑に広範に関係している。そのため、その将来予測や総合評価は困難であるとともに大きな不確実性を包含している。しかし、その実像に迫るべく個々の要素研究をはじめ、総合的に判断できる数値モデルの開発が進められている。洪水と渇水問題は、降雨や積雪のシミュレーションによってそのメカニズムが明らかにされつつある。海面上昇による沿岸水資源の減少も社会環境との関連から定量的な評価がされている。水質についてはモデルの数値計算の構築にまで発展していないが、定量的な評価が整いつつある。一方、水資源問題の適応策の研究や議論は、緒についたばかりであり、未だ十分でないのが現状である。これは、将来の気候と社会環境の予測が十分でないためである。特に社会情勢と水資源の関係を関連づけた数値モデルの開発が急務である。
キーワード：沿岸水資源、渇水、洪水、積雪、水環境

1 ．はじめに
地球温暖化は、すでに様々な分野や領域に影響をもたらしていると考えられている。そのほとん
どの事象は、例えば生態系や農業生産、感染症等は水との強い関係性を有している。淡水は地球上の様々な現象に対して能動的、受動的、直接的、間接的に影響しており、その複雑な有機的関係を直感的に理解することは困難である。
図 1 は、気温の上昇が水資源に影響を及ぼす過程を断片的に記したものであるが、ここに示したものだけでも、水資源への影響について定量的に理解することは困難である。個々の因果関係を解くだけでなく、相互関係やフィードバックを解析する必要があるからである。
こうした問題を総合的、包括的に捉えるために、計算機による数値モデルが利用される。多くの数値モデルは完全でないが、直感的な感覚よりも容易に客観的な定量評価を与えてくれるため、その有効性は広く認められている 1）。様々な条件下での出力が可能なため、将来予測に対する政策決定や意思決定について貢献できることも有用な理由の一つである。
水資源の影響評価モデルの多くは、気候モデルに依存している。つまり、大気や海洋の動きを表現した水・エネルギー循環の将来予測を境界条件として、関連した事象を議論している。気候モデ
ルは、シナリオと呼ばれる大胆な仮定によって導かれているが、この仮定は計算結果に強く反映されている。シナリオは政策や社会環境における将来の仮定であり、現在では予測することが出来ない不確実性の高いものである。当然、水資源の変化は社会情勢にも影響を与えるので、相互影響を解くことは簡単ではない。現在の影響評価は、一意的な側面を持ちつつ、出来るだけ水資源の変化を推定しようとしているものである。

2 ．洪水と渇水の危険性
洪水や渇水は降雨現象の結果であり、気候モデ
ルから直接的に将来の姿を予測することができる。多くの研究者は温暖化進行後の降雨について言及しており、それらは日本の降雨がよりメリハリの効いたものになるというものである 2）。これは、年間降水量は変化しないが、極値降雨の増大と無降雨期間の延長の顕在化を意味している。海面温度の上昇は台風の発達を助長し、延命もする。陸域の積乱雲の発生も容易になる。こうした降雨形態は河川流量を鋭敏化させ、洪水と渇水を頻発させるようになる。
積乱雲を伴う降雨は狭い範囲に強く降るため、中小河川において被害を与える。日本は戦後、1級河川の整備を進め、ダムと堤防によって氾濫を封じ込めることに概ね成功してきた。しかし、地方自治体が管理する 2 級河川以下の中小河川は整備率が低く、近年の洪水の例を見るまでもなく、59

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図1

温暖化が水資源に与える影響伝播.

