蒸発における水の酸素・水素同位体比の変化について 

蒸発における水の酸素・水素同位体比の変化について 

和歌山大学大学院システム工学研究科  学生会員  ○宮原  啓 和歌山大学システム工学部  正会員  井伊博行 和歌山大学大学院システム工学研究科  学生会員  宮路和葉

１  はじめに 

近年，人間による乱雑な水使用により水不足の問題 が起こっており，今後，計画的に水を使用していくこ とが求められる¹⁾．水資源管理を行う上でダムや貯水池 の水の漏水量を把握することは重要である．一つの方 法として蒸発パンを利用した蒸発量の推定が行われて いる．しかし，蒸発パンは実際の池と蒸発面積が異な るため，スケール効果により正確な蒸発量を測定する ことは困難である．また池の滞留時間が長い場合，現 地での長期間の観測が必要となる． 

同位体比を用いた蒸発に関する研究はAllison et al.

2) ，Gibson et al. ³⁾などによって以前からなされてお り，蒸発量を求める方法も少なくはない．しかし，同 位体比を用いた蒸発に関する式には様々なパラメータ ーを含んでおり，値が分からないパラメーターもある ので，実用化されていない． 

y = -0.0033x + 0.38 R² = 0.7154

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

40 50 60 70 80

平均湿度(%) dδ18O/蒸発率

低温恒温器内 屋外

図 1 蒸発率とδ¹⁸Oの関係 

そこで，本研究では気温といった全てのパラメータ ーを考慮して計算するのではなく，湿度と同位体比を 用いて蒸発に関する式を簡略化することを目的とした．

ここでの蒸発率とは，蒸発量を蒸発する前の水量で割 ったものである．  

       図 2  湿度とdδ¹⁸O/蒸発率の関係

平均気温 / 平均湿度

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0

蒸発率(%) δ18O(‰)

7.3℃ 60.6％ 7.3℃ 60.6％

8.8℃ 71.9％ 8.8℃ 70.7％

9.9℃ 64.2％ 12.2℃ 62.3％

19.8℃ 69.6％ 19.8℃ 69.6％

24.8℃ 74.3％ 24.8℃ 74.3％

24.8℃ 52.3％ 24.8℃ 43.0％

24.9℃ 55.6％ 24.9℃ 43.1％

25.3℃ 66.6％ 27.5℃ 67.2％

28.0℃ 66.8％ 30.0℃ 41.2％

  ２  研究方法 

0.05  0.10  0.15  0.20  0.25  0.30 

0.0  20.0  40.0  60.0  80.0  100.0 

dδ18O/蒸発率

1日平均蒸発量(g) 低温恒温器内

屋外

蒸発実験は，低温恒温器と和歌山大学システム工学 部B棟の屋上の常に日光が当たる場所に屋外簡易蒸発 装置を設置し行った．蒸発実験は全部で 18 回行った.

蒸発実験に使用した水は，和歌山大学の水道から採水 したもので，その水を容量 5Lのポリビンと容量 2Lの ポリビンに入れた．水を蒸発させている期間中，数日 おきに質量を測定し，残量水の採水を行った．実験期 間中の低温恒温器内の温度と湿度は，1時間おきに記憶 計により記憶し，そのデータを使用した．実験期間中 の屋上の温度と湿度は，気象庁の気象統計情報の気象 データを使用した⁴⁾．酸素同位体比・水素同位体比の測 定は，水素・炭酸ガス平衡法によって前処理を行った 後，同位体比測定用質量分析装置（Finnigan Mat Delta Plus）で測定した．

  図 3  1 日平均蒸発量とδ¹⁸O/蒸発率の関係

３  蒸発実験による水の同位体比の変化 

  水の同位体比は，空気中の水蒸気の同位体比と湿度

によって支配されることが知られているので，湿度に 着目し蒸発実験を行った. 図 1 に蒸発率とδ¹⁸Oの関係 を示す．どのサンプルも蒸発率が高くなるにつれて，

酸 素 同 位 体 比 の 値 も 大 き く な っ て い る ． 蒸 発 率 が 0~40%まではおおよそ同じような値をとっているが，

蒸発率が 40%を超えると同じ蒸発率に対する酸素同位

体比の値にばらつきがあった．蒸発に伴い水の同位体 キーワード  蒸発  同位体分別  水収支  湿度  天水 

連絡先    〒640-8510 和歌山市栄谷 930 番地  和歌山大学システム工学部  TEL 073-457-8376  土木学会第64回年次学術講演会(平成21年9月)

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比の値が大きくなり，蒸発の仕方に変化が生じたと考え られる．図 2に湿度と酸素同位体比の変化量（dδ¹⁸O）/

