土木学会論文集の完全版下投稿用

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1 水工学論文集, 第 57 巻,2013 年 2 月 山間地河川における物理環境と生息場の多様性についての検討 AN EXAMINATION OF DIVERSITY OF PHYSICAL ENVIRONMENT AND HABITAT IN A MOUNTAIN STREAM 米倉瑠里子 1 清野聡子 2 田井明 3 中田正人 4 岸昌仁 5 Ruriko YONEKURA, Satoquo SEINO, Akira TAI, Masato NAKATA and Masahito KISHI 1 学生会員九州大学大学院工学府海洋システム工学専攻 ( 福岡県福岡市西区元岡 744) 2 正会員博 ( 工 ) 九州大学大学院准教授工学研究院環境社会部門 ( 同上 ) 3 正会員博 ( 工 ) 九州大学助教高等研究院 ( 同上 ) 4 正会員博 ( 工 ) YSI/Nanotech Inc 応用技術部 ( 神奈川県川崎市川崎区東田町 8 番地 ) 5 非会員 YSI/Nanotech Inc 営業技術部 ( 同上 ). In mountain streams, it is assumed that microforms create various river regimes and habitat. But, there are not many studies of microforms in mountain streams. In this study, we conducted a survey in the Ohoyama River, a tributary of the Chikugo River. First, we observed the detailed flow regimen by using River Surveyor M9 and gathered algae attached to rocks. Second, we predicted water depth and flow velocity for each flow rate using 2D numerical analysis. As a result of the current analysis, we clarified the relationship of the flow regimen and the amount and species of algae attached to rocks. In addition, we examined the possibilities for applying this type of study to river environment regeneration. Key Words : Mountain stream, microforms, attached algae, environmental restoration 1. はじめに 流水力は基質の粒径や性質, 水路の形態に影響し 1), 河川に多様な物理的環境を形成する 2). 水生生物は水深, 流速, 河床状態の違いで棲み分けを行う 3) ので多様な物理環境が存在する場には多様な生物相が存在する. 河川の物理的環境と生物の関係性解明を目的とした研究, 特に河川中流域の砂河川における河床形状や生物分布の分析は多くなされており, 一定の成果が矢作川や淀川の河川整備事業に利用されている 4),5). 一方で山間地河川においては, 従来, 河川中流域に見られる砂州に代表される砂礫河川とは異なる, 多様な流れ環境と生息環境を形成していることが認識されているものの, 流況や生息場の多様性に言及した事例は少ない 6). 山間地河川において下流ほど解析が盛んでいない理由として, 急峻な渓谷部での観測の困難さが挙げられるが, 今日の観測技術の発達により克服しつつある. 本研究では, 山間地河川の流れ場の多様性および物理環境と生物環境の関連性を調べるために, 筑後川上流を 対象に検討を行った. 筑後川上流の流量は, 松原ダムによる発電用取水によって大幅に減少し, 流域特産の大型で香り高い ひびき鮎 も姿を消したと考えられており, 流域では河川環境の再生が検討されている 7). この筑後川上流における著者らの先行研究で選定した区間において,(1) 詳細な流況観測と河川の一次生産者である付着藻類の定量的調査,(2) 観測結果をもとに平面二次元数値シミュレーションにより対象区間の流況および藻類の分布状況の予測を行い, 河川環境再生事業における活用について検討した. 2. 物理環境の現地調査 (1) 手法はじめに, 調査区間の詳細な流速 水深分布および河床形状を計測した. 観測には, 流速や水深に応じた周波数, ドップラーモード, セルサイズを自動的に調節し, 浅い水深まで高精度の連続計測が可能である超音波ドッ

