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

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1 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 IMAI and Yuichi MIYABARA 1 正会員博 ( 工 ) 信州大学助教工学部土木工学科 ( 長野県長野市若里 ) 2 学 ( 工 ) 信州大学大学院修士課程社会開発工学専攻 ( 長野県長野市若里 ) 3 修 ( 理 ) 株式会社日本環境工学設計事務所 ( 東京都千代田区神田神保町 2-7-3) 4 薬博信州大学准教授山岳科学研究所山地水域環境保全学部門 ( 長野県諏訪市湖岸通り5-2-4). Numerous attempts have been conducted in order to recover emergent plants and submerged plants in various lakes. However, floating-leaved plants, which make water quality worse, have been rarely focused. The purpose of this paper is to evaluate the effect of mowing down the floating-leaved plants area partially in Lake Suwa, where floating-leaved plants-dominated state is observed in shallow zone. We measure water temperature, turbidity and water velocity inside and outside of the floating-leaved plants area. It is confirmed that 1) The variation range of water temperature inside of floating-leaved plants area is smaller than that of outside. 2) Floating-leaved plants lessen the vertical water circulation. 3) Outside of floating-leaved plants area is easier to be influenced by cold water than inside when cold water intrude into water grass area. 4) Turbidity inside of floating-leaved plants area is higher than outside. 5) The leaves of floating-leaved plants become the resistance of surface current. Key Words : Floating-leaved plants, water body structure, field measurement, Lake Suwa 1. はじめに 湖沼法に関わる中央環境審議会は, 抽水植物や沈水植物の水生植物は, 湖沼の生態系の保全など多様な役割をもつほか, 富栄養化の原因となる栄養塩類を吸収することなどを通じ植物プランクトンの増殖を抑える等の浄化機能を有しており, 湖沼の水質浄化にはその機能を活用することが重要である. しかしながら, これまでの湖沼流域の開発等を受けた改変によって湖辺の植生が失われてきており, 湖沼の自然浄化機能が発揮されにくい状況にある との現状認識を示した 1). このような背景のもと, 実際にさまざまな湖で湖岸植生の修復をめざした取り組みがなされている. その修復を効率よく行うために, 現在実施している湖岸植生帯再生の詳細なモニタリング 2), 3), 4), 過去の地形図や空中写真に基づいた湖岸植生帯の消失原因の解明 