森林域を流れる小河川の流出特性に関する研究(A study on the runoff characteristics of the small river that flows throughthe forest basin)(Shun Mizuno)

水野 俊Abstract
In order to clarify the runoff characteristics during a dry weather period , water quality survey were conductedin a small river in the Tohoku University Botanical Garden in East area of Aoba-ku, Sendai-city, Miyagi. Watersampling was conducted from 2010 to 2015 at five points from upstream to downstream. Also, It was discussed
by using empirical formula (L-Q formula) and Antecedent Precipitation Factor (APF).
As a result, the following was found.
1)Water quality of each item during a dry weather period is stable. but, load amount has declined to decreasedischarge. and, Organic-N of the upstream side tends to increase as the terrain changes by the effects of natural
disasters occur.
2)From empirical formula (L-Q formula), each item of water quality was found to be a dilution type. and, there
is change the water quality concentration by the discharge change.
3)From Antecedent Precipitation Factor (APF), rainfall which affects the discharge is necessary to add datafrom the water sampling day to 11 days before.

1.

序論

負荷のひとつであり、日本の国土面積の約 7 割を下水道整備などの進展と共に、家庭、商店、工占める森林域からの汚濁物質の流出特性につい場などの汚濁源（点源負荷）からの負荷量が減少て検討することを長期的な目的としてきた。

しているにも関わらず、湖沼などの閉鎖性水域のそのために、宮城県仙台市青葉区の東部に位置水質は改善されず、富栄養化が進行している。こする東北大学植物園内を流れる小河川を対象との原因の一つとして考えられるのは、面源から排して、原則として 6 月～12 月に月一回の頻度で出される汚濁負荷（面源負荷）である。しかしな

水質調査を 6 年間(2010 年～2015 年)行った。まがら、面源負荷は、市街地、農地、森林などからた、森林からの流出特性の把握は、晴天時と降雨負荷が発生するものと考えられており、把握する時での総合的な負荷量を求める必要があるが、今のは困難であるため、その実態はよく分かってい回は、晴天時における負荷量について考察した。

ない状況にある。

1)

本研究では、森林域からの面源負荷を把握する

2.

方法

ことを目的としているが、自然負荷が実質的大き2.1い割合を占める河川流域を対象に汚濁解析を実調査対象区域 2)は、宮城県仙台市青葉区の東部施する場合には、水質予測の精度は自然負荷の評に位置する東北大学植物園内の小河川である。こ価精度に左右されるので、自然負荷を適正に評価の地域は、長年にわたり森に人の手が加わることすることが重要である。これらのことから、面源はほとんどなく、そのために、大都市内では稀に- 131 -

調査対象区域

みる貴重な自然林が残され、植物園としては日本析した。

で初めて天然記念物に指定された。従って、本研

2.3

究の目的である森林域からの流出特性を調査す

流量の測定は A、B、C、D、E 地点で行った。安

流量測定方法

定した流量を算出するために、河川の川幅を横断るための適地であるといえる。
3)

植物園内 には、裏沢、本沢、深沢の 3 つの流面の形状を与え 20cm に固定し、水深、流速を測域があるが、その中でも１番大きな流域面積をも定した。流速は SF－5511 電磁流速計を使用して、つ本沢を調査対象とした。図 1 と表 1 に示したよ

