平成 年度河川情報シンポジウム 水質データの品質照査システムの開発 財団法人河川情報センター情報開発部桑田志保 目次. はじめに. 照査手法の検討 3. 水質底質照査システムの開発. 過去データの照査 5. まとめ 6. おわりに
. はじめに 品質照査は何に基づいて行うのか? 水文観測業務規程 ( 事務次官通達平成 年 月 日 ) 第 5 条 ( 観測成果の保存 ) 地方整備局長又は事務所長は 観測成果を保存しなければならない 第 6 条 ( 観測成果の公表 ) 地方整備局長は 所管する観測所の観測成果を公表しなければならない 第 条 ( 観測成果の照査 ) 地方整備局長は 水文観測データ ( レータ 雨量 水質 底質 地下水位及び地下水質を除く ) について 品質を照査しなければならない 水質底質データの照査方法について定められたものがない 3. はじめに 各地方整備局における状況 関東地整 箱ヒゲ図 ( エクセル版 ) により照査を実施 照査結果は 水文水質データベース水質データ入力支援システム を用いて水系別水文水質 B へ入力可能 中部地整 環境基準値 項目の定義 組成 過年度のデータ範囲 濃度単位 関連項目間の関係 経月変化の特徴から照査を実施 関連システムとは連携していない 九州地整 水系別水文水質 B 管理アプリケーションに含まれる箱ヒゲ図 ( 九州地方整備局独自機能 ) により照査を実施
. はじめに 水質底質データの品質確保を目的に について検討 水質底質データの照査手法の検討 箱ヒゲ図だけでは特異値になるデータも 関連項目間との相関などにより正常値と判断できる可能性がある 広域的な視点からの照査手法を検討 関連するシステムの構築 照査方法等をとりまとめた 水質底質データ登録 照査 公開規程 ( 案 ) の作成 5. 照査手法の検討 () 品質照査の流れ ( 案 ) 水文観測データ ( 雨量 水位 流量 ) の場合 各事務所が実施 整備局が実施 各事務所もしくは整備局が実施 6 3
. 照査手法の検討 () 品質照査の流れ ( 案 ) 水質底質観測データの場合 各事務所が実施 技術事務所もしくは整備局が実施 整備局が実施 7. 照査手法の検討 () 対象データ 項目 内容 対象観測所 3 水系 観測所 対象項目 基準検討対象期間 水質 9 項目 B,C,,pH,SS, 亜鉛, 大腸菌群数, 総窒素 (T-N), 総リン (T-P) 底質 6 項目 ph,csed, 全硫化物, 総窒素 (T- N), 総リン (T-P), 強熱減量 平成 年 ~ 平成 年の 年間 8
特異値特異値最大値. 照査手法の検討 (3) 標準照査手法の検討 標準照査とは 各事務所等が実施 観測所ごと 観測項目ずつ実施 対象 オリジナルデータ 照査方法 AQC 箱ヒゲ図を用いて 観測所毎に 自動的に異常値の疑いのある特異値を検出 MQC 特異値として検出されたデータのうち 明らかに異常値と判断されるデータについて 欠測 修正を行い それ以外は特異値とする 9. 照査手法の検討 (3) 標準照査手法の検討 箱ヒゲ図とは データの分布やばらつきを表現する統計グラフ 観測所ごと 観測項目ごとに過年観測データより統計値を算定し 箱ヒゲ図を作成 照査対象データをプロットし 内境界点の間に位置する場合は正常値 外側値及び極外値に位置する場合は特異値として抽出 極外最小値(値)(外側値 ).5h 3h h.5h 外境界点 ( 上極外値の境界値 ) 内境界点上隣接値 (.5h 以内の最大値 ) 上ヒンジ値 (75% 点 ) 中央値 (5% 点 ) 下ヒンジ値 (5% 点 ) 下隣接値 (.5h 以内の最小値 ) 内境界点 外境界点 ( 下極外値の境界値 ) 正常値 5
. 照査手法の検討 (3) 標準照査手法の検討 標準照査 AQC 箱ヒゲ図作成例 値が安定している過去 年間の観測データより箱ヒゲ図を作成し その上に照査対象データをプロット 照査対象データが内境界点の間に位置する場合は正常値 外側値及び極外値に位置する場合は 特異値として抽出 標準照査 MQC ダムの放流や工事 水質事故の有無などの状況により 明らかに異常値と判断される場合は欠測 修正 3.5 3.5.5.5 特 内境界点 正常値 C 異値正常値特異値特異値. 照査手法の検討 水質底質観測データの品質管理の流れ 技術事務所もしくは整備局が実施 6
