VIII 閉鎖性水域の底泥対策技術に関する研究
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16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16年度はモデル設定したダム貯水池における底層環境改善実験及び採取した底泥サンプルを用いた栄養塩溶出試験や酸素消費速度試験などを行った。その結果は以下に示す通りである。
1）前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，好気的環境でのリンの溶出抑制と嫌気的環境でのリン溶出の傾向が確認され、また、指標としてのORPの有効性が示唆された。
2）高濃度酸素水の供給前後で底泥試料を採取し，静置状態・嫌気条件で溶出試験を行った結果、底泥への酸素供給によって底泥のPO4-P、NH4-N溶出ポテンシャルが低下する傾向が把握できた。
3）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。その結果，嫌気条件下では初期リン溶出速度が顕著に大きいが，2日間ほどでその溶出は終了すること、溶出リンは底泥中ではFeなどと結合していたと考えられること、好気条件においても緩速ながらリンは溶出し、最終的に嫌気条件における溶出量の25～50%程度まで溶出することを明らかにした。
(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。
「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」については、近年有機性有害物質による環境汚染が懸念されており、閉鎖性水域で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り、それらの物質による汚染が懸念されており、特に多環芳香族炭化水素類（Polycyclic aromatic hydrocarbons，以下，PAHｓ）による底泥の汚染の可能性が指摘されている。このため、閉鎖性水域の底泥中でのPAHｓの実態把握と挙動解明を行うものである。平成16年度はモデル設定した閉鎖性水域でのPAHｓ等の有機性有害物質の存在実態に関する研究を継続して行うとともに、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を行った。その結果、河川等の流入とは別に、道路橋などから局所的なPAHｓ負荷がもたらされている可能性が示唆されるとともに、汚染の由来として排ガスおよび道路堆積物が推定された。また、水域に関するベンゾ[a]ピレンの物質収支の試算結果によると、河川等の流入がベンゾ[a]ピレンの主要な負荷源であること、ベンゾ[a]ピレンの年間堆積量を上回る量が底泥の浚渫により水系外へ搬出されていることが推定された。
「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」については、浅い閉鎖性水域においては沈水植物群落が消失してその水質の改善が進まない事例が見受けられており、この原因の一つとして浅い湖沼における底泥の巻き上げに起因する栄養塩類の水中への回帰が指摘されている。このため、底泥の巻上げを抑制するためには沈水植物群落の復元が必要であり、特に、遺伝的固有性を保持した状態で過去の沈水植物群落の復元を行うために底泥中に眠るこれら沈水植物の埋土種子を用いた水質改善のための技術開発を行うものである。平成16年度は湖底の生態系の重要な要素であると考えられる沈水植物の埋土種子に着目した調査、分析を霞ヶ浦において行った。過去の沈水植物群落の存在状況を参考にして底泥の採取地点を選定し、採取された底泥のコア（60cm）を上層、中層、下層の3層に分割して埋土種子の存在状況を調査した。その結果全ての層において埋土種子の存在が確認された。また、同地点で採取した底泥コアを用いて鉛直方向に年代分析を行った。その結果、1899年～1917年頃の層にも埋土種子が存在することが明らかとなり、そのうちいくつかについてはまき出し試験による発芽を確認した。
(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」の技術開発および効果の検証を行うものである。「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である。平成16年度は湖内湖における浄化機構として脱窒の寄与がこれまで明らかになっていなかったため、モデル設定した湖内湖において脱窒量の評価を行った。脱窒量の調査は現場で窒素ガスを直接採取して評価した。その結果、同湖内湖においては、河口付近において硝酸態窒素の供給、底層付近の貧酸素化などが要因となり、脱窒が盛んであることが分かった。特に夏季には河口付近で400～500 mg/m2/dayの脱窒速度があった。5月～10月の平均値は河口付近で224 mg/m2/day、その他で70 mg/m2/dayであった。また、1年間の同湖内湖における脱窒量は520 kg/yearと推定されて、流入窒素負荷量の6.6% 程度に相当することが示された。
個別課題の成果
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：鈴木穣，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16年度はダム貯水池における底層環境改善実験，及び，採取した底泥サンプルを用いた栄養塩溶出試験や酸素消費速度試験などを行った。その結果は以下に示す通りである。
1）平成15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，好気的環境でのリンの溶出抑制と嫌気的環境でのリン溶出の傾向が確認され，また，指標としてのORPの有効性が示唆された。
2）高濃度酸素水の供給前後で底泥試料を採取し，静置状態・嫌気条件で溶出試験を行った結果，底泥への酸素供給によって底泥のPO4-P，NH4-N溶出ポテンシャルが低下する傾向が把握できた。
3）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。その結果，嫌気条件下では初期リン溶出速度が顕著に大きいが，2日間ほどでその溶出は終了すること，溶出リンは底泥中ではFeなどと結合していたと考えられること，好気条件においても緩速ながらリンは溶出し，最終的に嫌気条件における溶出量の25～50%程度まで溶出することが明かになった。
キーワード：底泥，栄養塩，溶出，DO，ORP，モニタリング
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：尾崎正明，山下洋正
【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。16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継続して行うとともに，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を行った。その結果，河川等の流入とは別に，道路橋などから局所的なPAHs負荷がもたらされている可能性が示唆されるとともに，汚染の由来として排ガスおよび道路堆積物が推定された。また，水域に関するベンゾ[a]ピレンの物質収支の試算結果によると，河川等の流入がベンゾ[a]ピレンの主要な負荷源であること，ベンゾ[a]ピレンの年間堆積量を上回る量が底泥の浚渫により水系外へ搬出されていることが推定された。
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15～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16年度は、昨年度に引き続き湖底の生態系の重要な要素であると考えられる沈水植物の埋土種子に着目した調査、分析を霞ヶ浦において行った。過去の沈水植物群落の存在状況を参考にして底泥の採取地点を選定し、採取された底泥のコア（60cm）を上層、中層、下層の3層に分割して埋土種子の存在状況を調査した。その結果全ての層において埋土種子の存在が確認された。また、同地点で採取した底泥コアを用いて鉛直方向に年代分析を行った。その結果1899年～1917年頃の層にも埋土種子が存在することが明らかとなり、そのうちいくつかについてはまき出し試験による発芽を確認した。
キーワード：底泥、沈水植物、霞ヶ浦、埋土種子、年代測定
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（一般勘定）
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】
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。湖内湖における浄化機構として、脱窒の寄与がこれまで明らかになっていなかった。そこで、平成16年度は湖内湖における脱窒量の評価を行った。脱窒量の調査は現場で窒素ガスを直接採取して評価した。湖内湖においては、河口付近において硝酸態窒素の供給、底層付近の貧酸素化などが要因となり、脱窒が盛んであることが分かった。夏季には河口付近で400-500 mg/m2/dayの脱窒速度があった。5月-10月の平均値は河口付近で224 mg/m2/day、 その他の一般沈殿池で70 mg/m2/dayであった。1年間の湖内湖における脱窒量は520 kg/yearと見積もられ、これは流入窒素負荷量の6.6% 程度であった。
キーワード：湖内湖浄化、面源負荷、非点源負荷、浄化技術、湖沼、流入負荷
