諏訪湖ヒシ帯の水理特性要旨平成 21 年 2 月加藤宏章目的諏訪湖では, 水質浄化にともない水草帯が拡大しており, 今後さらなる拡大が予想される. そのため, 水草帯が湖の水理特性にどのような影響を及ぼしているのかを把握することが重要となる. そこで本研究では, 諏訪湖ヒシ帯で現地観測を行い,

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さゆりいしなみ
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1 諏訪湖ヒシ帯の水理特性豊田研究室 05T3026B 加藤宏章平成 21 年 2 月

2 諏訪湖ヒシ帯の水理特性要旨平成 21 年 2 月加藤宏章目的諏訪湖では, 水質浄化にともない水草帯が拡大しており, 今後さらなる拡大が予想される. そのため, 水草帯が湖の水理特性にどのような影響を及ぼしているのかを把握することが重要となる. そこで本研究では, 諏訪湖ヒシ帯で現地観測を行い, ヒシ帯の水理特性を把握する. 方法諏訪湖で最も繁茂しているヒシに着目し, 諏訪湖北東岸の長野県がヒシの一部を刈り取った地帯とヒシ帯とで集中観測および連続観測を行った. 集中観測では流動を, 連続観測では水温濁度流向流速を観測し, その結果から刈り取り帯とヒシ帯の水理特性の比較検討を行った. 結論ヒシ帯では, ヒシの影響を受けて表層の流速が抑えられるとともに, 波を減衰させる消波効果がみられた. また, 刈り取り帯とヒシ帯では水温構造が異なっていることが確認できた. 全体的に刈り取り帯の方が水温は高く, さらに刈り取り帯においては, 夜に表層と中層の温度逆転が起きていた. 濁度については, 降水や急激な水温変化によって, 上昇することが多かったが, 刈り取り帯とヒシ帯の連動性は低かった. 指導教員豊田政史助教

3 目次第 1 章はじめに 1 第 2 章研究対象について諏訪湖の概要ヒシの生態 3 第 3 章観測概要集中観測 ( 流動観測 ) の概要連続観測 ( 水温濁度流向流速観測 ) の概要 4 第 4 章観測結果および考察集中観測の結果および考察連続観測の結果および考察 7 第 5 章おわりに 15 謝辞 16 参考文献 17

4 1 第 1 章はじめに現在, 諏訪湖では水質浄化にともなって一度は衰退していた水草帯が再度発達してきており, 湖面積の 20% を占めるまでに至っている ( 佐久間ら,2006). また, 琵琶湖南湖では湖面積の 90% 近くが水草帯となっており, 水草の繁茂による航路障害悪臭景観悪化など水草問題が深刻化している. 諏訪湖は平均水深 4.7mと琵琶湖南湖と同じように比較的浅い湖であり, さらに水草が増加する可能性があると思われる. そのため, 水草帯による湖の水理環境の変化が予想され, 水草帯が湖に与える影響を把握することが大変重要となる. しかし, 水草帯の存在によって水理特性がどのように変化しているのかを室内実験によって論じたものは見られる ( 大本ら,2005) が, 現場での観測事例はあまりみられない. このようなことから, 現地観測を行い, 水草帯の水理特性を把握することには意味があるといえる. そこで本研究では, 諏訪湖で最も繁茂しているヒシに着目し, 県がヒシの一部を刈り取った地帯とヒシ帯とで流速, 流向, 濁度, 水温に関する現地観測を行った.2008 年 7 月日に集中観測を,2008 年 6~10 月に連続観測を行い, その結果をもとに諏訪湖ヒシ帯における水理特性の検討を行った. 本論文は,5 章からなる. 以下にその構成を示す. 第 2 章では, 研究対象について示す. 第 3 章では, 観測概要について示す. 第 4 章では, 観測結果を示し, 考察を述べる. 第 5 章では, 結論を述べる.