. 照査手法の検討 高度照査とは 技術事務所もしくは整備局が実施 複数観測所 複数観測項目について 広域的な視点から実施 対象 標準照査済データ 照査方法 AQC 水文データや観測項目間 近隣観測所との相関等に着目した高度照査を実施 MQC 標準照査及び高度照査 AQCの結果より データの妥当性を判断し 必要に応じて 欠測 修正を実施 3. 照査手法の検討 高度照査 AQC 手法 の5 手法を用いて 値が安定していると思われる過去 年間の観測データより 相関図を作成 高度照査 - 観測項目ごとの月別の相関性による照査手法 高度照査 - 観測項目と水文データ ( 流量 ) の相関性による照査手法 高度照査 -3 観測項目間の相関性による照査手法 高度照査 - 上下流観測所の相関性による照査手法 高度照査 -5 類似流域特性をもつ観測所における同一観測項目の相関性による照査手法 7
. 照査手法の検討 高度照査 AQC 手法 全ての項目について相関図を作成 相関が低い項目同士の可能性あり 高度照査 -~5 は相関係数.7 以上を照査の対象項目とする b 過年データ b 過年データ 相関が高い? 相関が高い a a 5. 照査手法の検討 高度照査 AQC の判定 照査対象データを相関図にプロットした時に 95% 信頼区間より外側に位置している場合は 特異値として抽出 f(z) -u 面積 = P(-u Z u)=.95 面積 = P(Z u)=.5 u=.96 z <95% 信頼区間の算定式 > X XY Y 5.99 x x y y y 95% 信頼区間ライン過年データ 特異値 X=x-μx,Y=y-μy μx,μyx y の平均 σx,σyx y の標準偏差 ρ 相関係数 正常値 基礎統計学 ( 東京大学教養学部統計学教室編 年 ) より x 6 8
. 照査手法の検討 高度照査 - 観測項目ごとの月別の相関性による手法 季節変動に注目し 同一観測所の同一観測項目で 同じ月のデータを対象とした相関関係から 特異値を抽出 8 6 8 6 特異値 過年データ照査対象データ 95% 信頼区間 正常値 月 月 3 月 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 月 月 月 7. 照査手法の検討 高度照査 - 観測項目と水文データの相関性による手法 観測項目と近隣流量観測所の流量との相関関係から 特異値を抽出 8 7 6 95% 信頼区間ライン過年データ照査対象データ 相関係数.8 A 観測所 a 観測所 a 観測所流量 5 3 特異値.5 3.km 水質観測所 流量観測所 正常値...6 A 観測所総リン 8 9
. 照査手法の検討 高度照査 -3 観測項目間の相関性による手法 同一観測所の異なる観測項目の相関関係から 特異値を抽出 C 8 7 6 5 3 95% 信頼区間ライン過年データ 正常値 相関係数.99 6 B 総窒素.5 3.5 3.5.5.5 95% 信頼区間ライン過年データ 特異値 相関係数.76 5 5 C 9. 照査手法の検討 高度照査 - 上下流観測所の相関性による手法 流域の上下流に位置する観測所の同一観測項目の相関関係より 特異値を抽出 6 信頼区間 95% ライン過年データ照査対象データ 相関係数.96 特異値 B 観測所 A 観測所.7km 8 正常値.5 3.km A 観測所 水質観測所 6 6 8 6 B 観測所
. 照査手法の検討 高度照査 -5 類似流域特性をもつ観測所における同一観測項目の相関性による手法 ~5の類似する流域特性をもつ観測所において 同一観測項目の相関関係より 特異値を抽出 流域特性が類似する河川の上 中 下流観測所 流域面積, 気候特性, 年平均降水量, 地質等 低水流量が同等の観測所 3 河状係数 (= 最大流量 / 最小流量 ) が類似する観測所 単位面積あたりの総流出量 ( 比流量 ) が類似する観測所 5 ダムの諸元が類似するダム ダム竣工年, 位置, 流域面積, 湛水面積. 照査手法の検討 高度照査 -5 類似流域特性をもつ観測所における同一観測項目の相関性による手法 流域特性が類似する観測所の例 上流 A' 観測所 6 信頼区間 95% ライン過年データ照査対象データ 相関係数.97 上流 A 観測所中流 B 観測所 中流 B' 観測所 A 観測所 8 正常値 下流 C 観測所 下流 C' 観測所 6 特異値.5 3.km 水質観測所 6 8 6 A 観測所
