摘
要

Abstract

はじめに
日本は大陸プレートが接合する場所に形成された弧状列島である（上田・杉村，1970；藤岡，2012）。そのため，その列島上にはプレートの沈み込みに起因する火山フロントが生じ（藤岡，2012；堤，2014）。噴火などの活発な活動が起こり，環境改変が頻繁に発生する特徴がある。その活動が陸水環境に与える影響としては，マグマ熱を供給することで高い水温を示す温泉や，火山ガスの酸化により供給される塩酸や硫酸によって強度に無機酸性化した湖沼や河川がみられる（佐竹, 1980;佐竹, 1996;村松, 2011;田瀬・杉原, 2011)。この火山活動に伴う強酸化した湖沼や河川の研究は,日本の陸水環境の特徴として，1910年代から調査が開始されてきた（田中，1927;上野，1932)。その代表的な河川として，草津，吾妻川，玉川などが挙げられ，特に玉川においては酸性泉として有名な玉川温泉に着目し，長期にわたる研究が行われており（例えば，岩崎，1979）、その長期観測データを活用した水質形成過程（吉池, 1993; Yoshiike, 2003;佐藤ら，2010）や安定同位体を用いての水質形成解析（若狭ら， 2015）が行われている。加えて，上記で挙げた陸水学的な視点からの研究の他にも，その地域の経済的な資源とも言える温泉の水質変化や，火山活動状況の観測（秋田ら，2000）,噴火予知（横田，2016）などを目的とした，地下水や温泉水質観測が行われている。上記のように，地形的に安定した温泉などを源流とした無機酸性河川の調査は古くから行われてきた。しかし，火山の噴火のような，急激な自然改変に着目した地表水質および無機酸性水の研究は，定期的に調査が行われている火山地域が少ないため，噴火前後での調査は有珠山での温泉水質の変化を捉えた研究（柴田ら，2001）など限られている。また小寺らの研究グループは，箱根山麓，浅間山，伊豆大島，御嶽山など近年噴火した火山周辺の地表水の水質分布を高頻度で調査しており（例えば，猪狩ら，2017；堀内ら，2017；浅見ら， 2017),それぞれの水環境の関連性を検討している（小寺ら, 2017）ことは貴重である。本研究で対象としている御嶽山は有史以来2回の噴火が発生しており，1回目は1979年、2回目は2014年である。また，その2回ほどの規模ではないが，1991年と2007年には小規模な水蒸気爆発を起こしている（田代, 2016)。そして, 1984年には，長野県西部地震に伴う岩屑なだれが発生していることも，王滝川流域においては大きな環境改変であった。このような災害が発生した後，地質学や防災学に関する研究が集中的に行われている（例えば，青木，1980，科学技術庁国立防災科学技術センター，1985）。その自然災害と河川pHや水質形成過程に着目した研究としては，1979年の噴火後には吉岡ら(1980), 1984年の地震後には吉岡ら(1986)や戸松ら(1994), 2014年の噴火後には,利水の親点から今本ら(2017)が牧尾ダムおよびダム湖に流入する王滝川の水質について調査を行っている。そしてこの王滝川水系では，村上(2018)が紹介しているように，水道事業者などが1979年の噴火前から水質調査を行っており，1979年以前の水質調査記録を提示している点では大変興味深い。現在，調査開始から3年が経過し，我々の現地で採取した水質データが集積してきたため，水質の空間分布の把握が可能になった。そこで，王滝川流域においてその支川が本川の水質に及ぼす影響について考察を行う。また，3年にわたる水質，とくにpH変遷についても短期的な視点から明らかになった王滝川流域における水質形成過程について考察を行う。
