長崎大学工学部研 究報告 第32巻 第59号 平成14年7月
GISデ ー タ に基 づ く非点源汚濁負荷流 出量 の評価
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野 口 正人* ･西田 渉*
水野 良宣**･野村佐和美***
EvaluationoftheNon‑polntPollutantRunoffBasedon Geographiclnfbm ationSystem
by
MasatoNOGUCHI*,Wataru NISHIDA*
YoshinobuMIZUNO**andSawamiNOMURA***
Recently,eutrophicationbecomesseriousintheenclosedwaterbodies.Inordertoattainthesoundandsustainable waterenvironment,reductionofpollutantrunofffrom thewatershedshouldbepursuedaswellaspurificationofwater atthewaterbodiesthemselvesIFrom theviewpolntmentionedabove,pollutantsfrom notonlythepointsourcebutalso t
he non‑polntOnemustPreferably bereduced･Forthispurpose,detachmentratesofpollutantsfrom thenon‑point sourcewerediscussedrelatedtotheconditionofwatershed andaseriesofrainfall.Discusslngtheeffectsofseveral factorsonthedetachmentcoefficient,thefollowlngequationhasbeenderived.
k‑ aXRbxL/×Sd
Here,kisthedetachmentcoefficient,Rtheantecedentrainfall,i theclassoflanduse,Sthesoiltype,anda tod theparameters.Here,parametersincluded in theequationhavebeen identified,referred to thedataoftheHonmyo Riverbasin.Thiskindofequationissurelyexpectedtobeavailableforanestimationofpollutantrunoffratesfrom thenon‑polntSources.
1.序 論
好 ま しい水環境 を達 成す るためには非点源 汚濁負荷 流 出 を抑 制す ることが重要である. そのため, 多 くの 研 究が これまでに行 われて きた. よく知 られているよう に,汚濁物 質の蓄積 ,剥離 ,輸送の割合 は汚濁負荷物 質の流 出機構 を明 らかにする上で定量化が欠かせ ない.
本論 で は,非点源汚濁負荷 の剥離量 を流域 の状 態や 降雨時系列 に関連づ けて検討 した.著者 らはすで に タ ンクモ デル,KW (KinematicWave)法 ,落水線 図 を用 い たDEM (Digital Elevation Model)モ デ ル な どの汚濁 負荷流 出モ デ ル につ いて検 討 してい る.(Noguchi,et
a1.,2(氾1)汚 濁負荷 流 出量 を適 切 に予 測す るため には 剥離量 の見積 も りを正確 に行 う必 要があ る.
2.非点源汚濁 負荷流 出
好 ま しい水環境 を効果的 に達成す るため には汚濁負 荷流 出 を抑制すべ きである. と りわけ,非点源汚濁負 荷流 出 を制御 す るこ とが重要 にな り,多 くの研 究が こ れ まで に行 われて きた. しか しなが ら汚濁負荷流 出量 を評価 す るための系統 的 な手法が必ず しも確立 されて いない.
非点源汚濁負荷流 出が流域の状態や降雨時系列 に影
平成14年4月18日受理
*社 会開発工学科 (DepartmentofCivilEngineering)
**東京設計事務所 (TokyoEngineeringConsultantsCo.Ltd.)
***大学 院生産科学研究科博士前期課程環境 システム工学専攻
(Graduatestudent,DepartmentofEnvironmentalSystemsEngineering)
162 野 口 正人 ･西田 渉 ･水野 良宣 ･野村佐和美
響 していることは容易 に推察 される. したが って,た とえ汚濁流出割合 と流量 との間に一意的な関係 を求め ようとして も, この種の関係 を正確 に求めることはで きない.(Noguchi,eta1.,1999)
そのため,本明川流域の5つの小流域である境川, 深海川,本明川,千鳥川,山田川 を取 り上げて,汚濁 負荷流 出量 の検討 を行 った.(Figure 1,Figure2)檎 討 に用い られた観測デー タは地方 自治体の公共水域で 得 られた ものである.
