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VIII 閉鎖性水域の底泥対策技術に関する研究

→個別課題の研究要旨

研究期間:平成14年度~17年度
プロジェクトリーダー:水循環研究グループ長 佐合純造
研究担当グループ:水循環研究グループ(河川生態、水質)、材料地盤研究グループ(リサイクル)

1. 研究の必要性
 湖沼等の閉鎖性水域においては、富栄養化をはじめとした水環境の悪化が進行し、水利用や生態系への悪影響が生じている。このため、閉鎖性水域において、健全な水環境を確保するため、水・物質循環の解明とともに、特に底泥対策に関する技術開発が強く求められている。

2. 研究の範囲と達成目標
 本重点プロジェクト研究では、湖沼等の閉鎖性水域における水環境のメカニズムの中で解明が遅れている「底泥物質が水質に与える影響」に焦点を当て、底泥における栄養塩類の堆積・溶出のメカニズムの解明と、これを踏まえた水環境改善のための底泥対策手法、流入河川からの堆積物抑制手法等の開発を行う。このため、以下の達成目標を設定した。
   (1) 底泥からの栄養塩類溶出量の推定手法の開発
   (2) 水環境を改善するための底泥安定化手法の開発
   (3) 流入河川からのセディメント(堆積物)の抑制手法の開発

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た。
   (1) 底泥-水間の物質移動に関する調査
   (2) 湖底生態系に配慮した新しい底泥処理技術に関する基礎的研究
   (3) 底泥中の有機性有害物質の実態および挙動に関する研究
   (4) 流入河川からのセディメント(堆積物)の抑制手法の開発

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、平成15年度に実施し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) 底泥からの栄養塩類溶出量の推定手法の開発
 本達成目標は底泥が水質に与える影響評価手法を確立するため、底泥からの栄養塩類等の溶出に関する溶出機構の解明及び溶出量推定方法の提案を行うとともに、底泥からの溶出に関する測定技術の開発を行うものである。平成15年度はダム貯水池における現地調査、底層環境改善実験及び採取した底泥サンプルを用いて溶出試験、酸素消費速度試験など室内試験等を行った。その結果は以下の通りである。
1) 平成14年度に引き続き貯水池底層への酸素供給実験を行い,水柱の水温,DO及びORPをセンサ-で連続観測するとともに,酸素供給の有無による水柱の酸化環境と栄養塩濃度の変化を観測した。この結果,好気的環境では存在の見られないリン濃度が酸素供給停止にとともに上昇する傾向が見られたが,14年度ほど明確ではなかった。
2) 高濃度酸素水の供給前後で底泥試料を採取し,静置下無酸素状況で溶出試験を行った結果,窒素溶出速度の変化は見られなかった。なお,窒素曝気を行ったにも係わらず実験初期に溶存酸素の上昇が見られた。
3) 上層・中層・下層の貯水池底泥を用いた振とう回分溶出試験を行い,栄養塩類の溶出速度と溶出ポテンシャルに及ぼす諸因子の影響を定量的に評価した。この結果、好気的環境下では深さの違いによるリンの溶出量の差は小さいこと、また、溶出試験後の溶出濃度,溶出速度はどちらも好気より嫌気,低温(5℃)より比較的高温(20℃)の方が大きく、溶出が促進されることが示された。一方,硝化速度は,好気的な環境では,上層底泥の方が中層,下層よりも著しく大きくなることが示された。

