水流の変化を利用した呑川の水質改善

コース 科学コース

要旨

【目的】人工の呑川下流域は上流からの流れが緩やかで、汽水であるため潮の干満が発生する特殊な河川である。過去の卒業研究では、浄化剤による水質向上、及びビオトープを利用した水質改善の研究を対象とした。文献調査の結果、『河川は流水などの攪乱を受けることによって、生態系の構造に変動を与える』との報告があることが判明した。そこで今年度は『水流の変化による水質改善』に着目し、研究を進めることにした。
【方法】呑川の100分の1縮尺模型を作製した。模型の底部にパテで作製した種々の地形を置き、水流を発生させた際のDO値の測定により水質改善の効果を判定した。また、昨年度に続き北糀谷小学校のビオトープの整備を実施後、ビオトープ内での水流による水質改善も試みた。
【結果】作製した水流模型に水道水を入れシミュレーションに適するかの確認を行った。複数の地形のうち最も効果的であったスロープ型を基本とし、障害物の組み合わせを変え、水質改善により効果的な地形を模索した。昨年からの引継ぎである北糀谷小学校のビオトープの整備を行うとともに、二分されている小学校ビオトープの一方の池干しを行った。その後、他方のビオトープから水を引き込むことによって水流変化を発生させ、DO値の測定結果から水質改善の効果を検証した。以上の実験から底部における水流撹乱が十分な場合、DO値は上昇することが確認された。

目  次

1. 序論
1-1.吞川について 1
1-2.水流の変化について 2
1-3.ビオトープについて 2
2. 目的
2-1.水流実験 3
2-2.ビオトープ 3
3. 水流の変化を利用した吞川の水質改善
3-1.方法 4
3-2.作製手順 6
3-3.採水方法 7
3-4.可視化物質選定 8
3-5.水流観察及び測定 9
3-6.結果 10
4. 北糀谷小学校ビオトープ
4-1.活動内容 18
4-2.方法 19
4-2.1清掃 19
4-2.2整備 20
4-2.3測定 21
4-3.結果 22
5. 考察 26
6. 参考文献 28
7. 謝礼 29

1. 序論

■ 1-1.呑川について
呑川は、東京都世田谷区を源流に、目黒区、大田区、糀谷を流れ、途中では柿の木坂支流、駒沢支流、九品仏川と合流し、最終的に東京湾に流れる川である。二級河川のひとつであり、主に下水道として利用されている為、水質汚濁が問題になっている。
綺麗な河川の場合、川底に堆積した有機物は、好気性細菌によって、酸素を
利用して、二酸化炭素と水に分解することで、水質が保たれるが、呑川付近は住宅地が密集している為、家庭排水も多くなり、大量の有機物が堆積してしまう。好気性細菌は、大量の有機物の分解において、酸素を消費し尽くし、水中は無酸素状態になる。好気性細菌は環境に適応できず、分解されきれずに残った有機物は、無酸素の環境でも生活できる嫌気性細菌が分解、代謝産物として硫化水素が発生する。
過剰な量の家庭排水と微生物がもたらした影響により、呑川は、貧酸素状態、硫化水素を発生している。現在の呑川が近隣にお住いの方々や生物にもたらす悪影響の例として、スカムや悪臭、魚類の浮上と斃死(へいし)がある。
河川の貧酸素によって、魚類の浮上と斃死が発生する。魚類の浮上とは、酸素が比較的多い河川の上層・水面を求めて魚類が遊泳する現象である。
コイ、ボラなど、汽水域や汚濁した環境にも適応できる数種類の生物が確認できるが、これらの魚類でも酸素不足による斃死が確認される。
呑川から腐卵臭や、河川の水が白濁色になる原因は、硫化水素である。これらの他に、スカムの発生がある。嫌気性細菌が作る硫化水素は、ガスとして排出し、水面に浮上する。浮上の際に、川底の堆積した有機物や微生物が巻き込まれ、水面に球体として現れる。
現在の対策として、高濃度酸素溶解装置を用いた高濃度酸素水の投与、駆動水ポンプとオゾン発生装置とエアーポンプを用いたスカム発生抑制装置があるが、設置、長期的な稼働に費用が掛かる為、決定的な打開策までには至っていない。
また、呑川の水質問題が深刻な原因は、人工的な河川であることも挙げられる。護岸、底部はコンクリートでできており、勾配が低く、東京湾が近いため、汽水域かつ干満の影響を大きく受けやすい事が特徴である。その為、水草など、水中に酸素を供給する植物が生息することが困難である事も、好気性細菌の不活性化、水中の貧酸素問題の一部となっている。

