V 流域における総合的な水循環モデルに関する研究
研究期間：平成13年度～17年度
プロジェクトリーダー：水工研究グループ長 永山 功
研究担当グループ：水循環研究グループ（河川生態）、水工研究グループ（水理水文）
1. 研究の必要性
都市への人口集中や流域の土地利用の変化に伴い、降雨の流出形態の変化、水利用の形態の変化、水質汚染や水辺の生態系の変化など、水循環に関するさまざまな問題が生じている。これらの問題を解決するためには、治水・利水安全度の向上および水環境保全という国土管理上の課題を流域という視点でとらえて評価していくことが必要である。また、そのためのツールとして総合的な水循環モデルの開発が求められている。
2. 研究の範囲と達成目標
本重点プロジェクト研究では、流域で生じている水循環の機構や水循環の中で営まれる生態系の変化などの実態を把握し、流域における人間活動が水循環、水環境へ及ぼす影響を評価することができる水循環モデルを開発すること、また、既存のモデルを含めた各種水循環モデルの選定、組み合わせによる統合水循環モデルの構築手法を提案することを研究の範囲とし、以下の達成目標を設定している。
(1) 流域で生じている水循環の変化を把握するための水循環・水環境モニタリング手法およびデータベース構築手法の開発
(2) 流域や河川の形態の変化が水循環、水環境へ及ぼす影響の解明
(3) 流域で生じている水循環の機構を表現できる水循環モデルの開発
(4) 統合水循環モデル構築手法の提案
3. 個別課題の構成
本重点プロジェクト研究では、上記の目標を達成するため、以下に示す研究課題を設定している。
(1) 総合的な水循環モデルに関する研究（平成13～17年度）
(2) 都市河川流域における水・物質循環に関する研究（平成11～16年度）
(3) 低水管理支援システム開発に関する研究（平成12～17年度）
(4) 流域や河川の形態の変化が水環境へ及ぼす影響の解明に関する研究（平成14～17年度）
なお、平成15年度は、これらすべての課題を実施している。
4. 研究の成果
本重点プロジェクト研究の個別課題の成果は、以下の個別論文に示すとおりである。なお、「2．研究の範囲と達成目標」に示した達成目標に関して、これまでに実施してきた研究と今後の課題について要約すると以下のとおりである。
(1) 流域で生じている水循環の変化を把握するための水循環・水環境モニタリング手法およびデータベース構築手法の開発
「都市河川流域における水・物質循環に関する研究」においては、13年度までに、首都圏を対象として水循環解析や物質循環解析に必要となる地形、地質、土地利用、植生、人口、農業、畜産、気象などに関する情報を収集し、GISプラットホーム上にデータベースを作成した。なお、14年度以降は、本個別課題では、達成目標(2)、(3)に関わる研究を実施している。
「総合的な水循環モデルに関する研究」においては、これまでに、各種モデルを比較評価するための検証用水文データベースの基本概念を設計し、多摩川水系大栗川流域などで具体的な検証用水文データベースを構築した。15年度は、既存の水循環モデルの性能を評価するためのシミュレーション解析を行い、水循環モデルの機能を評価するためのチェックリストの概略設計を行った。
今後は、これらの成果をさらに発展させ、流域で生じている水循環の変化を把握するためのモニタリング手法およびデータベース構築手法の開発に結びつける予定である。
(2) 流域や河川の形態の変化が水循環、水環境へ及ぼす影響の解明
「都市河川流域における水・物質循環に関する研究」においては、これまでに、谷田川流域を対象とした通年の水質調査によって平常時と洪水時の河川水質の特性を明らかにしたほか、流域へ流入する負荷量の推定に基づいて物質収支の定量化を行った。15年度は、谷田川流域を対象として、灌漑期と非灌漑期の河川水および地下水の水質調査を行い、流域の土地利用率と窒素などの河川水質の間の回帰分析を行った。また、灌漑期に河川、地下水、農業用水の複数地点について硝酸態窒素の安定同位体比を測定し、河川から流出する窒素の起源推定を行い、物質収支の算出結果や土地利用との関係を考察した。