5 2 第 2 章研究対象について本章では研究対象である諏訪湖の概要とヒシの生態について述べる. 2-1 諏訪湖の概要諏訪湖は長野県最大の天然湖沼であり, 観光水資源の確保治水など多くの公益的機能を有している. 湖心は北緯 36 度 03 分, 東経 138 度 05 分にあり, 長野県中央部の霧ヶ峰山麓と赤石山脈にはさまれた諏訪盆地の北西端に位置している. 図 2-1 に諏訪湖の形状, 表 2-1 に諏訪湖の諸元を示す. 最大水深 7.2m, 平均水深 4.7m, 湖面積 13.3km 2 であり, 比較的浅い湖である. また, 諏訪湖に流入する河川は, 全部で 31 河川 ( 一級河川 15, 準用河川 2, 普通河川 14) 存在する. 流域面積でみると上川が一番大きく 245.3km 2, ついで宮川 94.1km 2, 研川 60.1km 2, 横河川 24.5km 2 となっており, これらの 4 河川で諏訪湖全流域面積の約 8 割を占めている. 流出河川は天竜川のみの 1 河川であり, 流入した河川水は釜口水門より天竜川として流出する. 2-2 ヒシの生態 ( 角野 1997) ここではヒシの生態を示す. また図 2-2 に諏訪湖のヒシの写真を示す. ヒシはヒシ科ヒシ属からなる一年生の水生植物で北海道から九州までに自生し日本各地の湖沼や溜め池河川の淀みや水路などに生育する. 富栄養化の進行した水域にもよく育ちヒシ属だけの純群落になっているところも多い. 秋に水中に落ちた種は春になると細長い茎を水面に伸ばし茎の先端に浮き袋のついた葉をつけて水面に姿を現す. 水底から水面までときに 2m を超える長い茎が伸び長さ 2~5cm 幅 2~8cm の菱形や丸みのある三角形で粗い鋸歯のある浮葉がロゼット状に展開する. 葉柄の中ほどがふくれて浮きになる. 果実は硬く両側に鋭い刺がる. 花期は 7~10 月頃である.

6 3 N 1km 図 2-1 表 2-1 諏訪湖の形状諏訪湖の諸元湖面標高 759 m 洪水調節容量 14,630,000 m 3 湖面積 13.3km 2 滞留時間 39 日最大水深 7.2 m 流入河川 31 河川平均水深 4.7 m 流出河川 1 河川 (天竜川 ) 総貯水量 62,987,000 m 3 流域面積 km 2 図 2-2 ヒシの写真

7 4 第 3 章観測概要 3-1 集中観測 ( 流動観測 ) の概要集中観測は 2008 年 7 月 23 日の 10:30~ 13:00, および 24 日の 10:00~ 12:00 に行った. 観測地点を図 3-1 に示す. 観測は諏訪湖北東岸の浅場にあるヒシ帯で行い, 県が試験的にヒシを刈り取っている地帯 ( 図中の赤枠で囲った部分 ) とヒシ帯の計 4 地点を観測地点とし, ヒシを刈り取った地点を st.1, ヒシ帯と刈り取り帯の境界 ( 以下境界と呼ぶ ) を st.2, ヒシ帯内を st.3, st.4 とした.7 月 23 日は st.1 st.2 st.3 st.1 st.4 の順に,24 日は st.1 st.2 st.3 st.4 の順に観測を行った. それぞれの地点で水表面から 0.5m, 1.0m, 1.5m の流速と流向を 3 分間観測した. 測定には nortek 社製の vector を使用し, 測定精度を 1.5mm/s, サンプリング間隔を 1/64s と設定した. また, 図 3-1 の風観測地点において, 風向風速計を用いて風速, 風向の観測を行った. 3-2 連続観測 ( 水温濁度流向流速観測 ) の概要刈り取り帯 (st.1), ヒシ帯 (st.3) の 2 地点で観測した水温データは信州大学山岳総合研究所の宮原准教授に提供して頂いた. さらに,st.1 では濁度と流向, 流速を,st.3 では濁度を観測した. 観測は 6 月 26 日 ~10 月 28 日まで行った. 測定には濁度計として, アレック電子社製の小型メモリークロロフィル濁度計 (COMPACT-CL) を使用し, 流向流速計として, アレック電子社製の小型メモリー電磁流速計 (COMPACT-EM) を使用した. 濁度計は水表面から 1.2m の深さを, 流向流速計は 0.5m の深さを観測した. 濁度計と流向流速計, それぞれバーストを 20 分間隔, サンプリング間隔を 0.5s, サンプル個数を 20 個と設定した.