. 照査手法の検討 (5) 高度照査 MQC 手法の検討 高度照査 MQC 標準照査及び高度照査 AQC の結果より 正常値 異常値の判定を行う 3. 照査手法の検討 (5) 高度照査 MQC 手法の検討 照査手法の優先度 照査手法によって結果が異なる場合 の優先度に応じて判断する 標準照査 箱ヒゲ図 高度照査 - 観測項目ごとの月別の相関性による照査手法 高度照査 - 観測項目と水文データ ( 流量 ) の相関性による照査手法 高度照査 -3 観測項目間の相関性による照査手法 高 先度低優 高度照査 - 上下流観測所の相関性による照査手法 高度照査 -5 類似流域特性をもつ観測所における同一観測項目の相関性による照査手法
. 照査手法の検討 (5) 高度照査 MQC 手法の検討 高度照査 MQC 判定例 A 観測所 B 標準照査 特異値 高度照査 AQC 正常値 水質観測所 A 観測所..km B 5 3 標準照査 内境界点 特異値 C 8 7 6 5 3 高度照査 -3 相関係数.99 95% 信頼区間ライン過年データ 正常値 6 B 高度照査結果 (C との相関 ) 信頼性の高い範囲に位置 一概に異常値とせず さらに検討が必要 5. 照査手法の検討 (5) 高度照査 MQC 手法の検討 高度照査 MQC 判定例 B 観測所 SS 標準照査 正常値 高度照査 AQC 特異値.5 3.km B 観測所.6km A 観測所 水質観測所 B 観測所 SS 8 6 8 6 標準照査 正常値 内境界点 照査対象テ ータ A 観測所 SS 35 3 5 5 5 高度照査 - 相関係数.73 95% 信頼区間ライン過年データ 特異値 5 5 B 観測所 SS ( 参考 ) 標準照査 35 3 5 5 5 特異値 内境界点 照査対象テ ータ 高度照査結果 信頼区間からかけ離れた位置にプロット 上流側のA 観測所で特異値 ( 通常の 倍程度の観測値 ) 下流側のB 観測所では他の観測項目も勘案し慎重な判断が必要 A 観測所 SS 6 3
3. 水質底質照査システムの開発 水系別水文水質データベースの管理アプリケーション上で標準照査 AQC MQC 高度照査 AQC MQC が実施できる 照査手法の選択 照査対象データ 中国地整の I でログインすると表示 標準照査 AQC 結果 高度照査 AQC 結果 7. 過去データの照査 水質データ B,SS, 亜鉛は標準照査 AQC MQCのみにより抽出される特異値が多く ph,c,, 総窒素, 総リンは高度照査 AQC のみにより抽出される特異値が多い 標準照査及び高度照査の両方で特異値となる観測値はいずれの項目も5% 項目別には B,SS, 亜鉛で多くの特異値が抽出 底質データ 全項目について高度照査 AQC のみにより抽出される特異値が多い 標準照査 AQC MQC 及び高度照査 AQC の両方で特異値となる観測値はいずれの項目も ~6% 項目別には 総窒素で多くの特異値が抽出 8
5. まとめ 新たな水質底質データの品質照査手法の提案 標準照査や高度照査のプロセスを経て 水質底質データの品質を確保する新たな照査手法について提案を行った これにより 統計的な視点からの水質底質データの品質向上が可能となる 水質底質データの品質照査の効率化 水系別水文水質データベース管理アプリケーションに組み込んだ水質底質照査システムを活用することによって 水質底質観測データについても効率的な品質管理が可能となる 9 6. おわりに 水質底質データは 雨量や水位等と同様に観測データが保存 公表されるため その信頼性について同様に問われる 本検討では 水質底質データの品質向上のための新たな照査方法について検討し それをシステム化することができた 今後 本検討の対象項目以外にもこのシステムを活用することによって さらなる品質向上が図れる 3 5
ご清聴ありがとうございました 3 3 6