汚濁負荷流出量 を正確 に予測す るために剥離量 を蓄 積量や輸送量 と同様 に合理的に評価 しなければな らな い.次節では,剥離量 を精度良 く評価す る方法 を試み た. この手法の捷示 を通 して,水質の観測は晴天時だ けではな く雨天時の もとで も行 うべ きであることが示 される.
3.汚濁負荷流出モデル と剥離係数
一般 に,流れの基礎 方程式 は以下の式 によって表 さ れる.
雷+若(euj)‑Source (1,
(i‑1‑3)
ここで, βは物理量,叫は速度,Jと∫ノはそれぞれ時間 と空間座標,so〟rceは単位時間,単位体積あた りの質 量,運動量,エネルギー量 などの生成量である.通常, 上述 された方程式は コン トロールポ リュ‑ムに対 して 積分 された形 に変形 される.
汚濁負荷 の質量保存 を考 える と, (1)式 は平面流 に 対 して以下の ように表す ことがで きる.
%･%((,j,CUJA)‑q'･'･ q 'b' '2' (j‑1,2)
この方程式 において,Cは汚濁濃度,ujは平均流速, hEま水深,E(,･バま汚濁の移流量 に対す る補正係数,qlsJ,
4叫まそれぞれ表面 と底面 を通 して流入す る単位面積, 単位時間あた りの汚濁主である.上の式 を用いて現象 を正確 に把撞す るためには,汚濁物質の剥離畳 を適切 に評価 しなければな らない.
この ようなことか ら,汚濁物質の剥離量 は地表面 に 作用するせん断応力 に比例すると考え,次式で表 した.
q(bJ‑ kT‑ k2FL(l狗) (3)
ここに, 〆 b)は汚濁物 質の剥離量,Tはせ ん断応力 , FLは粘性係数,Vは平均流速,hは水深,kは流域 の状 態や降雨 を関連づけ て評価 した剥離係数である.剥離 係数の評価 は次節で詳 しく検討 される.
4.汚濁負荷の剥離係数 :結果 と考察
本明川は諌早湾 に流れ込んでお り, ここでは現在, 潮受け堤防 と干拓地の建設が行われている.そのため, 流域か らの汚濁負荷流出量 を抑制することが重要になっ て くる.Figure1,Figure2は長崎 と諌早湾流域,本明 川流域 と裏 山席 地点のそれぞれの概略図である.
汚濁物質の剥従量 は地表面 に作用す るせん断応力 に 比例する と考 え られる. しか しなが ら,汚濁負荷流出 機構 を考 えると剥柾の現象は降雨時系列や流域の特性 等 に影響 され変化する もの と考 えられる.そのため剥 離係 数 は一定 で は ない と考 え られ る.UniversalSoil L
e ssEquation(USLE)は流域 か らの土砂量 を評価 す る
Figure1 Schematicview ofNagasaki,Japan
Figure2 Percentageofland useatfivesLlb‑basinsof 血eHonmyoRiver.
GISデー タに基づ く非点源汚濁負荷流出量の評価
Table1 Adoptedvaluesofclassoflanduse(i),soiltype(S),andmoisturecontent(R).
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LmdUse Meadow Forests OverallSi暮e‑Fan RoadsPaving
L 53 60 67 76
SoilType welldrained moderate moderate poorlydrained
S(mm仙) 10 6 2.5 0.5
RainCondition scarce moderate frequFigurelent
R(孤 ) 6 20 40
Table2 Percentageoflanduseatfivesub‑basinsoftheHonmyoRiver･ (Valuesinparenthesisshowthepercentageoflanduse.)
/River Sakai氏. Fukaumi良.
Area(bn2) 18.6 9.3 High(m) 862.0 742.0 LDW(m) 26.0 21.0 Distance(m) 8869.92 6128.92 Slope 0.094 0.118
HonmyoR. ChidoriR.
