河 川 流 域 からの 流 出 土 砂 とともに 海 域 に 流 出 する 放 射 性 セシウムの 定 量 的 把 握 清 水 康 行 岩 崎 理 樹 Mohamed NABI( 北 海 道 大 学 ) 恩 田 裕 一 ( 筑 波 大 学 ) 1. 目 的 本 検 討 は 阿 武 隈 川 の 流 域 から 土 砂 の 移 動 に 伴 い 河 川 に 流 入 するセシウム 137 の 移 行 を モデル 化 し 河 川 におけるセシウム 137 の 移 行 堆 積 過 程 を 明 らかにすることを 目 的 とし ている 平 成 24 年 度 の 調 査 では 阿 武 隈 川 を 対 象 とし セシウム 137 輸 送 の 長 期 的 移 動 の 定 量 化 に 重 要 である 長 期 的 な 土 砂 移 動 を 計 算 できる 一 次 元 モデルを 構 築 した また 微 細 土 砂 粒 子 (ウォッシュロード)の 移 動 により 輸 送 されるセシウム 137 を 二 次 元 モデルにより 計 算 し 無 人 ヘリにより 測 定 された 阿 武 隈 川 下 流 域 における 河 川 敷 の 空 間 線 量 率 の 分 布 特 性 を 再 現 した 一 方 一 次 元 モデルでは 土 砂 輸 送 量 とセシウム 137 輸 送 量 が 関 連 付 けられていないこと 二 次 元 モデルにおいては 実 際 に 起 きる 様 々な 粒 径 の 土 砂 粒 子 移 動 に 伴 う 河 床 変 動 セシウ ム 137 移 動 がモデル 化 されていない 点 が 課 題 であった 平 成 25 年 度 の 調 査 はこれらの 課 題 を 受 け 一 次 元 モデルによる 土 砂 輸 送 量 をセシウム 137 量 と 関 連 付 けて 長 期 的 なセシウム 137 の 河 川 への 堆 積 と 海 域 への 放 出 量 を 試 算 する また 二 次 元 モデルを 様 々な 粒 径 の 粒 子 を 持 つ 土 砂 の 移 動 を 扱 えるモデルに 拡 張 するとと もに 放 射 性 物 質 輸 送 モデルを 組 み 合 わせ 平 成 24 年 度 モデルとの 再 現 性 の 比 較 と 将 来 大 規 模 洪 水 が 発 生 した 場 合 の 河 川 内 のセシウム 137 移 動 特 性 について 検 討 した 2. 検 討 内 容 (1) 一 次 元 モデルを 用 いた 阿 武 隈 川 における 長 期 的 なセシウム 137 移 行 過 程 モデル 適 用 対 象 範 囲 は 阿 武 隈 川 河 口 (1.0 km 地 点 の 荒 浜 観 測 所 )から 本 川 ダムである 信 夫 ダム( 河 口 からの 距 離 約 83 km)までの 区 間 とし 主 要 支 川 である 荒 川 松 川 摺 上 川 広 瀬 川 及 び 白 石 川 を 流 入 支 川 として 考 慮 した( 図 -1) この 区 間 において 過 去 の 水 位 土 砂 移 動 量 河 床 変 動 量 等 データから 土 砂 移 動 量 の 再 現 性 が 示 された 平 成 24 年 度 に 構 築 した 一 次 元 モデルを 用 いて セシウム 137 輸 送 特 性 を 解 析 した 計 算 には 平 成 23 年 3 月 の 震 災 後 に 測 量 調 査 された 河 道 形 状 及 び 河 床 材 料 を 用 いた 1 まず 福 島 第 一 原 発 事 故 後 のセシウム 137 流 出 に 大 きな 影 響 を 与 えたと 考 えられる 平 成 23 年 9 月 洪 水 について 計 算 を 行 い 平 成 23 年 9 月 18 日 ~27 日 間 に 観 測 されたセシウム 137 流 出 量 との 比 較 を 行 いモデル 性 能 の 評 価 を 行 った 次 に 予 測 期 間 を 平 成 24 年 度 の 再 現 計 算 と 同 様 に 28 年 間 と 設 定 し 将 来 予 測 の 一 つの シナリオとして 1975 年 1 月 1 日 から 2002 年 12 月 31 日 までに 観 測 された 流 