土木学会論文集 B3( 海洋開発 ), Vol. 72, No. 2, I_646-I_65, 26. 国土地理院電子国土ポータルの背景図をもとに作成布引貯水池生田川調査日採取時刻表 - 表層砂採取日潮汐 M.W.L からの距離 (cm) 前週間降水量 (mm) 気温 ( ) 25/8

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しほこはぎにわ
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1 土木学会論文集 B3( 海洋開発 ), Vol. 72, No. 2, I_646-I_65, 26. 都市河川河口域における酸素消費速度の時間変化宇野宏司北村美咲 2 辻本剛三 3 柿木哲哉 4 正会員神戸市立工業高等専門学校准教授都市工学科 ( 神戸市西区学園東町 8-3) uno@kobe-kosen.ac.jp 2 非会員大阪瓦斯株式会社 ( 大阪市中央区平野町四丁目番 2 号 ) 3 フェロー会員熊本大学教授社会環境工学科 ( 熊本市黒髪 2 丁目 39 番号 ) 4 正会員神戸市立工業高等専門学校教授都市工学科 ( 兵庫県神戸市西区学園東町 8-3) 閉鎖性水域では, 夏季に底層付近の水塊が貧酸素状態になり, 底生生物の大量死を引き起こすなどの問題が生じている. 一方, 局所的な集中豪雨等による底質の更新によって湾奥部の貧酸素状態が解消される可能性があることが予想されるが, 海域での事例に比べると都市河川河口部を対象に調べられた報告は少ない. 本研究では生田川 ( 神戸市,2 級河川 ) の河口域において表層砂を採取し, これを用いた室内実験を行い, 流動特性の異なる 2 地点 ( ) での底質の酸素消費速度の時間変化や有機物量との関係を明らかにした. 滞流性の強いでは本川よりも酸素消費速度, 有機物量ともに多く, 高い生物活性が示された. Key Words : oxygen consumption velocity, fluvial artificial lagoon, sediment on the surface layer, Ikuta river mouth. はじめに都市閉鎖性水域では, 再生行動計画に基づく様々な施策によって水質底質の環境改善が試みられ, 一定の効果を挙げているところであるが, 過去の埋立事業によって複雑に入り組んだ湾奥部では, 夏季に発生する貧酸素水塊が長らく停滞し, 依然として生物生息等の環境機能は低下したままとなっている. 一方, 短期集中豪雨による出水は, 湾奥部の水環境だけでなく, 極めて停滞性の強い底質環境をも更新する可能性が秘めているが, その動態については明らかにされていない. また, このような環境インパクトによらず, 酸素消費速度には時間的な変化があることが予想される. 底質の酸素消費を定量的に評価することは, 貧酸素水塊の形成プロセスや空間スケールを解明する上で重要であり, これまでにも多くの研究が進められている. 例えば, 細井ら ) は, 徳島市内の河川感潮域に堆積している底泥の酸素消費量について調べ, 酸素消費速度定数が底泥の強熱減量や間隙水中の第一鉄イオンと良い相関があることを見出している. また, 中村ら 2) は, 島根県宍道湖の底泥の酸素消費速度と栄養塩の溶出特性を調べ, 底泥からのリンの溶出フラックスと酸素消費量は直上水の溶存酸素濃度に依存することを明らかにしている. また, 徳永ら 3) は, 有明海湾奥部において昼夜の観測を行い, 高濁度層における濁度とDO 濃度との間に負の相関があることを明らかにし, 高濁度層において酸素消費が進行することを示している. また, 李ら 4) は夏季における諫早湾の底泥表面からの酸素消費速度の空間分布について調べ, 酸素消費速度が底層水温の上昇とともに増加する傾向を明らかにしている. 本研究は大阪湾湾奥部に位置する神戸港周辺水域を対象としているが, 近傍水域における最近の研究としては, 入江ら 5) が西宮市御前浜で採取した底泥コアを対象に酸素消費速度を計測しその定式化を行った事例や, 遠藤ら 6) が堺泉北港堺 2 区北泊地において底質の酸素消費特性の季節変化を調べた事例などが報告されている. これらの多くの先行研究は, 海域を対象にしたものがほとんどで, より閉鎖性の強い湾奥部に流入する都市河川河口部を対象に, 底質の酸素消費速度の時間変化について調べられた報告は少ない. 湾奥部に流入する都市中小河川は貴重な淡水供給源であり, 降雨時に見られる短期集中豪雨による出水は, 閉鎖性を打破する貴重な駆動力になりうることが期待される. したがって, 都市河川河口部においても同様の研究を行うことは, 閉鎖性水域の課題解決を図るためにも必要であると考えられる. 以上の背景を踏まえ, 本研究では, 大阪湾奥部神戸 I_646

土木学会論文集 B3( 海洋開発 ), Vol. 72, No. 2, I_646-I_65, 26. 国土地理院電子国土ポータルの背景図をもとに作成布引貯水池生田川調査日採取時刻表 - 表層砂採取日潮汐 M.W.