8 5 風観測地点 N 1km N 100m 図 3-1 観測地点

9 6 第 4 章観測結果および考察 4-1 集中観測の結果および考察本節では, ヒシ帯とヒシ刈り取り帯において観測データより, 平均流速および乱れエネルギーを求めた. 乱れエネルギーとは, 平均流速に対して流速変化がどれほど大きいかを表しており, 水の流れの乱れ具合のことである. この二つを求めることにより, ヒシ帯とヒシ刈り取り帯で水流動の比較を行った. 図に,7 月 23 日 24 日における風観測地点の風向および風速の状況を示す. この図より,23 日は観測時間中に時間とともに風向風速が変化しており,12 時頃から南西の風になり, 次第に風は強くなった.24 日は観測時間中, 非常に弱い風であった. この結果から,23 日は観測時間中に風の状況が変化しているので,st.1~ st.4 のデータを等価に扱うことができなかった. そこで, 風向が南西に変わり風速が大きくなった後に観測した st.1 の 2 回目と st.4 を比較した. また,24 日は観測時間中弱い風であったので, すべてのデータを等価に扱うことができ, すべてのデータで比較した. 23 日 24 日において, それぞれの地点水深で水平方向の平均流速を計算した結果を図図に示す. 図図より, 各地点各水深での水平方向の平均流速は 23 日 24 日ともに 1cm/s 以下となった. これは,23 日 24 日ともに風速が 3m/s 以下と小さく, それほど流速が出なかったためと考えられる. また,24 日の結果から st.1 では水深 0.5m で水平方向の平均流速が最大となったが,st.2 st.3 st.4 では水深 1.0m が最大となった. つまり, 平均流速はヒシ刈り取り帯では表層の水深 0.5m が最大となり, ヒシ帯や境界では水深 1.0m が最大となった. 一般的に, 諏訪湖のような浅い湖の流出入河川付近以外では風の影響を大きく受け, 表層の流速が最大となる. よってヒシ帯において 0.5m の平均流速が最大とならなかったのは, ヒシは水面に葉を出し繁茂するので, 表層の水流動の抵抗になっていると考えられる. 次に, 図図に 23 日 24 日における水平方向の乱れエネルギーの計算結果を示す. この結果から,23 日の風が強くなってから観測した st.1 と st.4

10 7 を比較すると, 水平方向の平均流速はほぼ同じであるのに対し, 乱れエネルギーはヒシ帯の方がすべての水深で小さくなった. これは, ヒシ帯による消波効果によってヒシ帯では波が減衰され, 乱れエネルギーが小さくなったのではないかと考えられる. 4-2 連続観測の結果および考察本節では, 水温濁度流向流速観測についての結果考察を述べる. また, 観測期間が 6 月 26 日 ~10 月 28 日と長いので, すべてのデータは載せず顕著な現象がみられたところのデータを抜粋する. また, 図に諏訪特別気象観測所で観測された降水量を示す. (1) 水温の結果および考察図にヒシ刈り取り帯とヒシ帯の水表面から 0.5m, 1.0m, 1.5m, 2.0m の水深における水温変化を示す. 刈り取り帯では昼の 12 時頃に 0.5m の水温が最大となり, 夜中頃に 1.0m の水温が最大となる. また, 夜に 0.5m と 1.0m の水温が逆転していることが分かる. ヒシ帯では 0.5m の水温が夕方から夜にかけてピークになり, 水深が下がるにつれてピークが遅くなる. 刈り取り帯のように温度逆転も起きない. さらに, 刈り取り帯よりも各水深で水温が低くなっており, 水温変化も小さくなっている. これは, ヒシ帯では水面にヒシがあることで, 水面に直射日光が当たらなくなることによって, 日中に急激に水温が上がらないためではないかと考えられる. また, 刈り取り帯で温度逆転が起こるのは表層における日中の急激な水温上昇による下層への熱拡散と, 夜中の放射冷却が原因ではないかと推測される. また, 強い降雨があると刈り取り帯では水深 1.5m と 2.0m の水温が急激に下がっていることが確認できる ( 図の 6 月 29 日 ). また, ヒシ帯でも 1.5m と 2.0m の水温が刈り取り帯と同程度になっていた. このことより, 降雨によって増水した河川水は刈り取り帯ヒシ帯の底層を流れていることが分かった. (2) 濁度の結果および考察 6 月 7 月の濁度はヒシ帯では濁度上昇が起きているが, 刈り取り帯ではほと