研究方法
王滝川流域の調査地点
図1は御岳湖上流の王滝川流域での調査地点を示している。王滝川本川の調査は3カ所で，支川の調査は4カ所で行った。王滝川本川の最下流部は松原であり，御岳湖にかかる大岩橋から上流2.2 kmの地点である。その大岩橋から7.2 kmの地点に柳ヶ瀬があり，その間にうぐい川が右岸から合流している。大岩橋から12.0 kmの地点には滝越があり，柳ヶ瀬との間に左岸下流から濁川，下黒沢が，右岸から白川が合流している。
濁川流域の調査地点
図2は王滝川左岸から合流する濁川での調査地点を示している。王滝川本川と濁川との合流地点から上流3.9 km付近では，左岸から伝上川が流入する。伝上川の水は，その合流点から0.8 km上流地点で採水した。また，その地点のすぐ下流部で伝上川左岸から流入する河川を伝上川左岸支川とし、そ
の地点でも採水を行った。
伝上川との合流地点より上流の濁川は濁沢と呼ばれる。伝上川との合流点から上流1.0 kmで左岸から支川が合流しており，濁沢左岸支川として採水を行った。さらに，濁沢の上流2.7 kmで，2つの河川が合流しており，右岸からの河川が白川，左岸からの河川が赤川と呼ばれる。その白川と赤川でも採水を行った。そして，赤川上流0.4 kmでは，左岸から河川が合流しており，その河川を赤川支川，合流前の赤川の採水地点を赤川上流とする。赤川の源頭部は地獄谷と呼ばれる場所であり，1回目および2回目の噴火口が存在する（中野ら, 2014)。
調査日
表1は，王滝川流域で調査を行った場所を調査日毎に示している。各調査地点により採水回数は異なり，濁川ではほとんどの調査日で採水を行った。濁川流域での調査は，2017年11月25日と26日に行った。
分析方法
調査地においてpHの測定を行ったが，機器の測定精度が不安定であったため，今回の解析においては実験室に持ち帰った試料で再度測定した値を用いた。その際用いたpH計はPortable pH Meter Pro2Go（Mettler Toledo）である。ECについても，実験室で測定した値を用いた。ただし，濁川流城の調査で採取した試料については，pH，EC共に現地にて測定した値を用いた。用いたEC計はPortable EC Meter SevenGo   (Mettler Toledo) である。陽イオンの測定はNa + ,  K + ,  NH + ,  Mg 2 + ,  Ca 2 +について, IC-300（TOA）を用いて測定を行った。この機器の測定範囲はNa *,  Mg 2*,  NH,*が0.025から2.50 mg L -1,  K *,  Ca 2*が0.05 (出典：地理院地図,電子国土Web)
から5.00 mg L 1である。陰イオンの測定はCI，NO 2 ,  NO 3 , SO,²について，TOA IC-300（TOA）を用いて測定を行った。こちらの測定器の測定範囲はCT，NO 2 ,  NO 3が0.05から5.00 mg L -1 ,  SO 2 が0.100から10.0 mg L 1である。イオン濃度が測定範囲を超える試料については，イオン交換水を用いて希釈を適宜行った。ここで，王滝川水系および濁川水系の水質特性については，2014年12月20日から2017年3月6日までの結果を用い，王滝川水系の短期pH変化については2014年12月20日から2018年4月1日までの結果を用いた。図3.王滝川本川で探取した試料のpH横軸左側が王滝川の上流を示しており,上流から,滝越,柳ヶ瀬,松原である。黒三角は平均値を示し、三角から伸びる線は標準偏差を示す.