2 25//8 6:8 小潮 -53 37.5 7. 25/2/6 6:2 大潮 -5 69. 3.5 26//3 6:35 中潮 -28 4.

mg/l( 平成 24 年度実績値 ) となっている. 生田川河口には面積 2m 2 のが本川に隣接しており, 図 -2 に示すように潮の干満によって本川の汽水が出入りする構造となっている.

港周辺に流入する都市河川河口域の流動特性の異なる空間において採取された底質の酸素消費特性の把握に係る室内実験を行った. 2.

本河川の上流には古くから名瀑として知られる布引の滝や, 赤道直下でも腐らないと船乗りたちの間で評判となった神戸ウォーターの採水地 (2) 実験方法表 - に示すとおり,25 年 8 月から 26 年月までの間の毎月回, 干潮時に上記 2

2 土木学会論文集 B3( 海洋開発 ), Vol. 72, No. 2, I_646-I_65, 26. 国土地理院電子国土ポータルの背景図をもとに作成布引貯水池生田川調査日採取時刻表 - 表層砂採取日潮汐 M.W.L からの距離 (cm) 前週間降水量 (mm) 気温 ( ) 25/8/4 2:5 大潮 /9/27 2:2 大潮 //2 6:38 小潮 //8 6:8 小潮 /2/6 6:2 大潮 //3 6:35 中潮小野柄端採泥地点神戸港図 -3 溶存酸素量の計測満潮時図 - 調査地点 ( 生田川河口 ) 干潮時図 -2 がある. 同河川の公共用水域水質調査地点である小野柄橋における水質は,T-N.64 mg/l,t-p. mg/l,bod. mg/l( 平成 24 年度実績値 ) となっている. 生田川河口には面積 2m 2 のが本川に隣接しており, 図 -2 に示すように潮の干満によって本川の汽水が出入りする構造となっている. 本研究では流水形態の違いによる河口空間の酸素消費速度の差異についても比較検討するため, ( 流水域 ) と ( 止水域 ) の 2 地点を採取場所として選定した. 港周辺に流入する都市河川河口域の流動特性の異なる空間において採取された底質の酸素消費特性の把握に係る室内実験を行った. 2. 研究方法 () 調査地点の概要調査対象である生田川 ( 図 -) は, 六甲山系摩耶山や石楠花山を源とし, 布引貯水池から JR 新神戸駅を経て神戸市街地を抜け, 神戸港に注ぐ流域面積 km 2, 延長.8km の 2 級河川である. 本河川の上流には古くから名瀑として知られる布引の滝や, 赤道直下でも腐らないと船乗りたちの間で評判となった神戸ウォーターの採水地 (2) 実験方法表 - に示すとおり,25 年 8 月から 26 年月までの間の毎月回, 干潮時に上記 2 地点で採取した表層砂を実験室に持ち帰り, 高さ約 8cm, 内径約 4.7cm のガラス製のサンプル瓶 22 本 ( 各地点本ずつ ) の底 3 分の程度に湿重量が等しくなるように表層砂を敷き詰め, 空隙を蒸留水で満たした. その後, 直ちに図 -3 に示すように溶存酸素計にて底層直上の初期溶存酸素量を計測した後, これらのサンプルを密栓し, 遮光した恒温槽 (25 ) で保存した. これらを一定の時間間隔にしたがって, 順次開栓し, 直ちに底層直上の溶存酸素量を計測することで, その時間変化を調べた. また, 得られた時間変化から, 表層砂の酸素消費速度を評価した. なお, 計測時間間隔については, 計測開始から 3 時間までは約 3 分ご I_647