極値降雨に対して脆弱である。都市域の集中豪雨も顕在化している。その対策として地下放水路の建設が進められているが、コスト高のためハードの限界性が指摘されている。総合治水対策では浸透、貯留施設の整備や、一部氾濫を許容するような整備計画にシフトしつつある。
渇水はより深刻である。従来、貯水池とダムの貯留によって安定した水の供給を行ってきたが、降雨の鋭敏化によってその運用がより困難になると考えられている。河川流量の安定について山地の地下水は大きく影響する。緑のダムと呼ばれる森林の貯留効果（流出遅延効果）も地下水涵養機能と考えることができる。しかし、大きな降雨強度の降雨はほとんどが浸透することなく、表面流となって流下する。そのため、地下水位は減少することになり、安定供給できる水の量は減少する。
後述するが、安定した流量を供給している積雪やダム機能も温暖化によって損失することが懸念されている。渇水は、河川流量だけでなく地表面環境にも影響を及ぼす。渇水期間が延長すると、潜熱の放出が減少し、夏季の地温が上昇する。その対策として打ち水や水撒きをすると水資源はさらに逼迫することになる。
こうした降雨の変化に対して、ダムはもっとも効果のある適応策である。日本は過去からのダム整備によって、温暖化による渇水にある程度の対60応ができると考えられている。将来の人口減少によって水需要量が減少すると、水供給に関する問題は解決するかもしれない。しかし、近年では、環境に配慮した環境用水の要求が高まっており、多様な水資源が必要とされる。例えば、生態系のための維持流量やヒートアイランド対策のための散水などがこれにあたる。温暖化による新たな水利用形態は、水資源を逼迫させる可能性もある。
温暖化に伴う社会環境の変化も水需給に影響を及ぼす。
有効な適応策は、ダムや遊水地の建設のような構造物に頼る方法と土地利用制限や水利権の見直し等のソフト対応が挙げられる。構造物では、浸透マスや天水桶など分散型の施設が主流になりつつある。こうした適応策は、地方自治体の積極的な補助金によって成功している多くの例を見ることができる。法整備でも、水循環や水環境に関する基本計画を策定し、安定した水資源の確保を謳う自治体が増加している。
様々な適応策の効果を定量的に把握するには、数値計算が有効である。数値計算はシミュレーションによって、洪水と渇水の危険性を表示することが可能である。これは、降雨によってもたらされた水の浸透や蒸発、流出、地下水移動のシミュレーションによって洪水と渇水を表現するものである。図 2 は、平成 16 年の北陸で洪水をもたらした豪雨時の降水量と土壌水分量、河川流量、流出高を示したものである 3）。この図から洪水発生地域を特定することができる。地図上に数値データとして表記できるので、相対的な強度を知ることができる。こうした数値計算結果は、他の数値地図情報との比較によって適応策の必要な地域を定量的に示すことができる。将来の気候予想値をこのモデルに取り入れることによって、温暖化後の水資源の状態を予想することができる。
適応策の議論に客観性を提供できるのが数値シミュレーションの優れた点である。
インドやアフリカの人口爆発が世界の穀物生産量の増加を促し、その結果、水資源が圧迫されるという報告がある。海外の食糧生産に頼る日本も無縁でなく、これは間接的に水資源を輸入することになる。図 3 は、日本への仮想投入水の輸入量を示したものであるが、水資源が不足していると思われる中東やアフリカからも仮想投入水を輸入していることが見てとれる 4）。こうした仮想投入水の輸入量は現在でも膨大なものであるが、極端な輸入は、市場価格の上昇をもたらし、国際的な非難を生じさせる。水資源は潜在的な貿易量として、国際市場の様々な物資に小さくない影響を与地球環境 Vol. 11 No. 1 59−65（2006）

図2

図3

台風時の水分布．

左上：降水量，右上：流出高，左下：土壌水分，右下：流量.

日本の仮想投入水輸入量（億m3/年）.

える。穀物を例に挙げるまでもなく、工業やサービスにも関連している。水資源が戦略物資になる話は誇大とはいえない。

3 ．積雪水資源の減少
温暖化によって、最も直接的な影響を受けるのが雪である。降雪は降雨に変化し、融雪量が増加するからである。雪は貯留効果や涵養効果が大きいため、水資源において重要な役割を演じている。日本の日本海側は世界有数の豪雪地帯であり、電力や灌漑用水に大きく貢献している。膨大な春季の水田湛水量を融雪水に頼っている地域は広く存在する。こうした地域は、温暖化の影響を受けやすいと考えられる。特に東北地方は、春季に降水量が減少するため、融雪量が重要な灌漑用水になる。東北地方の積雪水資源量は、およそ7 km3 といわれ、東京都の年家庭用水量の 4 倍にあたり 5）、米の生産に欠かせないものとなっている。

