長崎県島原市における地下水水質および

長崎県島原市における地下水水質および 硝酸性窒素汚染に関する研究

2019 年 3 月

長崎大学大学院水産・環境科学総合研究科

天野弘基

第 1 章 序 論

. . . ... . ... . ... . ... . ... . ... . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . .. . .. . . . .. . .. . 1

第

1

節 研 究 の 背 景

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . . . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 1

第

2

節 本 論 文 の 構 成 と 内 容

. . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . . 7

第 2 章 地 下 水 水 質 形 成 機 構 に つ い て の 一 考 察

. . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. 8

第

1

節 緒 論

. . . ... . ... . ... . .. . ... . ... . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. .. . .. . . . .. . .. . 8

第

2

節 研 究 対 象 地 の 概 要

.. . ... . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . . . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . 8

第

3

節 研 究 方 法

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . . .. . 1 1 3. 1

サ ン プ リ ン グ

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . . . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 1 1 3. 2

分 析 方 法

. . . ... . ... . ... . ... . .. .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . .. . .. 1 1

第

4

節 結 果 と 考 察

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . . . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 1 4 4. 1

飲 料 水 と し て の 地 下 水 水 質 評 価

. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . . .. . 1 4 4. 2

水 文 化 学 過 程

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . . . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 1 5 4. 2 . 1

ク ラ ス タ ー 分 析

. . ... . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 1 5 4. 2 . 2

イ オ ン 交 換

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . 1 7 4. 2 . 3

鉱 物 の 溶 解

... ... 2 1 4. 2 . 4

地 下 水 組 成 の 形 成 メ カ ニ ズ ム

... . 2 4

第 3 章 硝 酸 性 窒 素 汚 染 地 域 に お け る 地 下 水 水 質 の 鉛 直 分 布

. . .. . 3 0

第

1

節 緒 論

. . . ... . ... . ... . .. . ... . ... . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. .. . .. . . . .. . . 3 0

第

2

節 観 測 孔 お よ び 設 置 場 所 の 概 要

. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . . .. . 3 0

第

3

節 研 究 方 法

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . . .. . 3 6 3. 1

サ ン プ リ ン グ

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . . . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 3 6 3. 2

分 析 方 法

. . . ... . ... . ... . ... . .. .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . .. . .. 3 8

第

4

節 結 果 と 考 察

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . . . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 3 9 4. 1

鉛 直 方 向 へ の 水 質 特 性

. . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. 3 9 4. 2

農 業 活 動 お よ び 降 雨 の 影 響

. ... . ... . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. .. . .. . . . .. . . 4 4 4. 3

主 成 分 分 析

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . . .. . 4 8

第

5

節 結 論

. . . ... . ... . ... . .. . ... . ... . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. .. . .. . . . .. . . 5 3

第 4 章 地 下 水 中 の 硝 酸 性 窒 素 汚 染 原 因 特 定 の た め の コ プ ロ ス タ

ノ ー ル の 利 用

. . . .. . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. 5 4

第

1

節 緒 論

. . . ... . ... . ... . .. . ... . ... . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. .. . .. . . . .. . . 5 4

第

2

節 研 究 方 法

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . . .. . 5 5 2. 1

サ ン プ リ ン グ

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . . . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 5 5 2. 2

家 畜 ふ ん お よ び 堆 肥 の コ プ ロ ス タ ノ ー ル の 抽 出

... 5 5

3. 1 家 畜 ふ ん お よ び 堆 肥 の コ プ ロ ス タ ノ ー ル . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 5 9 3. 2

地 下 水 中 の

N O3- N ... . ... . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . 6 0 3. 3

地 下 水 中 の コ プ ロ ス タ ノ ー ル

.. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . .. . .. 6 2 3. 4 N O3-

の 窒 素 酸 素 同 位 体 比

.. . ... . ... . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . .. . .. . . . .. . 6 4 3. 5 N O3-

の

δ^{1 5}N

と コ プ ロ ス タ ノ ー ル の 関 係

. .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 6 6 3. 6 N O3- N

と コ プ ロ ス タ ノ ー ル の 関 係

. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . 6 7

第

4

節 結 論

. . . ... . ... . ... . .. . ... . ... . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. .. . .. . . . .. . . 6 9

第 5 章 総 括

. . . ... . ... . ... . ... . ... . ... . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . .. . .. . . . .. . . 7 0

参 考 文 献

. . . ... . . ... . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . 7 3

謝 辞

. . . ... . ... . ... . ... . ... . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . 8 3

1

第

1

章 序 論

第

1

節 研 究 の 背 景

地 下 水 は 生 活 用 水 ，工 業 用 水 ，農 業 用 水 な ど の 多 岐 に わ た り 利 用 さ れ て い る 貴 重 な 水 資 源 の 一 つ で あ る ． 汚 染 を 含 め 地 下 水 中 で 生 じ て い る 水 文 化 学 過 程 の 理 解 は ，地 下 水 の 持 続 的 な 開 発 ，管 理 に 重 要 で あ り ， 地 下 水 組 成 を 変 化 さ せ う る 水 と 岩 石 相 互 作 用 や 人 為 的 影 響 等 を 評 価 す る た め の 一 助 と な る

(Kumar et al., 2006)．そ の た め ，地 下 水 を

水 資 源 と し て 利 用 し て い る 地 域 で は ， 水 文 化 学 過 程 に 関 す る 研 究 が 行 わ れ て き た ．ト ル コ で は ，人 為 的 影 響 よ り 岩 石 風 化 や イ オ ン 交 換 が 卓 越 し て い る と の 報 告 が あ る

(Varol and Davraz 2014)

．

Kumar et al.

(2006)

は ， イ ン ド の デ リ ー に お け る 主 要 な 水 文 化 学 過 程 は ， ケ イ 酸 塩 や 炭 酸 塩 鉱 物 の 風 化 ，蒸 発 ，イ オ ン 交 換 ，地 表 水 と の 相 互 作 用 で あ る と 報 告 し た ．

水 質 調 査 結 果 を 簡 便 に 評 価 す る 手 法 と し て ， ヘ キ サ ダ イ ア グ ラ ム

や ト リ リ ニ ア ダ イ ア グ ラ ム ， 地 下 水 水 質 に 影 響 を 与 え る 因 子 が 抽 出

可 能 な 主 成 分 分 析 が 挙 げ ら れ る ．こ れ ら の 手 法 に 加 え ，

Gibbs diagram

や

Durov diagram, Chloro-Alkaline Indices (CAI)

，イ オ ン 成 分 間 の 比 が ，

水 文 化 学 過 程 の 評 価 に 適 用 さ れ て い る

(Kumar et al., 2006; Varol and Davraz 2014, Sappa et al., 2014 )

．主 要 溶 存 イ オ ン 濃 度 や

Total dissolved solids (TDS)

を 使 用 す る こ れ ら の 手 法 は ，水

-

岩 石 相 互 作 用 ，降 雨 ，蒸

発 ，イ オ ン 交 換 ，鉱 物 の 風 化 ，混 合 等 の 地 下 水 組 成 を 形 成 す る 要 因 評

価 に 有 効 で あ る ．

2

と こ ろ で ， 地 下 水 は 貴 重 な 水 資 源 で あ る 一 方 で 様 々 な 問 題 を 抱 え て い る ． そ の 中 の 一 つ で あ る 硝 酸 性 窒 素

(NO3-N)

に よ る 地 下 水 汚 染 は ， 世 界 共 通 の 問 題 で あ る

(例 え ば ，Robins, 2002; Kaown et al., 2009;

Hansen et al., 2012; Nemčić-Jurec et al., 2013; Esmaeili et al., 2014; Rina et al., 2014).

