水文流出モデルを用いた流域からのリン流出量推定の現状と課題
Estimations of phosphorus flux from a watershed, using hydrological models: overviews
清水 裕太
Yuta SHIMIZU
1

1＊

1＊

・小野寺 真一

2and Shin-ichi ONODERA

2

国立研究開発法人 農業・食品産業技術総合研究機構 近畿中国四国農業研究センター
日本学術振興会特別研究員 PD2
広島大学大学院 総合科学研究科
1
National Agriculture and Food Research Organization,
Western Region Agricultural Research Center, JSPS Research Fellow
2
Graduate School of Integrated Arts and Sciences, Hiroshima University

摘要

本稿では，水文流出モデルを用いた流域からのリン流出量推定の現状と課題について整理することを目的に，農業流域・都市流域・山地流域における既往研究のレビューを行うとともに SWAT（Soil and Water Assessment Tool）の中山間地流域への適用を行った。この結果，市街地においては点源負荷の見積り方法を確立することが必要であること，山地・中山間地流域においては実測データ不足のためモデルパラメータの検証が不十分であり，森林の樹木の生育や林床の植生などに改善すべき点があることが示された。

キーワード：水文流出モデル，SWAT モデル，物質輸送，流域スケール，リンKey words：Hydrological models, Soil and Water Assessment Tool,
Material transportation, Watershed scale, Phosphorus

1．はじめに流域からのリン
（P; Phosphorus）
流出量を推定する方法の一つとして，水文流出モデルが世界各地で用いられている。水文流出モデルは，流域内の面源負
荷，点源負荷，河道から発生したリン流出量及びその寄与率の推定や，シナリオ解析による流域からのリン流出量を削減するための対策の評価，流域内のリン発生源のホットスポットを突き止めることなどに使用されている。1992 年から 2010 年までの論文
から，合計 494 流域を扱う 257 本の文献を整理した
1）
Wellen ら のレビューによると，面源負荷推定に関する研究の多くは米国や欧州で行われ，そのほとん
どが農地を対象としており森林や都市を対象とした事例は少ない。これは，窒素（N），リン等の栄養塩類を扱うモデルの多くが，農地など面源からの過剰な窒素，リン負荷を低減させるために最適な土地管理手法を提案し，それを評価することを目的として1）開発されたからである。また，Wellen ら によるレ
ビューの結果，約半数の研究が硝酸態窒素（NO3 -N）や土砂流出量を推定しているのに対して，総リンの推定については全体の 38％に，溶存態リンについては 17％に，懸濁態リンについては 6％に留まっており，リンを扱った研究事例は比較的少ない。また，
水文流出モデルを用いてリン流出量を推定する場
合，対象とする空間スケール及び時間スケールに応じて適切なモデルを選択する必要がある。例えば，
圃場スケールを対象とする場合，農地や小流域ス
ケールを対象とする場合，そして流域スケールを対象とする場合では適切なモデルはそれぞれ異なる。
同様に時間スケールについても，年間の流出量を推定するのか，それとも出水イベントを対象とするのか，目的に応じた計算の時間単位によって選定する必要があるが，これまでに開発されたモデルの数は膨大であり全てを把握することは困難である。
そこで本稿では，比較的多く用いられている水文流出モデルについて，流域からのリン流出量推定の現状と課題を整理することを目的とする。具体的には，農業流域・都市流域については既往研究のレビューを行い，研究事例の乏しい山地・中山間地流域については実際の解析を交えながら課題の整理を試みる。
2．農業流域・都市流域への適用における現状と課題
これまで多くのモデルが開発され，それぞれのモ

受付；2015 年 2 月 3 日，受理：2015 年 4 月 29 日＊
〒 721-8514 広島県福山市西深津町 6-12-1，e-mail：shimizuy@affrc.go.jp
2015 AIRIES111