5), 水生植物が水質に与える影響を検討できるシミュレーションモデル の構築 6), 過去の植物群落の消長データに基づいた環境変遷の関連性解析, による修復候補地の抽出 7) など多くの研究が精力的に行われている. また, 抽水植物および沈 8), 9) 水植物群落が有する波浪低減効果に関する室内実験も行われており, それらの効果は定量的に評価されている部分もある. また, 湖沼の水位低下が沈水植物拡大につながるという報告 1) がオランダでなされており, 日本においては印旛沼で人為的な水位低下実験 11) が行われている. しかしながら,1994 年の渇水時の水位低下を機に沈水植物が繁茂した琵琶湖で沈水植物の分布拡大に転じた仕組みを検討したところ, 光環境だけでは説明できず, 別の環境要因の検討が必要という知見が報告されている ). 現状としては, 沈水植物拡大の要因はまだ完全には明らかにされていないといえる. 一方, 欧米で水環境を悪化させるという認識 1) がされている浮葉植物を取り扱った研究は, 抽水植物および沈水植物に比べると数少ない 13),). 指定湖沼の1つである諏訪湖では, 水質悪化に比較的強いといわれる沈水植物

2 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, ヒシ除去帯および湖心の水温, 濁度および流速の観測結果を検討し, ヒシの試験刈り取りが水塊構造に及ぼす影響を明らかにすることを目的としている. なお, 本研究のように, 実水域の水草帯内外で詳細に水温 濁度 流速を観測した例は, 著者の知る限りみられない. 2. 諏訪湖における水草に関する現状と既往知見 武居 ) は, 199 年前後, 湖内のヒシは限定的な区域にとどまり大きな群落とはなっていなかった. と述べている. しかし最近は, 図 -1(9 年 7 月調査結果 ) のように, ヒシが繁茂してきている. この図から北東岸, 南岸を中心に, ヒシが繁茂しているようすがわかる. 図 -2 は,5 年から 9 年までのヒシ ( 上段 ) と沈水植物 ( 主にエビモ ) の分布面積である. この図から明らかにヒシが増加し, エビモなどの沈水植物が減少傾向にある ことがわかる. また, ヒシの面積は湖面積 (13.3km 2 ) の約 % となっている. 宮原ら 17) の水草帯横断調査結果によると, 水深 2m 程度の浮葉植物帯における表層の溶存酸素濃度は, 他の場所と比べて低くなっている. さらに, 底層では溶存酸素濃度 ~3mg/l の貧酸素化がみられる. このことは, 他の湖で一般的にいわれている 浮葉植物による水質の悪化 の知見と一致している. また, 水草帯と沖帯の水塊構造および水質が異なることも明らかにしている. 豊田ら ) は,ADCP を用いてヒシ帯の内外で流速分布を測定した. その結果, ヒシの存在が水平方向流速を小さくし, 乱れ成分が支配的な流れ場特性を作り出していることを明らかにしている. しかし, ヒシ帯内流速の測定においては, 水表面からの超音波がヒシで反射しているため, 測定精度の悪い部分が多い. 3. 現地観測の概要 (1) ヒシ除去の試験施工概要ヒシ除去の試験施工は, 図 -3( 図中には等深線 ( 単位 :m) および湖心, 諏訪特別地域気象観測所の位置も示してある.) に で示す長野県下諏訪町高浜沖の諏訪湖北東部で,7 年 8 月 9 日より行われ, 下旬にはほぼ終了した. その除去面積は, 幅約 15m 奥行約 25m (37,5 m2 ) であった. 除去区付近の写真を, 写真 -1 に示す. 写真中央部が除去区である. 図 -1 諏訪湖内のヒシ分布 (9 年 7 月 ) ) (L: 低密度,M: 中密度,H: 高密度 ) 図 -3 ヒシ除去の試験施工場所 ) 図 -2 ヒシ ( 上段 ), 沈水植物 ( 下段 ) の分布面積の変遷 ( ただし, 沈水植物のHH は超高密度を示す.) 写真 -1 ヒシ除去区の空中写真 (( 株 ) グラフィック撮影 )