硝 酸 性 窒 素 濃 度 の 高 い 水 は ，乳 幼 児 に は メ ト ヘ モ グ ロ ビ ン 血 症

(

ブ ル ー ・ ベ ビ ー 症 候 群

)

を 引 き 起 こ し ， 動 物 に は 発 ガ ン 性 を 有 し て い る ．日 本 で は ，乳 幼 児 の 死 亡 事 故 は 報 告 さ れ て い な い が ，欧 米 の 農 村 部 で 死 亡 事 故 が 多 発 し た

(

西 尾 ，

2005)

． こ の よ う な 健 康 被 害 を 防 ぐ 目 的 で ，世 界 保 健 機 関

(WHO 2011)

で は ，飲 料 水 中 に 含 ま れ る 硝 酸 イ オ ン

(NO3-)の 最 大 許 容 濃 度 を 50 mg L^{- 1}

と し て い る ． ま た ， 我 が 国 で は ， 公 共 用 水 域 の 人 の 健 康 の 保 護 に 関 す る 環 境 基 準 お よ び 水 道 水 質 基 準 に お い て ， 硝 酸 性 窒 素 お よ び 亜 硝 酸 性 窒 素 濃 度

(NO3+NO2-N)

の 基 準 値 を

10 mg L^{- 1}

と し て い る ． さ ら に ， 平 成

26

年

2

月

28

日 付 け 厚 生 労 働 省 令 第

15

号 「 水 質 基 準 に 関 す る 省 令 の 一 部 改 正 」 に よ り ， 亜 硝 酸 性 窒 素 濃 度 に 単 独 で 水 道 水 質 基 準 値

0.04 mg L^{- 1}

が 設 定 さ れ た ．

硝 酸 性 窒 素 に よ る 地 下 水 汚 染 の 原 因 は ，過 剰 施 肥 や 家 畜 排 せ つ 物 ， 生 活 系 排 水 な ど 多 種 多 様 で あ り ， 複 合 し て い る 場 合 も あ る

(

田 瀬 ，

2004)． し か し な が ら ， 我 が 国 で は 過 度 な 農 業 活 動 と 密 接 に 関 係 し て

い る

(Kumazawa, 2002)

． 全 国 的 な 汚 染 状 況 に つ い て は ， 田 瀬

(2004)

が 取 り ま と め て お り ，汚 染 が 顕 在 化 す る 地 域 の 特 徴 と し て ，地 形 地 質 的 に は ，台 地 ，砂 丘 ，扇 状 地 ，火 山 山 麓 等 ，作 物 栽 培 は ，茶 ，野 菜

(

人 参 ， キ ュ ウ リ ， キ ャ ベ ツ ， レ タ ス 等

)

， 果 樹

(

メ ロ ン ， ナ シ ， ミ カ ン 等

)

， そ し て 畜 産 業 を 挙 げ て い る ．

硝 酸 性 窒 素 に よ る 地 下 水 汚 染 は ， 前 述 し た よ う に 農 業 活 動 す な わ

3

ち 非 点 源 汚 染 と 密 接 に 関 係 し て い る ．こ の た め ，化 学 肥 料 の 地 下 水 へ の 影 響 は 重 要 な 課 題 と し て 研 究 さ れ て き た

(

例 え ば ，

Kolpin 1997;

Peterson et al. 2002; Oren et al. 2004; Moore and Peterson 2007)

． 硝 酸 肥 料 の 高 い 溶 解 性 と 土 壌 の 低 い 保 持 性 能 が ， 地 下 水 汚 染 を 加 速 さ せ て い る ．こ の よ う な 観 点 か ら ，WHO が 推 奨 す る 飲 料 水 基 準 を 超 過 す る

NO3-

濃 度

(50 mg L^{- 1})を 空 間 的 に 把 握 す る た め に ， 広 域 で 調 査 が 実

施 さ れ て き た

(Nemčić-Jurec et al., 2013

；

Ağca et al., 2014)

． ま た ， 鉛 直 方 向 へ の 汚 染 の 拡 が り も 調 査 さ れ て お り

(Liu et al., 2005；Ju et al., 2006

；

Chandna et al., 2011)

，

NO3-

濃 度 は 深 度 が 深 く な る に つ れ て 低 下 す る 特 徴 が あ る

(Kundu et al., 2009)．ゆ え に ，Chanda et al. (2011)

は ， 飲 料 水 目 的 の 地 下 水 は ， 汚 染 を 避 け て 深 い 深 度 か ら 採 水 す べ き と 述 べ て い る ．浅 層 地 下 水 は ，揚 水 や 作 物 の 根 域 を 通 過 し た 水 の 浸 透 の よ う な 様 々 な プ ロ セ ス の 影 響 を 受 け る た め ，

NO3-

濃 度 は 変 動 し や す い ． 一 方 ，深 層 地 下 水 で は 影 響 を 与 え る プ ロ セ ス は わ ず か で ，例 え ば

NO3-

の 拡 散 で あ る

(Liu et al., 2005)．し か し ，NO3-

濃 度 は 難 透 水 層 に よ り ， 特 定 の 深 度 で 劇 的 に 変 化 す る こ と も あ る

(Choi et al., 2010)

．

NO3-

濃 度 の 時 間 変 化 は ， 窒 素 肥 料 の 使 用 量

(Derby et al., 2009)， 降

雨

(Sorensen et al., 2015 )

，そ し て 揚 水 に よ る 浅 層 地 下 水 の 混 合

(Ki et al., 2015)と 関 係 し て い る ． ま た ， 窒 素 肥 料 の 使 用 か ら NO3-

が 地 下 水 に 到 達 す る ま で の 時 間 差 は ，土 壌 の 種 類 や 水 文 地 質 学 的 特 性 ，気 候 特 性 に よ り 決 ま る

(Fenton et al., 2011)．ゆ え に ，適 切 な 地 下 水 管 理 と 監

視 の た め に は ，水 平 方 向 お よ び 鉛 直 方 向 へ の

NO3-

濃 度 の 調 査 に 加 え ，

NO3-

濃 度 の 時 間 変 化 を 調 査 す る 必 要 が あ る ．

硝 酸 性 窒 素 に よ る 地 下 水 汚 染 に 対 す る 解 決 策 を 提 案 す る た め に は ，

汚 染 原 因 の 特 定 が 必 要 不 可 欠 で あ る ． 特 定 方 法 に は ，

NO3-

と

S O42 -

，

4

Ca^{2 +}

， そ し て

M g^{2 +}

等 の 間 の 相 関 係 数 を 算 出 す る 方 法

(Babi ker et al., 2004)

や 硝 酸 の 窒 素 安 定 同 位 体 比

(δ^{1 5}N)

を 分 析 す る 方 法

(

例 え ば ，

Williams et al., 1998；Ri vers et al., 1996 )が あ る ．δ^{1 5}N

は ， 大 気 で

-15

～

+15 ‰

，無 機 肥 料 で

-4～+4 ‰

， 有 機 肥 料 で

+2～+30 ‰

， 家 畜 排 せ つ 物 で

+10～+20 ‰ (Kendall, 1998 )を 示 す が ，重 複 す る 範 囲 で は 汚 染 原

因 の 特 定 が 困 難 で あ る ．

Kendall (1998)

は ， 支 配 的 な

NO3-

の 起 源 を 解 釈 す る た め に ，

δ^{1 5}N

と

δ^{1 8}O

を 軸 と し た 散 布 図 を 作 成 し ，多 種 多 様 な 硝 酸 の 起 源

(降 雨 中 の NO3

， 肥 料 中 の

NO3

， 肥 料 及 び 降 雨 中 の

NH4

， た い 肥 及 び 糞 尿 ， 土 壌

)で 異 な る 同 位 体 の 範 囲 を 示 し た ． さ ら に ， こ

れ ら の 同 位 体 は 脱 窒 の 有 無 の 判 断 に も 利 用 で き る ．

δ^{1 8}O

に よ り ， ア ン モ ニ ア 肥 料 や 土 壌 窒 素 ， た い 肥

(

糞 尿

)と 硝 酸 肥 料 及 び 大 気 由 来 の

も の が 区 別 で き る が ， 依 然 と し て 化 学 肥 料 と 家 畜 排 せ つ 物 の

δ^{1 5}N

に は 重 複 す る 範 囲 が あ る ．こ の 問 題 を 解 決 す る 方 法 と し て ，複 数 あ る 硝 酸 の 起 源 の 寄 与 率 を 定 量 化 す る ベ イ ズ 混 合 モ デ ル が あ る

(Matiatos 2016

；

Kim et al ., 2015)． た だ し ， モ デ ル 解 像 度 は ， 混 合 物 中 の NO3^-

の 同 位 体 組 成 の 時 間 的 可 変 性 や 不 確 実 性 に 影 響 を 受 け る た め 注 意 を

要 す る

(Xue et al., 2012 )．コ プ ロ ス タ ノ ー ル (5β(H)-Cholestan-3β-ol

，

CAS No. 360-68-9)

は ，ス テ ロ ー ル 類 の 一 種 で ，高 等 脊 椎 動 物 の 消 化 管

内 で コ レ ス テ ロ ー ル が 微 生 物 還 元 さ れ る こ と で 生 成 さ れ る

(Martins et al., 2007)

． コ プ ロ ス タ ノ ー ル の オ ク タ ノ ー ル

/

水 分 配 係 数

(logP)

の

ALOGPS 2.1

に よ る 推 算 値 は

7.02

で あ る

(Tetko et al., 2005; VCCLAB 2005).