清水・小野寺：水文モデルによるリン流出量推定

表1

水文流出モデルの比較．
P fraction

Type

Data
required

Soil and Water Assessment Tool（SWAT） Daily

Organic P, Inorganic P

Process-basedHigh

Hydrological Simulation Program－Fortran（HSPF）

Particulate P, Dissolved P

Process-based

MediumAnnualized AGricultural Non-Point Source
Daily（AnnAGNPS）

Sediment attached P, Dissoluble P

Process-basedHigh

Hydrologiska Byråns
Vattenbalansavdelning model -NP（HBV-NP）

Daily

Organic PP（plankton, bacteria）,
Inorganic PP（absorbed to sediment）,
SRP

Process-basedHigh

The Integrated Catchment model ofphosphorus dynamics（INCA-P）

Daily

PP, TDP

Process-based（simple）

High

GROWA/MEPhos

AnnualTPemissions-oriented

Low

Model

Time step

Sub daily

デルの比較も行われてきたが，いくつか具体的なモデルを表 1 に示す。1992 年から 2010 年の間において流域の栄養塩循環を扱ったモデルとして最も多く使われていたモデルは Soil and Water Assessment
8）
Tool（SWAT）で，次に Integrated Catchment Model
9）（INCA），Agricultural Non-Point Source Pollution
Model（AGNPS）/ Annualized AGricultural Non -Point
10）
Source model（AnnAGNPS），Hydrological Simulation
11）
Program－Fortran（HSPF） ，Hydrologiska Byråns
12）1）
Vattenbalansavdelning model（HBV） であった 。
13）
Nasr ら によると，農業流域においてリン流出量を日単位で推定する場合には，HSPF は日平均流量を最も良く再現したが，リンの日流出量は SWAT の方が妥当な結果を出力することが示された。また，リンの流出量に強く関連する土砂流出量の推定において，AnnAGNPS は，夏季の集中豪雨のようなイベン
トスケールの短い期間における土砂流出量の推定は良く見積ることができるが，流域スケールで地下水流出量が卓越するような流域におけるリンの流出量
14）の推定には向かないという指摘もあり ，AnnAGNPS
よりも SWAT の方が妥当な結果を示す可能性が高15）
い 。農業流域における面源負荷の推定には SWAT
が，農地と市街地が混在する流域では HSPF が適し6）ているという報告もある 。
ただし，リンの年間流出量の定量評価について
GROWA/MEPhos（ GROWA; GRO㌼räumiges
WAsserhaushalts modell/MEPhos; Modell zur
Ermittlung des Phosphateintrags aus diffusen und
16）
punktuellen Quellen in die Oberflächengewässer）
16）
及び SWAT の比較を行った Guse ら の事例によると，GROWA/MEPhos ではリン負荷源の 65％が市街地からの点源負荷であると見積られたのに対し，SWAT では 60％が農業地域からの土壌浸食によるものであると見積られ，SWAT によって推定された浸食による年間平均のリンインプット量は GROWA/
MEPhos によって推定された値と比較して約 6 倍も多い結果となった。これはモデルの概念が異なることが要因であったが，SWAT でも点源負荷を考慮す
2）－ 7）