結果および考察
王滝川本川水質
王滝川本川のpH変化を図3に示す。滝越の平均pHは7.3でありその変動も小さいが，濁川と合流した地点の柳ヶ瀬では，平均pHは4.8に低下すると共に，変動係数も上流に比べて3.7倍となった。そして，調査地点の最も下流になる松原での平均pHは6.6であり，その変動は流越の値よりも小さくなった。次に,本川のイオン成分の構成を明らかにするためにまず,図4.王滝川本川で探取した試料のEC横軸左側が王滝川の上流を示しており,上流から,滝越,柳ヶ瀬,松原である。黒三角は平均値を示し、三角から伸びる線は標準偏差を示す. ECを図4に示す。濁川が合流する柳ヶ瀬のECが，滝越の7.3倍となる結果がえられた。その後ECは，下流の松原の地点では低下した。そして，pHと同様に，ECも滝越および松原ではその変動は小さく，柳ヶ瀬では大きくなることが明らかとなった。このことは，流越から柳ヶ瀬の間でイオン成分を多く含む水が流入し，その後，イオン成分の少ない水が流入することで希釈され，ECが低くなったと考えられる。次に，各地点のイオン成分の詳細について図5に示す。この図の形から，滝越の主要な陽イオンはNa*+K*とCa*であることがわかり，陰イオンはSO 2 +NO 3であることがわかる。一方，中流の柳ヶ瀬と下流の松原では，主要の陽イオンはNa +K +とCa +で滝越と変わらないが，主要の除イオンはSO,²+NO,が突出して高く,イオン構成が上流とは大きく異なっていることがわかる。このことは，王滝川の水質が支川により途中で大きく変化し，その影響が御岳湖流入まで続いていることを示している。
王滝川流域の支川水質
支川のpHと本川の採水位置を点線で図6に示す。王滝川本川の右岸から流入する白川，うぐい川の平均pHは，それぞれ7.6と7.0と中性の値を示した。一方，左岸から流入する下無沢と濁川では，隣り合う支川であるにもかかわらず， pHの価は大きく異なり，下無沢では7.7，濁川では4.4となった。各河川のpH変動は，下黒沢，濁川，うぐい川で大きく，濁川の変動係数と王滝川本川柳ヶ瀬での変動係数は同程度であった。次に，本川と同様に各支川のイオン構成を把握するため，まず平均ECを図7に示す。白川，下黒沢，うぐい川のECは，それぞれ2.2, 3.3, 1.5 (mS m -1)となり,ほぼ同程度の値を示した。一方，濁川のECは他の3支川に比べ10倍以上も大きくなるとと共に，標準偏差も5.6（mS m 1 ）であったことから，水質変動の大きな河川であるといえる。図8は各支川のイオン構成を示している。自川とうぐい川はグラフの形が似ており，主要な陽イオンはNa + K +とCa 2 +,濁川，うぐい川である。四角は平均値を示し，四角から伸びる線は標準価差を示す.図中の点線は本川を採取した位置を示し、上流川から滝越、柳ヶ滴，松原である。それに対する陰イオンは今回測定したCI, SO,², NO,以外であり，HCO、の関与が考えられる。戸松ら（1994）によると，白川はNa-HCO ,型に分類されておりうぐい川もこの水質分類に属するといえる。戸松らの調査から23年が経過しているが，両支川はイオン橋成の変化はほとんど無いと思われる。 ECが白川，うぐい川と同程度の下無沢については，イオン構成が異なり，主要陽イオンは同じくNa + K +とCa 2+であるが，除イオンはCIとSO 2 +NO 3の濃度が高くなっていることがわかった。この形は王滝川本川の滝越と形が類似しており，両者のイオン情成が類似する理由としては，両河川共に三浦山を水源としている事から，その地質を反映しているためだと推測される。そして，濁川のイオン構成は，下黒沢の形に比べ，SO 2 2 +NO 3が大きくなっていることが特徴である。このうち, SO,²の平均濃度は84.9 (mg L 1 ), NO,の平均濃度は0.5 (mg L'）であり，高濃度のSO 2が含まれていることがわかった。この形は王滝川本川の柳ヶ瀬および松原の形（図5）と類似しており，濁川が本川水質に大きく影響していることがわかる。