こ れ ま で に コ プ ロ ス タ ノ ー ル は ， ラ グ ー ン や 河 口 に お け る 糞

便 汚 染 の 指 標 と し て 利 用 さ れ て き た

(Martins et al., 2007

；

Reeves and Patton 2005)

． コ プ ロ ス タ ノ ー ル は ， 高 等 脊 椎 動 物 の 消 化 管 で 唯 一 発

生 す る こ と か ら ，コ プ ロ ス タ ノ ー ル の 分 析 は ，汚 染 原 因 の 評 価 に 有 効

5

で あ る と 考 え ら れ る ．つ ま り ，化 学 肥 料 が 汚 染 原 因 で あ る 場 合 ，δ

^{1 5}N

が 化 学 肥 料 の 範 囲 に ， あ る い は 化 学 肥 料 と 家 畜 排 せ つ 物 の 重 複 す る 範 囲 に プ ロ ッ ト さ れ ， コ プ ロ ス タ ノ ー ル は 検 出 さ れ な い と 想 定 さ れ る ．

以 上 の よ う に ，地 下 水 の 持 続 的 な 開 発 お よ び 適 切 な 管 理 に は ，汚 染 を 含 め た 水 文 化 学 過 程 を 理 解 す る 必 要 が あ る ．そ し て ，安 全 な 水 資 源 の 確 保 に は ， 水 平 方 向 お よ び 鉛 直 方 向 へ の 硝 酸 性 窒 素 濃 度 の 調 査 に 加 え ，硝 酸 性 窒 素 濃 度 の 時 間 変 化 を 調 査 す る 必 要 が あ る ．汚 染 対 策 を 講 じ る た め に は 汚 染 原 因 の 特 定 が 必 要 で あ る が ， こ れ ま で に よ く 利 用 さ れ て い る

NO3-

の 窒 素 酸 素 同 位 体 比 で は 困 難 な 場 合 が あ り ， 新 た な 手 法 に よ る 特 定 が 必 要 で あ る ．

長 崎 県 島 原 市 は ，水 道 水 の

100 %

を 地 下 水 に 依 存 す る 一 方 で ，近 年 数 カ 所 の 水 源 井 戸 で 硝 酸 性 窒 素 濃 度 の 増 加 が 確 認 さ れ て い る ． そ の た め

2005

年 に は ，島 原 半 島 に お け る 硝 酸 性 窒 素 汚 染 の 解 決 方 法 を 議 論 す る た め の 委 員 会 が 設 立 さ れ た

(島 原 半 島 窒 素 負 荷 低 減 対 策 会 議 ， 2006)． 委 員 会 は ， 汚 染 が 顕 在 化 す る 地 域 に 対 し ， 肥 料 の 使 用 量 削 減

と 家 畜 排 せ つ 物 の 適 正 管 理 を 推 進 し て き た ．し か し な が ら ，島 原 市 の 水 道 水 源 井 戸 で は ， 全 体 の

23 %

が 依 然 と し て 水 道 水 質 基 準 を 超 過 す る 状 況 で あ る

(

島 原 半 島 窒 素 負 荷 低 減 対 策 会 議 ，

2011)

．

Nakagawa et al. (2016)

は ，

2011

年

8

月 か ら

2013

年

11

月 に か け て 市 内 の 民 家 井 戸 ， 水 源 井 戸 ，そ し て 湧 水 か ら 地 下 水 を 採 水 し ，水 質 特 性 や 硝 酸 性 窒 素 汚 染 の 現 状 ，そ れ ら の 拡 が り ，汚 染 原 因 に つ い て 以 下 の よ う な 結 果 を 示 し た ．

(1)

採 水 地 点 の

38 %

で ， 硝 酸 性 窒 素 濃 度 は 水 道 水 質 基 準

10 mg L^{- 1}

を

超 過 し て い た ．

6

(2)

採 水 地 点 の

53 %で ，硝 酸 性 窒 素 濃 度 は 人 為 的 活 動 の 影 響 を 受 け た

と み な さ れ る 濃 度

3 mg L^{- 1}

を 超 過 し て い た ．

(3)

基 準 値 を 超 過 し た 採 水 地 点 は ， 窒 素 負 荷 ポ テ ン シ ャ ル の 高 い 集 落 の 下 流 域 に 位 置 し て い た ．

(4) Ca-HCO3

型 お よ び

Ca-(SO4+NO3)型 の 水 質 組 成 が 認 め ら れ ，硝 酸 性

窒 素 汚 染 に よ り 水 質 組 成 は

Ca-HCO3

型 か ら

Ca-(SO4+NO3)

型 に 変 化 し て い る ．

(5) NO3-

は

Cl^-

，

K⁺

そ し て

SO42 -

と の 間 に 正 の 相 関 が あ り ， 汚 染 は 家 畜 排 せ つ 物 ， 堆 肥 と 化 学 肥 料 の 過 剰 施 用 と 関 係 が あ る ．

(6)

降 雨 の 涵 養 に よ り 地 下 水 位 は 上 昇 し ，

NO3-N

濃 度 は 希 釈 さ れ る こ と が あ っ た ．

(7)

主 成 分 分 析 か ら ， 水 質 組 成 を 決 定 す る

2

つ の 因 子 を 抽 出 し た ． 両 因 子 は 地 下 水 流 動 に 伴 う イ オ ン の 溶 解 を 表 し て お り ， さ ら に

2

つ の 内 １ つ は 硝 酸 性 窒 素 汚 染 を 表 し て い る ．

(8)

ク ラ ス タ ー 分 析 で は ，水 質 特 性 は

4

つ の グ ル ー プ に 分 類 さ れ ，

1

つ は 汚 染 と 関 係 性 の あ る グ ル ー プ で あ り ， 残 り は 汚 染 の 影 響 は な く イ オ ン 濃 度 の 大 小 に よ り 区 別 さ れ る ．

以 上 の 様 に 汚 染 対 策 を 検 討 す る に 資 す る 有 益 な 成 果 が 得 ら れ て い る

が ，適 切 な 地 下 水 利 用 で 求 め ら れ る 水 文 化 学 過 程 の 理 解 ，安 全 な 水 資

源 確 保 の た め の 硝 酸 性 窒 素 濃 度 の 空 間 的 拡 が り の 把 握 や 汚 染 原 因 の

特 定 に つ い て は こ れ ま で の と こ ろ ま だ 明 ら か に さ れ て い な い ．

7

第

2

節 本 論 文 の 構 成 と 内 容

本 論 文 は 全

5

章 で 構 成 さ れ て い る ．

第

1

章 で は ， 前 述 し た よ う に ， 地 下 水 の 持 続 的 な 開 発 お よ び 管 理 に 対 す る 水 文 化 学 過 程 の 理 解 の 重 要 性 と そ の 過 程 の 評 価 手 法 ， 硝 酸 性 窒 素 に よ る 地 下 水 汚 染 の 概 要 ，汚 染 原 因 の 特 定 手 法 ，そ し て 研 究 対 象 地 で あ る 長 崎 県 島 原 市 に お け る 地 下 水 水 質 に 関 す る 先 行 研 究 に つ い て 述 べ た ．

第

2

章 で は ，主 要 溶 存 イ オ ン 濃 度 や

TDS

に も と づ く

Gibbs diagram，

Durov diagram , C A I， そ し て イ オ ン 成 分 間 の 比 に よ る 水 文 化 学 過 程 の

評 価 結 果 に つ い て 説 明 す る ．

第

3

章 で は ， 深 度

50 m

の 観 測 孔 で ， 多 深 度 地 下 水 採 水 装 置 を 用 い て 実 施 し た 鉛 直 方 向 へ の 地 下 水 水 質 調 査 結 果 に つ い て 説 明 す る ． ま た ， 作 物 体 系 や 降 雨 と

NO3-

濃 度 の 時 間 変 化 の 関 連 性 に つ い て 考 察 す る ．さ ら に ，主 成 分 分 析 に よ り 鉛 直 方 向 の 水 質 組 成 分 布 を 決 定 す る 因 子 を 抽 出 す る ．

第

4

章 で は ，

NO3-

の 窒 素 酸 素 同 位 体 比 を 用 い て ， 硝 酸 性 窒 素 に よ る 地 下 水 汚 染 の 原 因 特 定 を 試 み る ．続 い て ，糞 便 汚 染 指 標 の 一 つ で あ る コ プ ロ ス タ ノ ー ル を 用 い た 汚 染 原 因 特 定 の 新 た な 手 法 に つ い て 検 討 す る ．