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入力データとして、降雪量と気温の分布データをもつ積雪量推定モデルを構築することができる。このモデルパラメータを人工衛星画像から得られる積雪域によって同定すると、積雪変化を精度よくシミュレーションできる（図 4）。この計算結果によれば、少雪年と多雪年では、積雪量に30%以上の差が生じており、温暖化による積雪量の減少が、ダム管理を困難にすることを暗示している。気候モデルの出力結果によれば、東北地方や北陸地方の積雪水資源量の減少が特に懸念されている 6）。
こうした積雪量は、直接的な水資源量のみだけでなく、様々な環境緩和機能を保持している。融雪は穏やかに進行するため、地下水へ大きな涵養効果を持つ。地下水は時間をかけて流出するため、低水流量の確保に貢献している。また、表面流が過多に生じないため、浸食量が少なく治山効果も大きいとされる。
積雪水資源量の減少に対する適応策は、その変化量が膨大であることから巨大な構造物でなければ対応できないと考えられている。しかし、融雪時期の延長が可能であれば、ある程度の効果が期待できる。例えば、ダイナマイト等によって人工的に雪崩を生じさせ渓谷に雪をためる雪ダムは、融雪出水期間を延長する有効な手段である。植生を活用した方法も可能性がある。泉らは、熱収支と移流拡散式を解くことによって、樹種の違いによる積雪変化を議論している 7）。この計算は樹種

図462

日本の積雪水量分布（mm）.

左：2000 年 2 月（多雪年）右：1990 年 2 月（少雪年）.

による遮断、風速、日射の影響を考慮している。
その結果、落葉樹より常緑樹林内の積雪量は遮断のため少なくなるが、融雪速度は日傘効果のため大変遅くなる。そのため、同じ降雪量でも常緑樹林帯の方が融雪期間を延長できることがわかっている（図 5）。生態系を無視した樹種の変更は認められないが、適応策の一つとして考えることができる。
日本のみならず、積雪水資源に依存している地域は広い面積を持つ。メコン河やブラマプトラ川のように上流がチベットに存在し、下流が熱帯モンスーン域に属する流域の乾季の低水流量は、融雪によって供給される。温暖化による高地積雪量の減少は、乾季の低水流量の減少を意味し、水資源の確保をいっそう困難にする。大陸の積雪域は、熱帯モンスーン域のみならず地球の気候を決めているという説 8）もあり、積雪域の減少は直接的、間接的に水資源に影響を与える。

図5

LAI（葉面積）の違いによる積雪変化.

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4 ．海面上昇の影響
温暖化による海面上昇は各地において記録されている。海面上昇は、沿岸域の水資源に大きな被害を与える。海面上昇下では、高潮や津波による直接的な被害の他に、低平地への塩水の覆水によって作物に塩害が生じる。また、河川への海水浸入距離が伸びることから、塩害にさらされる耕作域は内陸に拡大する。特に世界的な穀倉地帯は、大河のデルタや沖積平野の低平地に広がっており、温暖化の影響を直ちに受ける。耕作地のみならず河川への塩水浸入距離の延伸は、表面水を利用している地域に影響を与える。
表面水だけでなく、地下水に与える影響も懸念されている。低平地の多くの都市は地下水を水資源として利用している。人口増加に伴う揚水量の増加と、海面上昇による塩水浸入量の増加によって地下淡水資源は減少する。Ranjanらは気候モデ
ルと全球数値地図情報、海面上昇データを利用して塩水淡水の界面計算を行い、温暖化による沿岸）域の地下淡水資源の減少量を求めた 9（図6）。その結果、オーストラリア北部やアフリカ東岸地域の減少量が大きいことを示した。こうしたモデル計算は、将来の社会状況で大きく変化するので、必ずしも推定通りにならないことに留意しなければならないが、計算条件を変化させることで、影響の強い因子を相対的に抽出することが可能である。沿岸の地下淡水資源への塩水浸入では、人口増加や土地利用の変化がもっとも影響を与えるこ

図6とがわかっており、こうした地域への有効な政策が望まれる。
多くの小島嶼では、地下水が唯一の安定した水資源である。人口増加が急激な島では、淡水レンズ厚の減少と塩水汚染によって、急速に地下水資源を減少させている。沿岸域と同様のシミュレーションは島嶼でも行われているが、人口の他に海面上昇と島の面積が、水ストレスを決める強い因子であることがわかっている。小島嶼の水資源環境は劣悪になりやすい。

