自然－人間系水文・水質循環の共同集中観測と予測モデル開発
Intensive Observation and Model Development for Hydrological Cycle and Water Quality

研究代表者 椎葉充晴 教授 京都大学大学院都市環境工学専攻
Michiharu SHIIBA, Professor, Department of Urbam and Environmental Engineering, Kyoto University
アブストラクト：淀川水系の野洲川流域（387km2）を対象とし，水・物質循環への人為的なインパクトを明らかにするために水量・水質の共同集中観測を実施し，水・物質循環の動態を分析した。また，その観測結果をもとに，水・物質循環を表現する数値シミュレーションモデルを開発した。

Abstract: To clarify the impact of human activities on hydrological cycle and water quality, intensive observations onwater quantity and quality were conducted at the Yasu River basin (387km2) in Japan. Based on the observation
results, dynamic processes of water quality and quantity was analized, and numerical hydrologic simulation models
were developed.
1. 研究目的

水質の循環の実態を把握し，予測モデルを開発するこ

我が国における河川流域の水循環は，貯水池等によとが非常に重要な課題となっている。また，野洲川がる流水制御，農業による取水とその還元，上下水道の形成した扇状地の扇頂部では頭首工よって農業用水が敷設など，人為的な効果が影響して非常に複雑なシス取水され，下流での河川流量が減少している。そのたテムを形成している。これまで，水・物質の循環機構

め灌漑期には河川水が伏没して河道の一部が枯渇し，を明らかにしようとする学問分野では，山地・農地・環境に悪影響を与える可能性が懸念されている。

都市のそれぞれの地域における知見は確実に蓄積してこれらの課題を解決するために，次の５課題を設定きている。しかし，それらの地域が混在した流域といし，現地観測と予測モデル開発に取り組んだ。

う視点に立つと，自然の水・物質循環の上に人間活動

1) 物理的基礎をもつ分布型流出モデルの構築がどのように影響を及ぼしているのかは明らかではな

2) 河川水と地下水との相互作用の分析い。このような水量・水質の循環・形成機構の理解や

3) 土壌・底質中ダイオキシン類分布とその挙動推定

認識の不足のために，河川・湖沼，農業水路，上下水4) 降雨に伴う懸濁態汚濁物質の流出機構の分析

道等の各管理者間の連係が不十分となり，総合的・体

5) 河川水質－汚濁物質の負荷源の解析

系的な対策が講じられず，水・物質循環系に様々な弊害が生じつつあることが報告されている。

3. 研究成果

これらの問題点を解決するために，近畿圏のベッドタウンとして都市化が進行しつつある淀川水系野洲川
23.1 物理的基礎をもつ分布型流出モデルの構築
野洲川流域の石部地点よりも上流を対象とし地形流域（387km ，人口約 20 万人）を対象とし，水・物質(図1)や土地利用形態(図2)を陽に組み込んだ分布型流循環への人為的な効果に焦点を当てつつ水・物質循環出シミュレーションモデルを構築した。このモデルでの共同集中観測を実施して，水循環の動態を明らかには流域を矩形の詳細なグリッドに分割し，その流れ方することを目的とした。また，その観測結果をもとに，向を地形によって決定する。流れのモデルのパラメー

人間活動の影響を陽に考慮する水・物質循環シミュレ

タは地形データと土地利用データから決定可能であり，ーションモデルを開発することを目的とした。

Kimaro et al. (2003) はこのモデルを用いて土地利用の変化に伴う流出の変化を分析した。また，このモデルでは，農業取水などの人為的効果や物質の循環を容2. 研究経過野洲川流域は琵琶湖に流入する最大の河川であり，琵琶湖の環境・水質を保全するためにも、その水量・-1-易に取り込むことができるような機構を備えることも実現している。