3 (2) 水温 濁度連続観測の概要図 -3 の の部分を拡大した図を, 図 -4 に示す. 対照区の St.3( ヒシ帯 ) と除去区の St.1( ともに水深 2.3m) において, 水面下.5,1.,1.5,2.m で水温を,1.2m で濁度を測定した. 観測は,8 年 6 月から 1 月まで行ったが, 水草が 8 月上旬に一度枯死した ) ために, その後は対照区と除去区の区別がつきにくくなった. そのため, 本研究では, データ解析期間を 8 年 6 月 日 ( ただし, 濁度は 6 月 日 ) から 8 月 1 日までとする. 観測に用いた機器は, 水温ロガー ( オンセットコンピュータ社製, HOBO ウォータテンププロ ), 小型メモリークロロフィル濁度計 ( アレック電子 ( 株 ) 製,compact-CLW) である. 測定時間間隔は, 水温測定では 1 時間, 濁度測定では 分 (1 回の測定あたり時間間隔.5sec, サンプル個数 個 ) に設定した. また, 湖心で信州大学山地水環境教育研究センターが連続測定している水面下.5,1., 3.m,4.m,5.m の水温データも本研究での考察に使用した. なお, 本観測においては, 計測器はすべて水面から吊るして計測を行っている. (3) 流動観測の概要 8 年 7 月 23 日, 日に対照区と除去区における流速の移動観測および連続観測を行った. 使用機器は, Nortek 社製の Vector であり, 測定精度を 1.5mm/s, 周波数 64Hz に設定した. 移動観測は,7 月 23 日の 1 時 分 ~13 時 3 分,7 月 日の 1 時 1 分 ~11 時 58 分に行った.St.1~ St.4 の 4 地点で船を停止させ, 鉄管を底泥に差し込んだ後に, 鉄管に取り付けた流速計で水表面からそれぞれ.5m, 1.m,1.5m の位置において, 約 3 分間ずつ観測した. 連続観測は, 対照区の St.3 において,7 月 23 日の 15 時 4 分 ~ 日の 8 時 分に行った. ここでは, 測定時間間隔 1 分 ( 周波数 64Hz,1 回の測定あたりのサンプル個数 768 個 ) と設定した. St.3 対照区 ( ヒシ帯 ) 水域 St.2 4. 現地観測結果 St.1 除去区 陸 対照区 ( ヒシ帯 ) St.4 図 -4 水温 濁度 流速の観測地点 (1) 水温 濁度連続観測結果図 -5 に, 観測期間中における対照区と除去区および湖心の表層 ( 水面下.5m) 水温を示す. 水温は, 高いものから除去区, 対照区, 湖心の順となっている. 除去区の水温が対照区に比べて高いのは, 対照区では, 水面に存在する水草 ( ヒシ ) の葉が下層への熱輸送を妨げているためと考えられる. 図 -6 に,6/~7/3 における表層 ( 水面下.5m) 水温を示す. 日変動に着目すると, 除去区に比べて対照区では, 上昇期 下降期ともにゆっくり変動している. つまり, 除去区に比べて対照区は, 暖められにくく冷めにくい性質を持っているといえる. また, 湖心においては, 水温変動があまりみられない. 次に, 水草の存在と熱拡散の関係をみるために, 対照区と除去区および湖心における水面下 1.m における 1 時間ごとの熱拡散係数を観測結果から算定した. なお, 算定にあたっては,1 次元の熱拡散方程式を仮定し, 時間的には前進差分, 空間的には中央差分を用いた. その結果, 熱拡散係数の値は, 除去区および湖心で 1-3 ~1-5 m 2 /s であったのに対し, 対照区で 1-4 ~1-6 m 2 /s と 1 オーダー小さくなっており, 対照区では乱流拡散が小さいことがわかる. これらの計算では, マイナスの値となったものは除外したが, その除外割合は, 対照区 %, 除去区 35%, 湖心 38% であった. 一般に, 水中の熱は移流と拡散で伝わるが, 熱拡散係数を算定できる ことは, 拡散の影響が移流の影響に比べて大きい ことを意味する. 対照区の除外割合が低いことから, 対照区では除去区や湖心と比べて拡散の影響が大きく移流の影響が小さい, つまり水の動きがあまりないことが予想される. 36 除去区対照区湖心 6/ 6/ 7/8 7/ 7/ 8/7 図 -5 対照区, 除去区, 湖心の表層水温 ( 全観測期間 ) 36 除去区対照区湖心 6/ 6/29 6/ 7/1 7/2 7/3 図 -6 対照区, 除去区, 湖心の表層水温 (6/~7/3)