生活環境の保全に関する環境基準 河川 類型 AA A B C E 利用目的の適応性 水道 級 自然環境保全及び A の欄に掲げるもの 水道 級 水産 級 水浴及びB の欄に掲げるもの水道 3 級 水産 級 水浴及びC の欄に掲げるもの 水産 3 級 工業用水 級及び の欄に掲げるもの 工業用水 級 農業用水及び E の欄に掲げるもの 工業用水 3 級 環境保全 水素イオン濃度 (ph) 6.5 以上 8.5 6.5 以上 8.5 6.5 以上 8.5 6.5 以上 8.5 6. 以上 8.5 6. 以上 8.5 生物化学的酸素要求量 (B) mg/l mg/l 3mg/l 5mg/l 8mg/l mg/l 浮遊物質量 (SS) 5mg/l 5mg/l 5mg/l 5mg/l mg/l ごみ等の浮遊が認められないこと 溶存酸素量 () 7.5mg/l 以上 7.5mg/l 以上 5mg/l 以上 5mg/l 以上 mg/l 以上 mg/l 以上 大腸菌群数 5MPN /ml,mp N/ml 5,MP N/ml - - - 33 生活環境の保全に関する環境基準 湖沼 類型 AA A B C 利用目的の適応性 水道 級 水産 級 自然環境保全及び A の欄に掲げるもの 水道 3 級 水産 級 水浴及びB の欄に掲げるもの水道 3 級 工業用水 級 農業用水及びC の欄に掲げるもの 工業用水 級 環境保全 水素イオン濃度 (ph) 6.5 以上 8.5 6.5 以上 8.5 6.5 以上 8.5 6. 以上 8.5 化学的酸素要求量 (C) mg/l 3mg/l 5mg/l 8mg/l 浮遊物質量 (SS) mg/l 5mg/l 5mg/l ごみ等の浮遊が認められないこと 溶存酸素量 () 7.5mg/l 以上 7.5mg/l 以上 5mg/l 以上 mg/l 以上 大腸菌群数 5MPN /ml,mp N/ml - - 3 7
照査対象観測所 ( 相関係数.7 以上 ) 項目 標準照査箱ひげ図 月別標準偏差 流量 p H B C S S 総窒素 高度照査 -~5 全体の 6% 程度が対象 照査対象観測所がない項目が % 総リン 高度照査 3 大亜底底底底底底上上腸鉛質質質質質質下下菌 C 流流群強 p 全総総 数熱 H 硫窒リ負 (減 S 化素ン荷 量 E 物量 ) PH 69 69-7 5 8 3 9 5 5 5 6 - - B 69 69 7-6 7 8 8 7 3 6 6 9 C 69 69 5 6-55 8 8 6 3 5 5 8 68 SS 69 69 9 8 8 55-5 5 3 53 69 69 3 8 5-9 5 6 3 5 総窒素 69 69 5 8 8 9-8 6 3 3 5 59 総リン 69 69 9 6 5 8-3 6 3 大腸菌群数 () 69 69 3 6-9 6 9 3 7 9 亜鉛 69 69 3 3 3-3 3 6 強熱減量 3 8 5 3 7-53 3 - - PH 7 5 6-5 5 - - CSE 3 3 3 6 3 8 53 5-9 8 5 5- - 全硫化物 3 6 7 3 5 9-3 5 - - 総窒素 3 3 3 8 3 - - - 総リン 3 3 3 5 - - - % 6% 5% % 8% 5% 6% % 3% 6% 6% % 5% 3% % % 3% 6% % % 類似 5 類似 負荷量 35 照査対象観測所 ( 相関係数.8 以上 ) 項目 標準照査箱ひげ図 月別標準偏差 流量 p H B C S S 総窒素 総リン 高度照査 3 5 大亜底底底底底底上上類腸鉛質質質質質質下下似菌 C 流流群強 p 全総総 数熱 H 硫窒リ負 (減 S 化素ン荷 量 E 物量 ) PH 69 69-3 8 3 7 6 3 3 3 55 - - B 69 69 3-6 5 5 5 3 5 C 69 69 8 6-37 5 8 33 7 5 6 SS 69 69 3 3 5 37-5 6 5 6 69 69 5-6 6 3 3 93 9 総窒素 69 69 7 5 8-7 3 8 3 3 総リン 69 69 6 33 5 6 7-8 大腸菌群数 () 69 69 6 3-8 3 3 5 亜鉛 69 69 7 3 5 7 6 8 8 8-9 6 強熱減量 3 3-5 5 5 7 - - PH 5-3 5 - - CSE 3 3 3 5 3-6 5 3 - - 全硫化物 5 6-3 - - 総窒素 3 5 - - - 総リン 7 3 - - - % 3% % 6% 5% % 3% 5% % % % % % % % % 6% 5% % % 高度照査 -~5 全体の 3% 程度が対象 照査対象観測所がない項目が % 類似 負荷量 36 8