11 8 んど起きていなかった. これは濁度の値が大きいことから, 異常値の可能性が高いと思われる. 濁度計は障害物があると濁度が高く出てしまうことがあるので, この場合, ヒシ帯ではヒシがあることによって, 異常値が出やすいのではないかと思われる. また, 全体的に急激な水温低下が起こると濁度が急上昇するという傾向がみられる. 局所的にみていくと,8 月 12 日 13 日は強い降雨が観測されており, 図より, 底層の水温変化からも河川水の流出が確認できる. 図より, この日は刈り取り帯, ヒシ帯の順に濁度が上昇しており, 流向データとも合致している. しかし,6 月 29 日は 8 月 12 日 13 日と同等の強い降雨が観測されているが, 濁度の数値は全く上昇していない. 水温変化から河川水の流出の確認はできるが, 6 月 29 日は 1.0m の水温があまり変化していないことから, 濁度計が水深 1.2m のところにあるので, その下層を河川水が移流していたのではないかと考えられる. これらのことより, 濁度上昇は降雨と急激な温度変化によって生じていると考えられる. しかし, ヒシ帯と刈り取り帯の濁度は連動していない点も多く全く別の水塊を形成している可能性も否定できない. (3) 流向流速の結果および考察刈り取り帯においての流向流速傾向を述べる.6~ 10 月と観測して全体的に流向は西 ~ 北, 流速は 1~ 3cm/s の流れが多かった.8 月の終わりから 10 月にかけては流向が西となり, 常に西方向に流速がでていた.10 月の中旬頃から流速の振れ幅が大きくなるが, これはヒシが枯れることによりこの水域の水流動が盛んになったからではないかと考えられる.

12 9 23 日 24 日図日と 24 日の風の状況 ( 時 )

13 水平方向の平均流速 (cm/s) 水平方向の平均流速 (cm/s) 水深 ( m ) st.1 st.4 水深 ( m ) st.1 st.2 st.3 st.4 図日の水平平均流速図日の水平平均流速 0.5 水平乱れエネルギー (cm 2 /s 2 ) 水平乱れエネルギー (cm 2 /s 2 ) 水深 ( m ) st.1 st.4 水深 (m ) st.1 st.2 st.3 st.4 図日の水平乱れエネルギー図日の水平乱れエネルギー

14 11 図諏訪特別気象観測所における降雨量

15 水温 ( ) m 1m 1.5m 2m /27 6/28 6/29 6/30 7/ 水温 ( ) m 1.0m 1.5m 2.0m /11 8/12 8/13 8/14 8/15 図刈り取り帯鉛直水温分布

16 水温 ( ) m 1m 1.5m 2m /27 6/28 6/29 6/30 7/1 図ヒシ帯の鉛直水温分布

17 14 (ppm) /27 6/28 6/29 6/30 7/1 刈り取り帯ヒシ帯 (ppm) 刈り取り帯ヒシ帯 /11 8/12 8/13 8/14 8/15 図刈り取り帯とヒシ帯の濁度分布