112

ることで改善できる余地がある。しかし，流域内に複数存在する点源負荷については，ユーザーが実測
値又は原単位法等による推定値を与えるという方法となる。これらの場合，前者では流域内の全てを網羅することは困難であること，後者では降雨時の流出量変化を考慮することができないことなど課題が残る。特に合流式下水道が残る市街地を含む流域を対象とする場合，豪雨時の未処理水放流によるリン負荷を土壌浸食によって再現してしまう可能性があるため注意が必要であり，今後の重要な課題の一つとして考えられる。また，これに関連して，平水時の溶存態リンの主要な負荷源が下水処理水である流域において，下水処理水を正しく考慮しない場合，
17）
モデルの再現性を示す Nash-Sutcliffe 係数 及び決定218）
係数 r が 0.2 を超えることは稀であること や，不足したリン負荷を補うため河川へと流出する地下水
18）
中の溶存態リン濃度が上昇したこと が報告されている。都市と農地が混在する郊外農業流域では，溶存態リンの供給源として生活排水の占める割合が高まるため，これらを考慮することが重要であり，地下水や土壌水，下水道処理施設からの排水等の知見を蓄積する必要がある。以上のように，農業流域・都市流域へ水文流出モデルを適用する際の点源負荷に関する課題が確認された。農地が面源負荷の主要な発生源である農業流域では，農学研究者らによって圃場スケールでの土壌特性や流出量等の実測デー
タが比較的揃っている場合もあり，現時点では，点源負荷の存在を考慮することが可能で，かつ農業活動を細かく入力できる SWAT に優位性があると考えられる。
3．山地・中山間地流域への適用における現状と課題
日本のように森林が多い流域においても面減負荷を評価することは重要であるが，いくつか課題も見受けられる。SWAT は実測値の乏しい流域において
19）
長期間のリン流出量を妥当に推定できる ことや，
植林，伐採，山火事などを考慮できる点で有用であ地球環境 Vol.20 No.1

るが，日本のような地形，土壌，地質，降水量など
自然要因のみでも複雑性の高い流域への適用例は多くはない。例えば，流域の大半を森林が占める斐伊
20）
21）
川流域
（島根県・鳥取県） や旭川流域（岡山県） に適用した事例があるが，森林からのリン流出量の検証は十分とはいえない。特に，日本の国土面積の 722）割以上を占める中山間地域では ，今後，高齢化に伴う耕作放棄地の拡大により，流域からのリン流出量が増加する可能性が考えられることから，中山間地域の大部分を占める森林からのリン流出量を検証し，推定精度を向上させることは，流域からのリン流出量の将来予測を行ううえで重要である。そこ
で，広島県及び岡山県の県境を流れる高梁川水系小2
田川上流域（117.43 km ；図 1）を対象に SWAT を用
いた解析を行い，課題について整理をする。
ここでは SWAT version 2012 Rev632 を使用した。
SWAT は，Hydrologic Response Unit（HRU，水文学
的反応単位）と呼ばれる土地利用，土壌及び斜面勾配が同じと見なせる単位をもとに計算を行い，サブ流域と呼ばれる支流域ごとに集計し，途中，河道内でのプロセスを経て，流域最下流からの流出量を見積っている。本研究では，対象流域を九つのサブ流

111−116（2015）

域に分割し，合計 211 個の HRU を作成し計算を行なった。詳細な計算概念や計算式については SWAT
8）
23）のマニュアル や関連する論文 を参照していただ
きたい。パラメータのキャリブレーション（校正）及びヴァリデーション（検証）を行い，流量，土砂，リ
24）
ン濃度について Moriasi ら を参考に客観的な再現性を示す統計指標を用いて評価したところ，それぞれ満足できる結果であった。計算結果では，平均で約 9％のリンが河道内で堆積作用によってトラップされる傾向を示し，特に比較的平坦な北西部の上流域において，リンのトラップ率が高い傾向を示した。北西部の上流域の低地沿いの水田や畑地，そして周辺部の傾斜地上の荒地からのリン流出量は比較的多い結果を示した（図 2）。
また，北東部の支流では，水田，畑地，荒地，森林からのリン流出量が多く，本流への影響が強いことが明らかとなった。土地利用別のリンの面積あたりの年間平均流出量は，畑地で 11.2 kg/ha/yr，荒地
で 11.1 kg/ha/yr，水田で平均 9.6 kg/ha/yr，森林で3.9 kg/ha/yr，市街地で 3.4 kg/ha/yr と見積られた。
流域の大半を占める森林は比較的低い値を示したが，流域からの正味のリンの年間平均流出量は 26.9 Mg/yr

