富栄養化対策を実施している貯水池における水質解析
東北大学大学院 学生会員 ○古屋 哲志 東北大学大学院 正会員 梅田 信 東北大学大学院 フェロー 田中 仁
１．はじめに
ダム湖における富栄養化現象に起因する藍藻類の異 常増殖(アオコ)は浄水ろ過障害や景観障害といった利 水及び環境面で問題視されている．その対策として曝 気循環施設が多くのダムにおいて設置されているが，
施設規模に関する定量的な評価方法はいまだ確立され ていないのが現状である．
現在の曝気循環施設の施設規模は流入栄養塩を考慮 した簡易モデルや経験的知見によって決定されている
1)．アオコの発生は植物プランクトンが増殖過程で摂取 する栄養塩や貯水池内の水温，滞留時間及び表層水温 勾配2）など多くの要因に影響を受けるため，これらの 相互作用を考慮した水質モデルを用いて施設規模を検 討する必要がある．
本研究では，貯水池内の流動解析モデルと水質モデル を組み合わせて貯水池内の水質解析を行い，実測値と 比較することで検証した．流動解析ではk-ε乱流モデ ル及び曝気流動に関する二重プルームモデルを採用し た．また，水質解析には植物プランクトンの消長に関 して窒素やリンの物質収支及び気象，水文条件を合わ せて考慮する低次生態系モデルを利用した．さらに，
数値シミュレーションから得られるクロロフィルaの 計算値を用いて曝気施設の設置条件に関する評価を行 った．
２．シミュレーションモデルの概要
本研究における数値解析モデルは貯水池内流動解析 モデルと水質モデルを組み合わせることで解析を行っ ている．貯水池内の流動解析は梅田らによる鉛直二次 元数値解析モデルを採用した3)．この数値モデルでは k-ε乱流モデルを用いており，圧力補正をSIMPLE法 によって行っている．曝気流動は二重プルームモデル を採用した．
水質モデルでは植物プランクトンの他に水質項目(懸 濁態有機物，懸濁態リン・窒素，溶存態有機物，溶存
態リン酸塩，亜硝酸態窒素，硝酸態窒素，アンモニア 態窒素及び溶存酸素)の相互作用を考慮して解析して いる．また，植物プランクトンは藍藻類，珪藻類，緑 藻類にわけて解析を行っている．植物プランクトンの 影響因子は増殖(日照強度，水温，無機態窒素，無機態 リン)，細胞外分泌，呼吸による消費，枯死及び沈降で ある．
３．モデルの検証と施設規模の評価 3.1 三春ダム概要
本研究では福島県三春町の阿武隈水系大滝根川上に 位置する三春ダムを対象とした.総貯水量は 4,280 万 m3,有効貯水量は3,600万m3である.貯水池平面図(図 1) に示すようにやつで状の形状をしているため入り江 部などで水の流れが滞留しやすい貯水池であり,アオ コの発生など水質悪化が顕著に見られる.富栄養化現 象の対策として曝気循環施設が設置されている.
三春ダム管理所ではダム諸量(貯水位,放流量など)気 象条件(気温,湿度,日射量,風速など)が一時間毎に測定 されている．ダムサイト及び流入河川において自動観 測機による測定(水温)が行われている．また，月に 1
図 1 貯水池平面形状
流入量(m3/s)
5 10 15 20 25 30
5/1 6/1 7/1 8/1 9/1 10/1
図 2 2008 年三春ダムにおける流入量
キーワード 水質解析，アオコ，曝気循環施設，
宮城県仙台市青葉区荒巻字青葉 06 TEL: 022-795-7453
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土木学会東北支部技術研究発表会（平成20年度）度詳細な水質測定が行われており,今回の検証ではそ のデータを用いた．2008 年における三春ダムの流入 量を図 2に示す．
藍藻類 Anabaena spp. Phormidium mucicol Phormidium sp Microcystis sp
5/1 6/1 7/1 8/1 9/1 10/1
(cells/ml)(cells/ml)
10-1 100 101 102 103 104
珪藻類 緑藻類
10-1 100 101 102 103 104
図 3 植物プランクトン細胞数 3.2 モデルの検証
本研究の計算期間は2008年5月1日〜9月12日を 対象とした．流入栄養塩は三春ダム湖の上流において 概ね月一回の頻度で測定されている．そこで，平成 8 年から約8年間の流入量と水質のデータからLQ式を 作成し，流入量から推定される窒素濃度及びリン濃度 を与えた．
図 3に2008年における植物プランクトンの細胞数の 実測データを示し，図 4にダムサイトにおけるクロロ フィルaの計算値及び実測値の時系列データを示す．
クロロフィル a の実測データが少ないため，これら 2 つのグラフを用いて植物プランクトンの種別の消長も 考慮の上で検証をした．図 3によると，この年の三春 ダムでは7月からアナベナの増殖とともにアオコが発 生し，8 月はミクロキスティスによるアオコが発生し ている．珪藻類及び緑藻類は，一年を通して顕著な増 殖は見られなかった．このような植物プランクトンの 種別の増減を考慮して，計算では種別に最大日増殖速 度や最適増殖水温を設定した．
クロロフィルa(μg/l)
5/1 6/1 7/1 8/1 9/1 10/1
クロロフィルa 実測データ 藍藻類 珪藻類 緑藻類
0 10 20 30 40 50 60
図 4 クロロフィル a 計算値時系列データ
クロロフィルa(μg/l)
現状の稼働状況 曝気なし
0 10 20 30 40 50 60
クロロフィルa(μg/l)
5/1 6/1 7/1 8/1 9/1 10/1
CASE1 CASE2
0 10 20 30 40 50 60
図 5 異なる曝気条件におけるクロロフィル a 計算値 本水質モデルを用いて次節において施設規模の検討
を行う．
3.3 施設規模の検討
本論文における施設規模の検討を行ったケースは曝 気を稼動しなかったケース，現状と同じ数の施設数を 大滝根本川上及び貯水池内に等間隔に配置したケース
(CASE1)，現状の施設の数を倍にしたケース(CASE2)
のクロロフィルa時系列データを比較することで検討 を行った．
施設規模の検討に関して，CASE1では現状の設置条 件に対して夏季のクロロフィルaが高い値を示し，ア オコの集積の多いダムサイトにおいて効果が弱まって いることがわかる．CASE2の設置規模を倍増すること で植物プランクトンの増殖抑制を行えることを示唆し ている．
４．おわりに
本論文では富栄養化している貯水池に対して水質解 析を行い．実測データ及び実現象と比較した．さらに，
水質モデルの利用として水質保全施設の設置規模決定
のツールとしての手法を提案した．
参考文献：
1) 小島貞男:カビ臭対策としての湖水人工循環 法の経験，用水と廃水，26，1984
2) 梅田信，古里栄一，浅枝隆：富栄養化したダ ム湖におけるアオコ発生指標としての水温 安定成層，ダム工学，16，2006.
3) 梅田信：曝気循環を考慮した貯水池内流動に 関する数値解析モデルの構築と検証，水工学 論文集，49，2005.
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