このpHであれば，HCO，の含有量はほとんど無いと考えられ，それに対してSO 2が多く含まれている。濁川の酸性化については，1回目の噴火後に調査を行った小坂ら（1980）も言及しており，火口からの新噴出物には塩化物が多いことから，このSO 2が高濃度である水は，地獄谷下流噴気孔やその他の旧火山作用の影響が加わっていると考察している。ここで，火山地帯における温泉や河川を酸性化させる機構については，火山ガスもしくは堆積した硫黄化合物が考えられる。まず，火山ガスについては，酸性化した温泉水などで詳細な研究が行われており，その機構としては，火山マグマから継続的にマグマ発散物が地下水へ供給され、供給されたSO₂が自己酸化還元反応により，湧出水が酸性化すると考えられている（岩崎, 1979;平山, 1992;吉池，1993)。その酸化した水が母岩と接触することで，岩成分が流出しイオン類や重金属類の水質が形成される(真田ら, 2013)。もう一方の硫黄化合物については，火山地帯や硫化鉱床に存在する二硫化鉄から硫酸が生成され，濁川上流の濁沢の河床でみられるような，赤褐色の原因である酸化水酸化鉄（III）が最終的に生成する（田瀬・杉原，2011）。宇佐見ら（2017）,  Usami et al. (2018)はその濁川でFeイオンが多く含まれることを示しており，1回目の噴火後に河床堆積物を調査した北野と金森（1980）も，濁川の酸性化は鉄の硫化物が原因であるとしている。さらに，杉浦ら（1980）は御嶽の噴火口付近の火山灰などを分析し，そこには硫黄塩や二硫化鉄である黄鉄鉱などが含まれていることを確認している。このことから，濁川の源頭部にある地獄谷には，硫黄起源の酸性物質が堆積していると考えられる。ただ，現状においては，このどちらが原因で濁川の酸性化がもたらされているかは判断することができない。また，この硫黄の由来については硫黄同位体比を測定することで明確化されると考えられる(鈴木と田瀬, 2010;宮島, 2009)ことから,今後の研究課題の一つとして提示する。
濁川流域の支川水質
今回の調査を通して低いpHが親測された濁川について,その上流部の詳細な調査を2017年11月25日から26日にかけて行った（図9）。その日の濁川のpHは5.9であり，最初の合流点の伝上川と濁沢では，それぞれ8.1と3.7であり，濁沢の低pHが濁川のpHを下げていることがわかる。伝上川のpHおよび伝上川左岸支川のpHは中性付近であるが，伝上川のECは濁沢川と同程度である。一方，伝上川左岸支川のECは伝上川の10分の1程度であるため，伝上川の水質形成はその本川と支川によって異なることが考えられる。吉岡ら（1980）は岩屑流れ後の伝上川源頭部を調査しており,その水の火山性の水の寄与は認められないとしている。さらに吉岡ら(1986)は，この伝上川の高HCO,濃度の原因は風化岩石による影響であることを，他の崩落地の水質特性(Yoshioka, 1976)などから結論づけている。戸松ら(1994)も伝上川の水質はCa-HCO 3型に分類され，濁沢とは異なることを示しているが，その水質は火山性ガスからのCO,供給によるものであるとしており，吉岡の見解とは相準がある。濁沢左岸支川および白川はpHが濁沢に比べて高く，赤川のpHが3.1と強酸性であることがわかった。さらにその上流の赤川上流は2.9であり，その源流の地獄谷から湧出する水が濁川のpHを低下させ，王滝川のpHの低下および変動に影響を及ぼしていると考えられる。ただ，濁沢および赤川の河床に存在する赤褐色の堆積物については，赤川上流では見られず，赤川左岸支川には河床全体に堆積している様子が見られた。さらに，pHのみならず，濁沢の各支川のECについても，pHとの関連性はみられないことから，各支川における水質形成過程は異なる可能性が示唆される。戸松ら(1994)も濁川水系の伝上川と濁沢で水質形成過程の違いにより水質型が異なることを示しているが，それ以上に，濁川流域における各河川の水質はモザイク模様のように分布しており，その形成過程も複雑かつ特異的であることが考えられタ。