第

5

章 は ， 本 研 究 で 得 ら れ た 結 果 を と り ま と め る ．

以 上 の よ う に 本 研 究 は ， 長 崎 県 島 原 市 を 対 象 と し た 地 下 水 の 水 文

化 学 過 程 お よ び 鉛 直 方 向 へ の 水 質 分 布 特 性 に つ い て 調 査 す る と と も

に ， 汚 染 原 因 特 定 の た め の 新 た な 手 法 と し て コ プ ロ ス タ ノ ー ル を 用

い る こ と を 提 案 す る も の で あ る ．

8

第 2 章 地 下 水 水 質 形 成 機 構 に つ い て の 一 考 察

第 1 節 緒 論

第

1

章 で 述 べ た よ う に ，Nakagawa et al. (2016)は ，硝 酸 性 窒 素 に よ る 地 下 水 汚 染 の 拡 が り を 明 ら か に し ， ヘ キ サ ダ イ ア グ ラ ム や ト リ リ ニ ア ダ イ ア グ ラ ム ，多 変 量 解 析

(

主 成 分 分 析 お よ び ク ラ ス タ ー 分 析

)を 適 用

し ， 水 質 特 性 を 評 価 し た ． し か し ， 自 然 由 来 の 水 質 形 成 機 構 に つ い て は 十 分 に 検 討 し た と は い え な い ． ま た ， 水 道 水 源 の 一 部 で は 高 濃 度 の

NO3-N

の 地 下 水 が 採 水 さ れ る た め ， 島 原 市 で は 水 源 の 転 換 を 行 っ て お り ， 今 後 も 新 規 水 源 の 開 発 が 必 要 で あ る と 考 え ら れ ， そ の 参 考 と な る 知 見 が 求 め ら れ て い る ．

そ こ で ， 本 章 で は ， 島 原 市 の 今 後 の 水 源 開 発 に 参 考 と な る 重 要 な 資 料 を 提 供 す る た め に ，2015 年 に 実 施 し た 地 下 水 水 質 調 査 デ ー タ を も と に ，

Gibbs diagram

や

Durov diagram

と い っ た 手 法 に よ り ， 詳 細 な 水 文 化 学 過 程 を 明 ら か に す る こ と を 試 み た ．

第 2 節 研 究 対 象 地 の 概 要

長 崎 県 島 原 市 は ， 島 原 半 島 北 東 部 に 位 置 し ，

82.8 km²

の 面 積 を 有 す

る ． 島 原 半 島 中 ・ 北 部 は ， 口 之 津 層 群 を 基 岩 と し ， 海 岸 近 く で は 海 水

面 下

10 ~ 100 m

以 深 に 広 く 分 布 す る

(

村 上 ，

1975)． 北 部 は ， 半 島 中 心

に そ び え る 雲 仙 普 賢 岳 を 頂 点 と し て 北 方 に 開 け た 扇 状 地 形 を な す ． 凝

9

灰 角 礫 岩 ， 凝 灰 岩 ， 火 山 円 礫 岩 な ど の 雲 仙 基 底 火 山 砕 屑 岩 類 が 口 之 津 層 群 を 覆 い 広 く 分 布 し ，山 麓 地 を 形 成 し て い る

(

村 上 ，1975)．標 高

300 m

以 高 で は ，角 閃 石 安 山 岩 を 含 む 雲 仙 火 山 岩 類 が 山 岳 地 帯 を 構 成 す る ． 中 央 部 の 大 部 分 は ， 雲 仙 火 山 岩 類 に 厚 く 覆 わ れ ， 一 部 で 石 英 安 山 岩 が 認 め ら れ る ．市 西 部 に そ び え る 眉 山 は ，1792 年 に 大 崩 壊 し ，な だ れ 堆 積 物 が 市 南 西 部 に 分 布 し て い る ． 市 北 部 に は 標 高

100m

付 近 に 広 域 農 道 が 水 道 水 源 井 戸 で あ る

W-11 (

図 2-1

)

直 前 ま で 敷 設 さ れ て お り ， 道 路 全 体 を 挟 む よ う に 標 高

200 m

付 近 ま で 農 用 地 が 分 布 し ，標 高

300 m

付 近 に は 畜 舎 が 多 く 分 布 し て い る ． 温 暖 湿 潤 気 候 で あ り ，

2013

年 か ら

2015

年 の 年 間 降 水 量 は

1970 ~ 2476 mm

で ， 年 平 均 気 温 は

16.9 ~ 17.4

oC

で あ る

(

気 象 庁 ，2016)．年 間 を 通 し て 降 水 が あ る が

6

月 か ら

8

月 の 降 水 量 が 年 間 降 水 量 の

50 %

以 上 を 占 め る ．

農 業 活 動 が 盛 ん な 島 原 市 で は ， 大 根 ， ニ ン ジ ン ， 白 菜 が 主 に 栽 培 さ

れ て い る ．次 い で ，レ タ ス ，と う も ろ こ し ，す い か が 栽 培 さ れ て い る ．

様 々 な 作 物 の 組 み 合 わ せ（ 例 え ば ，秋

/冬 大 根 と 春 ニ ン ジ ン ，冬 ニ ン ジ

ン と 春 ニ ン ジ ン ， 白 菜 と す い か 等 ） で ， 二 毛 作 が 実 施 さ れ て い る ． 畜

産 で は ，

2015

年 に お い て 約 乳 牛

1,000

頭 ， 豚

23,000

頭 ， 鶏

1,000,000

羽 が 飼 育 さ れ て い た ． 肉 牛 と ブ ロ イ ラ ー の 飼 育 数 は 不 明 で あ る が ， 経

営 体 数 は 肉 牛 で

62

戸 ， ブ ロ イ ラ ー で

2

戸 で あ る ．

10

図 2-1 採 水 地 点 の 分 布

11

第 3 節 研 究 方 法

3.1 サ ン プ リ ン グ

図 2-1 に 採 水 地 点 の 分 布 を 示 す ．採 水 地 点 は ，民 家 井 戸

5

地 点

(RW)，

水 道 水 源

21

地 点

(W)，湧 水 2

地 点

(S)，観 測 孔 1

地 点 (O)の 計

29

地 点 で あ り ，こ の 内

21

地 点 が 標 高

100 m

よ り 低 い 地 域 ，

1

地 点 が 標 高

100 m ~ 200 m

の 地 域 ，

7

地 点 が 標 高

200 m

よ り 高 い 地 域 に 分 布 し て い る ． 本 論 文 で は ，季 節 的 特 性 を 考 察 す る た め ，

2015

年

5

月 か ら

12

月 に か け て

4

回 水 質 調 査 を 実 施 し た ．

3.2 分 析 方 法

現 場 で は ，

pH

，

EC

を ハ ン デ ィ ー 計 測 器

(HORIBA D-54)に よ り 測 定

す る と と も に ，

pH4.8

ア ル カ リ 度 滴 定 に よ り

HCO3-

を 定 量 し た ．サ ン プ

ル は ，実 験 室 に 持 ち 帰 り ，陰 イ オ ン

(Cl^-

，NO

3-

，SO

42 -)お よ び 陽 イ オ ン (Na⁺

，

K⁺

，

Mg^{2 +}

，

Ca^{2 +})

を イ オ ン ク ロ マ ト グ ラ フ ィ ー

(Metrohm 861 Advanced Compact IC）に よ り 分 析 し た ．本 研 究 で 利 用 し た Gibbs diagram (1970)は ，(Na + K)/(Na+ K + Ca)と Cl/(Cl + HCO3)に 対 す る TDS