4 図 -7(a),(b) に, 観測期間中における対照区と除去区の水温を示す. これらの図から, 全水深で除去区の方が対照区に比べて, 水温が高いことおよび水温変動が大きいことがみてとれる. これらの水温データから鉛直浮力フラックスを算定する 19) と, 除去区で ± m 2 /s 3, 対照区で ± m 2 /s 3 の範囲内で変動しており, 水底に近づくにつれて, それらの絶対値は小さくなっていた. また, 水面下 2m の水温変動を比較すると, 除去区で急激な水温低下がところどころでみられるが, 対照区ではそのような低下はみられない. この現象を詳しくみるために,3 つの期間 (7/3~7/8,7/8~7/13,7/23~7/) における対照区と除去区の水温変動 ( 水面下 1.5,2.m) と 1 時間降水量をあわせた図をそれぞれ図 -8(a)~(c) に示す. 図 -8 をみると,1 降水直後に水温低下 (7/6 の夕方,7/8 の昼間 ),2 降水から少し時間が経過した後に水温低下 (7/4 の昼間,7/1 の昼間 ),3 降水と無関係 (7/11 の昼間,7/27 の早朝 ) に水温低下の 3 パターンがあることがわかる. なお,7/27 早朝の顕著な水温低下は, 降水後であるが, 先行降水量はきわめて小さくその影響とは考えにくいため 3 に分類した.1,2 については, 諏訪湖流入河川水の水温は湖水に比べて低い ) ことが報告されており, 観測地点の付近に流入する小河川があることから, 低水温の河川水によるものと予想される.3 については, どこかに存在していた低温水が本観測地帯に運ばれてくることが原因と考えられるが, ここでは,7/27 早朝に着目する. この期間においては, 他の期間とは異なり, 除去区の水温が対照区の水温を下回っている. また, 鉛直浮力フラックスは対照区 除去区ともに負の値であり, その絶対値は他の期間と異なって, 底層の値が表層の値よりも大きくなっていた. 図 -9 に 7/25~7/ における湖心水温を, 図 -1 に同時期の諏訪訪特別地域気象観測所の風速 風向 21) を示す. これらの図から, 強風が吹いた 降水量 mm/hr 降水量 除去 1.5m 除去 2m 対照 1.5m 7/3 7/4 7/5 7/6 7/7 7/8 (a)7/3~7/8 除去.5m 除去 1m 除去 1.5m 除去 2m 6/ 6/ 7/8 7/ 7/ 8/7 (a) 対照区 対照.5m 対照 1m 対照 1.5m 6/ 6/ 7/8 7/ 7/ 8/7 (b) 除去区図 -7 水面下.5,1.,1.5,2.m における対照区, 除去区の水温変動 ( 全観測期間 ) 降水量 mm/hr 降水量 除去 1.5m 除去 2m 対照 1.5m 7/8 7/9 7/1 7/11 7/ 7/13 降水量 mm/hr (b)7/8~7/13 降水量 除去 1.5m 除去 2m 対照 1.5m 7/23 7/ 7/25 7/ 7/27 7/ (c)7/23~7/ 図 -8 対照区 除去区の水温 ( 水面下 1.5,2.m) と降水量

5 後の 7/25,7/ の夕方以降に, 水面下 3m の水温が 6 近く変動していることがわかる. 風の特徴としては,7/25 は北西からの強風が 7 時間程度吹いているのに対し, 7/ は南東からの強風が 3 時間程度吹いたのちに北風が一瞬吹いている. また, 顕著な水温低下がみられる 7/27 2: 頃の風は 1m/s とほぼ無風になっている.7/27 未明の急激な水温低下の原因として, 内部セイシュによる沖帯からの低温水侵入が考えられたが, 上述の風向を考えて, 内部波の周期等を検討した結果, その可能性は低いことがわかった. このことから, この水温低下の原因として, 強風にともなう底層水の連行現象によって低温化した沖帯の水が水草帯に侵入したことが考えられるが, 同じような気象条件でも, この現象がみられていない場合があり, 今後さらなる観測による原因究明が望まれる. また, このときに, 除去区の水温が対照区の水温を下回ったのは, 除去区の方が対照区と比べて沖帯の水と混合しやすいために, 低温水の影響を強く受けたからと考えられる. 