地域の水資源を考慮したウォーターフットプリント指標1
茨城大学

内田 晋*

農業・食品産業技術総合研究機構

林 清忠

１．はじめに地球人口の増加と経済の発展に伴い、さまざまな資源の利用量がその限界に近づいている。それらの中にあって淡水は、資源としての特殊性からこれまでは主として地域の問題として扱われ、地球規模の資源問題として意識されるようになったのは近年のことである。
水資源の特殊性として挙げられるのは、まずその供給速度を人間がコントロールすることが困難な点である。
水資源の供給は原則として降水やその後の河川水によってもたらされ、部分的には地下水の利用やダム、貯水池などの部分的な貯蔵によって安定化が図られているものの、長期的な供給速度は降水の速度に依存している。さらにその供給速度の空間的なばらつきが地域的な水資源の過不足を引き起こしているが、これはまた水資源のもう一つの特徴である経済的な輸送困難性にも深い関連を持っている。水資源は通常低価格で利用されるため、少なくとも産業で利用される水については輸送されたものを使用したのではコスト競争力が著しく低下する。つまり他の金属資源のように経済システムの中で輸送することは難しく、水資源の消費は水路のようなケースを除けばその供給と同じ地点で行われている。水資源の第三の特殊性は、それが絶えず再生されている点にある。地球上の淡水の大部分は降水→海への流入→蒸発というサイクルで循環している。従って、水資源の供給問題はその総量ではなくある地域や時点をとったときの供給速度に関係しており、またリサイクルの重要性は他の資源と比べて低いと言える。
以上のように水資源は金属などの一般的な資源と異なる多くの特性を有しており、これらから言えることは、水の資源としての本質はその量にあるのではなく、供給速度にあるということである（[2]）
。一般的な資源では、その稀少性は利用可能量に対する利用量、つまりストック概念で表わされるが、水の場合は利用可能な流量に対する利用スピード、つまりフロー基準で表わした方が、資源として考えるのに適している。
水資源の稀少性を表わす従来の概念としてはウォーターフットプリント（WF）やヴァーチャルウォーターといった指標がこれまで検討されてきた。これらは生産品やプロセスに関わる水の使用量を他の資源と同じ考え方で積算したものであり、ストック概念が元になっている。近年、これらの概念を発展させ、水資源の利用可能量の地域差を考慮することにより稀少性の観点を取り入れたさまざまな指標が検討されている（[1][3]）。中でもStoeglehner[4]の提示した Water supply footprint （WSF）は、水利用量を、その分の水資源を降水から得るための面積に換算することにより、利用可能な総量つまり環境容量（carrying capacity）との比較を可能にした点で大きな成果である。ウォーターフットプリントの「フットプリント」はエコロジカルフットプリント（EF）からの転用であるが、EF は製品の生産に必要な面積を積算したもので、全ての対象に関して面積に換算され、陸域や水域の総面積を環境容量として比較したり、ライフサイクルアセスメント（LCA）において土地利用の環境影響領域として扱ったりすることができる。水資源に関するそれまでの研究例の多くが年間あるいは月間といった一定期間における水収支を基に議論することにより、結果的にストック概念となっているのに対し、WSF はフローベースで水資源の稀少性を扱うことを可能とし、その結果 EF と同様な概念の環境負荷として水利用を議論することの可能な指標となっている。
一方、環境影響評価の観点からは、定常的な生産だけではなく個々の製品に関しても、場所や季節による水資
1 本稿は、農林水産省「地域活性化のためのバイオマス利用技術の開発（モデル化）」の研究成果の一部を含む。