5 ．水質の影響
水資源の確保は、水源水質にも大きく依存する。浄水場の整備は適応策であるといえるが、水質悪化はそのコストを新たに生むことになる。気温上昇による水質悪化のもっとも顕著な例は、溶存酸素量の減少である。溶存酸素の減少に伴い、河川の自浄効果は減少する。これは生物による浄化能力の減少に伴うものである。しかし、この現象は一般的ではない。寒冷地ではむしろ生物活動が活発になり、浄化能力が向上するからである。
こうした河川内の水温の変化が水質に与える影響はそれほど大きくないと考えられている。
もっとも危惧されるのが、強度の大きい降雨に伴う土砂流出による水質悪化である。洪水は大量の土砂を流出する。この量は流量に対して指数的に増えるとされており、この負荷量を無視することはできない。土砂に伴って流出した栄養塩は貯100 年後の沿岸淡水資源の減少度.

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図7

降雨と融雪の斜面災害発生確率.

左：再現期間 10 年極値降雨による斜面崩壊の発生確率，右：多雪年（10 年最大）による斜面崩壊の発生確率

水池に滞る。これが富栄養化をもたらす。富栄養化に伴う藻類の大量発生は、カビ臭などの原因になる。近年では、アオコの発生に伴う浄水設備の凝集阻害やろ過阻害といった問題や、この対策による前塩素処理による発がん性物質の問題が注目されている。また、貯水池の土砂堆積も貯水池環境を悪化させる。堆砂はダムの貯水容量の減少を引き起こす重大な問題である。貯水池の場合、水深が浅くなると、気温に対する水温の応答が敏感になり、高温化をもたらす。富栄養化と高温化からアオコの発生確率が高くなると考えられる。
雪はゆっくりと広範囲に融雪し、地下に浸透し、地下水の上昇をもたらす。地下水の上昇
は、急峻かつ脆弱な地質をもつ地域において、地すべりや斜面崩壊等の土砂災害を引き起こす。
図 7（右）は、東北地方の融雪による土砂災害の10 年間発生確率を示したものである 10）。この確率は、過去の災害実績地点における地質、斜面勾配と地中水解析による地下動水勾配の 3 つを変数とする多重ロジスティック関数によって得た確率分布によって推定された。土砂災害の確率が大きいことは土砂生産量が大きいと見ることもできる。この図において、一般に斜面災害の大きい地域と多雪域が重なる地域に高い確率を示している。温暖化が進行すると、積雪量の減少に伴って融雪量も減少するため、土砂生産量が減少すると思われるが、必ずしもそうはならない。降雪は落下速度が降雨に比べて遅いため、雪片の衝突によ64る表面浸食量は小さいものになる。残雪も雨滴の直接衝突を妨げるため、浸食量が減少する。そのため、温暖化が進行すると降雨によって表面浸食は増加する。恒常的な浸食によってガリが発達すると、急峻な地形の土砂崩壊を生む。融雪の場合と同様に、降雨による東北地方の斜面災害の確率を求めたのが図 7（左）である。両図を比べると、降雪よりも降雨の方が斜面災害確率の高い地域を広い範囲に示しており、土砂生産の潜在値の大きいことがわかる。温暖化によって降雪から降雨に移行すると土砂生産量の増加が懸念されると同時に、こうした地域にある貯水池やダム湖の機能低下が危惧される。

6 ．おわりに温暖化による水資源の影響について、著者らの結果を中心に、その概要を述べた。温暖化による将来の水資源の影響を推測するには、気温や気候の変化を精度よく予測することも大事であるが、社会情勢の予測も重要である。人口や土地利用の改変は、自然と人工の水循環システムを大きく変更させ、副次的に物質循環も変化させる。さらには人間活動にも影響を与える。政策は水需給に強い影響力を持つため、水循環系を変化させる。こうしたことを踏まえると、将来の水資源を知るには、精度のよい社会活動モデルの構築も急務である 11）。経済モデルの中には将来の社会情勢を予地球環境 Vol. 11 No. 1 59−65（2006）

測しているモデルも多いが、気候モデルと同様に様々な仮定を含んでいる。気候モデルと社会モデ
ルにおける将来予測の大きな不確実性は、適応策の決定を困難にする。政策や社会環境を見通すことは、おそらくここ数年では解決されないと思われる。
水資源問題が複雑であることはすでに述べた。
水資源問題に適切な適応策を提示できるよう、多くの研究者が努力しているのである。

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