次に, 濁度の観測結果について考察する. 図 -11 に, 6/~7/3 における対照区と除去区の濁度を示す. 観測期間中, 対照区の方が除去区よりも濁度が高くなっている. この傾向は観測期間中ほぼすべての期間でみられた. 7 年 8 月および 8 年 7 月の対照区 (St..3) と除去区 (St.1) における透明度および懸濁物質量の測定結果を表 -1 に示す.8 年の懸濁物質量以外のデータからも, 対照区の方が除去区よりも水が濁っているといえる. これは, 対照区の方が除去区に比べて, 運ばれてきた懸濁物質を捕捉しやすいこと, 対照区で作られる有機的な軽い懸濁物が多いことによると予想される. 流速は 1 オーダー小さくなっているのに対して, 標準化乱れエネルギーは 1~2 オーダー大きな値となっている. これらのことから, 豊田ら ) で推測した 水草の存在は, 水平方向流速を小さくし, 乱れ成分が支配的である不安定な流れ場特性を作り出している ことを再確認できた. ただし, 比較した気象条件が若干異なる ( 今回の方が, 少し風が弱い ) ため, 断定はできない..5m 1m 3m 4m 5m 7/25 7/ 7/27 7/ 図 -9 湖心の水温 (7/25~7/) (2) 流動観測結果 7/23 は観測終盤で風が少し強くなったのに対し,7/ の観測時間中は平均風速 1.5m/s~2.4m/s 21) と小さな風速であった. 場所による流動構造の違いをみるために, 風が比較的安定していた 7/ の各地点における水平方向の平均流速を図 - に示す. 除去区 (St.1) では水深.5m の流速が最大であるのに対し, 対照区 (St.2~St.4) では水深 1.m の流速が最大となっている. このことは, ヒシの葉が表層の水流動の抵抗になっていることを示唆している. 次に, 連続観測期間中で, 南東の風が安定して吹いていた ( 平均風速 :3.5m/s~4.6m/s, 風向 : 南東 ~ 南南東 21) )7/23 の 15:4~17: までの水平方向の平均流速と標準化乱れエネルギーの値を計算した. ここで, 標準化乱れエネルギーとは, 乱れと移流の効果を詳しくみるために, 乱れエネルギーを水平方向の平均流速の二乗で割ったもの ) と定義したものである. 観測時間中, 水平方向の平均流速は 1cm/s 以下, 標準化乱れエネルギーは,1 ~1 であった. これらを,St.1 を含む水草帯外で 7 年に行った観測 ( 平均風速 :4.8m/s~5.8m/s, 風向 : 南東 ~ 南南東 ) で得られた値 ) ( 平均流速 :1~1cm/s, 標準化乱れエネルギー :.1~1) と比較すると, 平均 濁度 (NTU) 図 -1 諏訪特別地域気象観測所における風速 風向 (7/25~7/) 1 対照区 8 除去区 6 4 6/ 6/29 6/ 7/1 7/2 7/3 図 -11 対照区, 除去区の濁度 (6/~7/3) 表 -1 対照区, 除去区の透明度および懸濁物質量 ( ただし,8 年の対照区のカッコ内はSt.4 の値 ) 透明度 (cm) 懸濁物質量 (mg/l) 対照区 除去区 対照区 除去区 7/8/ /7/ (133) (13.7) 11.1

6 水深 (m) 水平方向流速 (cm/s) st.1 st.2 st.3 st.4 図 - 水草帯内外の水平方向平均流速 (8 年 7 月 日 ) 5. おわりに 近年増加している諏訪湖のヒシ帯において, ヒシの試験刈り取りを行った除去区と対照区 ( ヒシ帯 ) とにおける水流動の違いについて, 現地観測データを検討して得られた結果は以下の通りである. 対照区は, 除去区に比べて暖められにくく冷めにくい. 対照区では, 除去区や湖心と比べて, 水が停滞していることが多く, 鉛直混合しにくい. 沿岸帯の水温低下は, 降雨後に河川水起源と思われる低温水によってしばしば起こるが, 強風後に沖帯で底層から連行された低温水塊の沿岸帯への侵入によっても発生する. 沖帯からの低温水侵入時には, 除去区の方が対照区と比べて沖帯の水と混合しやすいために, 低温水の影響を強く受ける. 