源の変動を考慮し、かつ環境容量に対する負荷が示された「真の」WF と呼べる指標を定義することが求められている。そのような指標を通じて初めて、統一のベースラインに基づく製品の水利用負荷の適正な評価が可能になり、環境影響領域の一つとして LCA の枠組みの中で水資源消費を扱うことができる。
本稿では、水利用の猶予期間という考え方を導入することにより本質的な水利用の稀少性を定義し、それを用いて定常的な生産（フロー）と個々の製品（ストック）の双方について、EF と同様に環境容量に対する地域性や時間変動を考慮した負荷という意味での、拡張された WF 指標を提案する。また、農業生産に関して、この新しい指標を用いた水資源消費の評価の可能性を検討する。
２．水利用に関する拡張 WF
2.1 水資源の本質的な利用可能量と利用の負荷
まず、水資源としてのフローベースでの利用可能量と、それに対する、水利用による負荷を考える。水利用の負荷は、連続的に利用する場合はそのフローがそのまま負荷となるが、ある量をスポット的に利用する場合、そのままではフローで表すことができない。このことがこれまでフローベースでの水資源消費を議論することができなかった理由の一つと考えられる。ここで本質的な水利用の負荷を考えるための要素として、猶予期間を考える。これはある水利用に対して、それがその日でなければならないのか、3 日間の猶予があるのかといった、言い換えれば融通性を表わすもので、個々の水利用に対してそれぞれ定義される。次に、ある量の水を利用する場
合において、それを猶予期間全体で平均的に利用すると考え、それを本質的な利用速度と定義する。例として、人間がコップ 1 杯、216ml の水を飲みたくなった場合を考える。水を飲むための時間は数秒であるが、その実際の利用速度は水資源の消費による負荷とは関係ない。
飲みたくなってから我慢が出来なくなる（健康や業務など、他のことに支障が出る）まで 3 時間かかるとすれば、それがその人の水 216ml に対する猶予期間であり、利用量を時間で割った毎秒 0.02ml という速度が、このケースにおけるフロー概念での水利用量すなわち水資源に対する本質的な負荷である。一方、彼の家に供給可能な水量が毎秒 200ml だとすればそれがフローとしての水資源量であり、両者の比である 10-4 が水資源の稀少性を考慮した水利用の負荷率とみなされる。ストックに置き換えて考えると、このケースでは 3 時間のうちのいずれかの時点で 216ml の水を利用すればよく、その間に供給可能な水の総量が 2.16m3 であるから、それらの比を取ればよい。これらのフローとストックでの比較方法は同値である。本来、同量の水を利用するにしても猶予期間が短い（緊急性が高い）ほど水資源の稀少性が高まるはずで、この計算はその違いを表現したものである。
2.2 フットプリントへの換算
前節で求めた稀少性の指標を用いて、拡張された WF を算出することができる。基準となるのは、対象とする水資源が最初に地上に供給される領域の面積である。前節の例は水資源の分類で言えばブルーウォーター（BW）と呼ばれるものに相当し、ある家に供給される上水を想定したが、同じ流域内での水資源は長期的には相互利用が可能であると仮定することにより、流域全体を水資源の単位領域と考えることができる。ここでは流域全体への降雨が河川や伏流水など利用可能な BW になり、それを流域内で消費すると考える。仮に流域の面積が1000km2、BW の利用可能量が毎秒 20kl であるなら、前節における水利用の負荷率は 10-9 となるが、これに流域面積を乗じた 1m2 が、コップの水を飲むことによる拡張 WF ということになる。以降、これを EWF (ExtendedWater Footprint)と定義する。このケースの EWF は水利用の対象である 3 時間だけ、流域面積 1m2 に相当する水資源を消費していると考え、概念的には WSF と類似しているが、時間やフローの概念をより厳密に扱い明示したものである。EWF はある時点における水資源の消費速度を表わす指標である。しかし LCA のような分析の場合、個々の製品に対する水利用の総量に対する資源消費の負荷を扱う必要がある。そこで、EWF を時間で積分したものをストックとしての水資源消費として定義し、OWF (Occupied Water Footprint)と呼ぶことにする。
上の例ではEWFが一定のため、OWF は EWF に水利用の期間（＝猶予期間）を単純にかけた 3 m2・hr となる。
LCA の立場からは、面積の次元を持つ EWF は土地利用と、また面積×時間の次元を持つ OWF は土地占有（Occupation)と同じ次元の指標であり、環境影響領域の一つとみなすことができる。ただし他の環境影響領域と違う点は、プロセスごとに異なる水資源について算出する必要があるため、集計したインベントリから最後に環境影響を計算するという一般的な方法が取れず、インベントリと同様にプロセスごとに計算して集計していかなければならないことである。