を プ ロ

ッ ト す る こ と で 描 画 で き ， 地 下 水 組 成 に 影 響 を 与 え る 水 文 化 学 過 程 ，

す な わ ち ， 降 雨 ， 蒸 発 ， 岩 石 と 水 の 相 互 作 用 の 優 位 性 を 評 価 で き る ．

Gibbs diagram

の 表 す 水 文 化 学 過 程 は ，

TDS

が 低 く ，

Na^＋

と

Cl^-

が 支 配 的

な 降 雨 お よ び 降 雨 の 涵 養 か ら 始 ま る ． 涵 養 さ れ た 降 雨 は 地 下 水 と し て

流 れ ， 鉱 物 を 溶 解 さ せ る ． 炭 酸 カ ル シ ウ ム は 世 界 的 に 非 常 に 豊 富 で 酸

加 水 分 解 し や す い こ と か ら ，

Ca^{2 +}

お よ び

HCO3-

は ，岩 石 と 水 の 相 互 作 用

の ト レ ー サ ー と し て 適 し て い る ． そ し て ， 暑 く 乾 燥 し た 環 境 で は ， 水

が 蒸 発 す る こ と で ， 鉱 物 が 沈 殿 す る ． 炭 酸 カ ル シ ウ ム は 沈 殿 す る 最 初

12

の 鉱 物 で あ り ， 沈 殿 の 結 果 と し て 相 対 的 に

Na^＋

と Ｃ

l^-

の 割 合 が 増 加 す る ．

Durov diagram

は ，

9

つ の 領 域 に 分 か れ た 四 角 座 標 図 ，そ の

4

辺 に 隣 接 す る

2

つ の 三 角 座 標 図 と

2

つ の 四 角 座 標 図 で 構 成 さ れ ，

NO3-

を 除 く 陰 イ オ ン

3

成 分 と 陽 イ オ ン

4

成 分 の 各 当 量 百 分 率 を 三 角 座 標 図 に プ ロ ッ ト し た 後 ， 各 点 か ら 四 角 座 標 図 に 対 し 平 行 に 引 い た 線 の 交 点 を 中 央 の 四 角 座 標 図 に プ ロ ッ ト し ，延 長 線 上 の 四 角 座 標 図 に

TDS

と

pH

を プ ロ ッ ト す る ． プ ロ ッ ト さ れ た 領 域 に よ り ， 地 下 水 水 質 の 進 化 傾 向 や 形 成 過 程 の 解 釈 ， こ こ で は 陽 イ オ ン 交 換 反 応 や 異 な る 水 質 組 成 の 地 下 水 の 混 合 プ ロ セ ス 等 を 評 価 で き る

(Al-manmi 2007)．両 diagram

の 描 画 に 必 要 な

TDS (mg L^{- 1})

は ，EC (dS m

^{- 1})を TDS = 640 × EC (Evangelou, 1998)に よ り 換 算 し て 求 め た ．

泥 質 岩 や 有 機 物 は ，

H⁺

，

Na^＋

，

K^＋

，

Ca^{2 +}

， そ し て

Mg^{2 +}

を 吸 着 す る ． 帯 水 層 中 で は 泥 質 岩 や 有 機 物 を 特 定 す る こ と は 不 可 能 で あ る た め ， こ こ で は

permutolites

と す る ．イ オ ン 交 換 は ，次 に 示 す よ う に ，

permutolites (固 相)と 水 (液 相)

の 間 で 起 き る ．

2 perm. Na + Ca^{2 +} water ↔ perm. Ca + 2Na water (1) perm. Mg + Ca^{2 +} water ↔ perm. Ca + Mg^{2 +} water (2)

こ れ ら の イ オ ン 交 換 は ，

Cl^-

と

Na⁺

お よ び

K⁺

の 間 に 不 平 衡 を 引 き 起 こ す ．

水 が 土 壌 中 を 循 環 す る と き ， 通 常 は

Cl^- ≈ Na⁺ + K⁺ (mmolc L^{- 1})

で あ る た

め ，

Cl^-

濃 度 と

Na⁺ + K⁺

濃 度 の 差 は イ オ ン 交 換 を 示 し ，

CAI (Chloro- Alkaline Indicies)で 表 さ れ る (Schoeller 1977)．

13

- + +

-

Cl - (Na + K ) CAI - 1 =

Cl (3)

- + +

2- - 2- -

4 3 3 3

Cl - (Na + K ) CAI - 2 =

SO HCO CO NO

(4)

こ こ で ，す べ て の イ オ ン 濃 度 の 単 位 は

mmolc L^{- 1}

と す る ．な お ，本 地 域 の

pH

は

5.8 ~ 8.0

で あ り ，

10. 3

よ り 小 さ い た め ，

CO32 -

は 無 視 で き る

(藤 縄 ，2010)．

四 季 に 分 類 し た 調 査 デ ー タ が ， 統 計 的 に 異 な る か を 確 認 す る た め に

ク ラ ス タ ー 分 析 を 実 施 し た ． 本 地 域 で は ， 主 要 溶 存 イ オ ン 濃 度 を 入 力

デ ー タ と し て 分 析 す る よ り ， は じ め に 主 成 分 分 析 を 実 施 し ， そ れ に よ

り 得 ら れ た 主 成 分 得 点 を 入 力 デ ー タ と す る こ と で ， 適 切 に 地 下 水 水 質

特 性 を 説 明 す る こ と が で き た

(天 野 ら ，2016)． 本 章 で は ， こ の 結 果 を

踏 ま え ， 同 様 の 手 法 に よ り 分 析 を 実 施 し た ． 主 成 分 分 析 で は 固 有 値 が

1.0

以 上 の 第

1，第 2

主 成 分 を 抽 出 し た ．そ れ ぞ れ の 寄 与 率 は ，62. 5 %

お よ び

22. 3 %

で あ っ た ． 分 析 に は

Ward

法 を 採 用 し ， ク ラ ス タ ー 数

は

Nakagawa et al. (2016)に な ら い 4

に 設 定 し た ． な お ， 主 成 分 分 析 お

よ び ク ラ ス タ ー 分 析 に は ， 統 計 解 析 ソ フ ト ウ ェ ア

JMP Pro 11 (SAS Institute Inc.)を 用 い た ．

14

第 4 節 結 果 と 考 察

4.1 飲 料 水 と し て の 地 下 水 水 質 評 価

島 原 市 で は ，浄 水 は 法 令 で 定 め ら れ る 水 道 水 質 基 準 項 目

(51

項 目

)に

つ い て 検 査 が 行 わ れ て い る

(

島 原 市 水 道 課 ，

2016)．

表 2-1 に ， 本 研 究 に お け る 分 析 項 目 に 対 す る 水 質 基 準 値 と 水 質 分 析 結 果

(n = 115)を 示 す ．

本 研 究 で は ，

NO2-

は 未 検 出 で あ る た め ， 硝 酸 性 窒 素 及 び 亜 硝 酸 性 窒 素

(NO3-N + NO2-N)

の 項 目 は

NO3-N

の み の 値 で あ り ， ナ ト リ ウ ム 及 び そ の 化 合 物 の 値 は

Na⁺

濃 度 を 表 す ． 硬 度 は

Mg^{2 +}

お よ び

Ca^{2 +} (mg L^{- 1})

を 用 い て ， 硬 度 ＝

2.5Ca^{2 +}+ 4.2Mg^{2 +}

よ り 算 出 し た ．

NO3-N + NO2-N

の 項 目 で 基 準 超 過 が 認 め ら れ る ．

NO3-N

が 基 準 値 を 超 過 す る 地 点 は ， 農 用 地 に 分 布 す る 傾 向 に あ る ．

pH

は 基 準 値 を 満 た す が ，夏 に 採 水 し た

3

サ ン プ ル で 基 準 値 の 下 限 値 と 同 等 の 値 が 認 め ら れ た ． 夏 は 降 水 量 が 多 い 時 期 で あ り ，日 本 の 降 雨 の

pH

が

4.48 ~ 5.37 (環 境 省 ，2014)で あ る た め と 考

え ら れ る ．

表 2-1 分 析 項 目 に 対 す る 水 道 水 質 基 準 と 水 質 分 析 結 果

項目 基準 最大値 最小値 平均値 標準偏差

硝酸性窒素及び亜硝酸性窒素　 (mg L

^-1

) 10 37.5 0.1未満 10.0 9.4

ナトリウム及びその化合物 (mg L

^-1

) ナトリウムの量に関して，200 31.3 2.1 12.1 6.0

塩化物イオン (mg L

^-1

) 200 42.3 1.8 14.2 9.7

カルシウム，マグネシウム等(硬度) (mg L

^-1

) 300 205.7 22.1 100.7 45.7

pH値 5.8 ～ 8.6 8.0 5.8 7.0 0.4

15

4.2 水 文 化 学 過 程

4.2.1 ク ラ ス タ ー 分 析

表 2-2 に ク ラ ス タ ー 別 の 主 要 溶 存 イ オ ン 濃 度 の 平 均 値 ， 表 2-3 に ク

ラ ス タ ー 分 類 の 結 果 を 示 す ． ク ラ ス タ ー

1

は ，

NO3-N

が 基 準 値 を 超 過

す る 汚 染 ク ラ ス タ ー で あ り ， 市 北 部 の 民 家 井 戸 や 広 域 農 道 付 近 の 水 道

水 源 が 分 類 さ れ た ．ク ラ ス タ ー

2

，

3

，

4

は 汚 染 の 影 響 を 受 け て い な い ク

ラ ス タ ー で あ り ，固 相 か ら の イ オ ン 溶 出 を 示 唆 す る 溶 存 イ オ ン 濃 度

(Cl^-

と

NO3-

を 除 く

)