「低水管理支援システム開発に関する研究」においては、これまで、滋賀県野洲川流域を事例として、農地に係わる水問題を解決するために検討すべき項目を抽出するとともに、流域水循環解析に必要となるGIS資料を収集し、そのデータに基づいて水利用形態の変化が水循環に及してきた影響を分析した。15年度は、米国内務省開拓局などが開発したRiverwareを野洲川流域に適用し、低水管理のためのシミュレーションモデルを作成した。また、これによって野洲川低水管理操作や農業取水量が野洲川の流況に与える影響を検証した。
「流域や河川の形態の変化が水環境へ及ぼす影響の解明に関する研究」は14年度から開始した研究課題である。14年度は、流域条件が河川水質に及ぼす影響に着目し、千曲川上流域において水質変化の再現計算を行った。15年度は、千曲川上流域において、窒素安定同位体分析を含んだ水質調査と流域GISを用いた土地利用特性解析を行い、水質縦断変化と流域土地利用特性の関連性を検討した。その結果、流域での畑地面積比と硝酸態窒素濃度との間に極めて高い相関があり、流域土地利用が河川水質に大きな影響を及ぼしていることが明らかになった。また、生活系排水と農地系排水では窒素安定同位体比には大きな相違があり、安定同位体比分析によって河川水質変化と流域条件と関連づけることができた。
今後は、これらの成果をさらに発展させ、流域や河川の形態の変化が水循環、水環境へ及ぼす影響について明らかにしていく予定である。
(3) 流域で生じている水循環の機構を表現できる水循環モデルの開発
「総合的な水循環モデルに関する研究」においては、これまでに、既往の水循環モデルをリストアップし、このうち代表6モデルについて、多摩川水系大栗川流域のデータより構築した検証用水文データベースを用いて洪水流出計算を実施し、その適用範囲を明らかにした。また、種々の用途に着目して、既往の水循環モデルを分類した。15年度は、薗原ダム、蓮ダム、厳木ダム流域を事例として、5つのモデルを用いて観測データの再現性を検証し、その適用性を明らかにした。
「都市河川流域における水・物質循環に関する研究」においては、14年度までに、既往のモデルである分布物理型水循環解析プログラム（WEPモデル）の雨水流出計算・追跡機能を改良して、分布型汚濁負荷流出モデルを構築した。また、水田域の水循環を表現できる水田モデルを構築し、これまでに開発してきた分布物理型水循環モデルに組み込んだ。15年度は、これに関連して、高崎川流域においてWEPモデルを適用するためのデータ収集と整理を行った。
「低水管理支援システム開発に関する研究」においては、これまでに、土木研究所で開発した水配分・水質統合解析シミュレーターを含めて内外4つのツールを比較し、今後のモデル開発にあたっての方向性を検討し、低水管理支援システムの基盤となる水系水量管理モデルとして、米国開拓局のRiverwareの導入に向けた予備的検討を行った。15年度は、これまでの検討結果に基づいて、野洲川に対してRiverwareを適用し、その再現性を確認した。
今後は、Riverwareにおけるパラメーターおよびダムの操作規則を含む計算諸条件の設定・調整方法について詳細な検討を加え、流域で生じている水循環の機構をさらに精度よく表現できるような水循環モデルの開発を目指していく予定である。
(4) 統合水循環モデル構築手法の提案
本達成目標は、上記の目標に対する成果を受けて、統合水循環モデルの構築手法を提案するものであり、本重点プロジェクト研究の後半にその実施を予定している。
個別課題の成果
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平13～平17
担当チーム：水工研究グループ（水理水文）
