重点共同研究

１．流域環境管理に関する国際共同研究

〔研究概要〕
　近年の東アジア地域，特に長江流域の社会経済活動のめざましい発展は，流域内の水資源・エネルギー開発（ダム開発，水力・火力発電所の建設等）を希求するとともに，産業構造変化に伴う土地利用形態の変化，都市部への人工集中などの現象を促している。さらに，こうした流域の変貌は流域内で生産される汚濁物質や有害物質の排出負荷量を著しく増大させている。このため，水質汚濁，農地塩害化，酸性雨による農地劣化，風食・水食による土壌流亡，洪水，かんがい用水・飲料水不足等々の流域の持続的発展を妨げる要因が顕在化しつつある。また，長江流域からの排出負荷は必然的に東シナ海の海洋生態系に大きな影響をもたらす。本研究では社会経済的要因を考慮し，流域内の物質循環とその輸送外力となる水の循環の質，量に関わる力学的側面とそれに規定される水界生態系，陸上生態系をトータルシステムとして解析を行い，水・物質・エネルギーの効率的な配分と適正管理を可能にする流域管理手法を国際的連携のもとに開発，流域の持続的発展に寄与することを目的としている。
　平成８年度は計画書に記載された課題から以下の研究を推進した。

（１）流域環境情報直接計測手法の開発に関する研究
　水・物質循環系の研究の基本となる輸送フラックスの直接計測手法の開発のため，長江の代表的測点において予備調査・踏査を行った。

（２）長江流域環境情報の収集
　本研究の実施に当たっては，長江全流域の気象，地形，水文，水理，河川構造，土地利用等の詳細な環境情報の中国関係機関よりの直接取得が不可欠なため，平成８年１１月，共同関係機関との協議を行った。また，中国国内外で収集されたデータをもとに長江本川，支川の水系網とその河道特性，集水域の斜面特性等についてのデータベースを地理情報システムＧＩＳ（ＡＲＣ／ＩＮＦＯ）上で作成した。

（３）モデル集水域における水文学的過程と汚濁負荷原単位のモデル化に関する研究
　流域内の水・物質輸送を表現する汎用的な数値模擬モデルの開発を行っており，モデル集水域としては過去に多くのデータの蓄積がなされている涸沼川（本川長６５ｋｍ，流域面積４９５ｋｍ^２）を対象にした。数値模擬計算と実測値との対応から，流域内の水・物質輸送に関する数学モデルの基本的な枠組みの検証とモデルのシステム特性の検討を行った。

〔研究成果〕
　本年度は次年度以降に予定されている本格調査手法，蓄積される流域環境情報のデータベース化手法，流域内水・物質循環に関する数学モデルへの環境情報入力用インターフェース開発等の基礎的かつ不可欠な検討を行った。

（１）長江本川における予備調査時の採水試料の粒度分析結果は，上流の高濃度の土砂を含む流れが■陽湖の下流で濃度低減していることを示しており，■陽湖の洪水調節作用に伴う顕著な土砂堆積作用を示唆するものである。上流からの土砂供給量の変化は■陽湖の湖面積の縮小過程に多大な影響を与えるものと推測され，上・中流域での水と土砂の輸送過程を同時に考慮したモデルの開発が急務であることが示唆された。
　長江流域からの汚濁負荷量の検討のため，これに供するデータの収集方法を検討中である。その具体的な方法として，神戸〜武漢間に就航している定期連絡船（５,０００トン）を利用し，海域〜長江において連続的に採水することを計画している。日本側船主の了解のもと中国側との協議後，実行計画を作成予定である。

