流域環境管理に関する国際共同研究（重点共同研究）
平成8〜12年度

(1)衛星画像を用いた洞庭湖・ハン陽湖周辺の洪水氾濫による被災面積の推定

　1998年7～8月の長江流域での大洪水（中国では20世紀第2番目の規模）は，中流域に位置する洞庭湖・ハン陽湖周辺に，3210km²（東京都の1.5倍，琵琶湖の4.8倍の面積）に及ぶ洪水被害をもたらした．こうした広い領域での洪水状況を高頻度で把握するためには，1日2回の観測画像が得られ，観測幅2700kmで中程度の解像度という特徴を持つNOAA/AVHRRの衛星画像データの利用が最適である．先ず，地表面の植生の繁茂状況を代表する正規化植生指標(NDVI)を用いて，地表面が水で覆われているかどうかを識別し，洪水の氾濫域を特定する．次に，地理情報ソフトを用いて，標高，土地利用の各データ上に氾濫域を重ね合わせることで，被災面積が推定される．本推定法を用いて，洪水ピーク時（8月22日）における洞庭湖・ハン陽湖周辺の氾濫による被災面積を推定した結果は，農耕地の被害面積は2076km²（水田1120km²，畑956km²），全洪水被害面積3589km²であった．この推定値は，中国が公表している被害面積である1970km²，3210km²に近く，十分に実用レベルにあると考えられる．


(2)大流域降雨流出モデルでの利用を目的とした日降水量の比較検討

　流域面積180万km²（日本の約5倍弱の面積）という長江流域全体を対象として，降雨により流域から河川に流入する水量と河川流量を推定しようとする水文モデルの精度は，入力すべき日降雨量の推定値の精度に大きく依存する．対象とする流域の面積規模からすると，地球全体を対象として，一組の推定データセットにまとめられたものの活用が望ましい．幾つかの全球規模での降水量の推定値データセットが発表されているが，中国大陸におけるデータセットの固有の特徴（長所・短所）については，これまで検討されることはほとんどなかった．ここでは，代表的なデータセットであるヨーロッパ中期予報センター(ECMWF)，熱帯降雨観測ミッション(TRMM)，全球降水量気候計画(GPCP)の時間的，空間的精度を1998年夏期の長江流域を対象に比較検討した（図-1）．その結果，局地的な豪雨現象が十分に再現できないデータセット，現実の晴天日に相当量の降水量を推定したり，逆に実際の日降水量が多い日には過小に推定する傾向があるデータセット，といった地球規模の日降雨量データセットが抱える幾つかの重要な問題点を初めて指摘した．

(1) 長江の河川水質に関する調査研究

　1998，99年の10～11月，長江の重慶－上海間，洞庭湖，ハン陽湖で採水を実施し（図-2），山間部～沖積低平地～河口に向かう水質変化と湖沼群の水質の特徴の把握を行った．その結果，以下のことが理解された．1) 長江の河川水質の特徴に大きく影響する要因は懸濁物質の濃度であり，上流の高濃度が洞庭湖，ハン陽等の湖沼群での沈降・堆積を経て，急激に濃度が低下する．長江の河川水質の特徴に大きく影響する要因は懸濁物質の濃度であり，上流の高濃度が洞庭湖，ハン陽等の湖沼群での沈降・堆積を経て，急激に濃度が低下する．生物生産が低いため，日本の河川に比べて窒素濃度が高い割には有機物による汚濁が低い（図-3）．

(2) 炭素安定同位体を用いた生態系炭素循環の解析

　水界生態系におけるエネルギーと有機物の流れを担う食物連鎖は，通常，光合成によって無機炭素を有機物に変換する植物プランクトンを主な生産者として，動物プランクトン，魚類等の消費者を支えていく構成となっている．しかし，長江では上流から供給される大量の土砂により河川水が濁り，植物プランクトンにとって太陽光エネルギーの利用が厳しく制限された状態となって，通常とはかなり異なった状況を呈している．ところで，水界生態系内でのエネルギーと有機物の流れの経路には，水中に溶存している有機物（エネルギー源）を細菌が取り込み，原生動物から魚類へと消費者段階が高次に移る微生物食物連鎖というもう一つの経路が存在する．ここでは，現地の河川水の一部に¹³C安定同位体で標識した無機炭素あるいは有機炭素を溶かして培養し，河川水中の植物プランクトンや細菌による¹³C安定同位体の取り込み量と光合成生産と細菌生産から動物プランクトンへの捕食を通じた炭素の移送割合を計測した．その結果，長江生態系の有機物の流れは，上流では光合成に必要な栄養は十分に供給されているにも関わらず光が強く制限されるために細菌経路が卓越し，一方，中流の湖沼群で土砂が沈降し光制限から解放される下流では，光合成経路が卓越していることが判明した．

