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16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
「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データベースの基本概念を設計し、検証用データベースを設計してきた。16年度は、過去に収集した流出解析モデルについてそれらを分類し、検索・閲覧できるデータベースシステムを構築した。検索属性項目となるキーワードは「水理公式集」の目次構成とした。
「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、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、気候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。
(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
「総合的な水循環モデルに関する研究」においては、これまでに主に山地流域におけるモデルの適用性、パラメーターの安定性を検討してきた。16年度は、都市化が著しく進んだ鶴見川流域において4つのモデルを適用して再現計算を行い、モデルの適用性やパラメータ設定の際の留意点などを明らかにした。
「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、15年度までに谷田川流域を事例として硝酸態窒素の窒素安定同位体比の測定結果から、河川水に溶存する硝酸態窒素の起源推定を行った。また、流域の物質収支を推定し、土地利用との関係を考察した。16年度は、谷田川流域の水・物質循環解明の一環として、試験区域における地下水流動と溶存物質輸送の実態を明らかにした。また同時に、谷田川流域を対象として農地における窒素負荷の流入・流出量を既存統計値等を基盤として簡便に計算し把握するためのプログラムを作成した。
「低水管理支援システム開発に関する研究」においては、15年度までに琵琶湖流入河川である典型的な農地を主体とした河川流域を対象として、水循環、とりわけ、農業用水と河川流量や地下水位との関係に関するデータと知見を集約してきた。16年度は土木研究所水理水文チームにて開発した物理的分布定数型水循環モデルであるWEPモデルを野洲川流域に適用することで野洲川流域における農地を主体とした土地利用・水利用が河川流量・地下水位に与える影響の定量的把握・説明を試みた。地下水については概ね表現できたが、河川流出量の再現精度に課題が残されており、精度の向上が17年度へ向けての課題である。
「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」においては、16年度は流域GISを用いた土地利用特性解析結果と炭素及び窒素の安定同位体比を用いて、流域の土地利用が水質を通じて河川の生態系へ及ぼす影響について千曲川流域を対象に検討した。その結果、調査を行った千曲川の上流部・中流部・下流部では、土地利用特性の相違を反映して、大きく異なる物質循環系が構成されていることが明らかになった。流域のほとんどを森林が占める上流部では陸上植物由来の有機物を河川の生物が直接取り込み、農地や市街地の面積比が増加する中流部と下流部では河川の藻類が生産した有機物を河川の生物が利用していることを定量的に明らかにした。特に下流部では都市域排水に起因する栄養塩負荷が河川生態系に取り込まれていることを定量的に明らかにした。
(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
「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、15年度までに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。16年度は、同流域にWEPモデルを適用し、将来の土地利用変化等が水循環系に及ぼす影響の評価を行った。また、河川水中の無機態窒素濃度を算出する水質モデルを構築し、谷田川流域に適用し、検証を行った。
「低水管理支援システム開発に関する研究」においては、(2)で述べたようにWEPモデルを野洲川流域に適用し、支流域から本川への流出量を計算した。この計算結果は支流域から本川への流入量が独自に計算できない河川水系水管理ツール：RiverWareの入力データとして用いられる予定であり、17年度においてRiverWareにWEPモデルを組み込む作業を行うことで、ダム操作や堰における取水パターンの変化にも対応した水循環モデルの構築を行う予定である。
(4) 統合水循環モデル構築手法の提案
「総合的な水循環モデルに関する研究」において、水循環モデルの構築目的を高水解析と低水解析に大別した上で、前者（治水計画や洪水予測）を目的とした水循環モデルを構築するために配慮すべきガイドライン・チェックリストを提案する計画としている。16年度は、そのガイドラインやチェックリストのプロトタイプを作成するとともに、それらの高度化に資するため、これまでの研究で得られた成果を引用しつつ、国土交通省の河川事務所に対して、現在使用しているモデルに関するアンケートを実施した。また、モデルの主たる開発者である学識経験者にヒアリングを実施した。17年度には、その成果に(1)～(3)の成果を合わせ、高水解析分野における目的・適用対象に応じた水循環モデル構築ガイドライン・チェックリストを提案する予定である。
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：深見和彦、木内豪、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16年度は、山地流域を対象とした複数のモデルの一次近似パラメータの適合性、同定対象となるモデルパラメータの安定性を調べた。また、都市域等における土地利用の改変に対応する流出解析モデルの対応を調べるために、年代の異なる洪水に対して同一パラメータで流出計算を行った。そして、これらの成果に対する考察を通してモデル評価のためのチェックリストを更新した。
キーワード：総合的な水循環モデル、シミュレーション、ガイドライン、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：深見和彦、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16年度は、谷田川流域の水・物質循環解明の一環として、試験区域における地下水流動と溶存物質輸送の実態を明らかにした。また同時に、谷田川流域を対象として農地における窒素負荷の流入・流出量を計算するプログラムを作成するとともに、地下水、河川水の無機態窒素濃度を算出するモデルを構築した。さらに、印旛沼の流入河川である高崎川流域においてWEPモデルを適用し、将来の土地利用変化等が水循環系に及ぼす影響の評価を行った。
キーワード：都市河川流域、水循環、物質循環、窒素
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：深見和彦、猪股広典
【要旨】
流域水循環系再生計画の目標のひとつである平常時の流量確保のため、水の有効利用、再配分、利用ルールの変更等の低水マネジメント代替案が河川流況へ与える影響を解析するツールが必要とされている。本研究は、野洲川流域農地における水利用形態変化の実態をケーススタディとして、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、低水管理支援システムを開発することを目的とした。昨年度までに低水管理支援システム（RiverWare）の野洲川流域への適用性を検討し、高い適用性を示した。本年度はWEPモデルを用いて農業取水が野洲川流域の流況に与える影響について検証・把握を行った。
キーワード：低水管理、農地水収支、森林の影響、流域水循環解析
5.4 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
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16年度は、すでに成果が得られている流域GISを用いた土地利用特性解析結果を用いて、流域の土地利用が水質を通じて河川の生態系へ及ぼす影響を、炭素及び窒素の安定同位体比を用いて千曲川流域を対象に検討を試みた。その結果、調査を行った千曲川の上流部・中流部・下流部では大きく異なる物質循環系が構成されていることを明らかにした。上流部では陸上植物由来の有機物を河川の生物が直接取り込み、中流部と下流部では河川の藻類が生産した有機物を河川の生物が利用していることを定量的に明らかにした。また下流部では都市域からの栄養塩負荷が河川生態系に取り込まれていることを定量的に明らかにした。
キーワード：土地利用、GIS、安定同位体比、河川生態系、千曲川