3 溶存酸素低下率 C s [/h] 溶存酸素低下率 C s [/h] 溶存酸素低下率 C s [/h] 土木学会論文集 B3( 海洋開発 ), Vol. 72, No. 2, I_646-I_65, /8/ /8/ /9/ /9/ //2.9 25// 図 -4(a) 溶存酸素量溶存酸素低下率の時間変化 (25 年 8 月 - 月 ) と, それ以降は約時間ごととし, 合計 8 時間行った. また, 分析試料に付着している有機物量を把握するため, 強熱減量試験 (JIS A 226) を実施するとともに, 画像計測 7) によって表層砂の平均粒径を算出した. (3) 溶存酸素低下率と酸素消費速度表層砂表面から酸素消費過程は, V d(do) + Sv[DO] = () dt で記述される. ここで,[DO] は時刻 t(h) における溶存酸素濃度,V(m 3 ) は容器内の試料水量,S(m 2 ) は底質表面の面積,v(m h) は表層砂表面から酸素消費速度である. なお, 底泥による酸素消費速度を交換速度で表現する場合には, 厳密には底泥内での溶存酸素濃度も考慮した上で式を構成するのが一般的であるが, ここでは, 底泥内での溶存酸素濃度の計測ができていないこと, また既往文献 4) との結果を比較するため, 既往文献と同様にこれを考慮していない. 式 () において, 試料水の水深 h = V S =.4 (m) を用いると以下のように変形できる. d(do) dt + v [DO] = (2) h さらに, 式 (2) 第 2 項のv hをc S ( h) として, これを表層砂表面からの酸素消費による溶存酸素低下率と定義すると, 式 (2) は次のように記述される. 式 (3) の解は, d(do) dt + c s [DO] = (3) [DO] [DO] = exp( C s t) (4) I_648

4 溶存酸素低下率 C s [/h] 溶存酸素低下率 C s [/h] 溶存酸素低下率 C s [/h] 土木学会論文集 B3( 海洋開発 ), Vol. 72, No. 2, I_646-I_65, // // /2/6.9 25/2/ //3.9 25// 図 -4(b) 溶存酸素量溶存酸素低下率の時間変化 (25 年月 -26 年月 ) と求められる. ここで,[DO] は表層砂を敷き詰め, 空隙を蒸留水で満たした直後の溶存酸素濃度である. 式 (4) より, 試料水中の溶存酸素濃度は砂表面からの酸素消費によって指数関数的に減少することがわかる. 本研究では, 得られた溶存酸素量の計測値から, 上述の関係式で定義される溶存酸素低下率や酸素消費速度を求め, これらの指標をもとに整理考察を行った. 3. 実験結果及び考察 () 溶存酸素量, 溶存酸素低下率の時間変化図 -4(a),(b) に及びで採取された表層砂の溶存酸素量及び溶存酸素低下率の時間変化 (25 年 8 月 ~26 年月 ) を示す. 溶存酸素量の時間変化 ( 図 -4(a),(b) の左段 ) についてみると, いずれの月においても, の方がよりも溶存酸素濃度が高くなる傾向が示された. また, その差は夏季ほど大きくなっていた. では上流から河川水の供給があり, と比較して流動性が高く, 流下過程での酸素の取り込みも大きいため, このような傾向があらわれたと考えられる. また, はと比較して土粒子に付着するミクロベントスや微生物が少ないため, これらの呼吸による酸素消費がもともと低いことも上記の傾向の理由のひとつであると考えられる. なお, 遮光条件での実験にも関わらず, 溶存酸素量の時間変化が所々で増加しているのは, 開栓計測時の表層からの酸素溶解の影響が考えられる. 溶存酸素量の季節変化についてみると,, I_649