に よ り 区 別 で き る ．ク ラ ス タ ー

4

が 最 も 高 い 濃 度 を 示 し ，

W-19

の み 分 類 さ れ た ． ク ラ ス タ ー

2

が 最 も 低 い 濃 度 を 示 し ， 市 北 部 の

標 高

200 m

以 上 に 位 置 す る 採 水 地 点 が 主 に 分 類 さ れ た ． ク ラ ス タ ー

3

は ， ク ラ ス タ ー

2

と

4

の 中 間 的 な 濃 度 を 示 し ， 市 南 部 の

W-19

を 除 く

水 道 水 源 が 分 類 さ れ た ． 図 2-2 か ら 図 2-6 で は ， 表 2-3 に 示 す ク ラ ス

タ ー 分 類 の 結 果 も 示 し た ．調 査 期 間 を 通 じ て ，RW-7 に お い て の み ク ラ

ス タ ー 分 類 が 異 な る が ， 総 じ て 同 じ ク ラ ス タ ー に 分 類 さ れ ， 統 計 的 に

水 質 の 季 節 変 化 は 認 め ら れ な か っ た ．

16

調査地点 春 夏 秋 冬 調査地点 春　 夏 秋 冬

RW-7 1 1 1 2 W-8 2 2 2 2

RW-8 1 1 1 1 W-9 2 2 2 2

RW-9 1 1 1 1 W-10 2 2 2 2

RW-13 1 1 1 1 W-11 1 1 1 1

RW-a 1 1 1 1 W-12 2 2 2 2

O-2 1 1 1 1 W-13 2 2 2 2

S-1 2 2 2 2 W-14 3 3 3 3

S-5 1 1 1 1 W-15 3 3 3 3

W-1 1 1 1 1 W-16 3 3 3 3

W-2 1 1 1 1 W-17 3 3 3 3

W-3 1 1 1 1 W-18 3 3 3 3

W-4 1 1 1 1 W-19 4 4 4 4

W-5 1 1 1 1 W-20 3 3 3 3

W-6 2 2 2 2 W-21 2 2 2 2

W-7 2 休止 2 2

表 2-2 ク ラ ス タ ー 別 の 主 要 溶 存 イ オ ン 濃 度 の 平 均 値

表 2-3 ク ラ ス タ ー 分 類 の 結 果

Cl

^-

NO

₃^-

SO

₄^2-

HCO

₃^-

Na

⁺

K

⁺

Mg

²⁺

Ca

²⁺

NO

₃

-N

mg L

^-1

mg L

^-1

mg L

^-1

mg L

^-1

mg L

^-1

mg L

^-1

mg L

^-1

mg L

^-1

mg L

^-1

1 23.7 84.8 37.8 26.2 14.8 8.9 11.4 33.2 18.6

2 6.5 13.7 3.7 37.0 6.8 3.7 3.8 10.9 3.0

3 7.2 10.0 13.0 111.5 11.5 5.5 11.6 24.4 2.2

4 6.3 4.5 42.5 209.3 25.7 9.0 17.7 41.7 1.0

クラスター

17

4.2.2 イ オ ン 交 換

イ オ ン 交 換 は ， 地 下 水 中 の イ オ ン 濃 度 に 関 与 す る 重 要 な 水 質 形 成 機 構 で あ る ．イ オ ン 交 換 に つ い て 評 価 す る た め に 式

(3)お よ び (4)に よ り

計 算 し た

CAI

を 表 2-4 に 示 す ． 両 指 標

(CAI-1, 2)と も 負 の 値 の 場 合 ，

液 相 中 の

Ca^{2 +}

，

Mg^{2 +}

と ， 固 相 上 の

Na⁺

，

K⁺

の 間 に イ オ ン 交 換 ， ま た ， 両 指 標

(CAI-1, 2)

と も 正 の 値 の 場 合 ， 液 相 中 の

Na⁺

，

K⁺

と ， 固 相 上 の

Ca^{2 +}

，

Mg^{2 +}

の 間 に イ オ ン 交 換 が 起 き た と 評 価 さ れ る

(Rajmohan and Elango, 2004)．RW-13

を 除 く 全 地 点 で ， 季 節 を 問 わ ず 両 指 標

(CAI-1

，

2)と も 負 の 値 を 示 し ， 液 相 中 の Ca^{2 +}

，

Mg^{2 +}

と ， 固 相 上 の

Na⁺

，

K⁺

の 間 に イ オ ン 交 換 が 起 き た と 示 唆 さ れ た ．RW-13 に お い て は ，上 述 し た イ オ ン 交 換 と は 逆 の 反 応 が 起 き た 可 能 性 が あ る ．

図 2-2 に

Cl^-

と

Na⁺

の 関 係 を 示 す ． 一 般 に ，

Na⁺ >Cl^-

は シ リ ケ イ ト の

溶 解 ，Ca

^{2 +}

，

Mg^{2 +} (

液 相

)

と

Na⁺ (固 相)の イ オ ン 交 換 ，Na⁺ = Cl^-

は ハ ラ イ

ト の 溶 解 ，Na

⁺< Cl^-

は

Na⁺ (液 相)と Ca^{2 +}

，

Mg^{2 +} (固 相)

の イ オ ン 交 換 が 示

唆 さ れ る

(Kumar et al., 2006)． 季 節 に よ る が ，65 %

以 上 の サ ン プ ル で

Na⁺> Cl^-

と な り ， シ リ ケ イ ト の 溶 解 ，

Ca^{2 +}

，

Mg^{2 +} (液 相)と Na⁺ (固 相)の

イ オ ン 交 換 が 起 き た と 考 え ら れ る ．

Na⁺

が シ リ ケ イ ト か ら 溶 出 し て い る

場 合 ， 地 下 水 中 で の 炭 酸 と 長 石 の 反 応 に よ り

HCO3-

が 陰 イ オ ン 中 で 卓

越 す る

(Rajmohan and Elango, 2004)が ，後 述 す る Durov diagram

の 結 果

と 矛 盾 し な い ．

CAI-1

，

2

が 正 の 値 を 示 し た

RW-13

は ，

Na⁺ < Cl^-

を 示

し て お り ，CAI の 結 果 と 一 致 し て い る ． し か し ，

NO3-N

が 基 準 値 を 超

過 し て い る

RW-13

以 外 の 地 点 に お い て も ，

Na⁺< Cl^-

を 示 す 地 点 が 認 め

ら れ る ． こ れ ら の 地 点 は

RW-13

と 同 様 に 総 じ て

NO3-N

が 基 準 値 を 超

過 す る 地 点 で あ り ，合 わ せ て

Cl^-

が 相 対 的 に 高 い 値 を 示 す ．つ ま り ，Cl

^-

と

Na⁺

の 関 係 だ け を 見 る と ，

Na⁺ (液 相)

と

Ca^{2 +}

，

Mg^{2 +} (固 相)の イ オ ン 交

18

換 が 示 唆 さ れ る が ， 汚 染 地 点 で あ る こ と ，

CAI

の 結 果 を 踏 ま え る と ，

実 際 に は

Ca^{2 +}

，

Mg^{2 +} (

液 相

)と Na⁺ (固 相)の イ オ ン 交 換 が 起 き た と 考 え

ら れ る ． 我 が 国 で は ハ ラ イ ト が 存 在 し な い た め ， ク ラ ス タ ー

1

に 分 類

さ れ ，

Na⁺ = Cl^-

と な っ た サ ン プ ル は ， 汚 染 の 影 響 で

Cl^-

が 増 加 し た と 考

え ら れ る ．

19

CAI-1 CAI-2 CAI-1 CAI-2 CAI-1 CAI-2 CAI-1 CAI-2 RW-7 -0.65 -0.13 -0.40 -0.09 -0.65 -0.13 -0.39 -0.11 RW-8 -0.26 -0.09 -0.76 -0.15 -0.62 -0.13 -0.22 -0.06 RW-9 -0.44 -0.10 -0.80 -0.20 -0.49 -0.11 -0.33 -0.09