油木

土地利用

水田

荒地

混交樹林

普通畑

市街地

広葉樹林

樹園地

ゴルフ場

針葉樹林

牧草地

水域

島根県

鳥取県

¯

高梁川
流域

岡山県

▲ 猿鳴

広島県

猪原橋

小田川

0

対象流域

1

瀬戸内海

図1

2
km

対象流域の土地利用．

（■：気象観測所，▲：流量観測所，●：水質観測所）
1/50,000 植生調査（第 2 ～ 5 回）広島県 GIS データ（環境省自然環境局生物多様性センター）及び
日本水土図鑑 GIS データ（一般財団法人日本水土総合研究所）を加工したものである．

113

清水・小野寺：水文モデルによるリン流出量推定¯

リン流出量 (kg/ha/yr)
0.0 - 10.0
10.1 - 20.0
20.1 - 30.0
30.1 - 40.0
40.1 - 50.0
50.1 - 60.0060.1 - 70.0
瀬戸内海

図2

2
km

SWAT によって推定されたリンの年間平均流出量の空間分布．

と見積られ，その約 6 割が森林から発生したと推定された。面積が広いため森林から多くのリンが流出
20）
，21）
と同様の
する結果となり，これは前述した事例
傾向であった。
ただし，この結果については実際にこのような大量のリンが森林から流出するのかどうかには疑問が残る。山地流域や中山間地流域では，山林や荒地などにおける実測データが乏しく，山地源流域や斜面
スケールでの土砂，リン流出量の検証が難しいためである。森林からのリン流出量の推定精度を上げる
ためには，今後さらなる知見を蓄積するとともに，関連する既往論文及び公開できる観測データの共有に向けたデータベースの構築が望まれる。一方，モデルの構造による問題としては，土壌中のリンの
25）
プール間の平衡時間に課題が見られることや ，森林としての土地利用は下草などが生えていない単一
26）種の樹木のみの扱いであること ，土砂流出時のリ
16）
ン流出量が過大に見積もられる可能性があることなどが指摘されている。また，樹木は積算温度の年間上限値に達するとその年の生育が止まること，樹木の生育に関するパラメータのデータベースが少な
いことも課題であると考えられる。
SWAT を含む多くの水文流出モデルは，開発の趣旨が異なることから地質は考慮しておらず，地質由
来のリンが卓越するような自然流域においては，地下水中のリン濃度のパラメータを調整することにな
114

1

る。しかし，人間活動による負荷が非常に小さい山
18）
地・中山間地流域では前述した Jackson-Blake ら
が指摘したように，キャリブレーション時において実測値とあわせるために地下水中のリン濃度を調整しないように注意しなくてはならない。
以上のことから，山地・中山間地流域からのリン流出量の推定に水文流出モデルを用いる際の問題点として，実測データが乏しいこと，モデル構造に不足があることが示された。もともと農地や市街地からの面源負荷を推定するために開発されたものが多いため，森林については樹木の生育や林床の植生の考慮などに課題が見られた。これに対して，光競合モデルを用いた生育に及ぼす雑草や間作の影響を推定することができる植生モデル Agricultural Land
Management Alternative with Numerical Assessment
27）
Criteria（ALMANAC） と SWAT の連結による改良
26）が一つの案として提案されているが ，地形など自然条件が複雑な日本の流域への適用に向けた検証
や，別の手法による森林内の植生に関するプロセスの改善も今後必要とされるであろう。
4．まとめ
本稿では，水文流出モデルを用いた流域からのリン流出量推定の現状と課題の整理を目的とした。その結果，農業流域・都市流域への適用における課題

地球環境 Vol.20 No.1

として，市街地からの点源負荷を考慮しない場合，再現性が向上せず，地下水など他のパラメータに影響を及ぼすことから，正しく見積る方法を確立することが必要であることが示された。また，山地・中山間地流域への適用における課題として，実測デー
タの不足と森林の生育プロセスや林床の下草等を考慮していない点において改善が必要であることが示された。今後は，モデル内のプロセスの改良とともに，データ不足を補うために既往論文及び公開できる観測データの共有に向けたデータベースの構築が必要であると考えられる。