量 規 模 ( 図 -2) におけるセシウム 137 の 動 態 について 検 討 を 行 う この 期 間 には 1986 年 8 月 に 観 測 された 戦 後 最 大 の 出 水 ( 岩 沼 地 点 最 大 流 量 7,591 m 3 /s)が 含 まれている 河 川 に 流 入 する 浮 遊 砂 中 のセシウム 137 濃 度 は 現 在 までのモニタリング 成 果 より 流 域 1 国 土 交 通 省 東 北 地 方 整 備 局, 阿 武 隈 川 流 砂 系 調 査 検 討 業 務 ( 巻 末 資 料 ), pp.12-67, 2012. - 239 -
平 均 沈 着 量 と 相 関 があることがわかっている 2 そこで 各 支 川 に 流 出 する 浮 遊 砂 中 のセシ ウム 137 濃 度 G [Bq/kg]は 流 域 平 均 沈 着 量 Cs inv [Bq/m 2 ]から 式 (1)を 用 いて 推 定 した G ACsinv (1) ここに A [m 2 /kg]は 比 例 定 数 であり 流 域 平 均 沈 着 量 には 第 3 次 航 空 機 モニタリングの 結 果 を 用 いた 3 なお 支 川 の 白 石 川 流 域 の 一 部 は 航 空 機 モニタリングの 実 施 範 囲 外 にあるた め 流 域 平 均 セシウム 137 沈 着 量 を 求 めることができない しかし 流 域 の 一 部 分 が 福 島 第 一 原 発 の 80 km 圏 外 に 位 置 していることから セシウム 137 沈 着 量 は 他 領 域 に 比 べて 低 いと 考 えられるため 白 石 川 流 域 からのセシウム 137 流 出 は 無 視 できるほど 小 さいと 仮 定 して 考 慮 していない また 浮 遊 砂 が 持 つセシウム 137 濃 度 に 対 する 福 島 第 一 原 発 事 故 後 の 継 続 的 なモニタリング 結 果 より 河 川 に 流 入 する 浮 遊 砂 中 のセシウム 137 濃 度 は 時 間 的 に 減 少 することがわかっており 式 (1)に 示 す 比 例 定 数 A の 時 間 変 化 が 式 (2)のような 二 重 指 数 関 数 として 求 められている A 2 1yr yr 1e 2e (2) ここに yr は 福 島 第 一 原 発 事 故 からの 経 過 年 数 であり 各 係 数 はモニタリングより α 1= 5.27 α 2 = 0.266 β 1 = 1.55 β 2 = 0.069 と 求 められている また 本 計 算 では 浮 遊 砂 のみならず 様 々な 粒 径 粒 子 で 構 成 される 土 砂 の 移 動 を 計 算 するため 各 粒 径 のセシウム 137 濃 度 が 必 要 である これには 以 下 に 示 す He and Walling により 報 告 されている 比 表 面 積 とセシウム 137 濃 度 の 関 係 式 4 を 利 用 する G S n p n (3) ここに S p [m 2 /kg]: 浮 遊 砂 の 比 表 面 積 μ n :セシウム 137 濃 度 を 規 定 する 係 数 [Bq/(m 2 ν n kg 1-ν n)] ν n :べき 乗 定 数 で 0.65 程 度 の 値 をとることが 示 されている 各 河 川 における 具 体 的 なν n の 値 は 不 明 であるため ここでは 近 似 的 に 全 河 川 で 0.65 とした 式 (3) 左 辺 G に 式 (1) 式 (2)から 推 定 される 各 支 川 の 浮 遊 砂 中 のセシウム 濃 度 を 右 辺 S p に 平 成 23 年 の 浮 遊 砂 量 観 測 による 流 域 毎 の 代 表 粒 径 ( 中 央 粒 径 d 50 )から 求 まる 比 表 面 積 を 代 入 してセ シウム 137 濃 度 の 時 間 変 化 を 考 慮 した 各 流 域 におけるμ n を 求 める この 係 数 を 用 いて 式 (3)が 各 粒 径 階 層 k に 対 しても 近 似 的 に 成 立 すると 仮 定 