福島 FS 勉強会1

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

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

福島 FS 勉強会2

Research Key Points

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

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）

福島 FS 勉強会3

湖沼における栄養塩の蓄積と水質（年代比較）

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

TN (u

g/L)

1986

1995

2008

0.0

0.1

0.1

0.2

0.2

0.3

0.3

TP (

ug/L

)

1986

1995

2008

0

2

4

6

8

10

12

COD

(mg/

L)

1986

1995

2008

引用：国立環境研究所　霞ヶ浦データベース

湖心

りんに着目する必要がある。霞ヶ浦（西浦）

A

B

福島 FS 勉強会4

霞ヶ浦（北浦湖心）におけるりんの挙動

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

S47 S52 S57 S62 H4 H9 H14 H19

河川

TP (m

g/g)

湖心上流河川

全河川

•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

湖心

北浦（釜谷沖）

3水質は 年間移動平均 この現象のメカニズムをモデルによって明らかにする。

3水質は 年間移動平均

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

S48.12 S55.10 S62.8 H6.6 H13.4 H20.2

TP 水

質(m

g/L)

, 底質

(10×

mg/

g)

底質TP

水質TP

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

S48.12 S55.10 S62.8 H6.6 H13.4 H20.2

水質

(mg/

L), 底

質(m

g/g)

底質 可溶性P

水質 オルトリン酸態リン

福島 FS 勉強会5

霞ヶ浦（西浦湖心）におけるりんの挙動

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

S56 S61 H3 H8 H13 H18

河川

TP (m

g/g)

•西浦の方が北浦よりも湖内 TP と底質 TP

の逆相関が強くなっている。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

底質モデルの精緻化が必要

西浦（湖心）

3水質は 年間移動平均 この現象のメカニズムをモデルによって明らかにする。

3水質は 年間移動平均

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

S48.12 S55.10 S62.8 H6.6 H13.4 H20.2

TP 水

質(m

g/L)

, 底質

(10×

mg/

g)

底質TP

水質TP

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

S48.12 S55.10 S62.8 H6.6 H13.4 H20.2

水質

(mg/

L), 底

質(m

g/g)

底質 可溶性P

水質 オルトリン酸態リン

福島 FS 勉強会6

これまでの湖沼水質モデル

Land Model

Lake FlowModel

Lake Ecological Model

Input Data Output DataDelivery Data

Inflow

Spring Water

Flow Direction, Velocity

Water Temperature

Load from Rivers

and Bottom of the Lake

( COD, TN, TP, TOC, etc.)

Land Use

Climate (Precipitation,Insolation, Temperature)

Rivers (Location, Width)

Agriculture (Fertilizer, Irrigation)

Sedimentation Load etc.

Climate (Precipitation,Insolation, Wind direction,Wind Speed, Vapor Pressure)

Outflow etc.

Climate (Insolation) etc.

Rivers (Discharge, Water Quality)

Ground Water(Water Level, Quality)

Evapotranspiration

Spring Water etc.

Flow Direction, Velocity

Water Temperature

Water Level

Water Quality(COD, TN, TP, etc.)

原単位法・ LQ 式分布型流出モデル

3 次元レイヤーモデル（メッシュ： 300m ）霞ヶ浦環境研究センター

福島 FS 勉強会7

湖沼水質モデルの詳細

Algae Zooplankton Fish

DetritusDOMPO4-PI-N

Mineral-boundPhosphate

FeMn

BenthosDetritusPO4-PI-N

Mineral-boundPhosphate

FeMn

Uptake

Uptake

ExcretionExcretion

Predation Predation

Mortality/Excretion

Uptake

Decomposition

Decomposition Hydrolysis

Excretion

SedimentationSedimentation Resuspension

Release

Coprecipitation

Release

Buried

Mineralization/Decomposition

Surface Sediment

Lower Sediment

Mortality/Excretion

Mortality/Excretion

Mortality/Excretion

Water column Algae

Zooplankton

Fish

Detritus

DOM

DIN

PO 4 -P

Sediments Benthos

Detritus

inorganic nitrogen

PO 4 -P

FFFF MRGS

DOMDOMDOMDOM DeHyES

ALALALALALAL SedPMRGS

DINDINDINDINDIN UEDeElS

DETDETDETDETDETDETDETDET SedPHyDeRsMES

ZPZPZPZPZP PMRGS

DETSDETSDETSsDETSBEDETSDETS HyUDeZZRMSed ,

SSDINSDETSNsIN ZZElDe ,,

BEBEBEBEBE PMRG

PPOPPOPPOPPOPPO SUEDeS 44444

sPPOSDETSPsPPO De ,,, 44

Water column Algae

Fish

DIN

Sediments Benthos

inorganic nitrogen

FFFF MRGS

DOMDOMDOMDOM DeHyES

ALALALALALAL SedPMRGS

DINDINDINDINDIN UEDeElS

DETDETDETDETDETSDETDETDET SedPHyDeRMES ,

ZPZPZPZPZP PMRGS

DETSDETSDETSsDETSBEDETSDETS HyUDeZZRMSed ,

SSDINSDETSNsIN ZZElDe ,,

BEBEBEBEBE PMRG

PPOPPOPPOPPOPPO SUEDeS 44444

sPPOSDETSPsPPO De ,,, 44

sPPOPPOS ,44,

Note: expresses the derivative of four variables in sediments; carbon concentrations of benthos and detritus, and concentration of dissolved inorganic nitrogen and PO4-P, G: growth; R: respiration; M: non-predatory mortality; P: predtion; 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; (explained by equaton (5))