対照区は除去区に比べて, 濁度が高い傾向にある. また, 流動観測結果から, 以下に示すヒシ帯の流動特性がわかった. ヒシの葉は表層の水流動の抵抗になっている. ヒシの存在が, 水平方向流速を小さくし, 乱れ成分が支配的である不安定な流れ場特性を作り出している. 謝辞 : 現地観測で用いた流速計は,JFE アドバンテック株式会社から貸していただいたものである. ここに記して感謝の意を表します. 参考文献 1) 山室真澄 淺枝隆 : 湖沼環境保全における水生植物の役割, 水環境学会誌,Vol.,No.4,pp.1-4,7. 2) 宇多高明 木暮陽一 銭谷秀徳 三波俊郎 石川仁憲 : 湖浜安定化から見た霞ヶ浦湖岸植生帯緊急保全対策の評価, 水工学論文集第 52 巻,pp.13-,8. 3) 宇多高明 見澤正勝 中村和也 竹廣学 今村史子 城野洋介 : 涸沼における湖岸植生帯再生のモニタリング調査報告, 河川技術論文集第 巻,pp ,8. 4) 宇多高明 平田正 櫻井隆 竹廣学 今村史子 城野洋介 : 涸沼における湖岸植生帯再生のモニタリング調査, 水工学論 文集第 54 巻,pp ,1. 5) 宇多高明 三波俊郎 石川仁憲 : 霞ヶ浦における湖岸植生帯の長期的変遷 - 蓮河原地区の例, 水工学論文集第 53 巻, pp ,9. 6) 天野邦彦 時岡利和 対馬孝治 : 浅い湖沼の水質への水生植物の影響解析, 水工学論文集第 49 巻,pp.19-,5. 7) 天野邦彦 大石哲也 : 霞ヶ浦における沈水植物群落の消長と環境変遷の関連性解析に基づく修復候補地の抽出, 水工学論文集第 53 巻,pp ,9. 8) 茂木勇佑 谷本勝利 湯谷賢太郎 : 斜面上の抽水植物群落による波高減衰に関する研究, 海岸工学論文集第 53 巻, pp ,6. 9) 大石哲也 三輪準二 熊田貴之 野志保仁 : 沈水植物の波浪低減効果に関する研究, 水工学論文集第 54 巻,pp , 1. 1) Van Geest, G.J, Coops, H, Scheffer, M and van Nes, E.H: Long Transients Near the Ghost of a Stable State in Eutrophic Shallow Lakes with Fluctuating Water Levels, Ecosystems, Vol.1, pp.36-46, 7. 11) 中村彰吾 本橋健 増岡洋一 林薫 湯浅岳史 東海林太郎 : 印旛沼水質改善に向けた水位低下実験, 河川技術論文集第 15 巻,pp.195-,9. ) 芳賀裕樹 大塚泰介 : 琵琶湖南湖の沈水植物の分布拡大の原因に関する検討, 日本陸水学会第 72 回大会講演要旨集, 1A,7. 13) 長林久夫 馬場浩太 黒沢高秀 佐川演司 : 富栄養化した都市域の池沼における水生植物の水質浄化機能に関する検討, 水工学論文集第 53 巻,pp ,9. ) 藤田光一 伊藤弘之 藤井都弥子 小路剛志 安間智之 : 水域生態系モデルを活用した水環境政策評価, 国土技術政策総合研究所資料,No.,156p,6. 15) 信州大学山岳科学総合研究所 沖野外輝夫 花里孝幸 : アオコの消えた諏訪湖, 信濃毎日新聞社,319p,5. ) 武居薫 : 諏訪湖における近年のヒシ群落, 日本陸水学会甲信越支部会報第 35 号,pp.44-45,9. 17) 宮原裕一 犬塚良平 池中良徳 : 諏訪湖水草帯における水質の不均一性, 信州大学環境科学年報第 29 号,pp.-, 7. ) 豊田政史 平良綾子 疋田真 宮原裕一 :ADCPを用いた諏訪湖における流動観測, 陸水学雑誌第 71 巻, 第 1 号, pp.45-52,1. 19) 吉川景子 大久保賢治 : 対流循環による深水湖底層への酸素輸送機構, 土木学会論文集 B,Vol.64,No.1,pp.41-48,8. ) 豊田政史 : 浅い山地湖沼における大気 - 水 - 物質循環に関する研究, 京都大学学位論文,138p,7. 21) 気象庁 : 過去の気象データ検索 ( 各地の気温 降水量 風など ), (1.9. 受付 )

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