し 次 の 式 (4)を 用 いて 各 河 川 別 に 浮 遊 砂 のセシウム 137 濃 度 の 時 間 変 化 を 考 慮 した 2 恩 田 裕 一, 吉 村 和 也, H. Smith, W. Blake : 河 川 水 系 での 放 射 性 セシウムの 移 行 状 況 調 査 河 川 におけ る 土 砂 流 出 にともなう 放 射 性 セシウムの 移 行 調 査, 平 成 25 年 度 東 京 電 力 ( 株 ) 福 島 第 一 原 子 力 発 電 所 事 故 に 伴 う 放 射 性 物 質 の 長 期 的 影 響 把 握 手 法 の 確 立 に 向 けた 検 討 会 資 料. 3 文 部 科 学 省 による 第 3 次 航 空 機 モニタリングの 測 定 結 果 について, http://radioactivity.nsr.go.jp/ja/contents/5000/4858/24/1305819_0708.pdf. 4 He, Q., Walling, D.E., Interpreting particle size effects in the adsorption of 137Cs and unsupported 210Pb by mineral soils andsediments, Journal of Environmental Radioactivity Vol.30, pp.117-137, 1996. - 240 -
G k S n (4) n pk (2) 二 次 元 モデルによる 河 川 領 域 でのセシウム 137 輸 送 堆 積 特 性 の 把 握 平 成 24 年 度 に 構 築 した 均 一 粒 径 ウォッシュロードモデルを 粒 度 分 布 を 考 慮 できる 一 般 的 な 河 床 変 動 モデル 5 に 拡 張 するとともに 土 砂 輸 送 方 程 式 からセシウム 137 輸 送 方 程 式 を 導 出 し 両 者 を 同 時 に 解 くことで 新 たに 土 砂 移 動 に 伴 うセシウム 137 輸 送 モデルを 構 築 した このモデルを 阿 武 隈 川 下 流 域 丸 森 地 点 から 亘 理 大 橋 付 近 までの 区 間 に 適 用 する( 図 -1) 流 量 は 近 年 で 最 も 大 規 模 な 出 水 であった 2011 年 ( 平 成 23 年 )9 月 22-24 日 にわたる 洪 水 を 対 象 とする 下 流 端 水 位 は 荒 浜 地 点 で 観 測 された 潮 位 を 与 える 河 床 の 抵 抗 度 合 は 一 般 的 に 河 川 の 抵 抗 を 求 めるのに 用 いられるマニングの 粗 度 係 数 により 与 えることと し 1986 年 洪 水 の 逆 算 水 位 から 同 定 された 値 6 を 用 いた 粒 度 分 布 は 震 災 後 の 測 定 値 を 与 えることとする 上 流 から 供 給 されるウォッシュロード 濃 度 は 同 洪 水 中 に 丸 森 地 点 にお いて 観 測 された 値 から 作 成 された 流 量 -SS 濃 度 式 により 与 える なお 高 水 敷 は 初 期 河 床 から 侵 食 しない 条 件 を 課 した ウォッシュロードに 相 当 する 粒 径 の 土 砂 が 持 つセシウム 137 濃 度 は モニタリングの 結 果 を 踏 まえて 6,000 Bq/kg として 与 え( 平 成 24 年 度 の 調 査 ) これを 基 準 として 一 次 元 計 算 と 同 様 に 式 (4)を 用 いて 粒 径 別 にセシウム 137 濃 度 を 設 定 し た なお 流 域 から 河 川 に 流 入 したセシウム 137 の 河 川 内 での 動 態 を 明 確 にするため 初 期 セシウム 137 沈 着 量 は 0 とした この 計 算 条 件 における 河 川 敷 のセシウム 137 沈 着 量 分 布 と 無 人 ヘリによる 河 川 敷 の 空 間 線 量 率 分 布 ( 平 成 24 年 度 の 調 査 )を 比 較 し モデルの 再 現 性 について 検 討 する 