川幅の中心で 10 秒平均のデータを 3 回以上測定

うに下流から A,B,C,D,E の採水地点を設けた。本し、それを平均したものを使用した。そして、水沢の流域面積は約 253,000 ㎡、標高差は約 75m

深と川幅より断面積を求め、断面積と流速の積にであり、コナラ、アオハダ、カスミザクラなどのよって流量を算出した。

広葉樹が約 57％、アカマツ、モミ、スギなどの2.4

針葉樹が約 43％を占めている。この本沢流域か各地点間の距離と流域面積測定方法

各地点間の距離は巻尺を用いて測定し、流域面らの流出水は、深沢流域からの流出水と合流し、積は Arc Hydro Tools 2.04)を取り込んだ ArcGIS

順に五色沼、長沼、青葉山公園テニスコートを横（ESRI 社）を用いて，国土地理院発行の 5m メ切って広瀬川に流入している。

ッシュの数値標高モデル（DEM）を基に、図 2 の手順で流域界の面積を算出した。

5mメッシュの数値標高モデル(DEM)⇓
窪地(Fill Sinks)の除去⇓
傾斜方向(Flow Direction)の計算⇓
水流集積(Flow Accumulaton)の抽出⇓
流域界(Catchment Grid Delineation)の抽出⇓
流域界をポリゴンへ変換⇓
流域界面積の算出
図1

本沢流域と測定地点

AB
CDE

図2 GISを用いた流域面積の算出方法

表1 各地点の概要
累計距離(m) 流域面積(㎡)
520.9
252,979384.9
231,772215.6
190,54668.9
139,641066,376

2.4

L-Q 式の算出方法

L-Q 式は負荷量と流量の関係式で、得られたデータを元に COD、T-N、T-P などの各負荷量の特性を下記の(1)式を用いて、2010 年～2015 年までのデータを用いて計算した。

2.2

ここに、A：流域面積(km2)、L：負荷量(g/h)、

分析方法

分析項目は、pH、Cl（塩化物イオン）、EC、COD、

NO3-N、NO2-N、NH4-N、T-N、T-P、TOC である。分

Q：流量(m3/h)、a、b：係数であり、b<1：希釈型、b>1：洗い出し型、b≒1：濃度一定型である。

析方法は上水試験方法・解説に準拠して行った。
TOC については TOC 計(TOC‐5000A)を使用して分- 132 -・・・・・

下流 ☆：A地点 ○：B地点 ◇：C地点 □：D地点 △：E地点 上流00.800.16360.5501.2CODEC202010年120102015※

流量(m3/h)

図32.5

有機性-N

NH4-N

03.5

TOC512Cl-NO3-N

0.30.02

T-P07pHNO2-N0.006

T-N

1.7

流量

142015年
EC(mS/m)

02010年

2015

他項目(mg/L)

各項目の経年変化(2010年～2015年)

先行降雨係数(APF)の算出方法

流へ行くにつれて減少しており、2010 年は顕著

採水当日の流量にどれぐらい前の降雨が影響に減少したが、安定している。④EC は下流へ行を与えるのかを知るために先行降雨係数を用い

くにつれて減少しており、2013 年に減少したが、て検討を行った。下記の(2)式で、2010 年～2015安定している。⑤T-N は下流へ行くにつれて減少

年までの気象庁の降雨量データ用いて計算した。

傾向にあり、各地点の濃度は安定している。しかここに、Rt：対象とする採水日の t 日前の日雨

し、2015 年の上流側の D、E 地点では 1.452(mg/L)、量(mm)、t：採水当日からの日数である。

1.667(mg/L)と高く、前年に比べて 2 倍に近い値となった。
⑥T-P は 0.035(mg/L)から 0.952(mg/L)間で安定している。⑦TOC は下流へ行くにつれて・・・・・増加しており、年々減少傾向にある。⑧COD は下
3.

結果と考察

3.1

流へ行くにつれて増加しており、各地点の濃度は晴天時の水質安定している。しかし、他と比べて A 地点のみ

図 3 に 2010 年から 2015 年までの年平均水質項2011 年の 3.59(mg/L)から 2012 年の 4.93(mg/L)

目を示した。①流量は下流へ行くにつれて増加しと増加した後、高い濃度を維持している。⑨NO2-Nており、全体的に年々減少している傾向にある。

は下流へ行くにつれて増加している。また 2008

また A 地点を見ると、2014 年の 6.00(m3/h)は、年をピークに年々減少し、2012 年から安定して32010 年の 13.24(m /h)に比べて約半分の流量にないる。⑩NO3-N は T-N の大部分を占めており、下っている。原因のひとつとして、2011 年の東北流へ行くにつれて減少傾向にある。⑪NH4-N は地方太平洋沖地震や 2015 年の関東・東北豪雨に2012 年までは安定していたが、年々減少し、2014

