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水土の知を学ぶ
小泉 健
5. 循環を知るための水の科学
(1) 水の三態
自然界の中では、水は3つの状態で存在しています*1。水という名称は主として液体の状態にあるものをさしていますが、固体の水は氷、気体の水は水蒸気と呼びます。液体の特徴は無秩序な分子運動とよわい分子結合にあります。 水の分子運動の結果、分子は個々ばらばらに大気中に表面から飛び出していくことができます。大気中に移行していく分子の数は、分子の運動の速さや水の温度によって異なります。氷は熱伝導性の小さい物質ですが、これは氷が水面上に浮遊できる性質とあいまって、氷面下にある水の熱量を保存し、河川の貯水池や池などで底まで氷結することを防ぎ、そのお陰で水中生物の生活が保護されています。 水の密度の最大値は、4℃において観察できます。また、ある与えられた物質の質量1gを1℃だけ温めるために要する熱量を熱容量と呼びます。一般に水の熱容量は、他の物質の熱容量と較べて最も大きい値を示します。水の熱容量が大きいことから加熱されることによって水の陸における様々な現象が説明できます。地表と水面の間で著しい温度差が生じた場合、そのエネルギーによって空気の移動が起こります。海風や陸風と呼ばれる気象現象がその例です。 蒸発は1気圧のもとでは、0℃から100℃までのどの温度下においても起きています。しかし、水面上の水蒸気は、外部の条件に変化のないかぎり増減しなくなります。水蒸気と水とが平衡状態になった時、この水蒸気を飽和水蒸気といいます。 地球上の温暖の場所から冷温の場所に移動した水蒸気は、液体へと凝縮しはじめますが、その際に水蒸気となるときに蓄積した熱量を分離します。放出された熱によって大気と地球は温められます。水蒸気を形成する2番目の現象は沸騰です。沸騰は水蒸気泡がその液体の内部に生成する現象です。また、水蒸気から水への逆の過程を凝縮といい、塵や小さな水滴が存在すると、水蒸気の凝縮が促進されます。 このような3つの形から、水は蒸発し、雲をつくり、雨となって降り注ぎます。あらゆるものを溶かしていた水は、蒸発することにより清浄な淡水に戻り、降雨として再び地上に降りてくることで、私たちの循環を支えているのです。 (2) 水の化学性 自然環境内で生じる多くの事象を把握する場合、水の化学性*2も理解する必要があります。まず、分子式H2Oであらわされる分子の液体状態を水と呼びます。水には数多くの物質を多量にとかすことができるという特徴があります。このために、天然には純粋な水はほとんど存在しません。水蒸気が大気中で凝結して地上に降ることを繰り返す間に、大気中の二酸化炭素などの気体や、少量ですが有機物や無機物が、雨や雪に吸収され地上に運ばれてきます。 地表や地殻を動きながら、水は土壌や岩石中のミネラルを溶かします。地表水や地下水に溶けているおもなものは、硫酸イオン、塩素イオン、ナトリウムやカリウムの重炭酸塩、カルシウムやマグネシウムの酸化物などです。海水には塩(しお)が濃縮されていますが、塩以外にも多くの可溶性物質が溶け込んでいます。また、いろいろな物質を溶かし込んだ河川や川の水がたえず海洋に流れ込んでいます。 今、地球環境問題の一つとして問題となっているものに、酸性雨があります。この原因は、石炭や石油などの化石燃料の燃焼などによって、硫黄酸化物や窒素酸化物が大気中へ放出されることにより、これらのガスが雲粒に取り込まれて複雑な化学反応を繰り返して硫酸イオン、硝酸イオンなどに変化し、強い酸性を示す降雨または乾いた粒状の物質として降下するためと言われています。 酸性の強さをしめす尺度としてはpH（ピーエィチ）が使われています。pHの値が小さくなるほど酸性が強く、中性はpH7です。一般的にはpH5.6以下の雨が酸性雨とされています。もともと自然界のpHはなぜ中性附近に保持されているのでしょうか。これは水中に多く物質が溶け込んでいることに起因しています。大気中に0.03%存在する炭酸ガスと水中に溶けた炭酸ガスが炭酸平衡に達していることが大きな理由です。