王滝川水系の短期pH変化
噴火が河川pH変動に及ぼす影響1979年の1回目の噴火について,松浦(1964),広(1964),本村ら（1975）と，村上（2018）の中の付表にある名古屋市2017年11月25日から26日の調査結果、（出典：地理院地図、電子国土Web)水道局のデータによると，1回目の噴火前の松原橋の王滝川のpHは6.6から7.0の中性付近であることがわかるが、噴火の2ヶ月後に観測したpHが4.9近くまで低下したことが田中ら（1984）からも明らかになっている（表2）。その後は，村上（2018）の中の付表にある愛知県水質試験所のデータによると, 1994年から2004年までの29回のpH平均値は6.9であり,噴火前の値であるといえる。次に，2回目の噴火後における王滝川の水質については，浅見（2015）や村上（2018）の付表のデータからもpHが3.6であることが読み取れる。その後は，pHが上昇しており（村上，2018)，今本ら(2017)も，噴火直後の10月から12月までは，流量の大小にかかわらず
pH4から6.5の間で推移し、12月以降はpH6から7まで上昇したとしている。このような，噴火直後のpH変化については，新燃岳でも噴火による一時的なpHの低下が確認されている(立山ら, 2012)。ただし、出水時にpHが低下することや(今本, 2017),その後もpH4.8といった値が観測されている（村上, 2018）ため，次項において月別pH変化について詳細に記す。次に濁川水系における噴火前後のpH変化について，1979年に発生した1回目の噴火前においては，伝上川の合流前の濁沢でpHが3.4から5.2が観測されており（村上，2018)，噴火後2年間はpH3台で推移している（表2）。伝上川合流後の濁川においては，1回目の噴火前はpH5.8（丹羽，1954），4.8から7.2（村上、2018）であり，噴火後直後には3.1（田中ら, 1984), 2年間ではpH4台となっており,伝上川合流前,後の両者とも噴火前に比べ噴火後にpHが低くなった。ただし，噴火前でもpH6以下で酸性化していることがわかる。1回目，2回目の噴火ともに，濁川水系には降灰量が少ないため，火山灰による河川pHの低下の影響は考えにくい（村上, 2018 ;吉岡ら, 1980 ;小坂ら, 1980)。ここで，濁川の源頭部は地獄谷であり,その谷には噴火口が存在しているため(中野ら, 2014),水質形成でも述べた酸性化をもたらす硫黄化合物もしくは火山ガスのSO₂供給があると考えられる。そのため，噴火前であっても酸性物質の供給によりpHが6以下となっていたと考えられる。そして噴火後においては，噴火に伴う噴火口付近の地質的な変化，もしくは，火山ガス供給量の増加もしくは組成の変化により，噴火前よりも多くの酸性物質が河川中に取り込まれたため，pHが低下したと考えられる。
河川pHの季節変化
まず始めに，2回目の噴火前後において，独立行政法人水資源機構が松原橋で月に1回観測していたpHデータを図10に記し、pHの経年変化について検討する。噴火前の2011年から2013年においては，年間の平均pHが，それぞれ6.8，7.0， 7.0であり,最低値は2013年5月に記録した6.3であった。一方,噴火後の2015年から2017年の年間平均pHは，それぞれ6.1, 6.1, 6.4となり,最低値は2016年4月に観測した5.2であった。この結果は，噴火後に王滝川のpHが平均で1.0程度低くなったことを示している。その噴火後のpHの月別変化については，4月から11月頃にかけてpHが低下していることが見てとれる。噴火後において，12月から3月の期間と4月から11月の期間のpH平均値を比較すると，それぞれ6.8，5.9となった。これに対して，噴火前においては,同じ期間でのpH平均値はそれぞれ6.9, 7.0となり,両期間におけるpHの違いはほとんど認められなかった。