流域利用量
利用可能量

EWF

猶予時間

図 拡張ウォーターフットプリント（EWF）の概念
2.3 貯水の扱い
負荷率の大きな水利用の場合、リスク回避のために貯水が行われることが多い。一般的には消火用など猶予期間の短い水利用、そして農業用など利用量の大きな水利用で貯水による水資源の確保が行われる2。そういったバッファがある場合、負荷率の計算方法は変わってくる。再びコップの水の例に戻ると、十分に多量の水を汲み置くことができて、しかもそれが劣化しないと仮定した場合、水を飲むインターバルが問題になる。仮に 8 時間ごとに水が飲みたくなるとすれば、水利用フローは毎秒 0.0075ml となり、それに応じて負荷率や EWF も変わり、水利用の対象となる時間も 1 回あたり 8 時間となり、これが連続することから定常的に 0.375 m2 の水資源消費が行われることになる。現実の水利用を考える場合には、2.1 節よりも本節の考え方を適用するケースが多いと考えられる。
３．農業生産の水資源消費の評価
WF では、水利用の形態は通常グリーンウォーター(GW)、ブルーウォーター(BW)、グレーウォーター(RW)の 3 つに分類される。ここでは、それぞれの形態について農業における水資源消費の評価方法を検討する。
GW は主に農業生産において直接消費される水資源であり、降水が農地土壌に浸透した後作物に吸収され、葉などから蒸発散する水分量と土壌から直接蒸発散する水分量の合計である。これらの蒸発散量については国内の主要な地点についてのデータが得られる。ただし灌漑を行う場合には、蒸発散量にはその水利用分が含まれてい2 このような事例は、猶予期間の考え方による水利用負荷率の概念による評価やそれに基づいたアクションが、すでに暗示的に社会に取り入れられていることを示している。

ると考え、GW の利用量は蒸発散量から後述する BW 利用量を差し引く。畑地の場合は、降水量の評価として表面流出などを除いた有効降水量が一般的に用いられる。一般的には、降水量の 80％（ただし 1 日の降水量が 5mm未満の場合は 0mm とする）を有効降水量とする方法が用いられる（[5]）
。利用量を利用可能量で割ることにより負荷率が求められ、GW の場合は対象となる耕地面積に負荷率をかけることで EWF の値が求められる。OWFは EWF を時間で積分して求められるが、水資源の供給速度の考え方はそれぞれの水利用について異なるため、全体の OWF を求めるには個別に算出した OWF を合計して求める必要がある。
BW は一般には河川水、農業用水、水道水および再生可能な地下水を指すが、主要なものは灌漑による農業用水である。BW の消費に関する猶予期間は、消費しなかった場合に作物の生育に影響が出る時間である。また、利用可能量は、農業用水や上水の供給量の他、ケースによっては対象となる取水域の流域全体での流量を考える必要がある。ダムなどの貯水がある場合には、ダムが渇水することなく定常的に利用できる量を考える。
RW は汚染された水を環境基準内まで希釈するために必要な水量を指すが、主に製造業における概念であり、農業生産では畜産業の一部で考慮の必要がある他は対象にはならないと考えられる。また製造業でも、汚染された水が各プロセス内で適正に処理され環境基準内にしてから排出されると仮定すれば、それらは各プロセスでのBW に含まれるため RW としての計算を省略できるケースもあると考えられる。
ここで、田植えの際の水管理についてのモデルケースを対象に、EWF と OWF を試算する。水利用は田植え前に最初に行う注水のみを対象とし、5 月のある日に 5cm の深さまで水を投入したとする。ただし、その日に10mm の降水があった。また、田植えは 1 か月以内に行う必要があると仮定し、これを猶予期間とする。シナリ
オのその他の値は表 1 に示す。水田作であっても、蒸発散した水分以外は土壌への浸透や排水により下流域でのBW となり得るため、本来の GW はそれらも考慮するべきであるが、ここではモデルケースによる試算のため単純に水田に注水した水量を用いて計算を行う。
まず、猶予期間内の総供給可能量は対象地の属する流域全体で考えると GW（降水）が 3×107m3、BW（農業用水）が 7.8×106m3 であり、水使用量はトータルで 500 m3 であるがそのうち GW が 100 m3 であるため、残りの BW が 400m3 である。これらより水資源消費の負荷を求めると GW が 3.3×10 -6、BW が 5.1×10 -5 である。
従って、EWF はそれぞれに流域面積をかけた 6.7×102m2、1.03×104 m2 の合計 1.10×104 m2 となる。また、
OWF は EWF に猶予期間 30 日をかけて 3.3×105 m2・日となる。
表１ 試算の際のシナリオ
水田面積

