氏    名  杉 原 幸 樹 (すぎはら こうき)

学位論文題目  水循環構造を踏まえた積雪寒冷地停滞性水域の
        水質改善方法に関する研究

論文内容の要旨

 都市化によって流末の停滞性水域の富栄養化が問題となり,これらの水質の浄化のために多くの研究が行われているが,各地の水質障害は主に夏期に起こり,冬期の影響について十分な検討はなされていない。また,結氷下の水質挙動について経時的,定量的な評価及び観測事例は非常に少なく,寒冷地の経年的な水質予測を行った例はない。そのため寒冷地水域の水質改善策を策定するには,経年的な評価を行えない問題があった。
 そこで,本研究は札幌市の流末水域である茨戸川に注目し,茨戸川の水質改善方策について検討,評価することを目的とした。茨戸川は全面結氷するため,結氷下の水質挙動を考慮できる方法で水質改善策を検討することが必要となる。まず,観測データから水域特性の把握を行い,水質予測モデルを構築した。次に,モデルを用いて導水による水質改善策を検討,提案し,実施された改善策の効果を検証した。さらに,結氷に注目して気候変動の水質への影響について検討を行った。
 最初に水域の特性を整理した結果,茨戸川への都市排水の流入負荷量は年々減少しているが,茨戸川の水質は改善されていないことがわかった。これは,茨戸川自体の底泥の巻上げなどの内部負荷や滞留時間が長いなどの特性が原因であり,負荷量削減対策では水質改善の限界であることが推察される。また,冬期の水質観測結果から,結氷下では嫌気化が進行し,栄養塩が溶出することが明らかとなり,冬期に蓄えられた栄養塩が解氷後に植物プランクトンの増殖に利用されることがわかった。そのため,茨戸川水質における水質改善策は結氷影響を考慮する必要がある。そこで,水域特性や結氷条件を反映させて,植物プランクトンを中心とする物質循環を考慮した水質予測モデルを構築し,結氷期を含めて,良好な時空間の再現性を有することを確認した。
 本モデルにより,寒冷地での複数年の連続的な水質予測が可能となり,最上流部より石狩川河川水の導水を複数年継続することで,茨戸川の水質改善が見込めることを提示した。その後実際に導水が実施され,水質が改善されていることも確認している。また,導水による水質改善は希釈による直接的効果と導水の継続による滞留時間の減少,窒素供給の減少による内部生産抑制の間接的効果によると推測され,観測結果からも同様の傾向が確認された。さらに,今後の問題として気候変動による水質への影響が懸念されることから,計算および観測結果によって気候変動影響を分析すると,気温の上昇により結氷期間が短縮され,春期の水質が悪化する可能性が示唆された。その対応策として導水期間の延長が有効であることを示した。以上のことから積雪寒冷地停滞性水域の水質改善策として,断続的でも複数年の導水が有効であることが確認された。

論文審査結果の要旨

 本論文は停滞性水域の水質改善方策の提案を目的とした一連の研究成果をとりまとめたものである。都市化によって流末の停滞性水域の富栄養化が問題となるが,関連研究の多くは夏期に起きる水質障害についてであり,冬期の影響は十分に検討されていない。また,結氷下の水質挙動について経時的,定量的な評価及び観測事例は非常に少なく,寒冷地の経年的な水質予測を行った例はない。そのため寒冷地水域の水質改善策を策定するには,経年的な評価を行えない問題があった。そこで,本研究は札幌市の流末水域である茨戸川に注目し,茨戸川の水質改善方策について検討,評価することを目的としている。茨戸川は全面結氷するため,結氷下の水質挙動を考慮できる方法で水質改善策を検討することが必要となる。まず,観測データから水域特性の把握を行い,水質予測モデルを構築した。次に,モデルを用いて導水による水質改善策を検討,提案し,実施された改善策の効果を検証した。さらに,結氷に注目して気候変動の水質への影響について検討を行った。
 最初に水域の特性を整理した結果,茨戸川への都市排水の流入負荷量は年々減少しているが,茨戸川の水質は改善されていないことがわかった。これは,茨戸川自体の底泥の巻上げなどの内部負荷や滞留時間が長いなどの特性が原因であり,負荷量削減だけでは水質改善に限界があることが推察される。また,冬期の水質観測結果から,結氷下では嫌気化が進行し,栄養塩が溶出することが明らかとなり,冬期に蓄えられた栄養塩が解氷後に植物プランクトンの増殖に利用されることがわかった。そのため,茨戸川水質における水質改善策は結氷影響を考慮する必要がある。そこで,水域特性や結氷条件を反映させて,植物プランクトンを中心とする物質循環を考慮した水質予測モデルを構築し,結氷期を含めて,良好な時空間の再現性を有することを確認した。
 本モデルにより,寒冷地での複数年の連続的な水質予測が可能となり,最上流部より石狩川河川水の導水を複数年継続することで,茨戸川の水質改善が見込めることを提示した。その後実際に導水が実施され,水質が改善されたことも確認している。また,導水による水質改善は希釈による直接的効果と導水の継続による滞留時間の減少,窒素供給の減少による内部生産抑制の間接的効果によると推測され,観測結果からも同様の傾向が確認された。さらに,今後の問題として気候変動による水質への影響が懸念されるが,計算および観測結果によると,気温の上昇により結氷期間が短縮され,春期の水質が悪化する可能性が示唆された。その対応策として導水期間の延長が有効であることを示した。
 以上の研究成果は,国内外の停滞性水域,特に積雪寒冷地の水質改善方策の策定に大きく寄与すると判断されることから,本論文は博士(工学)の学位を授与される資格があるものと認められた。