長江流域内での降雨による土砂輸送のシミュレーション

　長江流域全体を対象として，降雨が河川流量へ変換される過程とその過程で水によって土砂を初めとする種々の物質の輸送過程の実態を数値シミュレーションモデルを用いて視覚化し，その理解に反映させた．モデルの最大の特徴は植生被覆，土壌構造，土地利用等の地理的な不均一性が組み込み可能な点であり，広大な長江の地理環境情報がモデルに反映されている．数値シミュレーションは1987年と1988年を対象に実施した．降雨による流出の計算結果は大通（源流から5750km）での観測値とよく一致している（図-4）．一方，土砂流出の計算結果は宜昌（源流から4700km下流）での観測値と比較すると，洪水期の大規模な土砂流出現象を十分に再現できなかった．これは2.1(2)で指摘したように，計算に用いた日降水量の推定データの精度の低さが原因と考えられた．地球規模の日降水量の推定データセットではなく，地上観測値を用いて，宜昌より上流に位置する嘉陵江流域を対象にしたシミュレーション結果は，開発したモデルが長江流域の降雨流出・土砂輸送を十分に再現できることを示している（図-5）．

　本研究の現地調査は秋期の2回に過ぎず，長江という大河を理解する上で，まだまだ知見が不足している．今後は，特に長江の水界生態系の構造への理解を深めるため，観測時期を変えるとともに，さらにダム湖・湖沼群での詳細な水質・生態系の調査を課題と考えている．

表－１ 炭素安定同位体¹³Ｃを用いた光合成経路と細菌経路に関する培養実験結果（1999年11月）

• 正規化植生指標(NDVI)
  　植物に含まれるクロロフィルは，青と赤 (R) の光を効率良く吸収し，同時に近赤外域の光(NIR)を強く反射する．この植物の分光反射特性を利用し，衛星データから地表の植生被覆状態を推定するための指標を植生指標と呼ぶ．観測条件の相違による影響を小さくし，反射特性を強調するために，(NIR-R)/(NIR+R)と正規化したものが正規化植生指標(NDVI)である．
• NOAA/AVHRR
  　衛星モニタリングにおいては，対象とする地上での現象の時間・空間規模に応じて，時間分解能（観測頻度），空間分解能，観測波長帯の衛星機体とセンサによって決まる3要素にもとづいて，使用する衛星データを選択する．地球観測衛星NOAAに搭載されたセンサAVHRRは，高い時間・空間分解能と，可視～熱赤外領域という観測波長帯を有しており，洪水，広域的な植生監視，広域的な農作物の作物面積推定・収量予測，土地利用変化監視等，広範囲な諸現象のモニタリングに有効に使用されている．
• 地理情報システム(Geographic Information System)
  　地域に関わる種々の情報を図形に結びつけて管理し，図形の相互関係，図形の属性情報等を利用して加工し，出力するシステム．
• 炭素安定同位体トレーサー法
  　自然界では，炭素は質量12のもの（¹²C）が約99%占めているが，質量13の炭素¹³Cがごくわずか存在している．¹³Cは重さだけが異なり，化学的な挙動は¹²Cとほとんど同じであるという性質を持っている．従って，このわずかな質量差を持つの炭素¹³Cを標識・目印（ラベル）にすると，食物連鎖中で，どれくらいの有機物が，どのように，より高次の消費者に伝達されているを追跡（トレース）することができる．
• 光合成食物連鎖と微生物食物連鎖
  　一次生産者から消費者レベルを経て最高次捕食者レベルまで，食物に含まれるエネルギーと有機物の転送を表すのが食物連鎖である．水界生態系においては，(1)光合成経路：溶存無機炭素→植物プランクトン→動物プランクトンに至る経路，(2)微生物（細菌）経路：溶存有機炭素→バクテリア→原生動物→動物プランクトンに至る経路，という2つ食物連鎖(経路)を通じて，炭素・エネルギーが高次栄養段階に輸送される．