将 来 予 測 シナリオの 一 つとして 今 後 の 大 規 模 洪 水 により 起 こり 得 る 河 川 での 放 射 性 物 質 の 移 動 堆 積 過 程 について 考 察 するため 平 成 23 年 9 月 洪 水 が 連 続 するような 流 量 を 想 定 する これ により 一 洪 水 により 堆 積 した 放 射 性 物 質 が 次 に 起 こる 大 規 模 出 水 でどのように 移 行 す るのかを 考 察 し 将 来 予 測 に 対 して 一 つの 情 報 を 提 供 することを 試 みる なお 流 入 土 砂 が 持 つセシウム 137 濃 度 の 時 間 的 変 化 については 多 様 な 条 件 が 想 定 されるため ここでは 流 入 土 砂 のセシウム 137 濃 度 は 計 算 期 間 中 に 同 一 であるとして 計 算 を 行 っている 3. 結 果 と 考 察 (1) 一 次 元 モデルによる 検 討 結 果 平 成 23 年 9 月 18 日 ~27 日 の 出 水 を 対 象 とした 計 算 より 同 期 間 におけるセシウム 137 流 出 量 は 2.54 TBq となった これは 同 期 間 に 観 測 された 5.94 TBq( 平 成 23 年 度 の 調 査 ) よりは 小 さかった 次 に 想 定 した 28 年 間 の 流 量 シナリオにおける 結 果 を 見 ると 一 次 元 モデルによる 計 算 では 想 定 した 28 年 間 のセシウム 137 の 阿 武 隈 川 への 総 流 入 量 総 河 道 内 堆 積 量 はそれぞれ 2.27 TBq 11.3 GBq となり 河 道 内 に 堆 積 する 割 合 は 流 入 量 の 0.5%と 試 算 された なお ここで 計 算 したセシウム 137 流 出 量 は 事 故 後 の 流 出 量 よりも 小 さい これは 本 計 算 で 想 定 している 流 量 が 1975 年 から 28 年 間 に 観 測 された 流 量 が 再 び 生 起 した 場 合 の 将 来 計 算 であり 例 えば 平 成 23 年 9 月 洪 水 のような 大 規 模 出 水 を 含 んでいないためである 岩 沼 地 5 Iwasaki, T., Akahori, R., Giri, S. and Shimizu, Y. : Numerical study on the flow and the sedimentation during 2008 flood in the Koshi River in Nepal, Advances in River Sediment Research - Fukuoka et al.(eds), pp.2063-2073, 2013. 6 平 成 18 年 度 阿 武 隈 川 下 流 河 川 整 備 計 画 検 討 業 務 報 告 書, ( 株 ) 建 設 技 術 研 究 所, 2007. - 241 -
点 の 平 成 23 年 9 月 洪 水 のピーク 流 量 は 計 算 に 用 いた 一 年 目 のピーク 流 量 よりも 10 倍 程 度 大 きな 値 であるため 計 算 値 は 実 測 値 よりも 小 さくなっている 図 -3 は 想 定 した 流 量 シナリオにおいて 計 算 された 阿 武 隈 川 から 海 域 へ 流 出 する 浮 遊 砂 量 を 示 している これに 対 応 する 海 域 へのセシウム 137 放 出 量 計 算 値 を 図 -4 に 示 す 流 出 する 放 射 性 セシウム 137 のほとんどは 阿 武 隈 川 上 流 を 起 源 としていると 計 算 された 流 出 量 は 時 間 の 経 過 と 共 に 減 少 し 図 -4 中 の 実 線 に 示 す 累 加 割 合 の 推 移 をみると 本 検 討 で 想 定 した 流 量 規 模 による 土 砂 移 動 と 流 入 土 砂 のセシウム 濃 度 の 時 間 変 化 のシナリオのも とでは 計 算 開 始 4 年 後 には 28 年 間 の 総 流 出 セシウム 137 量 