2 プラー流向流速分布 流量計 (River Surveyor M9, SonTek/YSI 社製 ) を用いた. 次に, 巨石や岩盤などの河床材料, 植生および瀬や淵の配置といった河床平面地形を把握するために空中写真を撮影した. 空中写真撮影に際しては, 渓谷部でも高解像度の写真を撮影可能なラジコンヘリコプタ ( Multi Rotor UAV, Draganfly Innovations 社製 ) を用いた. 測定した流速 水深分布と空中写真を重ね合わせることで, 山間地渓流の複雑な流況を図化した. (2) 結果調査当日の流量は, 対象区間の下流端で 5.3 m 3 /s であった. 約 1755m 2 の領域で 8932 点 ( 観測密度 :0.2 m 2 / 点 ) の水深, 流速分布を計測した. 図 -1,2 に対象区間の水深および平均流速の空間分布を示す. 水深については, 対象区間では縦断方向に水深の深い区間と浅い区間が連続している. 流速については, 平均流速の大きい主流は, 上流で右岸側に存在しているが, 河道の最も狭窄している付近からは左岸側に遷移している. また, 巨石周辺で流速分布が複雑になり, 下流側に緩速域が生じていること, 左岸側岩盤周辺は流速, 水深ともに大きいことが分かった. 図 -3 に対象区間における底層流速のベクトルを示す. 底層流速の大きさの分布は, 平均流速の分布と類似性を示した. 水深が深い領域と浅い領域を比較すると, 深い領域の方が底層流速は小さい傾向にある. 水深が深い領域では, 流向はほぼ一定方向を向いているが, 水深の変化する地点や巨石周辺で流向が複雑に変化していることが確認できた. の滝壺状の地形になっている箇所では, 流向が複雑に変化し, 攪乱度合いが高いことが予測される. 岩盤付近は水衝部になっているため, 淵が形成されたと考えられる. 3. 付着藻類の調査 (1) 手法対象区間において瀬 淵 よどみなどの生息場スケール, 巨石などの微生息場スケールの地形類型を参考にし, 28 点の調査地点を選定した. 各調査地点において自然石を 4 個ずつ採取し ( アユのはみ跡が確認できる石礫は除外 ), 上面からブラシを用いて 1 個につき 5cm 5cm ずつ付着物をこすり取った. 付着物のうち 4 分の 3 はホルマリンを用いて固定し, 種の同定用のサンプルとした. 残りは採取後, 冷暗した状態で速やかに解析室へと持ち帰り, ろ紙 (GF/C, 1µm,WhatmanJapan Ltd.) で吸引ろ過し, 90% アセトン溶液で 24 時間抽出した後, 吸光光度法によりクロロフィル a(chl-a) およびフェオフィチン (Phe) flow (3) 考察対象区間は, 階段状早瀬と淵の組み合わせが連続しており, 山地渓流に見られる典型的な地形であるといえる 8). 平均流速の大きい主流でも, 底層付近になると流速は小さくなり, 深さ方向に流れが複雑に変化していることが分かった. また, 狭窄部, 巨石周辺や階段状早瀬下 図 -1 水深分布 (m) flow flow 図 -2 水深平均流速分布 図 -3 底層流速分布

3 Phe(μg/cm 2 ) Phe(μg/cm 2 ) Phe(μg/cm 2 ) Chl-a(μg/cm 2 ) Chl-a(μg/cm 2 ) Chl-a(μg/cm 2 ) を測定した. (2) 結果 (a) クロロフィル a およびフェオフィチンについて図 -4 に調査地点および地点における Chl-a 量を示す. 図中番号が調査地点の No. を, 地点の色が Chl-a の量を表している. 特に Chl-a が高かった地点は No.3,No.8, No.14 であり Chl-a が低かった地点は No.17,No.26 であった. 各地点における Chl-a および Phe と平均流速, 底層流速, 水深の関係を図 -5 に示す.Chl-a は平均流速では 0.4~0.8m/s, 底層流速では 0.2~0.4m/s にピーク値を有す凸の分布を示し, 水深とは比較的弱い正の相関 (R=0.37) が確認された.Phe は平均流速, 底層流速とは負の相関を示し, 水深とは 1.0m 付近に最少値を有す凹の分布となった. (b) 付着藻類の種組成 28 地点中 6 地点 (No.3,No.6,No.17,No.19,No.25, No.26) で種の同定を行った. 