1ha

注水深さ

5cm

猶予期間内の降水量

150mm

当日の降水量10mm

対象地点を含む流域の総面積200km2

注水の猶予期間30 日

農業用水の供給速度3m3/s

BW の方が GW よりも EWF の数値が大きいが、これは利用可能量が少ないためである。一般的に BW は降水量である GW と比較すればその利用可能量は限定されるため、できるだけ GW を使った方が EWF つまり水資源への負荷は小さくなることが推測される。EWF が 1.1ha と実際の面積を超えていることは、単純に解釈すれば、この場所、この期間（30 日の猶予期間）についてこの農業生産が持続可能な状態でないことを示している。
もちろん全体で見れば土地の全てが水田になることはなく、他の（住宅地などの）面積分の水資源を流用する形で農業生産が行われるため問題にはならないが、同様に全ての生産活動について EWF を積み上げることにより、全体としての持続可能性を判断することができる。今回の農業生産だけをとってみても、実際には最初に注水してからも細かい水量の管理が行われ、収穫までには何度か水資源の消費が行われる。全工程を通じてそれらのEWF を分析することにより、水資源への負荷の経時変化を、またその総量として OWF を求めることができる。
今回は GW と BW のそれぞれについて EWF を算出し、それらを合計することにより全体量を求めたが、この方法については GW と BW の競合性に関する議論の余地がある。両者を別々に算出することは分母の異なる比率を加算することになるため、結果の学術的な意味が問題になる。これに対して、需要者にとって GW と BWは区別されず代替的であることから、両者の合計をベースとして負荷率を評価する考え方もある。それに基づいた場合、水の総供給可能量は 3.8×107m3、使用量が 500 m3 であることから負荷率 1.32×10 -5、EWF は 2.6×103 m2 となる。この方法はマクロ的に見れば一見妥当に見えるが、実際に降水と農業用水をそれぞれどれだけ使用したかという情報は結果に反映されない。注水を行った日に降雨量が多ければ結果として GW への依存度が大きくなるため全体での負荷は小さくなるが、それは偶発的な事象であり水利用の意志とは無関係であるという立場である。それに対して本稿の計算方法は GW と BW の使用を区別しているため、両者の比率に関する水利用の計画性を結果に反映させることができる。さらに議論を複雑にする要因は、BW がもともと GW 由来であるという点である。両者の利用可能量を合計して分母とする方法はダブルカウントとなる可能性があるが、GW が地中への浸透や流出を経て BW として供給可能になるまでにはタイムラグや損失があるだけでなく、GW の使用がBW の利用可能量に影響を与えるため、両者の関係は複雑であり、それらを厳密に合成する作業は結局のところ地域の水文状況を考慮したモデルなどに基づいて行う必要があると考えられる。今後、地域的状況をある程度一般化した EWF の計算方法が開発される可能性もあり、現状ではこうした方法論はようやく緒に就いたところであるといえる。
４．おわりに本論文で提唱する EWF や OWF の指標としての優れた点としては、地域的や季節的な水資源の変動による稀少性の違いを考慮しており、フットプリント概念を厳密に表現したものであること、全体の環境容量との比較が可能であることなどである。例えば、農地 1ha を 6 ヶ月間使用してある作物を栽培するとすればその土地利用は5000m2・年である。一方、OWF も同じ単位を持ち、仮にその数値が土地利用よりも大きければ、その農業生産による水資源の消費は実際よりも大きな面積を占有することに相当し、持続可能な生産とは言えないことがわかる。こうした比較を国単位・地球単位に広げることにより、例えば人間活動による OWF の総計を地球全体の陸地面積と比較することにより、EF と同様にマクロでの持続可能性を論ずることもできる。一方 EWF は瞬間的な負荷を表すため、ある時点での持続可能性の評価に活用することができる。