55

Lower Yasu sub basin
Ukawa sub basin
Kashiki sub basin

50（琵琶湖）水位指定条件

（小河川）
不透 水
条454035件

30野洲川

25落差工

20

野洲大山川

15（小河川）不透水条件

105010203040506070

頭首工

80

図 1 野洲川流域の流域モデル(500m グリッド)

地下水位 （ m ）図 3 野洲川下流域の流量観測点と計算結果
観測値
数値解⑬石 部 下 流⑫南 桜⑪近 江 富 士

⑩行 畑

⑨吉 身

⑧落 差 工 ５

⑦竹 生

⑥乙 窪

⑤服 部

④吉 川

③水 保

②今 浜 １①今 浜 ２図 2 野洲川流域の 1997 年における土地利用

115
110
105
100
9590
85807570

図４ 地下水位の計算値と観測値との比較

3.2 河川水と地下水との相互作用

両者は全体的におおむね適合している。河川流量の計

低水時の河川流況を評価するために，河川と地下水算結果も観測値とよい適合を示し，上流部では支川のとの相互作用，特に両者の水交換に伴う河川流量の変合流部で流量が増加する以外は流量が減少する傾向に化について，現地観測と水理解析の両面から検討した。

あること，中流部に位置する落差工より下流部では流まず，頭首工の下流14 km区間での河道流量の変化を量が回復するという結果が得られた（原田ら, 2004）。

図３左に示す地点で観測し，地点 D から B の区間において流量が減少することを明らかにした(原田ら，

3.3 土壌・底質中ダイオキシン類分布とその挙動推定2004)。この区間では支川の分岐がないため，この流量微量有機汚染毒性物質(以下，MOP)は一般に疎水性で減少は河床への伏流浸透に起因する可能性がある。そあることから，大気，土壌，底質，水の各相においてこで，河川水と地下水との水交換を考慮しつつ，河道粒子に収着した状態で存在し，化学・生物学的な分解の流量変化および地下水位の空間分布を計算することを受けながら主に水流がドライビングフォースとなっにより，河川水と地下水の相互作用に伴う河道の低水てゆっくりと輸送される。従って，大気以外の系で MOP流況の再現を試みた。この現象は河川水と地下水の連が隣地の流域に自然輸送されることは考えにくく，表成問題であるため，解析を行なう際には両者の支配方層土壌や底質には流域毎の特性が強く反映されること程式を同時に解く必要がある。図３右は現地観測を行が推測される。これを明らかにするために，野洲川流った2002年９月３日の状況を想定して計算した地下水域における表層土壌，河川底質及び河口底質のサンプ位分布を示している。上流部では河道水位が周辺地下リング調査を行い，MOP の代表格と言われるダイオキ水位よりも高く，河川水が地下へ伏流することを示しシン類(以下，DXNs)を測定項目としてその空間分布・ている。一方，下流部では周辺地下水位が河道水位よ移動特性を分析した(Sato et al., 2003)。当該物質をりも高くなるため，地下水が河道へ湧出することを表選定した理由としては，分解性が非常に低いことからしている。図４は地下水位観測井（図３中の●印）に面源負荷の挙動を推測する指標物質として適当である

おける地下水位の観測値と解析結果を比較したものでこと，起源の推定がある程度可能(主な起源は焼却由来ある。観測値よりも解析結果がやや低くなっているが，と農薬由来)であることなどが挙げられる。

-2-400

y = 11.1 x
R2 = 0.87300

森林
水田
畑
その他
線形(森林)

200
100
0010203040
OC含有率(%)

図 6 DXNs VS. OC 含有率（表層土壌）

図５ DXNs 濃度の空間分布

図５に得られた DXNs の空間分布に示す。水田だけで

D X N s (p g T E Q / g d r y s o lid )DXNs (pgTEQ/g drysolid)

凡例

100050100
森林
水田
畑
河川底質
河口底質

1010.10.010.1110OC含有率 (%)