照査対象観測所 ( 相関係数.9 以上 ) 項目 標準照査箱ひげ図 月別標準偏差 流量 p H B C S S 総窒素 総リン 高度照査 3 5 大亜底底底底底底上上類腸鉛質質質質質質下下似菌 C 流流群強 p 全総総 数熱 H 硫窒リ負 (減 S 化素ン荷 量 E 物量 ) PH 69 69-8 33 - - B 69 69-7 3 C 69 69 7-3 6 8 8 SS 69 69-3 5 5 9 9 69 69 3-3 3 7 8 8 総窒素 69 69 3 3 5 3-6 8 総リン 69 69 5 6-5 大腸菌群数 () 69 69-3 亜鉛 69 69 8 6 9 3-8 強熱減量 - 8 3 8 3 - - PH - - - CSE 9-3 5 - - 全硫化物 3 3 - - - 総窒素 8 5 - - - 総リン 3 - - - % % % % % % % % % % % % % % % % 6% % % % 高度照査 -~5 全体の % 程度が対象 照査対象観測所がない項目が 39% 類似 負荷量 37 特異値の抽出 (95% 信頼区間 ) 項目 照査データ数 標準照査箱ひげ図 月別標準偏差 流量 p H B C S S 総窒素 総リン 高度照査 3 大亜腸鉛菌群数 ( )底質 強熱減量 底質 p H 底質 C S E PH 7,79 785 888 6-9 39 66 6 3 37-8 - 38 (3%) 98 (6%) 37 (%),733 (%) B,55,597,3-9 - 8 3 3 33-7 5 3 8 6 5 - -,99 (7%),8 (8%) 98 (%) 3,65 (9%) C 6,86 78,3-39 8-6 9 3 57 8 6 39 38 - - 6 (%),59 (9%) 87 (3%),338 (%) SS,3,565,7 3 6-76 7 3 - - 5 -,979 (%) 998 (7%) 586 (%) 3,563 (5%) 6,98 38,5-66 9-3 7 6 5 3 3 59 79-7 (%),6 (%) 6 (%),3 (%) 総窒素,8 56,7 3 3 3-67 5 3-39 86 (%),99 (9%) 75 (%),65 (3%) 総リン,9 753,8 9 6 33 57 76 67-3 85 78 6 398 (3%),76 (%) 355 (3%),99 (6%) 大腸菌群数 (),959,,8-7 5-3 8 8 5-3 8 37 - - 83 (6%) 63 (5%) 57 (%),7 (6%) 亜鉛,3,37 35 7 7 8 3 3 - - - 3 67,33 (9%) 359 (8%) (5%),796 (%) 強熱減量 756 66 56 7 8-38 9 - - - 9 (3%) 6 (8%) 7 (6%) 7 (7%) PH 7 58 5-5 - 6 8 - - 3 - - - (3%) 39 (5%) 36 (5%) 97 (%) CSE 7 6 6 3 5 3 38-3 5 3 - - - 5 (%) 5 (7%) 5 (6%) (5%) 全硫化物 7 5 7-3 8 6 3 3 - - 3 3-8 - - - 6 (%) 3 (%) 35 (5%) 8 (%) 総リン 78 33 7 3-3 - 3 8 - - - - - 5 (5%) 7 (6%) 8 (6%) 5 (8%) 底質 全硫化物 底質 総窒素 底質 総リン 上下流 上下流 負荷量 類似 類似 負荷量 標準 高度照標準照査のみ高度照査 AQCの査の両方によにより抽出みにより抽出り抽出 標準照査での特異値が多い 水質 B,SS, 亜鉛 特異値の数 割合 (%) 特異値の数 割合 (%) 特異値の数 割合 (%) 特異値合計 高度照査での抽出が多い 水質 ph,c,, 総窒素, 総リン底質 強熱減量,Csed, 総窒素 両方特異値の場合はでの抽出はいずれも 5% 程度 全体で 5% 程度が特異値として抽出 5 特異値の数 割合 (%) 38 9
. 照査手法の検討 (5) 高度照査 MQC 手法の検討 高度照査 MQC 判定例 A 観測所 C 標準照査 正常値 高度照査 AQC 特異値 水質観測所.5 3.km A 観測所 C 9 8 7 6 5 3 内境界点 標準照査 正常値 総窒素.5 3.5 3.5.5.5 95% 信頼区間ライン過年データ 特異値 高度照査 -3 相関係数.76 5 5 C 高度照査結果より 信頼区間からかけ離れており 総リンとの相関関係も同様の傾向が見られる 標準照査では正常値だが さらに検討が必要 39