しかし、これらの水利用負荷に関する考察はシミュレーションを含む多くの推定値に基づいており、不確実性が伴っている。その原因はこれらの指標の元になる水利用の状況が地域性を含む個別要因に大きく左右されることと、それに伴い入手可能かつ有用なデータが十分でないことである。特に気温や降水量といった気象要因に大きく左右されることが地域性をもたらしている。しかし、今後 regionalization に基づく詳細なデータが入手可能になれば、EWF や OWF は地域の水利用負荷を正確に表す指標として精密な分析に堪えるものになりうる。そうした発展の可能性が従来の WF 関連の指標と比較した利点の一つである。そのためには、地域的な降水量、蒸発散量やそれを左右する畑地や作物の特性、BW の供給システムに関する量的、質的な詳細、さらには必要に応じて河川や湖沼、地下水といった供給源の詳細といった情報が必要となる。経済活動に関わる全てのプロセスについてこうした詳細な情報に基づく EWF や OWF が求められれば理想的であるが、品目だけでなく生産地ごとにそのようなデータをそろえることの実現性を考えれば、現状の LCI データベースと同様、国単位でのインベントリデータとして積み上げていくのが現実的と考えられる。
本研究では新たに導入した猶予期間という概念を利用して、水資源消費の環境負荷を表す数字として、瞬間的な負荷を評価する EWF とプロセスのトータルでの負荷を表す OWF という 2 つの指標を提案し、特に農業生産について産業活動の水資源消費の評価への可能性を示した。これらの新しい指標は全体の環境容量に対する負荷という意味で、利用可能量に対する地域化・特定化された利用量という情報を含んでいる点、得られる指標の精度が入手可能なデータの精度によって改善される可能性を持っている点の 2 つの利点を持っている。
EWF, OWF は土地利用や土地占有と同様の次元を持つことから Water Footprint の概念を忠実に表した指標である。また、Mid-point Analysis の対象となる環境影響領域として扱うことも可能である。ただし、それらはあくまで換算された土地であり、土地利用そのものとは重複が許されるため、水利用と土地利用の指標を合計して論じるのに意味はないことに注意が必要である。
これらの指標により、今後データの充実とともに水資源や水利用に関するより詳細な解析が進むならば、それらの結果は世界の水問題の緩和に少なからず貢献できるものと期待され、それらを通じて、持続可能社会の構築に向けた議論が水利用の面からも発展かつ迅速化されることが期待できる。
参考文献[1] Frischknecht, R.; Steiner, R.; Arthur, B.; Norbert, E.; Gabi, H. Swiss ecological scarcity method: the new version 2006;
ESU-services GmbH: Zurich, Switzerland, 2006.
[2] Oki, T.; Kanae, S., Current situation and future perspectives on global hydrologic cycles, water balances, and world
freshwater resources. Journal of Geography 2007, 116, (1), 31-42.
[3] Ridoutt, B. G.; Sanguansri, P.; Nolan, M.; Marks, N., Meat consumption and water scarcity: beware of generalizations.
Journal of Cleaner Production 2012, 28, 127-133.
[4] Stoeglehner, G.; Edwards, P.; Daniels, P.; Narodoslawsky, M., The water supply footprint (WSF): a strategic planning
tool for sustainable regional and local water supplies. Journal of Cleaner Production 2011, 19, 1677-1686.
[5] Yoshinaga, A.; Onaga, K.; Yamashiro, S., Characteristics of Infiltration and Runoff on Upland Field Area in Okinawa.
Journal of the Japanese Society of Irrigation Drainage and Reclamation Engineering 1990, 58, (5), 505-512.