表 -1 に各地点における種類数および総細胞数を示す. 総細胞数が最多は No.19, 最少は No.17 であった. 種類数が最も多かったのは No.3 で, 最も少なかったのは No.25 であった. 珪藻綱が各地点で最も多くの種類が確認された. 付着藻類の分布と特に相関が強いと考えられる底層流速および水深と, 各種の比率 ( 藍藻 珪藻 緑藻の細胞数が総細胞数に占める割合 ) との関係を図 -6 に示す. 円グラフ中の数字は調査地点の番号を示す. 底層流速 0.6m/s, 水深 0.7m 付近を閾値として, 水深が深く底層流速が小さい地点では珪藻が優先し, 水深が浅く底層流速が大きい地点で藍藻が優先していることが確認された. 表 -2 に各点において総細胞数に占める割合が高かった種名を示す. すべての地点において確認された種は珪藻綱アクナンテス科ツメケイソウ属の Achnanthes convergens と藍藻綱ネンジュモ目ヒゲモ科ビロウドランソウの Homoeothrix janthina である. 上記二種の細胞数の合計が各点において総細胞数に占め 水工学論文集, 第 57 巻,2013 年 2 月 る割合は No.3,No.6,No.17,No.19,No.25,No.26 の順に 44.5%,60.6%,75.4%,65.6%,72.9%,80.4% であった. 緑藻綱に関しては,No.26 において緑藻綱カエトフォラ目カエトフォラ科スチゲオクロニウム属の Stigeoclonium sp. が 1.8% 存在し, 緑藻綱が占める割合が比較的高く, 他点では 1% 未満となった. (3) 考察河川付着藻類に関する既往研究において, 以下のこと (µg/ml) 24 図 -4 Chl-a の空間分布 表 -1 各地点における種の構成 総細胞数 種類数藍藻珪藻緑藻合計 No.3 599, No.6 946, No.17 73, No.19 1,465, No , No , cells and filaments/cm 水深平均流速 底層流速 水深 (m) 水深平均流速 底層流速 水深 (m) 図 -5 Chl-a および Phe と流況の関係

4 底層流速 が把握されている. 第一に, 付着藻類の発達は, 成長のための資源 ( 栄養塩, 光, 水温 ), 外力 ( 流速, 流砂量 ), 底生動物や魚類等の摂食の三項目に支配される 9). 第二に, 平常流量時の流速は, その大きさに応じて懸濁物質の沈積による遮光が付着藻類の成長阻害, 新鮮な栄養塩の連続的な供給が成長促進を引き起こす等, 付着藻類の現存量と密接な関係を有している 10). 第三に, 付着藻類の付着様式はいくつかのタイプに分類され, 付着様式は藻類の基質への付着力を規定する一因であるため, その場の外力や外力に対する耐性と密接な関係がある 11). 第一, 第二の条件に関して, 流速が増加すると, 河床付着物内部への栄養塩の供給量が増加し, 一次生産速度が増加する 12) と同時に, 基質からの掃流力も増加するため, 剥離量も増加するといえる. したがって, 付着藻類の現存量が最も高くなる流速のピーク値が存在すると考えられる. 図 -5より, 死んだ藻類の指標である Pheが流速と負の相関を有しているのは, 掃流力が増加するほど剥離しやすいためと考えられる. 生きている藻類の指標である Chl-a の分布より, 付着藻類の現存量が最も高くなるのは, 底層流速が 0.2~0.4m/s, 平均流速が0.4~0.8m/s の環境であると考えられる. 水深との相関は, 水温, 日射量等に関係があると予測される. また, 種組成においても, 藍藻綱の大部分を占めていた Homoeothrix janthina は付着力が強い糸状伸長型の付着様式であり, 底層流速が大きい早瀬であるNo.17,No.26 等 藍藻 珪藻 緑藻 水工学論文集, 第 57 巻,2013 年 2 月 で藍藻が優先したと考えられる. 反対に, 珪藻綱の大部分を占めていた Achnanthes convergens は直立型の付着様式であり付着力が弱い. したがって, 底層流速が小さい水際や, 淵である No.3,No.6,No.25 等で珪藻が優先したと考えられる. 付着力が弱い付着様式である滑走型の Navicula も, 底層流速が小さい No.6,No.25 で検出割合が高くなった. 4. 数値シミュレーション (1) 概要対象区間の流況を浅水方程式を用いた平面 2 次元数値解析により再現した 13). 