の 半 分 以 上 が 流 出 すると 推 定 された (2) 二 次 元 モデルによる 検 討 結 果 図 -5 は 計 算 された 地 表 面 のセシウム 137 沈 着 量 の 時 間 変 化 である 図 -5 a) b) c) の 結 果 は 図 -5 d)の 洪 水 ハイドログラフに 示 す A B C に 対 応 する 時 間 の 結 果 を 示 してい る まず 一 つの 洪 水 後 の 結 果 である 図 -5 a)を 見 ると 高 水 敷 でセシウム 137 沈 着 量 が 高 くなると 計 算 された 河 道 内 での 放 射 性 セシウムの 移 動 解 析 を 行 った( 図 -6) その 結 果 河 道 内 の 放 射 性 セシ ウムの 輸 送 過 程 において 局 所 的 に 放 射 性 セシウムが 集 中 する 地 点 が 計 算 された 河 道 内 の 放 射 性 セシウム 空 間 分 布 の 予 測 値 を 無 人 ヘリにより 得 られた 観 測 結 果 と 比 較 すると 本 モ デルによる 推 定 結 果 と 同 様 の 位 置 に 高 い 沈 着 量 が 認 められた 次 に 将 来 的 に 同 程 度 の 洪 水 が 生 じた 場 合 の 影 響 について 考 察 する 図 -5 b)を 見 ると 洪 水 ピーク 時 におけるセシウム 137 沈 着 量 は 一 洪 水 で 堆 積 したセシウム 137 沈 着 量 より も 小 さくなっていると 計 算 された その 後 前 洪 水 と 同 様 に 洪 水 終 期 に 高 水 敷 に 土 砂 が 堆 積 することで 高 水 敷 のセシウム 137 沈 着 量 が 高 くなるとの 計 算 結 果 が 得 られた 図 -7 に 洪 水 前 後 ( 図 -5 a)と c))の 高 水 敷 のセシウム 137 沈 着 量 計 算 結 果 をプロットしたものを 示 す 図 より 高 水 敷 のセシウム 137 沈 着 量 は 洪 水 前 後 で 増 加 する 傾 向 があるが 二 倍 には 達 しない 部 分 が 多 い 一 方 で 沈 着 量 が 二 倍 を 超 える 部 分 も 計 算 上 認 められた - 242 -
図 -1 計 算 対 象 河 川 及 び 範 囲 ( 第 4 次 航 空 機 モニタリング 結 果 ( 測 定 日 : 平 成 23 年 10 月 22~11 月 5 日 )) 図 -2 阿 武 隈 川 岩 沼 地 点 における 流 量 ( 同 地 点 における 戦 後 最 大 流 量 は 1986 年 8 月 5 日 に 観 測 された 7,591 m 3 /s である) - 243 -
図 -3 流 域 起 源 毎 の 流 出 浮 遊 砂 量 計 算 値 の 経 年 変 化 ( 河 口 部 1.0 km 地 点 ) 図 -4 流 域 起 源 毎 の 流 出 セシウム 137 量 計 算 値 の 経 年 変 化 ( 河 口 部 1.0 km 地 点 ) (なお 初 期 河 床 を 起 源 とする 流 出 量 は 全 体 量 に 比 して 極 めて 小 さいため 図 中 では 省 略 している) 図 -5 計 算 された 地 表 面 のセシウム 137 沈 着 量 の 時 間 変 化 ( a) b) c)の 時 刻 はそれぞれ d)の 流 量 ハイドログラフに 示 す A B C の 時 刻 に 相 当 している A 時 点 の 結 果 は 平 成 23 年 9 月 洪 水 の 再 現 計 算 であり B C は 将 来 平 成 23 年 9 月 洪 水 と 同 規 模 の 洪 水 が 発 生 した 際 に 沈 着 しているセシウム 137 がどのように 再 移 動 するかを 想 定 した 結 果 である ) - 244 -
図 -6 阿 武 隈 川 下 流 部 におけるセシウム 137 の a) 計 算 結 果 と b) 無 人 ヘリによる 観 測 結 果 の 比 較 図 -7 洪 水 前 後 ( 図 -3 a,c)における 地 表 面 のセシウム 137 沈 着 量 の 比 較 - 245 -