そして，噴火前後では，12月から3月の期間のpHの準いはほとんどないものの、4月から11月の期間においては噴火後にpHが1.2低下していることが明らかになった。このことは，噴火後王滝川の年間平均pHの低下については，4月から11月の期間のpH低下が原因であるといえる。次に，2回目の噴火直後から現地で観測した濁川のpHを図11に示す。平均pHは4.5であったが，2017年2月と2018年2月には6.6と6.5と高い値を示し、2017年11月と2017年4月にも5.2, 5.3を示した。ここで，濁川源頭部における気温状況を把握するため，気象庁が開田高原（標高1130 m）で親測した日最高気温の値を用いて，地獄谷付近の標高（2509 m）の気温を，気温減率適応式（100 m毎に0.649℃減少）を用いて算出した。このうち，算出した最高気温が0度以下となる期間を灰色の帯で示した。ただし、帯の始めの日は，その日以降0℃以上とならなかった最初の日とした。これによると，2014年12月以外は，pHの高い親測日が灰色の帯の中にほとんどが入っていることがわかる。このような破雪期にpHが上昇する現象は，噴火後に濁沢川で岡本・伊藤（2016）が親測した際にも確認されている。濁川の水質形成プロセスとしては,源頭部の地獄谷付近に存在する硫黄起源の酸性物質が低pHをもたらすことがイオン分析などから考えられた。そのため，標高の高い地域での積雪が融けない期間では，地獄谷付近の酸性物質の流下量が減少するため，濁川のpHが上昇することが予想される。このように冬期でpHが上昇する傾向について，田瀬ら（2011）は火山由来の酸性成分は降雨により流出するため，降雨量が少ない冬期は河川pHが上昇すると示唆しており，同様な水質形成プロセスが御嶽山の源頭部でも考えられる。
まとめ
本研究では，御嶽山南麓を流れる王滝川について，2014年の噴火後から行ってきた水質結果を取りまとめると共に，王滝川支川が本川に及ぼす影響についても考察を行った。王滝川本川水質は，濁川との合流を境にそのpHが大きく低下していることが明らかになった。また，合流直後や下流でも濁川のイオン構成と王滝川本川のイオン構成が類似していることから，濁川が王滝川の水質に与える影響は大きな事がわかる。そのため，御岳湖へ流入する水は，濁川の水質を反映しているといえる。その獨川が特徴的に示す低pHについては，非常に強い酸性を示す赤川によることも明らかになり，その酸起源として，地獄谷から供給される火山ガスもしくは硫黄堆積物が考えられた。また，濁川水系は，支川による水質の特徴が現れていることから，この局所的な水質環境が，魚類や水生昆虫，漢類などの河川生態系に影響を及ぼしていることも推測できろ。水管源機構が公表している松原橋での王滝川pHは，冬期に高い値を示す傾向であることから，低pH発生源の濁川の水質変動が影響を及ぼしていることが考えられる。その濁川のpHは積雪の時期に上昇する傾向があることから，地獄谷付近からの酸性物質の供給が積雪期に少なくなることが示唆された。
謝
磁
本研究で用いた水試料は，日本陸水学会東海支部の御嶽調査メンバーである，谷口智雅博士（三重大学）田代喬博士(名古屋大学)，小野田幸生博士（土木研究所）の協力により採取することができた。この場をお借りしてお礼申し上げる。イオン分析については，田代博士に快く機器を使わせていただきここに謝意を示す。そして，過去の水質に関する文献については，小野田博士に協力いただけたことにお礼申し上げる。また，水資源機構が採取した水質データをもとに執筆した，豊田工業高等専門学校環境都市工学科5年伊藤祐美さんの卒業研究成果の一部を使わせていただいた。本研究は，一般財団法人水源地環境センターの「WEC応用生態研究助成」 (217-05,代表：松本嘉孝,豊田工業高等専門学校)を受けて実施したものである。最後に，今回の2014年の噴火により58名もの尊い命が奪われたことに，心よりお悔やみ申し上げます。また，未だ行方のわからない方々が早期に発見されることを祈っております。