111−116（2015）

Assessment Tool Input/Output Documentation Version
2012.
9）Wade, A. J., P. G. Whitehead and D. Butterfield（2002）
The integrated catchments model of phosphorus
dynamics（INCA-P）, a new approach for multiple
source assessment in heterogeneous river systems:
model structure and equations. Hydrology and Earth
System Sciences, 6, 583 - 606.
10）Binger, R. L. and F. D. Theurer（2003）AnnAGNPS
Technical Processes: Documentation Version 3.
11）Johanson, R. C., J. C. Imho and H. H. Davis Jr.（1980）
Userʼs Manual for Hydrological Simulation Program

謝辞－ FORTRAN（HSPF）, United States Environmental
Protection Agency Research, EPA-600/9-80-015.

本研究は独立行政法人日本学術振興会 科学研究費補助金特別研究員奨励費（課題番号：13J07499，代表者：清水裕太），若手研究（B）（課題番号：26870837，
代表者：清水裕太）及び基盤研究（A）（課題番号：
25241014，代表者：福岡正人）による研究成果の一部である。また，国立研究開発法人 農業・食品産業
技術総合研究機構近畿中国四国農業センターの松森
堅治上席研究員には農業に関する有益な助言をいた
だいた。ここに記して謝意を表する。
引用文献

12）Andersson, L., J. Rosberg, B. C. Pers, J. Olsson and
B. Arheimer（2005）Estimating catchment nutrient
flow with the HBV-NP model: sensitivity to input
data. Ambio, 34, 521 - 532.
13）Nasr, A. E., M. Bruen, P. Jordan, R. Moles, G. Kiely
and P. Byrne（2007）A comparison of SWAT, HSPF
and SHETRAN/GOPC for modelling phosphorus
export from three catchments in Ireland. Water
Research, 41, 1065 - 1073.
14）Kliment, Z., J. Kadlec and J. Langhammer（2008）
Evaluationofsuspendedloadchangesusing

AnnAGNPS and SWAT semi-empirical erosion
1）Wellen, C., A. R. Kamran-Disfani and G. B. Arhonditsis（2015）Evaluation of the current state of distributedmodels. Catena, 73, 286 - 299.
15）Parajuli, P. B., N. O. Nelson, L. D. Frees andmodeling.

K. R. Mankin（2009）Comparison of AnnAGNPS and

Environmental Science & Technology, 49, 3278 - 3290.

SWAT model simulation results in USDA-CEAP2）Singh, V.（2012）Computer Models of Watershed

agricultural watersheds in south-central Kansas.

nutrient

watershed-water

quality

Hydrology （second printing）, Water Resource
Publications.
3）Singh, V. P. and D. K. Frevert （2006） Watershed
Models. Taylor & Francis, CRC Press, 653.
4）Radcliffe, D. E. and M. L. Cabrera（2006）Modeling
Phosphorus in the Environment, CRC Press.

Hydrological Processes, 23, 748 - 763.
16）Guse, B., A. Bronstert, M. Rode, B. Tetzlaff and
F. Wendland（2007）Application of two phosphorus
models with different complexities in a mesoscaleriver catchment. Advances in Geosciences, 11, 77-84.
17）Nash, J. E. and J. V. Sutcliff （1970） River flow5）Schoumans, O. F. and M. Silgram （eds.）（2003）

forecasting through conceptual models part I － A

Review and literature evaluation of quantification

discussion of principles. Journal of Hydrology, 10,

tools for the assessment of nutrient losses atcatchment scale. EUROHARP report 1-2003, NIVA
report SNO 4739-2003.
6）Borah, D. K. and M. Bera（2003）Watershed-scale

282 - 290.
18）Jackson-Blake, L. A., S. M. Dunn, R. C. Helliwell,
R. A. Skeffington, M. I. Stutter and A. J. Wade（2015）
How well can we model stream phosphorus

Hydrologic and nonpoint-source pollution models:concentrations

Review of mathematical bases. Transactions of theEnvironmental Modelling & Software, 64, 31 - 46.