■ 1-2.水流の変化について
 呑川の上層は、十分に酸素が含まれており、これを中層と下層に行き渡らせることで、呑川の貧酸素解消につながるのではと考えた私たちは、ホールという水流の変化のひとつに着目した。
 自然界では、水流が岩などの障害物を乗り越え、川底にぶつかって、その場をホイールのように巻き返す循環流が発生する。この水流変化は、主に上流など、流速が比較的速い川によく見られる。呑川は、水流がとても緩やかな河川である。
そのような環境下でも、ホールを発生させられるよう、障害物に工夫をする必要があると考えた。

■ 1-3.ビオトープについて
 ビオトープとは、ドイツ語で、ある生物が一生の生活に関わる場所や空間、分布や生息地を指す。近日では、自然の破壊や汚染によって、本来その場に生息していた生物が見られなくなった際、清掃や美化、生息しやすい環境に作り直し、もう一度生物を呼び戻す為のいわゆる二次的自然を示すことが多い。
 北糀谷小学校のビオトープは、児童向けの教育を目的として池や樹木、植物が設置されているが、水質やけがなど、授業や遊びの場として利用することが難しい状況である。身近に自然や生物と触れ合える環境づくりを行い、課題を解決していく事が重要だと考えられた。
今年も、課題の一つであるビオトープの水質浄化に着目した。昨年の卒業研究では、エコブロックを設置した水質の浄化を行ったが、今回は、水流による水質浄化を目的とし、水流の発生によってどのような影響が及ぶか、DO(溶存酸素量)を水質浄化の指標として活動した。

2.目的

■ 2-1,水流実験
呑川は汽水域で勾配も少なく起伏もほとんどない。上下層の混合が望めないため下層のDO値は低い。本実験ではどのようにしたら、下層まで酸素を供給させ、よりよい生態系の構築ができるかを検討した。自然の川では底部における凹凸や落差によって水の攪乱が十分に行われ、多様の生物が生息でき、生態系の改善が行われている。我々はこの点に着目し、呑川の100/1に縮尺した水流模型を作りこの中に様々な地形の変化を与えることによりDO値を上昇させる計画を立てた。

■ 2-2,ビオトープ
昨年に引き続き小学校のビオトープの整備を行う。生態系の再生を目的とした
整備・清掃の他に水流実験をスケールアップしたビオトープを利用した水流実験を行う。

最終的には
1. 水流実験で効果の高い地形をいくつか絞る。
2. 1.の実験をスケールアップした実験を小学校のビオトープで行う。
 上記の2点から呑川の水質浄化を検討する。

3,水流の変化を利用した水質改善

■ 3-1.方法
■ 今回私たちは吞川の水質改善を流れに着目し行うため、アクリル板を用いて吞川の1/100に縮尺した水流模型を作製した。

■ 設計図通りにカットしたアクリル板をグル―ガンで固定し、組み立てた。
それとは別にカーブ部分をアクリルヒーターで作製し、グル―ガンで取り付け水流模型を作製した。

■ DO計(温度計込み)PDO-519 ㈱FUSO

上記の機器で、水流模型での実験及び小学校ビオトープ水質測定を行った。
測定範囲としては、溶存酸素:0~20.0mg/L,
精度:溶存酸素:±0.4mg/L

■ 3-2,作製手順
■ 水流模型の作製手順をまとめた物が以下の物になる(図1)のようにアクリル板を準備した物を設計図通りにグル―ガンで固定し、カーブ部分をアクリルヒーターを使って作製し、グル―ガンを使い角の部分に固定した。ある程度完成した所で、水漏れのチェックを行い、ほとんどが水漏れがあったため、グル―ガンで再度固定や、水溶性テープなどで固定した。