RW-13 0.31 0.06 0.02 0.01 0.04 0.01 0.10 0.02

RW-a -0.17 -0.05 -0.33 -0.10 -0.50 -0.13 -0.14 -0.04 O-2 -0.24 -0.06 -0.50 -0.12 -0.47 -0.12 -0.21 -0.05 S-1 -3.07 -0.22 -3.95 -0.50 -2.90 -0.40 -1.09 -0.29 S-5 -0.21 -0.05 -0.38 -0.09 -0.27 -0.06 -0.12 -0.03 W-1 -0.34 -0.07 -0.11 -0.02 -0.67 -0.20 -0.30 -0.13 W-2 -0.20 -0.05 -0.05 -0.01 -0.53 -0.15 -0.22 -0.11 W-3 -0.24 -0.06 -0.16 -0.04 -0.58 -0.14 -0.48 -0.13 W-4 -0.10 -0.03 -0.03 -0.01 -0.57 -0.16 -0.29 -0.09 W-5 -0.58 -0.14 -0.09 -0.02 -0.62 -0.17 -0.39 -0.11 W-6 -1.39 -0.25 -1.48 -0.17 -1.77 -0.26 -1.45 -0.31

W-7 -1.50 -0.23 -1.21 -0.29 -1.66 -0.32

W-8 -1.74 -0.28 -3.53 -0.62 -2.18 -0.32 -1.63 -0.35 W-9 -1.37 -0.23 -0.98 -0.15 -2.20 -0.34 -1.24 -0.30 W-10 -0.71 -0.15 -0.61 -0.11 -1.18 -0.31 -1.51 -0.37 W-11 -0.15 -0.04 -0.13 -0.03 -0.57 -0.18 -0.26 -0.09 W-12 -0.61 -0.11 -0.26 -0.05 -0.64 -0.15 -0.64 -0.16 W-13 -0.39 -0.09 -0.51 -0.11 -0.96 -0.27 -0.72 -0.21 W-14 -1.65 -0.15 -2.11 -0.16 -3.07 -0.28 -2.91 -0.28 W-15 -2.27 -0.15 -1.62 -0.11 -2.66 -0.24 -4.04 -0.30 W-16 -1.02 -0.12 -1.07 -0.11 -1.65 -0.23 -1.70 -0.25 W-17 -1.65 -0.12 -1.85 -0.11 -2.78 -0.23 -2.29 -0.20 W-18 -1.38 -0.14 -1.34 -0.14 -2.02 -0.22 -1.39 -0.20 W-19 -5.19 -0.21 -5.16 -0.19 -6.83 -0.32 -9.45 -0.35 W-20 -3.05 -0.21 -3.51 -0.21 -3.11 -0.26 -5.48 -0.28 W-21 -1.31 -0.21 -0.65 -0.10 -0.76 -0.19 -1.54 -0.26

春 夏 秋 冬

調査地点

休止

表 2-4

CAI (Chloro-Alkaline Indicies)

20

図 2-2

Na⁺

と

Cl^-

の 関 係

0 0.5 1 1.5

0 0.5 1 1.5

Na

+

(m m ol

c

L

-1

)

Cl

^-

(mmol

_c

L

^-1

)

春 夏 秋 冬

クラスター1 クラスター4

クラスター3

クラスター2

21

4.2.3 鉱 物 の 溶 解

シ リ ケ イ ト の 溶 解 は ， 主 要 溶 存 イ オ ン の 組 成 に 関 わ る 重 要 な 要 因 の

1

つ で あ り ，総 陽 イ オ ン

(TZ⁺)と Na⁺+ K⁺

お よ び

Ca^{2 +}+ Mg^{2 +}

の 比

(

図 2-

3)に よ り 評 価 で き る

(Sonkamble et al., 2012)． TZ⁺

と

Na⁺+ K⁺

の 比 で は ，

全 サ ン プ ル が

0.5TZ⁺

以 上 に プ ロ ッ ト さ れ ，

TZ⁺

と

Ca^{2 +}+ Mg^{2 +}

の 比 で は ，

全 サ ン プ ル が

1:1

ラ イ ン と

0.5TZ⁺

ラ イ ン の 間 に プ ロ ッ ト さ れ た ． つ ま

り ，

TZ⁺

の

50 %

以 上 を

Ca^{2 +}

と

Mg^{2 +}

が 占 め る ．こ れ ら の 結 果 は ，ア ル カ

リ 長 石 よ り も ， カ ル シ ウ ム や マ グ ネ シ ウ ム に 富 む 角 閃 石

(Ca2(Mg,Fe,Al)5(AlSi7O2 2)(OH,F)2)

や 黒 雲 母

K(Mg,Fe)3AlSi3O1 0(OH,F)2

，

斜 長 石

((Na,Ca)(Si,Al)4O8)

の 溶 解 を 示 唆 し て い る ． カ ル シ ウ ム お よ び

マ グ ネ シ ウ ム の 起 源 を 評 価 す る た め に ，

Mg^{2 +}

と

Ca^{2 +}

の 関 係

(図 2-4)を

プ ロ ッ ト し た ．

Ca^{2 +}/ Mg^{2 +}

が

1

の 場 合 ，ド ロ マ イ ト の 溶 解 が 示 唆 さ れ る

(Varol and Davraz, 2014)．本 地 域 で は ，夏 の 3

サ ン プ ル の み ，Ca

^{2 +}/Mg^{2 +}

が

1

を 示 し た ．季 節 に よ り 数 地 点 で ，Ca

^{2 +}/Mg^{2 +}

が

2

以 上 を 示 し ，カ ル

シ ウ ム と マ グ ネ シ ウ ム に 富 む 角 閃 石 や 黒 雲 母 ， 斜 長 石 の 溶 解 に よ る

Ca^{2 +}

と

Mg^{2 +}

の 上 昇 が 示 唆 さ れ た ．ま た ，全 サ ン プ ル の

82 %で Ca^{2 +}/Mg^{2 +}

は

1 ~ 2

の 値 を 示 し ，カ ル サ イ ト の 溶 解 が 支 配 的 で あ る ．カ ル サ イ ト の

SI (Saturation – Index)

は ，

-2.50 ~ -0.56

を 示 し ， ほ ぼ 未 飽 和 で あ り

(Nakagawa et al., 201 6)， 鉱 物 は さ ら に 溶 解 し う る ．

22

図 2-3 総 陽 イ オ ン

(TZ⁺)と Na⁺+ K⁺

お よ び

Ca²⁺+ Mg²⁺

の 比 図 2-4

Mg²⁺

と

Ca²⁺

の 比

0 2 4 6 8 10

0 1 2 3 4 5

TZ

+

(m m ol

c

L

-1

)

Na

⁺

+K

⁺

(mmol

_c

L

^-1

)

春 夏 秋 冬

クラスター4

クラスター3 クラスター1

クラスター2

0 2 4 6 8 10

0 1 2 3 4 5

TZ

+

(m m ol

c

L

-1

)

Ca

²⁺

+Mg

²⁺

(mmol

_c

L

^-1

)

春 夏 秋 冬

クラスター4

クラスター3

クラスター1

クラスター2

23

0 1 2 3 4 5 6

0 0.5 1 1.5 2

Ca

2+

(m m ol

c

L

-1

)

Mg

²⁺

(mmol

_c

L

^-1

)

春 夏 秋 冬

Silicate weathering

Calcite dissolution

クラスター1

クラスター4

クラスター2

クラスター3

図 2-4

Ca²⁺

と

Mg²⁺

の 比

24

4.2.4 地 下 水 組 成 の 形 成 メ カ ニ ズ ム

図 2-5 に ，調 査 デ ー タ を

Gibbs diagram

に 適 用 し た 結 果 を 示 す ．高 標 高 域

(> 200 m)の 森 林 部 に 位 置 し ，ク ラ ス タ ー2

に 分 類 さ れ た

W-6 ~ 10，

21

は ，降 雨 支 配 領 域 に プ ロ ッ ト さ れ ，涵 養 域 で 浸 透 し て 間 も な い 水 で あ る こ と が 示 さ れ た ． ま た ， そ れ ら の 下 流 域 と 考 え ら れ る 地 点

(ク ラ

ス タ ー

1)

や 南 部 の 低 標 高 域

(< 100 m)

に 位 置 す る 地 点

(

ク ラ ス タ ー

3，

4)

は 水 と 岩 石 の 相 互 作 用 が 支 配 的 で あ る 岩 石 支 配 領 域 に プ ロ ッ ト さ れ ， 岩 石 の 溶 解 や イ オ ン 交 換 が 地 下 水 組 成 を 支 配 す る 主 要 因 で あ る こ と が 示 さ れ た ． つ ま り ，