36.6 5.0 832.0 191.0
16.0 3.0 10986.44 4206.81 0.074 0.045
Yamada臥.
10.0 592.0 13.0 5846.16 0.099
hndUse Urban Water Paddy Field Orchard
2(1) 1(1) 2(1) 0(0)
5(2) 18(13) 1(0) 5(4) 17(6) 12(9) Forestry 249(90) 102(73)
Tota1 276(100) 138(100)
24(4) 10(14)
0(0) 0(0)
77(14) 14(19) 46(8) 31(41) 44(8) 0(0)
352(66) 19(26) 543(100) 74(100)
Table3 ParametersofregressioncuⅣe.
RegressionAiver SakaiR･ Fhkami R･ HonmyoR. ChidoriR. YamadaR.
Proportionalityconst. 1.00E‑09 2.CK)E‑09 3.00E‑09 4.00E‑09 4.00E‑09
Power 0.2071 0.0981 0.0065 0.1246 0.1025
の に よ く知 られ た方程 式 の ひ とつ で あ る.(Reible, 1999)この方程式 は流域か らの土砂損失量 を流域 の特 性 を示 した物質量で評価 した ものである.上で述べ た 剥離係数 をこの ような物質量 と関連づ けて評価す るこ とを試みた. また,ア メリカ合衆国土壌保全局 に よっ て開発 された雨水の表面流 出の経験 的手法 に従 って, 降雨 に対 す る土壌 の貯留 能:srは土地被 覆分類 ,土壌 特性 ,土 中に含 まれる初期含水量 に基づいて決定 され る流 出 曲線指 標:CⅣと相 互 に関係 してい る.(Reible, 1998)これ らの結果 を汚濁負荷流出量の評価の参考 に
した.上 に述べ た物質量の回帰 曲線 を得 るために,土 地 利 用(i), 土 壌 特 性rs), 水 分 含 有 量 (R)の分 類 を
Tablelに示 した.
この方程式 より雨水流出量 は土地利用,土壌特性, 水分含有量 と関係があることが予測 される. この こと か ら汚濁流出量 は土地利用,土壌特性,水分含有量か
ら予測す ることがで きる.
全窒素の剥耗係数 を同定す るにあた り,先 に述べ た 本明川流域の5つの小流域の観測デー タを用いた.本 来 ならそれぞれの土地利用 ごとに汚濁負荷流出量 を求 め なければな らないが,現在,非点源汚濁負荷 に関す るデー タがほ とん どないため,今回は,公共用水域の 水 質結果 の全窒素のデー タを用いて行 った.Figure2
はこれ らの5つの小流域の土地利用分類図であ り,そ の値 はTable2にまとめている.
(3)式 に示 された ように,剥離係 数 はせ ん断応力の
野口 正人 ･西田 渉 ･水野 良宣 ･野村佐和美
AJdcccdcnIrahhJI良
1 10 100 1 00 0 α l Anleccdenlrahfa山R
1 10 l00 1㈱
J一a!3TBaOO)tZatq3qOO JJat3tBaO3)uauq3qa凸 メ一3!DtBaO3)tJatL[qOqa凸
▲■VV▲√V■ SakajFh r y=lE‑09xO.2071
1.00E4倍‑◆ ◆ ◆◆
‑1.00E. ‑
I.obscJVCdF‑N)‑ RcgcssbAC
A
nlecedcnlrahhI氏 1 10 100
▲'VUJ..一一UI FukaumiRjver y=2E一触 0.0981
‑‑‑I.00E'0●8‑◆lq 一̲⊥土▲｣■
一一‑1▲.●00E. ‑ヽ′V.■.′▲V ).obscrvcd叶N)‑ Rcgcssbnct‑ I A血eccdcnlra血JR
1 10 100 1000
J.BVVJJ‑Vr
‑‑‑‑1‑.00E僻 HonmyoRjver y=◆3E一触 0.鵬
LT.‑J
‑‑‑1JL‑.+00EUUJLlJmLU
◆Obscrycd汀‑N)‑ RegcssbJICtJJW
u9!DtB309一t]9tt[qOq3CL
月
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m798aQAntcccdcntrah血刀R
1 10 100 1000
▲●VV▲rV′