■ 3-3,採水方法
■ 吞川の採水については、後期に採水を実地した。期間としては、10月7日~12月9日で行い、採水日は、毎週水曜日とした。採水場所としては、大森南一丁目公園で行い、採水方法としては、以下の方法(写真9)で行った。
ロープとバケツを使って、採水し、採水した物を購入したポリタンクに入れ、その場でのDO値を測定した。水流模型は、本校屋上に前述の模型を設置し、採水後1~2時間の間に実施できるよう留応した。

■ 3-4,可視化物質選定
■ 水流の変化を見やすくするためには、可視化物質を利用するのが一般的である。通常可視化実験としては、アルミ粉などを用いて行うが、処分等のことを考えて簡単に入手できかつ処分の簡単な物を選ぶ事にした。そこで今回は、食品類の使用に注目した。
選定に用いた可視化物質については、以下の通りである。上から七味唐辛子、一味唐辛子、胡椒、白すり胡麻、黒すり胡麻を可視化物質候補(写真10)とした。選定方法としては、簡易的実験装置(写真11)を用いて行い、その結果流れで一番よいと思われた黒すり胡麻を本実験の可視化物質とした。

■ 3-5,水流観察及び測定
■ 地形模索及び測定、各地形の水流変化の確認について、地形の模索を行うために、まず非行化パテで地形の模索を行い、模索した物を水流模型に設置し、最初は水道水で効果が、どのようにあるのかを確認した。その中から効果がありそうな地形を採水して来た吞川の水を入れた水流模型に地形を設置し、DO値の測定を行った。
その中から流れが良いと思われた物を選出して、可視化物質で決定した
黒すり胡麻を投入して水流変化の観察を行った。

■ 3-6,結果
水流実験測定結果の一部を以下にまとめた。
表1.水流実験におけるDO値及びDOの上昇値

測定値が安定しているものを一部掲載する。
水温とpHはDO値の上昇には関与していないと思われるので今回は測定値から除外した。

4,北糀谷小学校ビオトープ

■ 4-1 活動内容
■ 北糀谷小学校ビオトープの活動は、小学校から本学校に依頼を受けて昨年度から行われている物で、今年で2年目になる。昨年度は、北糀谷小学校ビオトープでは、水草などの清掃を行い、ビオトープ自体では、整備として泥の回収を少々行い、エコブロックなどを投入し、浄化を行う物であった。
ビオトープの全体図としては、以下の物であり、今年は、清掃・整備・測定の三点で行い、水流実験のスケールアップした実験を行いたいので整備を特に中心で行った。

■ 4-2方法
■ 4-2,1清掃
清掃は、まずビオトープのA池・B池共に増えていた水草の除去(写真16・17)を行った。取りすぎてしまうと生態系に異常が起きてしまう可能性があるため、ある程度残した。
次に周りに生えていた雑草の取り除きを行った。
その後、落ち葉など取り除き(写真18・19)を行い、出た雑草などのごみは、本学校に持ち帰り処分を行った。

■ 4-2,2整備
整備については、以下の通りである。まず清掃した段階でA池は、軽い清掃のみでそのままの状態で残し、B池の方の整備を行う事とした。
B池の整備を行う段階で晴れた日が続いた影響でB池の水が少なくなっていた所で、残っていた少量の水を取り除き、下に溜まっていた泥及び瓦礫や石の除去を行い、池干しを行った。その瓦礫などの中にもガラスなどが混ざっていてその仕分けや除去した泥を本校に持ち帰り屋上で乾かし、処分を行った。B池で池干しを行った後、雨の日が重なり、雨水が少量溜まった所で、整備を終えて、模型で行った水流実験のスケールアップした実験としてどのようにやるのか検討した結果、サイフォンの原理を推奨して行う事とした。そこでサイフォンの原理を用いた水流実験としては、実際に作製したパテを投入して行いたかったが、それが難しいと判断したため、仕分けした石などを再度投入し、そのままの状体で残してしたA池からホースを通路にしてB池の方にA池の水を送りその送る時に起きる流れを観察した。

■ 4-2,3測定
測定は、以下の写真の場所でDO値の測定を行った。清掃する段階から測定を行い、整備の終えて行ったサイフォンの原理を用いた水流実験では1時間として10分間隔で測定を行った。