Rs

?predation equationNoted; express the derivative of four variables in sediments; carbon concentrations of benthos and 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, (explained by equation (29), (30))

sPPOPPOS ,44,

福島 FS 勉強会8

構築してきた湖沼水質モデルの予測精度

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7

Cal

cula

ted

CO

D (

mg/

L)

Observed COD (mg/L)

Others

East Coast of South Lake in Winter

East Coast of North Lake in May

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7

Cal

cula

ted

CO

D (

mg/

L)

Observed COD (mg/L)

RMSE = 0.32 RMSE = 0.20

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。

琵琶湖の場合

代かきなどの異常な流出の影響

Monthly data Annual average

福島 FS 勉強会9

水―底質相互作用モデルの精緻化

Mass Balance Equation

Water 𝜑

Particulate 1−𝜑

(S)

(C)

Dissolved Matters

Particulate Matters

※R is non equilibrium biochemical reaction

福島 FS 勉強会10

Non equilibrium biochemical reaction

底質モデルで考慮する地・生化学反応系

Aerobic

Anaerobic

Water

Overlayer POMf

POMf

DOMf

DOMf

Sed

Burial,BioturRes

Deg

Deg

PO43-

NH4+

PO43-

NH4+

NOx

NOx

Diff

Burial,BioturRes

Diff

DOMfPO4

3- NH4+

DOMfPO4

3- NH4+

DOMfPO4

3- NH4+

DOMf PO43- NH4

+

P1

P1

P2

P3

P4

P5

Diff

Diff

N2Diff

FeOOH MnO2 SO42-

Fe2+ Mn2+

FeOOH MnO2

FeOOH=PO43-

FeOOH=PO43-

FeOOH=PO43-

H2S

S1

S2

S2

S7

S4

S5

S6

S

S8

H2S

FeS

FeS2

S9

S10

S11SO4

2-S12, S13

Aerobic

Anaerobic

Aerobic

Anaerobic

DOMfPO4

3- NH4+

P6CH4

O2

O2

TransportDiffusion

Predicted target

Variables used in calibration

P1:Aerobic degradation (Kdeg O2)

P2:Denirification (Kdeg NO3)

P3:Mn reduction (Kdeg Mn)P4:Fe reduction (Kdeg Fe)P5:Sulfate reduction (Kdeg Fe)P6:Methanogenesis (Kdeg CH4)

ORP (Eh)＋

－

福島 FS 勉強会11

霞ヶ浦モデルの空間分解能

福島 FS 勉強会12

本研究によって明らかにしたいこと

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

S48.12 S55.10 S62.8 H6.6 H13.4 H20.2

TP 水

質(m

g/L)

, 底質

(10×

mg/

g)

底質TP

水質TP

陸域

湖沼（水質・底質）

社会

出水パターン負荷量の変化土地改変

漁獲上水利用栄養塩利用

蓄積型湖沼ゆえの密接な関係

未来可能性湖沼との関わり

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　・　・　・　・　・

近未来　　　 50, 100 年後の未来

水環境の未来予見性

　　霞ヶ浦湖内水質モデル

　　　　　　　　長期間再現　　　　

今までの湖沼水質モデル

数カ年

福島 FS 勉強会13

Secondary reactions

補足： Detail of biochemical reaction

Primary reactions

P1: DOM + O2 → CO2 + H2O

P2: DOM + 4NO3- + 4H+ → N2 + 5CO2 + 7H2O

P3: DOM + 4MnO2 + 4H+ → 2Mn2+ + CO2 + 3H2O

P4: DOM + 4FeOOH + 8H+→ 4Fe2+ + CO2 + 7H2O

P5: DOM + SO42- + 2H+ → H2S + 2CO2 + 2H2O

P6: DOM → CH4 + 2CO2

S1: NH4+ + 2O2 → NO3- +2H2O +2H+

S2: FeOOH + PO43- ⇔ FeOOH= PO43-

S3: 2Fe2+ + MnO2 + H2O → 2FeOOH + Mn2+ + 2H+

S4: 2Mn2+ + O2 + 2H2O → 4 MnO2 + 4H+

S5: H2S + 2FeOOH= PO43- + 4H+ → S0 +2Fe2+ + 4H2O + 2PO43-

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+