‑‑‑i.OOE■08‑‑+Yama‑一一daRi一一一●‑ver‑●‑‑‑‑‑◆‑‑y=4E‑‑〜‑09x‑一一O‑.1025‑一一一‑
‑‑‑‑00E一秒 ㌻1｢.◆
i▲■.VV▲一▲ヽ′
･obsc,vedO.‑〜)‑ Rng甲血ctLrVe7
Figure3 RelationshipbetweenthedetachmentcoefficientofT‑N andantecedentrainfall･
k^も1anduse
62 64 66 68 y‑4E‑26㌔3308
●l
I ◆ ●
●●●
LandLJSeL
Figure4 EffectofLanduseonthedetachmentcoefficient
比例定数 として定義 されているため,降雨強度や流出 量 などの現行降雨の影響 はすでに考慮 されていると考 えられる.そのため,剥離係数は主 として流域の特性 との関連で考察 されなければならない.
Figure3(a)‑(e)にそれぞれの小流域 において全窒素 の剥稚係数 と先行降雨 との関係 を示 した.ここで,先 行降雨は観測前7日間の降雨量 にそれぞれ重み をつけ て考慮 した. また,公共水域の水質結果 には点源 ･非 点源汚濁負荷の両方が含 まれているため,今回は点源 汚濁負荷の原単位 を差 し引いて非点源汚濁負荷量 を求
めた. これ らの図か ら,ほかの要因か ら生 じた と考え られる小 さなば らつ きがある ものの剥離係数 と先行降 雨 には高い相関がみ られた.本明川 (裏山橋) におい ては全窒素の観測デー タが3ケ月ごとしかないため, デー タの数が他 と比べて少ない.本明川の場合 を除い て式のべ き乗 は0.1‑0.2の範囲であることが予想 され た.
Figure4に剥離係数か ら先行 降雨の影響 を取 り除い た もの と土地利用の関係 を示 した.土地利用 の値 は Tablelに示 された値 を用いて計算 を行 った.Figure4
GISデー タに基づ く非点源汚濁負荷流 出量 の評価
1.OE‑26
U 6:::二;77 覇 410ト 2 7
a 2.OE̲27 0.OE+80
SakaiRiver
J+ 1998 ド,一..1999 ,
A /I
′/
一 天 ナ ウ 一
一.一 句も くミ /1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ll 12 Nonth
FLIJkauTTliRiver
‑‑ 1998J+ 1999
/:/TL二二 >ミュー.̲̲̲̲‑./..‑‑ .̲‑.‑
1.OE‑26 奄::::二;:
虹0.OE+00; : ＼ HonmyoRiver 2
＼ ＼一‑一●I‑‑‑.19991998
ヽ｢ ̲ノー
̲,.‑,.‑一.一一.‑.J ‑‑‑
‑一一
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1
(ULA)qtOP電SyJeutPq}タロ
1,40E‑08 1.20E一一88 1.00El)8 8.00E一心9 6.00E‑89
4.00E一刀9 2.OOF‑49 0.00E一拍0
165
1.OE‑26 8.OE‑27 6.OE‑27 4.OE‑27
2.OE‑27 0.OE+00
Chid○riltiver
+ 1998‑.I‑.,1999一l
/ヽ l r'‑■■■■､
/ 一.′し ...‑‑一 . ､､､■.′
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ll 12 Nonth
A ..Y甲 虫 担 当 r ト
̲// / ㌔ ◆ 1998‑‑+‑‑1999 ∫′
̲̲∫ I/I
̲/ 〜 ..J‑ ‑ し 才 ⊥/ I
Figure5 Residualinfluenceforthe detachmentcoefficient
3 4 6 7 8 9 10 3 4 5 6 7 8 g 10 3 4 5 6 10 3 4 5 6 7 10
｣一一一一‑γ ‑‑ J ＼一一 一 一‑γ ‑‑ J ー ＼一一一一Y .‑J
Sakai.R FukauTTlLR Chidori.R Yanada.R Figure6 Temporalvariation ofthedetachmentcoefficient･
で横軸の値 は土地利用の比率 を考慮 した ものであ り, 一方,縦軸の値 は剥離係数か ら先行降雨の影響 を取 り 除いた もの として評価 された.横軸 と縦軸の値 はお互 い に独立 に得 られたが,相互 に高 い相関が見 られた.