研究担当者：吉谷純一、深見和彦、栗林大輔
【要旨】
流域の特徴や問題等に応じて、適切な水循環モデルを組み合わせて総合的なモデルを構築するためのガイドラインを作成することを目的とし、平成15年度は、水循環モデルを評価する評価用水文データベースの開発に向けての検討、及び、耐震解析や流体力学等の他分野における解析モデルの認定について、その手続き、性能評価の考え方について調査・整理した。そして、既存のモデル性能評価のためのシミュレーションを行ない、解析モデルの機能に関する評価チェックリストの予備検討を行なった。
キーワード：水循環モデル、データベース、評価、チェックリスト
研究予算：運営費交付金（治水勘定）
研究期間：平11～平16
担当チーム：水工研究グループ（水理水文）
研究担当者：吉谷純一、木内豪、飯泉佳子
【要旨】
都市河川流域における健全な水循環系の保全と再生を図るためには、流域スケールで自然系と人工系における水と汚濁物質の移動、循環の実態を明らかにするとともに、汎用的・実用的な予測モデルと各種情報のデータベースを構築し、効果的な対策を提示する必要がある。本研究では、茨城県谷田川流域と千葉県印旛沼の流入河川である高崎川流域、千葉県海老川流域をフィールドとして、水・物質循環の実態を明らかにするとともに定量化できるシミュレーションモデルの確立を目指す。平成15年度は、谷田川流域を対象とし、灌漑期と非灌漑期の河川水および地下水の水質調査を行い、流域の土地利用率と窒素等の河川水質について、回帰分析を行った。また、灌漑期に河川、地下水、農業用水の複数地点について硝酸態窒素の安定同位体比を測定し、河川から流出する窒素の起源推定を行い、物質収支の算出結果や土地利用との関係を考察した。この他、高崎川流域においてWEPモデルを適用するためのデータ収集と整理を行った。
キーワード：都市河川流域、水循環、物質循環、窒素安定同位体比
研究予算：運営費交付金（一般勘定）
研究期間：平12～平17
担当チーム：水工研究グループ（水理水文）
研究担当者：吉谷純一、深見和彦、王義成
【要旨】
流域水循環再生計画の目標のひとつである平常時の流量を確保するための水の有効利用、再配分、利用ルールの変更といった低水管理代替案が、河川流況に与える影響を解析するツールが必要とされている。本研究においては野洲川をケーススタディ対象流域として扱い、その野洲川流域における水利用形態変化の実態を解明し、その結果を受けて農地の水利用形態変化による河川流況に及ぼす影響の解析手法を開発するとともに、森林の影響解析手法の開発を行い、これらを統合した低水管理支援システムの開発を目的として研究を実施した。本年度は米国内務省開拓局などが開発したRiverWareを野洲川流域に適用して低水管理シミュレーションモデルを作成した。またそのシミュレーションモデルを用いて野洲川低水管理操作の妥当性、農業取水量が野洲川の流況に与える影響について検証を行った。
キーワード：低水管理、RiverWare、水循環解析、農業取水量
研究予算：運営交付金（治水勘定）
研究期間：平14～平17
担当チーム：水循環研究グループ（河川生態）
研究担当者：天野邦彦、傳田正利、時岡利和
【要旨】
平成15年度は、千曲川上流域において、窒素安定同位体分析を含んだ水質調査と流域GISを用いた土地利用特性解析とを同時に行い、水質縦断変化と流域土地利用特性の関連について検討を行った。その結果、(1)千曲川上流域の西川において、流域での畑地面積比と硝酸態窒素濃度との間に極めて高い相関があり、流域土地利用が河川水質に大きな影響を及ぼしていることが明らかになった。(2)生活系排水、農地系排水由来の窒素安定同位体比には大きな相違があり、安定同位体比分析は河川水質変化と流域条件と関連の解析に有用なことが示された。また、流動解析を行い、ワンドやたまりなどの湿地が持つ出水時の魚類の避難場所としての意味について考察を行った。
キーワード：千曲川流域、土地利用、安定同位体、GIS、河川微地形