■ 4-3,結果
ビオトープの測定結果を以下にまとめた。 


ビオトープの測定結果を以下にまとめた。ビオトープはDO値の中期推移(図12)と整備後1時間のDO値(図13)を掲載する。
日によって測定値にバラつきが見られるが小動物や水草の影響を考慮する必要があると考えられる。異常値があるが此方については後ほど考察する。

 5,考察
本研究では次の2点について実験を行った。それぞれについて考察を行う。
1. 水流実験
2. 北糀谷小学校ビオトープ

1.水流実験
殆どの実験でDO値の上昇が確認でき、静置状態よりもDO値上昇に有効と
判断できる。
さらに本研究では以下のことが結論できる。
(1) 生物が存在していない状況では水温及びpHはDO値と関連しない。
(2) 落差を作ることにより縦方向の水流撹乱が起こり、DO値が上昇する。
(3) 障害物の形状をスロープ型にすることでより大きな水流撹乱をすることが可能である。
1については今後小動物などを入れて実験する場合は関係してくると考えられ、ビオトープなどに反映する場合はより顕著になると予想される。
2及び3については流れの速さなどに影響されるので実際の河川の流速を測定し、流速を考慮した実験を行うことでより正確なデータが得られるものと考えられる。
今後の展望として、以下が挙げられた。
① 小動物が存在している状態で水流攪拌を行った際のDO値の変化の測定を実施する。これは、様々な条件が複合してDO値が変化するため、今回の実験では、できるだけ条件を絞り、実験を進めて行き、今後は複合的な実験を進め、実際の河川の浄化に役立つかを検討する。
② 実際の河川の流速を測定し、それを考慮した水流実験を実施する。
③ 可視化実験と水質測定実験の一本化を計り、採水から測定までの効率的な実施が必要であると考えられる。
さらに実際の河川は船などが往来するので障害物の設置場所や大きさも模索していくことが今後の課題である。

2.北糀谷小学校ビオトープ
小学校ビオトープは図8のグラフから季節が冬に近づくにつれDO値が上昇している。これは気温と水温が低下すると小動物などの活動が低下し、酸素量が増加することによるものと思われる。
今回ビオトープは片側のみ池干を行いサイフォンの原理を用いて水流実験の結果を基にした実験の実施を行った。表3及び図13は、池干し後A池からサイフォンの原理を利用して水流を起こしながら、B池への注水を行った際のDO値の変化である。10分間隔で約1時間測定したものであるが、表4による計算式から、A・B池の水質(DO)の加重平均よりも、DO値が急激に増加している。このことから、水流変化により、DO値が上昇することがスケールアップした実験からも証明できた。
今後は両方の池干を行い、DO値の推移及び生態系への影響の観察を行っていく必要がある。
表4,計算式
(A池のDO値×減少した水深)+(実験前B池のDO値×実験前の水深)
=(実験後B池のDO値×実験後の水深))

6,参考文献

相崎守弘:汽水域の特性を考慮した水質資源法とは,島根大学生物資源化学部,1997年7月11日金曜日午後6時より

石井幸治:流れの可視化技術のまとめ,九州大学応用力学研究所技術室

馬場将輔,山本正之,渡辺幸彦:流水式回流水槽によるワカメの水温と水流に対する生育反応,海生研研報,第9号,55-64,2006

波多野圭亮,竹門康弘,池淵周一:貯水ダム下流の環境変化と底生動物群集の様式,京都大学防災研究所年報第48号B平成17年4月

江藤剛治,竹原幸生,横山雄一,井田康夫,水流の可視化に必要な関連技術の開発-比重整合・屈折率整合・多波長計測-

栗須生登,田中清裕,Flow Visualization とその応用

鵞流庵,日本川旅研究会,ホールのできる原理とホールの種類

7,謝礼

今回研究を進めるにあたり指導してくださいました三澤勝已先生、川添一郎先生並びに東京バイオテクノロジー専門学校の教員の皆様に心から感謝御礼申し上げます。また、今実験を進めるにあたりご協力してくださいました大田区立北糀谷小学校様に厚く御礼申し上げます。

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