地形データは River Surveyor M9 で計測した河床地形と, 河道内の巨石や河岸の実測データを合成することで詳細に制作したものを使用した. 境界条件は, 上流端に上記の流量, 下流端に水位を与えた. 流量は, 夏季平常流量の 5.3m 3 /s, 出水流量の 20m 3 /s の計 2 通りを採用した. 流量 20m 3 /s に関して, 当流量は流域で現在求められている維持流量の候補の一つでもある. 計算格子は一般曲線座標を用い約 1m 2 とした. 計算時間間隔を 2 秒とし, 定常となるまで計算を行った. (2) 結果図 -7 に再現された水深および流速の空間分布を示す流量 5.3m 3 /s 時の再現結果は, 実測値より水被り域が過大となっている. 水深, 流速ともに定性的な分布状況は実現象と類似性を示すが, 全体的に過大な値となっている出水時の流量 20m 3 /s の再現結果については, 左岸側が水没し, 右岸側岩盤に沿うように主流域が存在している. 流量別の流速, 水深の面積配分をヒストグラム化した結果を図 -8 に示す. 割合が高くなるのは, 水深は流量 5.3m 3 /s の予測値, 実測値, 流量 20m 3 /s の順に 0.2~0.4m, 0.4~0.6m,0.6~0.8m, 平均流速はすべてのケースで値が等しく 0.2m/s 以下の領域であった 水深 (m) 図 -6 各藻類の比率と流況の関係 (3) 考察シミュレーション結果は実際の値より多少過大に水深, 流速を算出している傾向にあるが, 巨石周辺の緩速域, 早瀬の高速域の分布および水衝部の淵の流況等 ( 図 -7 表 -2 各点における優先種 1 位 2 位 3 位 4 位 No.3 Achnanthes convergens Homoeothrix janthina Melosira varians Gomphonema inaequilongum No.6 Homoeothrix janthina Achnanthes convergens Navicula cryptotenella Navicula yuraensis No.17 Homoeothrix janthina Achnanthes convergens Nitzschia inconspicua Chamaesiphon sp. No.19 Homoeothrix janthina Nitzschia inconspicua Achnanthes convergens Encyonema silesiacum No.25 Achnanthes convergens Achnanthes convergens Nitzschia inconspicua Navicula cryptotenella No.26 Homoeothrix janthina Achnanthes convergens Nitzschia inconspicua Stigeoclonium sp.

5 面積 (%) 面積 (%) 水工学論文集, 第 57 巻,2013 年 2 月 (m) (a) 水深 (Q=5.3 m 3 /s) (b) 水深平均流速 (Q=5.3 m 3 /s) (m) (c) 水深 (Q=20 m 3 /s) (d) 水深平均流速 (Q=20 m 3 /s) 図 -7 数値シミュレーションの結果 Q=5.3m 2 3 /s( 予測値 ) Q=20m 3 3 /s ( 予測値 ) Q=5.316m3 Q=5.3m 3 /s( 実測値 ) Q=5.3m 2 3 /s( 予測値 ) Q=20m 3 3 /s ( 予測値 ) Q=5.316m3 Q=5.3m 3 /s( 実測値 ) 水深 (m) 図 -8 各ケースにおける面積配分 水深平均流速 (b) 黒枠内 ) は精度よく再現されており, ある程度定量的な流況は再現可能であるといえる. 誤差は, 地形データの不足によるものと考えられる. シミュレーションの結果より,20m 3 /s の出水時に右岸側の岸 ( 図 -7 (c) 黒枠内 ) が水没し, 水深 0.7m 以下, 平均流速 0.8 ~1.2m/s 付近になることが予測される. この状況は Chla の値が高く, 藍藻の優先する環境といえる. アユは藍藻を好んで摂食するので 11), アユの良好な餌場となる 可能性が高い. 流量 20m 3 /s 時の実現象との比較として, 現地写真による両岸の水際線や特徴的な巨石の水没状況等の比較を行ったところ, 対象区間において,20m 3 /s の出水時では, シミュレーションとおおよそ同じ領域が水没することを確認した. また, 今年度に数日続いた同規模の出水後も, 黒枠内では特にアユのはみ跡が多く確認されている.