100

図７ DXNs VS. OC 含有率（表層土壌＋底質）3.4 降雨に伴う懸濁態汚濁物質の流出機構の分析なく森林にも，高濃度の DXNs が蓄積されていることが汚濁物質は溶存態と懸濁態に大別され，懸濁態汚濁明らかとなった。また，河川・河口底質の DXNs は，表物質は流出初期に流出しやすく，水溶性の低い一部の層土壌のそれに比べて低い値で分布していた。代表粒

有害化学物質が土壌等の懸濁態粒子に吸着して流出す径を分析した結果からは，粒径が小さくなるほど DXNsを多く含む，つまり比表面積が増大するほど DXNs も増加するといった結果が得られた。
図６には OC 含有率と DXNs 濃度との関係を示したが，この図から森林について両者の値に強い相関が見られた。これは焼却場から飛散する DXNs が大気を通して森る。このような汚濁物質の削減のためには濃度の高い初期流出水を貯留するなどの方策が検討されるているが，浸水防止機能と協調した制御の検討や，沈殿処理の効率を評価するためには，粒径別に汚濁物質流出量を予測する必要がある。以上の観点から，雨天時の懸濁態汚濁物質の流出に関する現地調査を行い，その特性について検討し，モデル化を行った。

林に供給される系(焼却由来)を表しており，図に示さ対象流域は野洲川水系の支流である磯尾川である。

れた線形性は長期間にわたる DXNs の大気-森林土壌間

流域面積は 5.4km２，森林域が約７割，河道沿いにあるの分配が流域内で一定であることを示している。一方，水田・畑が３割，集落域が１割を占める。下流と中流

水田については，OC 含有率が低いにも関わらず高い部の２点(新治橋・岩附橋)で 2001 年 10 月～12 月に晴DXNs 濃度を検出した。これは，焼却由来に加えて，過天時・雨天時の水位・水質観測を行った。従来，晴天去に散布された農薬(PCP，CNP)の副生成物による影響

時・雨天時を含めて，流出する有機汚濁物質(COD, TOC)(農薬由来)が卓越していることを示している。

や栄養塩(TN, TP)は溶存態のものが主であり，雨天時

河川底質については，OC 含有率と DXNs ともに低く，の懸濁態流出の比率はリンが高く，窒素は低いことが

DXNs を多く含む小さな粒子は，降雨による流出の際に，指摘されてきた。しかし，著者らが行った湖山池流域より下流へ運ばれていることが予測された。河口底質については，表層土壌と河川底質の中間付近に分布していた(図７)。これは河川から流入した懸濁物質の多くが河口付近で沈降しているためであり，より高濃度の DXNs を含む一部の粒子はさらに下流の琵琶湖あるいは，海域にまで輸送されている可能性が示唆された。
また，図７の河口底質の分布域は水田の方にシフトした結果となっているが，これは土地利用などの流域・流出特性を反映したものであり，これらの特性が DXNsの分布・挙動に大きな影響を与えていることが分かった。なお，公定法による河口底質中の DXNs の異性体・同族体分布からは，水田土壌(農薬由来)の影響を明らかに受けていることが確認された。

-3-での観測では，窒素についても懸濁態比率が高く，流域によって流出機構の差異が予想された。磯尾川における雨天時観測ではの比率は 12％と低かったが，直接流出開始時刻から流量ピークまでの間にほとんどの懸濁態物質は流出し，流量ピークよりも早い時間帯に流出していることがわかった。
これらの観測結果をもとに懸濁態汚濁物質の流出モデルを構築した。雨水流出のモデルとして基底流出にタンクモデル，直接流出に Kinematic Runoff モデルを使用し，汚濁物質の流出モデルとして，溶存態物質については LQ モデルを，直接流出の懸濁態についてはUS-EPA が提案した SWMM の表面負荷量流出サブモデルを利用した。このモデルを 2002 年 11 月 29 日の雨天時