ASAE, 46, 1553-1566.

inagricultural

catchments？

19）Gassman, P. W., M. Reyes, C. H. Green and

7）Vanderkruk, K., K. Owen, M. Grace and R. Thompson

J. G. Arnold（2005）SWAT peer-reviewed literature:（2010）Review of Existing Nutrient, Suspended Solida review. Proceedings of Third International SWAT

and Metal Models, Australian Centre for Biodiversity

Conference, 1 - 18.

and Water Studies Centre, Monash University.

20）Somura, H., I. Takeda, J. G. Arnold, Y. Mori, J. Jeong,8）Arnold, J. G., J. R. Kiniry, R. Srinivasan, J. R. Williams,

N. Kannan and D. Hoffman （2012） Impact ofE. B. Haney and S. L. Neitsch（2012）Soil & Water

suspended sediment and nutrient loading from land115

清水・小野寺：水文モデルによるリン流出量推定

uses against water quality in the Hii River basin,
Japan. Journal of Hydrology, 450-451, 25-35.

26）Kiniry, J. R., J. D. MacDonald, A. R. Kemanian,
B. Watson, G. Putz and E. E. Prepas（2008）Plant

21）Shimizu, Y., Onodera, S. and Saito, M.（2011）Effectgrowth simulation for landscape-scale hydrologicalof climate change on nutrient discharge in a coastal

modelling. Hydrological Sciences Journal, 53, 1030

area, western Japan. WATER QUALITY: Current- 1042.

Trends and Expected Climate Change Impacts, 348,

27）Kiniry, J. R., J. R. Williams, P. W. Gassman and

172 - 177, International Association of Hydrological

P. Debaeke（1992）A general process-oriented model

Sciences Publication.

for two competing plant species. Transactions of the22）清水裕太・小野寺真一・齋藤光代（2013）
郊外農業流域におけるリン流出量推定への SWAT モデルの適用

American Society of Agricultural Engineers, 35, 801- 810.

可能性．水文・水資源学会誌，26，153-173．
23）農水水産省（2014）
中山間地域等直接支払制度の最終評価－参考資料．
〈http://www.maff.go.jp/j/nousin/tyusan/siharai_
seido/pdf/ref_data.pdf〉
24）Moriasi, D. N., J. G. Arnold, M. W. Van Liew,
R. L. Bingner, R. D. Harmel and T. L. Veith（2007）
Model

evaluation

guidelinesforsystematicquantification of accuracy in watershed simulations.
Transactions of the ASABE, 50, 885-900.
25）Chaubey, I., K. W. Migliaccio, C. H. Green,
J. G. Arnold and R. Srinivasan（2006）Phosphorus
modeling in soil and water assessment tool（SWAT）
model. In: D. E. Radcliffe and M. L. Cabrera, eds.,
Modeling Phosphorus in the Environment, 163 - 188,
CRC Press.

116

清水

裕太／Yuta SHIMIZU

広島大学大学院総合科学研究科博士課
程後期修了。博士（学術）。広島大学大学
院総合科学研究科研究員を経て 2013 年より日本学術振興会特別研究員 PD（国立研
究開発法人 農業・食品産業技術総合研究機構 近畿中国四国農業研究センター）。
専門は水文学，自然地理学。現在は，農業流域からの栄養塩類流出に関する研究を行っている。

小野寺

真一／Shin-ichi ONODERA

広島大学大学院総合科学研究科教授。
1992 年に千葉大学で博士
（理学）
を取得。
現在の専門は水文化学，流域環境学。地下水や河川の流出とそれらの物質循環や生態系に及ぼす影響について，陸域－海域を含む流域スケールを対象とした研究を行っている。近年は，特に地表水（海水を含む）と地下水が接する境界域における水輸送とそれにともなう栄養塩
（リン，
窒素など）
の動態に注目している。著書は「Forest Hydrology
and Biogeochemistry」（分担執筆，Springer）など。