（２）流域内での物質の循環を司る基本的かつ最重要な外力である水循環過程を規定する最大要因が流域の地形特性と河川水系網である。これらを数学モデルへ入力するためには勾配，面積，流路長等の数値データが必要になる。小流域で大縮尺の地図が公表されている場合には地形図より水系網を作成することも可能であるが，公開地形図も十分でない長江を対象とし，数値データ化する事を念頭に，数値標高モデルＤＥＭ（ＮＯＡＡの１ｋｍメッシュデータ）とＧＩＳ（ＡＲＣ／ＩＮＦＯ）を用いて，流域地表面の最大急勾配線に規定される雨水の集水より河川水系網の構築を行った。計算された水系網と実際の長江水系網と比較した結果，宜昌より上流域（重慶〜宜昌の平均河道勾配１／２０００）では，十分な再現性が認められた。一方，中流域から下流域への平原・丘陵小区（宜昌の直下流付近の平均河道勾配１／４７００)，長江三角州平原区（平均河道勾配１／１００００以下）では十分な精度で再現し得なかった。これは平坦であればあるほど最急勾配線の精度上げるために空間解像度を上げる必要性を示している。この地表面勾配と数値標高データの解像度との関係は（３）で述べる涸沼川の水系網構築の際に検討を進め，平坦地に対しては空間解像度は５０ｍを限度をすることが認められた。この長江平原区（宜昌より下流）における解像度５０ｍの数値標高モデルが流域の水循環の数学モデルの精度向上の一つの鍵となるため，中国科学院リモートセンシング応用研究所との共同研究協力体制を敷き，現在，平地部を対象に，中流域の四川盆地と下流域の平野部を対象に５ｍメッシュのＤＥＭを作成中である。
　地形特性とともに水循環を規定する要因が地表面状況を含む土壌構造である。地表面状況は植生分布を含む土地利用形態で代表させると，土壌構造を含めてこれらの長江流域での空間分布は種々の地図として既に公開されている。長江流域が広大であることと都市近郊部の経済発展に伴う土地利用形態の錯そうした急激な変貌の考慮し，地理情報データベースの作成においては，中国全体を対象としたものと大都市近郊のものとの２種類を作成している。前者は１００万分の１の各種地図（中国土地利用図編集委員会主編，１９９０）より土地利用，土壌，土質，植生，リン，窒素，土壌酸性度等の分布をディジタイジング作成している。後者は前述の中国科学院リモートセンシング応用研究所が作業を分担し，研究目的に応じた精度のデジタル情報を作成し，流域構造の全貌の把握を進めている。

（３）流域構造の初期条件，気象条件を外力条件とする水・物質循環系の理解は系に関わる構成要素が多岐にわたるため限定した条件下での挙動を解析した例が多い。系全体が制約条件下の解の線形和になることは考えられず，系全体の挙動の理解の深化のためには，構成要素のモデルの精度を考慮しつつ，全システムを記述する数理モデルを稼働させる必要がある。本研究では，第１段階として水循環の物理機構をある程度概念化した分布型モデルと物質循環の物理モデルとを組み合わせたモデルの構築を行った。全体としてのモデルは，モデルへの入力条件を与える数値環境情報（気象，地形，水文等）と，輸送機構の物理モデルより構成される。ここでは，その基本システムの特性把握のため，地形等の条件が明確な涸沼川流域を対象にモデルの検討を行った。 　輸送外力を規定する地形学的要因は河道網とそれに連なる単位流域である。本研究では，これを国土地理院発行の５０ｍメッシュの国土数値情報に基づいて地理情報システムＧＩＳ（ＡＲＣ／ＩＮＦＯ）より構築，その結果を図１に示す。太線が実際の河道網を，細線が擬河道をそれぞれ示してある。実河川の支流は省略されているが，これらを含めて両者は良く類似していることが確認されている。
　一方の基本システムである輸送過程の物理機構は忠実なモデルを指向した。必要とされる係数が多いため，まず水と濁質の輸送の再現計算を通じて，モデル定数の同定を行った。水文計算の同定のためには，１９８７年の気象，流量観測値を用いた。輸送濁質の物理的性質と発生源の空間分布は国土地理情報よりＡＲＣ／ＩＮＦＯを用いてデータベース化された。図２は同定された諸定数を用いて，流量と濁質濃度の１９８９〜１９９０年の再現計算を行ったものであり，その適用性の高さを示している。すなわち，本モデルは解像度５０ｍのＤＥＭから構築される流域構造上で，時間当たり降雨量を入力として日平均化された流出河川流量を高い精度で再現することが可能であることがわかった。ただし，単位集水域の空間スケールと降雨の時間スケールとの間には強い相関関係があり，大流域への適用に当たっては，計算機の能力と降雨の時空間分布を勘案した適切な単位集水域の面積を決定する必要性がある。すなわちどの程度の規模の支川までを対象にするかの基準が明確にされねばならない。さらにこれに供する降雨データの取得をいかにしていくかが重要な検討課題であることが指摘された。また，予測モデルへの展開にあたっては定数群の決定の客観化が必要と判断された。