Figure 3に書かれている式 の値 はTable 3に示 されてい る. また, これ らの値 はFigure 4に(a)と して示 され ている.
非点源汚濁負荷流出量 を適切 に求めるため,流水の せ ん断応力 に比例定数 を定義 し,その値 を流域の特性 や降雨時系列 との関連で検討 し,次式 を求めた.
k‑aXRbxL̀×Sd (4) ここに,kは剥離係数,Rは先行降雨,Lは土地利用, Sは土壌特性,a〜dはパ ラメー タである.
166 野 口 正人 ･西 田
また,剥離係数か ら先行降雨 と土地利用の影響 を取 り除いた ものをFigure5の(a)‑(e)に示 した. これ らの 図か ら剥離の季節変化 を検討することがで きる.今後
札 よ り多 くの流域データに対 して剥離係数の特徴 を 調べ たい.
前節では,全窒素の剥離量 を公共用水の水 質結果の データか ら求めた.このことか ら基準点での水質は汚 濁負荷流出機構 を踏 まえて系統的 に管理 されることが 望 ま しい.そこで,全窒素の剥離係数 を上述 した式 を 用いて計算 した.Figure6は剥離係数の計算値 と観測 値 を比較 した ものである.両方の値はある部分 を除い て,かな り良 く‑敦 している. このことよ り提案 され たモデルが非点源汚濁負荷か らの剥離量 を評価す るの に有効であることが推察 される.
5.結 論
上述 されたことか ら本論では以下の ことが結論 とし て上げ られる.
1) 汚濁負荷流出における剥離量 を精度良 く評価する ため に, (3)式 によって定義 された剥離係数 を本明 川流域の流域特性 を考慮 して検討 した.
2) 剥離係数に係 る要因を検討 し,次式が導 き出 され た.
k‑aXRbxLcXSd
渉 ･水野 良宣 ･野村佐和美
ここに,kは剥離係数,Rは先行降雨,Lは土地利用, Sは土壌特性,a‑dはパ ラメー タである. また, こ の式のパ ラメータはTable3,Figure4に示 されてい る.
3) 本論で示 されたモデルの有効性 については,別の 年の観測デー タを用いた数値 シミュレーションの結 果か らも立証 している. これについては,別の機会 に発表する.今後 は, さらに,本手法 を用いて諌早 湾 に流入する汚濁負荷量の評価 を行 ってい く予定で ある.
参考 文献
Noguchi,M.,W.NishidaandW.B.Park(1999):Pollutant RunoffandItsEffectontheNewlyConstructedRegulatory Pond inaBay,Proc.8th International Conferenceon UrbanStorm Drainage,Vol.4,pp.1631‑1638.
Noguchi,M.,T.Hiwatashi,Y.MizunoandM.Minematsu (200 1):PollutantRunofffrom the Non‑pointSources a
nd Its Estimation by Runoff Models,Proc.As ian Waterqual 2001, First IWA Asia‑Pacific Regional Conference,Vol.1(OralPtesentation),pp.95‑100.
Reible,D.D.(1998):Fundam entalsofEnvironmental Engineenng,Lewisnlblishers.