CAI

や イ オ ン 成 分 間 の 比 に よ り 明 ら か と な っ た 過 程 は ， 標 高

200 m

以 下 の 限 ら れ た 地 点 で 働 い て い る と 考 え ら れ る ． 季 節 に よ っ て は ， 各 地 点 の そ れ ぞ れ の 比 が 異 な る も の の ， プ ロ ッ ト さ れ る 領 域 に 変 化 は 認 め ら れ な い ．TDS の 上 昇 な し に ，Cl/(Cl + HCO

3)

は 広 範 囲 に 分 布 し て お り ，

NH4+

の 硝 化 に よ る

HCO3-

の 低 下 ， 家 畜 排 せ つ 物 や 堆 肥 の 影 響 に よ る

Cl^-

の 上 昇 が 原 因 で あ る と 考 え ら れ る ．

図 2-6 に ， 調 査 デ ー タ を

Durov diagram

に プ ロ ッ ト し た 結 果 を 示 す ．

季 節 を 問 わ ず ，ほ と ん ど の サ ン プ ル が ② か ⑤ の 領 域 に プ ロ ッ ト さ れ た ．

領 域 ② は ，

HCO3-

と

Mg^{2 +}

が 支 配 的 か ，

Mg^{2 +}

と

Ca^{2 +}

が 卓 越 し て お り 支 配

的 な 陽 イ オ ン が 判 別 で き な い 領 域 で あ り ， 多 く の 場 合 ド ロ マ イ ト の 溶

解 や

Ca^{2 +}

と

Na⁺

の イ オ ン 交 換 を 示 唆 す る ．イ オ ン 交 換 に つ い て は ，CAI

(

表 2-4

)

や

Na⁺/Cl^- (

図 2-2

)

の 解 釈 と 一 致 す る ．ま た ，夏 の

3

サ ン プ ル に

つ い て は ，ド ロ マ イ ト の 溶 解 が ，

Ca^{2 +}/ Mg^{2 +} (

図 2-4)の 解 釈 と 一 致 す る ．

領 域 ② に プ ロ ッ ト さ れ た そ の 他 の サ ン プ ル は ， 角 閃 石 や 黒 雲 母 ， 斜 長

石 ，カ ル サ イ ト の 溶 解 が 支 配 的 で あ り

(

図 2-3) ，イ オ ン 交 換 に よ り

Ca^{2 +}

が 低 下 し た と 考 え ら れ る ． 領 域 ④ は ，

SO42 -

と

Ca^{2 +}

が 支 配 的 で あ る か ，

支 配 的 な 陰 イ オ ン が 判 別 で き な い 領 域 で あ る ． 卓 越 す る

SO42 -

と

Ca^{2 +}

25

は ， 溶 岩 や 石 膏 を 含 む 堆 積 物 に お い て 涵 養 し た 地 下 水 で あ る こ と を 示

し て い る ． 地 質 状 況 と 一 致 し な い 場 合 は ， 水 の 混 合 や 単 純 な イ オ ン の

溶 解 が 示 唆 さ れ る ． 島 原 市 は ， 雲 仙 基 底 火 山 砕 屑 岩 類 お よ び 雲 仙 火 山

岩 類 が 堆 積 し て お り ， 地 質 状 況 に 対 応 し た 結 果 が 示 さ れ た ． た だ し ，

領 域 ④ ⑤ に プ ロ ッ ト さ れ た サ ン プ ル は ，総 じ て

NO3-N

が 高 い 市 北 部 で

採 水 さ れ て お り ，硫 酸 ア ン モ ニ ウ ム 由 来 の

SO42 -

が 寄 与 し て い る と 考 え

ら れ る ．

pH

は ，降 水 量 の 多 い 夏 に 採 水 し た サ ン プ ル が 総 じ て 低 い 値 を

示 し た ．

26

図 2 - 5

Gibbs diagram

00.51

春 夏 秋 冬

1101001000

10000

100000 00.20.40.60.81

TD S ( mg

-1 L

)

(Na+K) / (Na+K+Ca)

Rock dominance

クラスター1 クラスター2

クラスター3 クラスター4 1101001000

10000

100000 00.20.40.60.81

TD S ( mg

-1 L

)

Cl / (Cl+HCO3)

Rock dominance

クラスター1 クラスター2

クラスター3

クラスター4

27

図 2 - 6

Durov diagram

Anions

Cations

春夏秋冬 Ca

Mg HCO3 SO4 Cl5 6 7 8 9

クラスター3

pH TDS (mg L-1)

0 100 200 300 400 500

Na+K ①②③ ④⑤⑥ ⑦⑧⑨

クラスター1

クラスター2

クラスター3クラスター4 クラスター1

クラスター2 クラスター1 クラスター2

クラスター3

クラスター4 クラスター4

28

第 5 節 結 論

本 章 で は ，

Gibbs diagram

や

Durov diagram，CAI， イ オ ン 成 分 間 の 比

に よ り ， 自 然 由 来 の 地 下 水 水 質 形 成 機 構 に 関 わ る 水 文 化 学 過 程 の 評 価 を 行 っ た ．

得 ら れ た 結 果 は 以 下 の 様 で あ る ．

(1) CAI

お よ び

Na⁺/Cl^-

に よ り ，

RW-13

を 除 き ，液 相 中 の

Ca^{2 +}

，

Mg^{2 +}

と ， 固 相 上 の

Na⁺

，

K⁺

の 間 に イ オ ン 交 換 が 起 き て い る と 判 断 さ れ た ．

(2) TZ⁺

と

Na⁺+ K⁺

お よ び

Ca^{2 +}+ Mg^{2 +}

の 比 ，

Ca^{2 +}/Mg^{2 +}

は ， ア ル カ リ 長 石

よ り カ ル シ ウ ム お よ び マ グ ネ シ ウ ム に 富 む 角 閃 石 や 黒 雲 母 ，斜 長 石 ， カ ル サ イ ト ， ド ロ マ イ ト の 溶 解 が 卓 越 し て い る こ と を 示 し た ．

以 上 の 結 果 を 踏 ま え る と ， カ ル シ ウ ム お よ び マ グ ネ シ ウ ム は ， 上 記 し た 鉱 物 の 溶 解 に よ り 濃 度 が 上 昇 す る 一 方 で ， イ オ ン 交 換 に よ り 濃 度 が 低 下 し ， ナ ト リ ウ ム お よ び カ リ ウ ム は ， ア ル カ リ 長 石 の 溶 解 お よ び イ オ ン 交 換 に よ り 濃 度 が 上 昇 す る と い え る

.

(3) Gibbs diagram

で は ， 高 標 高 域

(> 200 m)を 占 め る 森 林 部 で 採 水 さ れ

た 地 下 水 サ ン プ ル は ，降 雨 の 影 響 が 卓 越 し て お り ，涵 養 さ れ て 間 も な い 水 で あ る こ と を 示 し た ．そ れ ら の 下 流 域 と 考 え ら れ る 地 点 や 南 部 の 低 標 高 域 に 位 置 す る 地 点

(< 100 m)は ， 水 と 岩 石 の 相 互 作 用 が

支 配 的 ，す な わ ち 鉱 物 の 溶 解 や イ オ ン 交 換 が 地 下 水 質 組 成 を 支 配 す る 主 要 因 で あ る こ と が 示 さ れ た ．

(4) Durov diagram

で は ， ほ と ん ど の 地 下 水 サ ン プ ル が ド ロ マ イ ト の 溶

解 や

Ca^{2 +}

と

Na⁺

の イ オ ン 交 換 を 示 唆 す る 領 域 ，も し く は 溶 岩 や 石 膏

を 含 む 堆 積 物 に お い て 涵 養 し た 地 下 水 を 表 す 領 域 に プ ロ ッ ト さ れ

た ．イ オ ン 交 換 は ，

CAI

や

Na⁺/Cl^-

の 結 果 と 一 致 し て い た ．ド ロ マ イ

29

ト の 溶 解 は ，

Ca^{2 +}/Mg^{2 +}

か ら 夏 に 採 水 し た

3

サ ン プ ル の み 示 さ れ て お

り ，ド ロ マ イ ト よ り 角 閃 石 や 黒 雲 母 ，斜 長 石 ，カ ル サ イ ト が 溶 解 し

て い る ．

SO42 -

と

Ca^{2 +}

が 支 配 的 で あ る 地 下 水 は ，雲 仙 基 底 火 山 砕 屑 岩

類 お よ び 雲 仙 火 山 岩 類 が 堆 積 す る 地 質 状 況 に 対 応 し て い る が ，硫 酸

ア ン モ ニ ウ ム 由 来 の

SO42 -

は 無 視 で き な い ．