18 15 第 5 章おわりに本研究では, 増加した水草によって湖の水理環境がどのように変化するのかを把握するため, 諏訪湖ヒシ帯でヒシの一部を刈り取り, ヒシ帯とヒシ刈り取り帯とで現地観測を行い, 諏訪湖ヒシ帯の水理特性について検討した. 以下に得られた結果を述べる. ヒシは水面に葉を出し繁茂するので葉の抵抗を強く受け, ヒシ帯では表層の流速が抑えられ, 中層の流速が最大となった. また, ヒシ帯では乱れエネルギーが小さくなった. つまり, 全水深でヒシが抵抗となって波を減衰させる効果があり, 消波効果があると思われる. ヒシ帯と刈り取り帯では水温構造が異なっていることが確認できた. また, 刈り取り帯では夜中に表層と中層の温度逆転が起きた. 濁度については降水による密度流や急激な水温変化によって上昇することが多かった. しかし, ヒシ帯と刈り取り帯の連動性は低いといえ, それぞれに異なった水塊を形成している可能性もある. 今後の課題として, 以下のことが考えられる. 1 本研究では, 水流動に対して微風時にしか観測が行えなかった. 今後は強風時のヒシ帯内外の流動観測を行うなど, あらゆる条件時の流動を検討する必要がある. 2 今回は観測地点がヒシ帯と刈り取り帯であり, ヒシの一部を刈り取っただけでは閉鎖的であり, 流動や濁度の変化は小さいのかもしれない. そこでもともとヒシが繁茂していない地帯とヒシ帯とでも観測を行う必要がある. また, ヒシ以外の沈水植物などの水草帯でも検討する必要がある. 3 同条件の観測を繰り返し, データの蓄積を行う必要がある.

19 16 謝辞本研究を進めるにあたり, 適切な御指導御助言を頂きました豊田政史助教に深く感謝します. 研究では最後まで怒られっぱなしでしたが, これからはちゃんと提出期限は守ります. 貴重な時間を費やしてしまいすいませんでした. また, いつも御飯をごちそうして頂きありがとうございました. 観測では, 信州大学山岳総合研究所の宮原准教授および, 今井さん, 石母田君, 村津さんに多大なるご協力を頂きました. また, 水温データも提供して頂きました. 深く感謝いたします. 豊田研究室の皆さんには大変お世話になりました. 4 年生はがんばるを合い言葉に研究に励みました.3 年よりは多少マシになったと思います. 福島さんには大学生のあり方, 研究の姿勢について語っていただきました. これから真面目にがんばって精進したいと思います. 藤田君, えつようさんには研究室の雰囲気を明るくしてくれました. 藤田君とえつようさんの掛け合いは, いつも笑わせてくれました. 修平君にはお菓子, 新聞といつもお世話になっていました. 有名トレーダーになって, 億万長者になってください. そして車を買ってね. よろしく. 最後に, 隠れ豊田研の小林君, 進藤君ありがとう. 平成 21 年 2 月加藤宏章

20 17 参考文献大本照憲田中貴幸矢北孝一(2005): 植生群落を伴う開水路流れにおける水面変動と流速変動の相互作用, 水工学論文集第 49 巻,pp 角野(1997): 植物の世界 4, 朝日新聞社出版,p.214 気象庁ホームページ: 佐久間昌孝花里孝幸沖野外輝夫(2006): 諏訪湖における水草の現状 ( 年 ), 日本陸水学会第 71 回大会講演要旨集,92

のエビモが大きな面積を占めてきた. しかし近年, 水質浄化 15) と対応して, 浮葉植物のヒシが繁茂するようになり ), 船舶航行の障害, 腐敗時の悪臭などが指摘されるようになってきた. そのため, 長野県は,7 年にヒシ除去の試験施工を行った. 本研究は, 試験施工後のヒシ帯, ヒシ除去帯および

のエビモが大きな面積を占めてきた. しかし近年, 水質浄化 15) と対応して, 浮葉植物のヒシが繁茂するようになり ), 船舶航行の障害, 腐敗時の悪臭などが指摘されるようになってきた. そのため, 長野県は,7 年にヒシ除去の試験施工を行った. 本研究は, 試験施工後のヒシ帯, ヒシ除去帯および水工学論文集, 第 55 巻,11 年 2 月諏訪湖におけるヒシの試験刈り取りが水塊構造に及ぼす影響 INFLUENCE OF MOWING DOWN FLOATING-LEAVED PLANTS ON WATER BODY STRUCTURE IN LAKE SUWA 豊田政史 1 加藤宏章 2 今井晶子 3 宮原裕一 4 Masashi TOYOTA, Hiroaki KATO, Akiko