6 5. おわりに 本研究で得られた知見を以下にまとめる. 1) 山間地河川では多様な付着藻類の分布が存在する. 2) 対象区間において, 底層流速 0.2m/s~0.4m/s, 平均流速 0.4~0.8m/s の領域で付着藻類の成長が良い傾向にある. 3) 対象区間において, 底層流速 0.6m/s 以上, 水深 0.7m 以下の領域で藍藻が優先し, 底層流速 0.6m/s 以下, 水深 0.7m 以上の領域で珪藻が優先する傾向にある. 4) 対象区間において, 詳細な地形データを使用した平面二次元数値シミュレーションにより, 流況のある程度定量的な予測が可能である. 本研究において, 従来認識されている程度に過ぎなかった山間地河川の物理環境と生息場の多様性が定量的に示された. 現状での中小河川の治水計画においては, 横断面形状の測量後に数値解析を行うことが推奨されているが, 横断面形状は概略設計時に約 100m 間隔, 詳細設計時に約 20m 間隔のものを使用することが多く 14), 生息場評価においても, このような治水計画のスケールを適用している例が多く存在する. 本研究において, 山間地河川の 20m 平方内の空間を, 均一の物理環境 生息場として扱うことの問題点が改めて浮き彫りになったことは, 生息場評価における適切なスケールを検討していく上で, 大変有用であるといえる. また, アユが選好すると言われる藍藻の繁殖しやすい物理環境が本研究で示された. 対象区間において平常時で干上がっている右岸側の岸 ( 図 -7(c) 黒枠内 ) は, 流量 20m 3 /s 時にアユの良好な餌場となる可能性が高く, アユをシンボルとして環境再生の研究がなされている筑後川上流においては維持流量制定時の科学的根拠となり得る. 山間地河川においては, 管理者である自治体の財政面上の問題から詳細な測量 設計が難しい現状が存在する 14). この問題に対しては, 代表区間を設定し, 本研究のように, 解析対象区間を短くした上で管理区間内で部分的に詳細な観測を行うことや, 数値シミュレーションを併用することで, 対応可能であると考えられる. その際に, 管理区間内の河道特性を代表する区間や, 流域にとって景観的 生物学的に重要な区間を, 代表区間として選定することで, 河川整備事業の高度化に貢献できると考えられる. 山間地河川は, ある点を境に河床勾配などの河道特性が急激に変化することが特徴であるので, 本河川の他領域においても同様の観測を行い, 今回の結果と比較することで, 他河川においても適用可能である代表区間の選定法を検討することを, 今後の課題とする. 藻類同定には河川生物研究所, 生物的環境調査には大分県日田市, 現地観測には九州大学環境流体力学研究室ならびに生態工学研究室の皆様の御支援を頂いた. ここに記して謝意を表する. 参考文献 1) Karrie Lynn Pennington and Thomas V. Cech: Water Resources and Environmental Issues, CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS, pp , ) Paul S. Giller and Bjorn Malmqvist:: The Biology of Streams and Rivers, OXFORD UNIVERSITY PRESS, pp , ) 竹門康弘 : 渓流における水生昆虫の棲み場所保全, 砂防学 会誌,50 巻,pp , ) 田代喬, 辻本哲郎 : 河床状態の変化に着目した矢作川中流 域における河道動態とそれに伴う生息場の変質, 矢作川研究, No.7,pp. 9-24, ) 鍛冶塩太, 綾史郎, 武藤裕則, 馬場康之, 中西章, 出口崇, 藤田一郎, 竜門俊次 : 淀川楠葉復元ワンド郡の水理環境, 水 工学論文集, 第 50 巻,pp , ) 森田茂雄, 桑原誠, 山下彰司, 永山滋也 : 渓流河川での河 道内地形の違いがサクラマスの産卵環境に与える影響, 水工 学論文集, 第 54 巻,pp , ) 矢野真一郎, 斎藤正徳, 井芹寧, 河口洋一, 島谷幸宏, 緒 方健, 山崎正敏, 清野聡子 : 筑後川上流 ( 大山川 ) における維 持流量変化が河川環境に与える影響に関する現地観測, 河川 技術論文集, 第 12 巻, pp , ) 山本晃一 : 沖積河川 - 構造と動態 -, 技報堂出版,pp , ) 谷田一三, 村上哲生 : ダム湖 ダム河川の生態系と管 理, 名古屋大学出版会,pp , ) 斎藤正徳, 河口洋一, 矢野真一郎, 井芹寧, 島谷幸宏, 緒 方健, 山崎正敏, 清野聡子 : 筑後川上流域におけるダム放流 量増加が付着藻類に与える影響, 水工学論文集, 第 51 巻, pp , ) 皆川朋子, 福嶋悟 : ダム下流の河床付着膜の特徴とフラッ シュ放流による掃流, 土木技術資料,19-8,pp.52-57, ) 国土技術政策総合研究所 : ダムと下流河川の物理環境との 関係についての捉え方 下流河川の生物 生態系との関係把 握に向けて -, 土木研究所資料,No.4140,pp.100, ) 長田信寿 : 一般座標系を用いた平面 2 次元非定常流れの数値 解析, 土木学会水理委員会基礎水理部会, 水工学における計 算機利用の講習会講義集, 土木学会水理委員会基礎水理部会, pp , ) 大石哲也, 萱場裕一, 加瀬瑛斗, 渡辺敏, 高岡広樹 : デジカメ航空写真による中小河川の地形データ作成と 河道計画への適用可能性, 土木学会論文集 B1( 水工 学 )Vol.68,No.4,pp ,2012. 謝辞 : 本研究の空中写真撮影は高崎総合コンサルタント, ( 受付 )