蒸発率の関係を示す．これらには負の相関関係があり，

その関係式は y = - 0.0033x + 0.38（x：平均湿度，y：

酸素同位体比の変化量）であった．低温恒温器内と屋外 で蒸発実験を行ったが，ほぼ同じ湿度と酸素同位体比の 変化量/蒸発率の関係式上にプロットされた．

この関係式を用いて蒸発率を算出する．平均湿度が

70.0％，酸素同位体比の値が蒸発により1‰変化したと

きの湖（滞留時間5年，面積100km²，体積3km³と仮 定する）の場合，湖に水が流入してから流出する間（滞

留時間5年）に6.7％蒸発したことになり、年間蒸発量

は約400mmとなる．年間蒸発量は湖の体積に蒸発率を

かけ，面積で割り，滞留時間で割って算出した．

図 4  蒸発におけるδ¹⁸OとδDの関係

天水線 δD = 8*δ¹⁸O + 10

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70

-15 -10 -5 0 5 10 15

δD(‰)

δ¹⁸O(‰) 7.3℃ 60.6％ 7.3℃ 60.6％

8.8℃ 71.9％ 8.8℃ 70.7％

9.9℃ 64.2％ 12.2℃ 62.3％

19.8℃ 69.6％ 19.8℃ 69.6％

24.8℃ 74.3％ 24.8℃ 74.3％

24.8℃ 52.3％ 24.8℃ 43.0％

24.9℃ 55.6％ 24.9℃ 43.1％

25.3℃ 66.6％ 27.5℃ 67.2％

28.0℃ 66.8％ 30.0℃ 41.2％

平均気温/平均湿度

y = -0.0991x + 7.816 R² = 0.7832

4.0  4.5  5.0  5.5  6.0  6.5  7.0  7.5  8.0  8.5  9.0 

-10.0  0.0  10.0  20.0  30.0 

δD/δ18O

平均気温(℃)

低温恒温器内 屋外

‐1.9

4  蒸発速度 

図 3に 1 日平均蒸発量とdδ¹⁸O/蒸発率の関係を示す．

1 日平均蒸発量が少ない（蒸発速度が遅い）ほど，dδ¹⁸O / 蒸発率の値が小さい傾向がある．つまり，蒸発量が同 じでも一定量の水が蒸発する時間が異なれば蒸発率 １%に対するdδ¹⁸Oの値は異なる．これは，H218Oの蒸気

圧はH216Oの蒸気圧より低いため，蒸発によって水の酸

素同位体比は大きくなる．実験中の水の蒸気圧が実験前 の水の蒸気圧よりも小さくなり，蒸発に関わる大気圧

（水蒸気分圧＋乾燥空気分圧）に対して小さくなり蒸発 しにくくなる．しかし，気温が高い環境では飽和水蒸気 圧は高い．よって気温が高い場合，同位体比が大きくな ることによる蒸気圧の低下が蒸発に与える影響は小さ いと考えられる．そのため，同じ蒸発率に対する酸素同 位体比の値にはばらつきがあったと考えられる．

  図 5  平均気温とδD/δ¹⁸Oの関係 

5  蒸発におけるδ¹⁸OとδDの関係 

図 4に蒸発におけるδ¹⁸OとδDの関係を示す．蒸発中の 平均気温が高いほど天水線から離れる傾向がある．また 図 5に平均気温とδD / δ¹⁸Oの関係を示す．これらに負の 相関がみられ，その関係式は y = - 0.0991x + 7.816（x：

平均気温，y：δD/δ¹⁸O）であった．この関係式より，

δD/δ¹⁸Oの値が 8（= 天水線の傾き）のとき，平均気 温はおよそ-1.9℃である．つまり，天水は過冷却であっ た水滴から生成されていることがわかる．

6  まとめ

蒸発速度が異なれば蒸発率１%に対するdδ¹⁸Oの値は 異なっていた．そのため同じ蒸発率に対する酸素同位体 比の値にばらつきがあったと考えられる．

湖水を用いた低温恒温器内での蒸発実験により，蒸発 率と同位体比の関係を導き出すことで，湖や池の平均湿 度と蒸発による同位体比の変化量から，蒸発率を推定す ることが可能である．またδD / δ¹⁸Oの値と気温の間に

負の相関がみられた．この関係より，天水は過冷却であ った水滴から生成されていることがわかる．

参考文献： 

1)   宮路和葉・岡田啓・井伊博行・長林久夫：酸素同位 体比を利用した猪苗代湖における蒸発率の簡易測定 法の提案，水工学論文集，第52巻，pp.289-294, 2008.

2)   Allison, G.B., Brown, R.M. and Fritz, P : Estimation of the isotopic composition of lake evaporate., Jour, of Hydrol. , 42, pp.109-127, 1979.

3)   Gibson, J.J., Edwards, T.W.D., Bursey, G.G. and Prowse, T.D. :  Estimating evaporation using stable isotopes: quantitative results and sensitivity analysis for two catchments in northern Canada, 24, pp.79-94, 1993.

4)   気象庁のホームページ：過去の気象データ:

http://www.data.jma.go.jp/obd/stats/etrn/index.php 土木学会第64回年次学術講演会(平成21年9月)

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