(2) 水環境を改善するための底泥安定化手法の開発
 本達成目標は底泥中の有機性有害物質の実態把握と挙動解明及び湖底生態系に配慮した底泥処理技術に関する提案を行うものである.平成15年度は、「底泥中の有機性有害物質の実態および挙動に関する研究」においては閉鎖性水域の底泥中のPAHs等の有機性有害物質の存在実態に関する研究を行うとともに、閉鎖性水域の底泥中の有機性有害物質の挙動に関する研究に着手した。その結果、流入河川からもたらされると考えられるPAHsが、河口近傍で沈積している可能性が示唆されるとともに、人工内湖等の設置により、河川河口部近傍での積極的な沈殿除去の可能性が示唆された。また、比較的人為的な汚染が進んでいないと予想された閉鎖性水域の底泥中のPAHsの定量を行ったところ、山間部の水域であっても底泥のPAHs含有量が少ないわけではないことが明らかとなった。「湖底生態系に配慮した新しい底泥処理技術に関する基礎的研究」においては、既往底泥処理技術についての特性を整理して、各種底泥処理技術が湖底における生態系にどのような影響を与えるかについて調査を行った。また、湖底の生態系の重要な要素として、近年各地の湖沼で消失する傾向がある沈水植物に着目した調査を行った。沈水植物の再生を目指すためには、底泥中に存在するこれら植物の埋土種子の保護を行った上で底泥の状況を改善する必要がある。平成15年度は、霞ヶ浦高浜入り周辺の10地点において底泥の採取を行い、底泥の環境状況を調査すると共に、蒔き出し試験を行った。また、種子は湖流により分散すると考えられることから、霞ヶ浦を対象とした流動シミュレーションモデルを開発し、粒子が湖流により運搬される状況について計算を行った。

(3) 流入河川からのセディメント(堆積物)の抑制手法の開発
 本達成目標は湖沼における面源負荷対策として湖内湖浄化法を提案する。湖内湖浄化法とは湖沼等に流入する河川の河口に仕切り堤などを用いて人工的に設置された小さな水域(湖内湖)を使用して汚濁削減を図る浄化手法をいう。平成15年度は、湖内湖に堆積している底泥が川尻川から供給されたものか霞ヶ浦湖内から供給されたものか、その由来を確かめるため、川尻川、湖内湖、霞ヶ浦の底泥を比較分析した。その分析対象としては、土砂粒径の他に、湖内湖周辺の土地利用を考慮に入れ、ハス田に利用される肥料や土壌成分に関係のあるCa、T-P、Fe、Siとした。その結果、以下のことが明らかとなった。
1) 湖内湖浄化施設内では、流入河川から離れるほど砂が混じり、シルトの堆積が小さくなっていた。霞ヶ浦の底泥が砂・礫で構成されていることから、河川下流からの離れるほど、堆積物において流入河川の影響が相対的に小さくなることが示唆された。
2) Ca、T-P、Feは、川尻川の下流域周辺が最も高い成分量を示し、離れるに従って霞ヶ浦と同等の成分量を示していた。また、SiについてはCa等と反対の関係であった。以上より、湖内湖に堆積している底質のほとんどは、主に流入河川からの影響と考えられる。


個別課題の成果

8.1 底泥-水間の物質移動に関する調査

    研究予算:運営費交付金(治水勘定)
    研究機関:平12~平17
    担当チーム:水循環研究グループ(水質)
    研究担当者:田中宏明,津森ジュン
【要旨】
 本調査は,富栄養化対策の観点から底泥-水間の栄養塩類の移動現象を解明することを目的としている。
  平成15年度はダム貯水池における現地調査,底層環境改善実験及び採取した底泥サンプルを用いた溶出試験,酸素消費速度試験など室内試験を行った。その結果は以下に示す通りである。
1)平成14年度に引き続き貯水池底層への酸素供給実験を行い,水柱の水温,DO及びORPをセンサ-で連続観測するとともに,酸素供給の有無による水柱の酸化環境と栄養塩濃度の変化を観測した。この結果,好気的環境では存在の見られないリン濃度が酸素供給停止にとともに上昇する傾向が見られたが,14年度ほど明確ではなかった。
2)高濃度酸素水の供給前後で底泥試料を採取し,静置下無酸素状況で溶出試験を行った結果,窒素溶出速度の変化は見られなかった。なお,窒素曝気を行ったにも係わらず実験初期に溶存酸素の上昇が見られた。
3)上層・中層・下層の貯水池底泥を用いた振とう回分溶出試験を行い,栄養塩類の溶出速度と溶出ポテンシャルに及ぼす諸因子の影響を定量的に評価した。この結果から,好気的環境下では深さの違いによるリンの溶出量の差は小さいこと,また,溶出試験後の溶出濃度,溶出速度はどちらも好気より嫌気,低温(5℃)より比較的高温(20℃)の方が大きく,溶出が促進されることが示された。一方,硝化速度は,好気的な環境では,上層底泥の方が中層,下層よりも著しく大きくなることが示された。