5 強熱減量 (%) 平均粒径 (mm) 土木学会論文集 B3( 海洋開発 ), Vol. 72, No. 2, I_646-I_65, 26. 酸素消費速度 (m/h) 最大値最小値平均値標準偏差標準偏差 (m/h) 酸素消費速度 (m/h) 最大値最小値平均値標準偏差標準偏差 (m/h) 8 月 9 月月月 2 月月月 9 月月月 2 月月 -.2 図 -5 表層砂の採取地点の酸素消費速度の季節変化 (25 年 8 月 -26 年月 ) 月 9 月月月 2 月月 8 月 9 月月月 2 月月図 -6 強熱減量の季節変化 (25 年 8 月 -26 年月 ) 図 -7 平均粒径の季節変化 (25 年 8 月 -26 年月 ) 強熱減量 Y (%) ともに気温の高い夏季で大きく, 気温の低い冬季に低くなる傾向が示された. 一般に水中の溶存酸素量は水温が低いほど高くなるとされるのに対して, 本実験ではその反対の傾向が示された. この理由としては, 採水時間の違いによる影響が最も大きいと考えられる. 当該水域では月以降は早朝に採取した底質を試料としたため, 表層砂の間隙等に保持されていた溶存酸素は生物の呼吸によってそもそも少なくなっていたと考えられる. 5 Y=547.X +.25 (R 2 =.576).5..5 酸素消費速度 X [m/h] 図 -8 強熱減量と酸素消費速度の関係一方, 溶存酸素低下率 C s の時間変化 ( 図 -4(a),(b) の右段 ) についてみると, では,25 年 2 月の結果をのぞいて, 実験開始直後に溶存酸素低下率が著しく下がっていることがわかる. これは, 表層砂中の生物によって酸素が著しく消費されたことを示している. 暗条件で密栓された状態では酸素が新たに供給されることはないため, これらの生物相の活動は低下する. そのため, 以降の酸素消費は進まず, 低下率は横ばいで推移する.25 年 2 月の実験において開始直後の溶存酸素低下率の減少が見られなかったのは, 観測日直前にまとまった降雨があり, これによる出水の影響での底質環境までもが更新された可能性が考えられる. 一方, の溶存酸素低下率については, に比べて小さく, 実験期間を通じて概ね横ばいの傾向が示された. 上流から恒常的に流れがある本川では土粒子に付着するミクロベントスや微生物が少ないため, に比べて酸素消費量も少なくなるのではないかと推察される. (2) 酸素消費速度の季節変化図 -5 に, 表層砂の酸素消費速度の季節変化を示す. また, 図 -6 と図 -7 に強熱減量, 平均粒径の季節変化を示す. 図 -5 では各実験における酸素消費速度の最大値, 最小値, 平均値と標準偏差を示している. での酸素消費速度の平均値の推移は.~.2 m/h 程度であり, 夏季から冬季にかけて微減している. 図 -6, 図 -7 において,25 年 2 月期のの強熱減量や平均粒径がに近づいているのは, 出水の影響でから輸送された土砂がわんど内に流入し I_65

