Transcript 小松 - 筑波大学
平成23年10月13日 福島FS「下流汚染蓄積型湖沼の水環境問題と未来可能性に関する研究」勉強会 霞ヶ浦湖内水質モデルを活用した 水質長期変動の解明と未来可能性 筑波大学大学院 生命環境科学研究科 小松 英司 1 福島FS勉強会 Research Key Points 霞ヶ浦などの湖沼の将来の水環境を考えるために 霞ヶ浦（西浦・北浦） 2 1. 流入河川負荷の湖内水質への 影響 2. 長期間の底質の水平・垂直分 布の変化の再現 3. 長期間の水質と底質の再現と 相互作用メカニズムの解明 4. 湖内レジームシフトの解明 5. 湖内水質・生態系の将来長期 予測 ～未来予見性はあるか 福島FS勉強会 湖沼における栄養塩の蓄積と水質（年代比較） 12 A B 湖心 COD (mg/L) 10 8 1986 6 1995 4 2008 2 0 霞ヶ浦（西浦） りんに着目する必要がある。 0.3 4.0 3.5 0.3 0.2 2.5 2.0 1986 1.5 1995 1.0 0.5 0.0 2008 TP (ug/L) TN (ug/L) 3.0 0.2 1986 1995 0.1 2008 0.1 0.0 引用：国立環境研究所 霞ヶ浦データベース 3 福島FS勉強会 霞ヶ浦（北浦湖心）におけるりんの挙動 北浦（釜谷沖） 0.6 0.16 河川TP (mg/g) 全河川 0.4 0.3 0.2 0.1 0 S47 S52 S57 S62 H4 H9 H14 H19 TP 水質(mg/L), 底質(10×mg/g) 湖心上流河川 0.5 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 底質TP 0.02 0 S48.12 水質TP S55.10 S62.8 H13.4 H20.2 この現象のメカニズムをモデルによって明らかにする。 水質は3年間移動平均 0.14 0.12 湖心 水質(mg/L), 底質(mg/g) •流入TPは横ばい であるが、湖内 TPと底質TPは増 加傾向を示してお り、逆相関になっ ている H6.6 底質 可溶性P 水質 オルトリン酸態リン 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 S48.12 S55.10 S62.8 H6.6 H13.4 H20.2 水質は3年間移動平均 4 福島FS勉強会 霞ヶ浦（西浦湖心）におけるりんの挙動 西浦（湖心） 0.18 TP 水質(mg/L), 底質(10×mg/g) 0.25 河川TP (mg/g) 0.2 0.15 0.1 0.05 0 S56 S61 H3 H8 H13 H18 •西浦の方が北浦よりも 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 底質TP 0.02 0 S48.12 水質TP S55.10 S62.8 H6.6 0.06 底質 可溶性P 底質モデルの精緻化が必要 水質(mg/L), 底質(mg/g) 0.05 これまでの水質解析 ではこのメカニズムは 解明できていない H20.2 この現象のメカニズムをモデルによって明らかにする。 水質は3年間移動平均 湖内TPと底質TPの逆相 関が強くなっている。 H13.4 水質 オルトリン酸態リン 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 S48.12 S55.10 S62.8 H6.6 H13.4 H20.2 水質は3年間移動平均 5 福島FS勉強会 これまでの湖沼水質モデル Delivery Data Input Data Land Use Land Model Climate (Precipitation, Insolation, Temperature) Rivers (Location, Width) Inflow Agriculture (Fertilizer, Irrigation) Sedimentation Load Spring Water Outflow etc. Rivers (Discharge, Water Quality) Ground Water (Water Level, Quality) Load from Rivers Evapotranspiration and Bottom of the Lake Spring Water Lake Flow Model 原単位法・LQ式 分布型流出モデル etc. Flow Direction, Velocity 3次元レイヤーモデル （メッシュ：300m） Water Temperature 霞ヶ浦環境研究センター ( COD, TN, TP, TOC, etc.) etc. Climate (Precipitation, Insolation, Wind direction, Wind Speed, Vapor Pressure) Output Data Water Level Flow Direction, Velocity Water Temperature Climate (Insolation) 6 etc. Lake Ecological Model Water Quality (COD, TN, TP, etc.) 福島FS勉強会 湖沼水質モデルの詳細 Predation Algae Zooplankton Predation Fish Water column Mortality/ Excretion Uptake Excretion Mortality/ Excretion Mortality/ Excretion Excretion Fe Mn PO4-P I-N Mineral-bound Phosphate Coprecipitation Hydrolysis DOM Excretion Sedimentation Sedimentation S AL G AL R AL M AL PAL Sed Zooplankton S ZP G ZP R ZP M ZP PZP Fish S F G F RF M Detritus S DET EDET M DET RsDET DeDET HyDET PDET Sed DET DOM S DOM E DOM Hy DOM De DOM DIN S DIN El DIN De DIN E DIN U DIN PO 4 -P S PO 4 P De PO 4 P E PO 4 P U PO 4 P S PO 4 P Benthos G BE R BE M BE PBE BE Detritus DETS Sed inorganic nitrogen IN , s De N , DETS S El DIN Z PO 4 -P PO 4 P , s De P , DETS S AL F S edim ents Detritus Sediments Decomposition Release Release Decomposition W ater co lu Algae Resuspension Uptake DETS M BE R S , DET Z Z s De DETS U DETS Hy DETS Z S S PO 4 P , s Note: detritus, predatory