キーワード:底泥,栄養塩,溶出,DO,ORP,モニタリング


8.2 底泥中の有機性有害物質の実態および挙動に関する研究

    研究予算:運営費交付金(治水勘定)
    研究期間:平14~平17
    担当チーム:材料地盤研究グループ(リサイクル)
    研究担当者:鈴木穣、南山瑞彦
【要旨】
 近年、有機性有害物質による環境汚染が懸念されている。閉鎖性水域には、その流域内で発生・使用された有機性有害物質が河川等を経由して集まることが予想されるため、それらの物質による汚染が懸念されている。特に、多環芳香族炭化水素類(PAHs)による底泥の汚染が指摘されている。文献調査によるとPAHsは水試料での検出頻度は低い一方で底泥試料からの検出頻度が高い。また、PAHsの中には閉鎖性水域の河川流入部近傍での局所的な高濃度域の存在が報告されている物質もある。これらのことから、本研究は、閉鎖性水域内の底泥におけるPAHsの分布状況の把握等、存在実態を明らかにすることを目的としている。15年度は、閉鎖性水域の底泥中のPAHs等の有機性有害物質の存在実態に関する研究を行うとともに、閉鎖性水域の底泥中の有機性有害物質の挙動に関する研究に着手した。その結果、流入河川からもたらされると考えられるPAHsが、河口近傍で沈積している可能性が示唆されるとともに、人工内湖等の設置により、河川河口部近傍での積極的な沈殿除去の可能性が示唆された。また、比較的人為的な汚染が進んでいないと予想された閉鎖性水域の底泥中のPAHsの定量を行ったところ、山間部の水域であっても底泥のPAHs含有量が少ないわけではないことが明らかとなった。

キーワード:多環芳香族炭化水素類、底泥、実態調査


8.3 湖底生態系に配慮した新しい底泥処理技術に関する基礎的研究

    研究予算:運営費交付金(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、中村圭吾、時岡利和
【要旨】
 平成15年度は、既往底泥処理技術についての特性を整理して、各種底泥処理技術が湖底における生態系にどのような影響を与えるかについて調査を行った。また、湖底の生態系の重要な要素として、近年各地の湖沼で消失する傾向がある沈水植物に着目した調査を行った。沈水植物の再生を目指すためには、底泥中に存在するこれら植物の埋土種子の保護を行った上で底泥の状況を改善する必要がある。平成15年度は、霞ヶ浦高浜入り周辺の10地点において底泥の採取を行い、底泥の環境状況を調査するとともにまきだし試験を行った。また、種子は湖流により分散すると考えられることから、霞ヶ浦を対象とした流動シミュレーションモデルを開発し、粒子が湖流により運搬される状況について計算を行った。

キーワード:底泥、沈水植物、霞ヶ浦、埋土種子、流動シミュレーション


8.4 流入河川からのセディメント(堆積物)の抑制手法の開発

    研究予算:運営費交付金(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,中村圭吾,大石哲也
【要旨】
 霞ヶ浦に流入する川尻川の河口に設置された湖内湖は、失われつつある湖沼の沿岸環境の復元と面源負荷対策を目的として建設されている。本研究では、湖内湖を調査対象地とし、霞ヶ浦へ流入するセディメント(堆積物)の抑制手法の効果を明らかにするとともに、設計手法および堆積底泥の対策手法を開発する。平成15年度は、湖内湖に堆積している底泥の由来を確かめるため、川尻川から霞ヶ浦へ分布する土砂の粒径、Ca,T-P,Fe,Siを対象に底泥の組成分析を行った。その結果、土砂の粒径は川尻川下流から離れるほど霞ヶ浦に堆積している粒径へと近づき、Ca, T-P, Fe, Si においても、河口から霞ヶ浦に向かうに従い、河川底泥との差が大きくなっていた。これらの結果から湖内湖の設置により、霞ヶ浦への流入懸濁物が湖内湖にトラップされていることが示唆された。

キーワード:エコテクノロジー、面源負荷、湖沼浄化、湖内湖