野洲川中流域

10分間
有効雨量
10分間
損失雨量

0.51 mgC/L

0.63 mgC/L

流量 （m3/s）

1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.90
0.88
0.86
16:00
2001/11/29

流量計算値(基底+直接)
基底流量計算値
懸濁態計算値
懸濁態観測値(Sta. 7～10)

懸濁態ＴＯＣ（g/s）
懸濁態OC(g/s)

雨量(mm/10min)

0.0

野洲川上流域(Sta. 1～6)

杣川流域
(Sta. 11～21)

0.4
0.2
22:00

4:00
2001/11/30

図９ 溶存有機態炭素濃度の分布0.0（年８回測定の平均値）

時刻

4. 今後の課題と発展

図８ 懸濁態汚濁物質流出モデルの算定結果
観測値に対して適用した結果を図８に示す。流出初期の懸濁態汚濁物質流出量の再現性は高く，このモデルを用いて非灌漑期の汚濁物質流出量を算定したところ
1.87kg-TOC/月/降水 mm/km2 という値を得た。

野洲川流域の水・物質循環の実態を把握するための集中共同観測を実施し，その動態を分析した。また，その結果を元に数値シミュレーションモデルを構築した。本研究では，当流域で水文データの観測が開始された1960年代以降のすべてのルーチン観測データをデータベース化するとともに，土地利用などの流域情報

3.5 河川水質－汚濁物質の負荷源の解析
野洲川の河川水質と流域の土地利用状態との解析により，水田や畑地などの面源汚濁負荷源について，定量的に評価することを目的とした。流域全体を網羅する多数の水質観測地点を設けて，一年間にわたり河川水質の測定を詳細に行った。同時に，各水質観測地点に対応する流域を設定し，各種資料よりその土地利用状態について算定した。地点によって大きく異なる水質について，流域土地利用状況との統計解析から，各水質成分の負荷源について検討を行った。
溶存有機態炭素（DOC）を例に，濃度分布を図９に示す。野洲川の支流である杣川流域で濃度が高い傾向がある。これは，杣川流域に水田が多いことと対応しており，統計解析の結果，DOC については水田が主な負荷源と特定された。DOC 以外でも，マグネシウム,カリウム, 全リン, リン酸態リンが，水田が主な負荷源であった。一方，硝酸イオンと硫酸イオンは畑が主な負荷源であることがわかった。また，野洲川の水質を土地利用状態から予測する式が得られ，各負荷源からの単位面積あたりの負荷量（負荷強度）を算定し，定量的に評価することができた。野洲川については，多くの水質成分について水田や畑が主な負荷源となっていることが判明した。

を収集している。これらのデータをもとに流域全体を対象とする総合的な水・物質循環モデルの一層の進展を図る必要がある。なお，本研究を遂行するにあたり，国土交通省琵琶湖河川事務所と(株)日本建設コンサルタントにはデータ収集・観測等において多大な協力を得た。記して謝意を表する。
5. 発表論文リスト
Kimaro,T.A., Y. Tachikawa and K. Takara: Evaluating
land use change effects on flood peaks using a
distributed rainfall-runoff model in Yasu River,Japan, IAHS, Publcation, 282, pp. 241-248, 2003.
Sato, K., Y. Shimizu, T. Suzuki, M. Takamatsu, S.
Kim, H. Sogabe, M. Nakamura, J. Fujino and H。
Yabushita: Distribution and movement of dioxins
in Yasu River Basin, Japan, Advances in Asian
Environmental Engineering, 3(2), pp.9-21, 2003.
立川康人・尾崎雄一郎・T. A. Kimaro・寶 馨：野洲川流域における水循環の変遷について，河川技術論
文集, 第8巻, pp. 551-556, 2002.
原田守博・岡嶋和義・山田達也：野洲川扇状地における河川水と地下水との水交換に関する考察，土木学
会水工学論文集，第48巻，pp.385-390，2004.

-4-