decompo column a express the derivative of four variables in sediments; carbon concentrations of benthos and Noted; Fe Mn Mineral-bound Phosphate Buried PO4-P I-N Mineralization/ Decomposition Uptake Detritus Mortality/ Excretion Benthos detritus, and concentration of DIN and PO4-P, G: growth, R: respiration, M: non-predatory mortality, P: predation, Sed: sedimentation, Rs: resuspension, El: release, Hy: hydrolysis, De: decomposition, E: excretion, U: uptake, φS: porosity in surface sediment, Z, ZS: depths of grid in water column and surface sediment, S PO P , PO P , s (explained by equation (29), (30)) 4 4 Surface Sediment Lower Sediment 7 福島FS勉強会 構築してきた湖沼水質モデルの予測精度 Monthly data Annual average 7 7 Others East Coast of South Lake in Winter East Coast of North Lake in May 6 6 5 4 3 代かきなどの 異常な流出の影響 2 1 Calculated COD (mg/L) Calculated COD (mg/L) 5 4 3 2 1 RMSE = 0.20 RMSE = 0.32 0 0 0 1 2 3 4 5 Observed COD (mg/L) 6 7 0 1 2 3 4 5 Observed COD (mg/L) 6 7 琵琶湖の場合 これまで構築してきたモデルでは、短期（5年程度）では は精度良く再現できるが、長期間の底質の挙動を再現する ことができないため（遅いシステム） 、湖沼で行っている 長期的な現象を解明することができない。 8 福島FS勉強会 水―底質相互作用モデルの精緻化 Mass Balance Equation (S) Water 𝜑 (C) Particulate 1−𝜑 Dissolved Matters Particulate Matters ※R is non equilibrium biochemical reaction 9 福島FS勉強会 Non equilibrium biochemical reaction 底質モデルで考慮する地・生化学反応系 Water Transport Diffusion Overlayer Aerobic Sed O2 O2 POMf Deg Burial, Biotur Res Deg POMf Burial, Biotur Res Aerobic P1 DOMf Diff Diff P1 DOMf NOx Anaerobic Diff P3 P4 DOMf PO43- NH4+ FeOOH MnO2 SO42- Anaerobic ORP (Eh) N2 S2 FeOOH=PO43- NOx ＋ S4 FeOOH Diff P2 DOMf PO43S1 NH4+ Aerobic S2 FeOOH=PO43- H2S Diff DOMf Anaerobic PO43NH4+ S6 S5 FeOOH=PO43- PO43- NH4+ Fe2+ Mn2+ S12, S13 SO42S11 S DOMf PO43- NH4+ S7 S8 PO43- NH4+ P6 P2:Denirification (Kdeg NO3) FeS2 S9 P5 DOMf P1:Aerobic degradation (Kdeg O2) S10 MnO2 PO43- NH4+ H2S FeS CH4 Predicted target Variables used in calibration － 10 P3:Mn reduction (Kdeg Mn) P4:Fe reduction (Kdeg Fe) P5:Sulfate reduction (Kdeg Fe) P6:Methanogenesis (Kdeg CH4) 福島FS勉強会 霞ヶ浦モデルの空間分解能 11 福島FS勉強会 本研究によって明らかにしたいこと 陸域 出水パターン 負荷量の変化 土地改変 社会 蓄積型湖沼ゆえの密接な関係 今までの湖沼水質モデル 漁獲 上水利用 栄養塩利用 霞ヶ浦湖内水質モデル 長期間再現 TP 水質(mg/L), 底質(10×mg/g) 0.16 （水質・底質） 未来可能性 湖沼との関わり 数カ年 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 底質TP 0.02 0 S48.12 12 湖沼 その他の変動要因 ○流域社会の変化 ○地球温暖化 ○陸・水域生態系の変化 ・ ・ ・ ・ ・ 水質TP S55.10 S62.8 H6.6 H13.4 H20.2 水環境の未来予見性 近未来 50, 100年後の未来 福島FS勉強会 補足：Detail of biochemical reaction Primary reactions 13 P1: DOM + O2 P2: Secondary reactions → CO2 + H2O S1: NH4+ + 2O2 → NO3- +2H2O +2H+ DOM + 4NO3- + 4H+ → N2 + 5CO2 + 7H2O S2: FeOOH + PO43- ⇔ FeOOH= PO43- P3: DOM + 4MnO2 + 4H+ → 2Mn2+ + CO2 + 3H2O S3: 2Fe2+ + MnO2 + H2O → 2FeOOH + Mn2+ + 2H+ P4: DOM + 4FeOOH + 8H+→4Fe2+ + CO2 + 7H2O S4: 2Mn2+ + O2 + 2H2O → 4 MnO2 + 4H+ P5: DOM + SO42- + 2H+ → H2S + 2CO2 + 2H2O S5: H2S + 2FeOOH= PO43- + 4H+ → S0 +2Fe2+ + 4H2O + 2PO43- P6: DOM → CH4 + 2CO2 S6: 4Fe2+ + O2 + 6H2O →4FeOOH + 8H+ S7: H2S + MnO2 + 2H+ → S0 +Mn2+ + 2H2O S8: H2S + Fe2+ → FeS + 2H+ S9: FeS + S0 → FeS2 S10: SO42- + 3H2S +4FeS + 2H+ → 4FeS2 + 4H2O S11: H2S + O2 → SO42- + 2H+ S12: FeS + 2O2 → Fe2+ + SO42- S13: 2FeS2 + 7O2 + 2H2O→ 2Fe2+ + 4SO42-+ 4H+ 福島FS勉強会