よる地形的な変化、または降水量による影響と考年から 0 に近い濃度になった。⑫有機性-N は 2011

えられる。②pH は各地点で安定しているが、E年と 2015 年に増加し、2015 年の E 地点では地点は 2012 年から pH6 以下になった。③Cl-は下1.062(mg/L)で、前年の 0.293(mg/L)の 4 倍近い- 133 -濃度になった。原因として上記の流量と同じであ下流☆：A地点 ○：B地点 ◇：C地点 □：D地点 △：E地点

上流0L-Q 式
流量(m3/h)3.2

表 2 に A 地点における各項目の L-Q 式で算出した係数 a,b の結果を示した。結果をみると、ほと→15←

20APF11(mm/日)ると考えられる。

んどの項目が b<1 となり希釈型となり、TOC と CODは b>1 となり洗い出し型となった。しかし、有機

0性-N は決定係数が低いため、今後も晴天時のデ採水当日ータを収集する必要がある。

図5

表2 A地点におけるL-Q式の結果
水質項目
ab
決定係数R2T-N
6.210
0.566
0.614
NO2-N
73.465
0.269
0.720
NO3-N
5.511
0.837
0.889
NH4-N
35.0710.160
0.820
有機性-N0.330
0.960
0.240
T-P
45.3630.231
0.621
TOC0.0372.2500.780
COD0.1341.1180.816
3.3331

先行降雨係数(APF)

4.

流量とAPF11の関係

結論
森林域からの流出特性や水質の変化を知るた

めに、東北大学植物園内の小河川を上流から下流にかけて水質分析をした。また、先行降雨係数(APF)と L-Q 式を用いた結果、以下のことが分かった。
①晴天時における各項目の水質は、年々安定しているが、流量は年々減少しているため、負荷量は減少傾向にあることが分かった。また、上流側

採水当日の流量がどれぐらい前の降雨が影響おける有機性-N は自然災害の影響で地形的変化するのかを検証した。その結果を図 4 に示す。まが起こると増加する傾向にあると思われる。

た、図 5 に流量と APF11(検証の結果から 11 日前までの雨量を考慮した)の関係を示した。

②L-Q 式から、ほとんどの項目が希釈型であることが分かり、流量によって変化する傾向にある

図 4 をみると、11 日では A,B,C 地点の値が上ことが分かった。

昇した。A,B 地点の R は 0.31 と 0.29 と低く相関③先行降雨係数(APF)から、流量に影響を与えはみられないが、C 地点では 0.49 と相関がみらる雨量は、採水当日から 11 日前であることが分れた。

かった。

図 5 をみると、APF11 が増加すると、流量が増加するようにみえるため、植物園では 11 日前ま

参考文献での降雨量を考慮する必要がある。

1)武田育郎、茶園小流域からの窒素、リン、COD の排出負荷流量とAPF(t)における相関係数R

下流
0.6

☆：A地点

○：B地点

◇：C地点

□：D地点

△：E地点 上流

2)中山正与、森林域内小河川の流出特性と降雨時の水質変化

Cについて東北工業大学紀要Ⅰ:理工学編、第 26 号、2006 年 3B月、pp1-2

A3)高橋恵、山林内(青葉山)を流れる小河川の水質形成に関すD
0る研究、東北工業大学大学院工学研究科土木工学専攻卒業論E-0.3

量の推定、水環境学会誌 vol25、No.9、p565、2002 年

111文、2012 年,p12214)Arc Hydro Tools 2.0 閲覧日 2015 年 11 月

採水当日からの日数t(https://blogs.esri.com/esri/arcgis/2011/10/12/arc-hyd

図4 APFの検討結果

ro-tools-version-2-0-are-now-available/)- 134 -