6 土木学会論文集 B3( 海洋開発 ), Vol. 72, No. 2, I_646-I_65, 26. たことが考えられる.26 年月期にの強熱減量が増加に転じていたのは, 閉鎖性が強いため有機物が蓄積しやすい状況であったことを示していると考えられる. 一方, での酸素消費速度の値はさらに小さく, 期間を通じて.m/h を超えることはなかった. 4) 同様の定義で算出された李らの調査報告によると, 諫早湾底泥の酸素消費速度は,3.8-3 ~.68-2 m/h の範囲にあり, その平均値は m/h である. この平均値と比較すると, の酸素消費速度は諫早湾でのそれを下回るが, ではこれを上回る結果となる. このことは間接的にではあるが, 生田川河口のにおける生物活性の高さを示しているともいえる. 図 -8 に強熱減量と酸素消費速度の関係を示す. とにわけてプロットすると酸素消費速度.6 m/h 付近に明瞭な境界を見ることができる. また, 強熱減量との関係をみれば, 決定係数 R 2 =.576 の正の相関がみられる. 強熱減量は底質試料に含まれている有機物量を示す指標であり, 生物にとっては餌資源の豊富さを表すもので, 生息ポテンシャルを間接的に示すものといえる. 事実, 生田川河口のでは本川に比べてミクロベントスや微生物が多数生息しており, こうした生物の活性の高さも酸素消費速度の違いの一因となってあらわれたものと推察される. 4. まとめ本研究では, 大阪湾に流入する都市河川生田川河口域の流動特性の異なる調査地点において採取された底質の酸素消費特性の把握に係る室内実験を行った. 滞留性が強いでは, 有機物も蓄積しやすいため, 生物活性も高く酸素消費速度が大きくなった. また, 暗条件, 密封状態のもとでは, 系に閉じ込められた生物による初期の酸素消費が著しいことがわかった. 一方, 流動性の大きいでは, と比べ溶存酸素量が多く含まれているが, 定着性の高いミクロベントスや微生物の生息がよりも少ないと考えられるため, 酸素消費速度は小さく, その時間変化も顕著ではなかった. 今回の室内実験では, 採取した表層砂をそのまま使用したため, 得られた酸素消費速度は含有生物の呼吸作用によるところが大きい. 一方で, 覆砂等の環境改善技術の観点からは, これらの素材は無生物状態であることが多い. したがって, 今後は強熱処理や酸処理によって無機化されたものを用いた実験を行うことにより, 媒質そのものの酸素消費特性 ( 潜在ポテンシャル ) を明らかにしていく予定である. 参考文献 ) 細井由彦, 村上仁士, 上月康則 : 底泥による酸素消費に関する研究, 土木学会論文集,No.456/II-2,pp.83-92,992. 2) 中村由行, 井上徹教, 山室真澄, 神谷宏, 石飛裕 : 未撹乱底泥コアを用いた連続培養系での酸素消費溶出実験, 海岸工学論文集, 第 43 巻,pp.9-95,996. 3) 徳永貴久, 松永信博, 阿部淳, 児玉真史, 安田秀一 : 有明海西部海域における濁度層の観測と懸濁物質による酸素消費速度の実験, 土木学会論文集,No.782/II- 7,pp.7-29,25. 4) 李洪源, 松永信博 : 諫早湾底泥の酸素消費速度, 土木学会論文集 B,Vol.66,No.4,pp ,2. 5) 入江政安. 窪田勇輝, 中辻啓二, 西田修三 : 都市海浜における底質の非一様性を考慮した酸素消費量の推定, 海岸工学論文集, 第 54 巻,pp.26-3,27. 6) 遠藤徹, 重松孝昌 : 港湾海域における底質の酸素消費特性の季節変化に関する研究, 土木学会論文集 B2( 海岸工学 ),Vol.B2-65,No.,pp.5-55,29. 7) 宇野宏司, 濱森彩, 辻本剛三, 柿木哲哉 : デジタルカメラ画像を用いた淡路島成ヶ島における底質環境モニタリング, 土木学会論文集 B2( 海岸工学 ), Vol.66, No., pp , 2. ( 受付 ) A TIME CHANGE OF OXYGEN CONSUMPTION RATE AT URBAN RIVER MOUTH Kohji UNO, Misaki KITAMURA, Gozo TSUJIMOTO and Tetsuya KAKINOKI Formation of poor oxygenation at the bottom layer water and sediment in the semi-closed water zone near urban area is a typical agenda and many findings have been reported. However, most of them target sea area and there are few reports on the urban river mouth. In this study, to clarify the characteristics of a time change of oxygen consumption rate at urban river mouth, laboratory experiments were conducted. Sampling spot was Ikuta River mouth in Kobe City, Japan. In this river mouth, fluvial artificial lagoon is created. In each the laboratory experiment, time change of dissolved oxygen of sediment both of fluvial artificial lagoon and main stream was measured. From the series of laboratory experiments, the oxygen consumption rate at fluvial artificial lagoon is larger than at main stream. I_65

環境科学部年報（第16号）－04本文-学位論文の概要.indd

環境科学部年報（第16号）－04本文-学位論文の概要.indd 琵琶湖におけるケイ素画分の特徴とそれに影響を及ぼす要因安積寿幸環境動態学専攻はじめに近年人間活動の増大が陸水や海洋において栄養塩 ( 窒素リンケイ素 ) の循環に影響を与えているこの人間活動の増大は河川や湖沼海洋の富栄養化を引き起こすだけでなくケイ素循環にも影響をおよぼす特に陸水域における富栄養化やダムの建造は珪藻生産珪藻の沈降堆積を増加させ陸域から海洋へのケイ素の輸送を減少させる

土木学会論文集 B3( 海洋開発 ), Vol. 72, No. 2, I_646-I_65, 26. 国土地理院電子国土ポータルの背景図をもとに作成 布引貯水池 生田川 調査日 採取時刻 表 - 表層砂採取日 潮汐 M.W.L からの距離 (cm) 前 週間降水量 (mm) 気温 ( ) 25/8

土木学会論文集 B3( 海洋開発 ), Vol. 72, No. 2, I_646-I_65, 26. 国土地理院電子国土ポータルの背景図をもとに作成布引貯水池生田川調査日採取時刻表 - 表層砂採取日潮汐 M.W.L からの距離 (cm) 前週間降水量 (mm) 気温 ( ) 25/8