しかし、このバランスが崩れつつある現在、酸性雨による森林の荒廃、湖沼における生態系の破壊、建物の劣化、地下水の酸性化、赤潮の発生など様々な課題が深刻化しています。 このほか、自然水中の鉄、マンガンの量や質の変化です。水中の鉄･マンガンの量の変化は、季節の移り変わりや気候、揚水量などに影響され、特にダムや湖沼水、浅井戸水にその影響が多くあらわれます。変化の大きいときなど数倍も違うことがあります。鉄、マンガンに限らず他の水中成分についても、できるだけその変化の化学的性質を知ることが大切です。 (3) 水環境の物理性*3 水環境の構成を左右する因子の中には、希釈、拡散、濃縮、沈殿、浮上、放散、吸着、ろ過などの物理的な過程が含まれています。水域内での水質の変化を流れに沿ってみると、一般的には上流部で比較的清浄なものが、人が関与して水を消費するにつれて質は低下し、複雑な組成となる場合が多いのです。日本の水質基準は、濃度規制であり、汚濁水を放流する場合、清水で希釈すればこと足りるとされた時代もありました。しかし、汚濁の限度が一定の限界を超えると希釈の方法は使えなくなります。それは循環の能力を超えた汚濁となったためです。 水域に流入した微細な砂や有機固形物、あるいは水中で発生する動植物プランクトンなどは水と密度差があるため、水中を沈殿したり、浮遊したりします。一定の粒子が水中を沈殿する際には、重力と浮力とが働き、その差が粒子の沈殿(浮上)速度を支配します。粒子が沈殿する際には水の抗力が働き、その値と重力と浮力との差が沈殿粒子の速度を決定します。 地下水の流れ、あるいは表流水が砂や石ころの場を流れて地下へ浸透していく流れでは、構成土壌や砂層で粒子の物理的な抑留が起きたり、溶解物については化学的な吸着や生物学的な分解を受け、水質を変化させます。これがろ過です。 水の流れには、様々な形があります。 ある地点で流速・圧力等が時間的に変化しない流れを定常流、変化する流れを非定常流といいます。定常流で流速、通水断面が場所的に変化しない流れを等流、変化する流れを不等流といいます。等流は断面が一定の開水路や管水路で、不等流は自然河川などでみられます。 水の運動状態を微視的にみれば、層流と乱流に分類されます。分子一つひとつの流れをみると、分子が描く流線が層状で安定しているものが層流、流線が乱れて激しく混合するものが乱流となります。 開水路の流れには、平均流速Uと長波速度(gD)1/2(D=A/B:水理水深、A:断面積、B:水面幅)の大小により重力が支配的な常流と流れの慣性力が大きい射流に分けられます。また、水の流れは、質量の保存則を示す連続方程式があります。そして、連続体の力学として問題をとらえ、圧力という流体特有の概念に立って、理想化ではあるが粘性のない流体、すなわち完全流体の運動の基礎方程式を導き出したのが、Ｌ．オイラーです。 これに先立ち、圧力、運動エネルギーおよび位置エネルギーの総和が流線に沿って一定であるというベルヌーイの定理があります。これらの物理性は水環境の現象解明や対策技術、さらに予測モデルの構築など、水環境の循環を評価するのに重要な手法となっています。 (4) 水環境生物 水質指標とは、水の清澄さや汚濁の度合いを定量的に示すもので、物理的指標、化学的指標、生物学的指標に分類できます*4。 物理的指標には、水温(water temperature)、濁度(turbidity)、懸濁物質(SS:Suspended Solids)、透視度(transparency)、色(color)、臭気(odor)があります。 化学的指標には酸性雨のような環境問題にも取り上げられ、酸性・アルカリ性を評価し、水質の基本特性を評価するpH、排水源の特定や水の流動性を評価する電気伝導度(EC)、水中に溶けている酸素量により健全性を評価する溶存酸素(DO)、有機物質が多いほど大きい値を示す生物化学的酸素要求量(BOD)、化学的に有機物・無機物を酸化させ消費した酸化剤の量を酸素量に換算した化学的酸素要求量(COD)、酸化されうる有機物の全量を示す全有機炭素(TOC)、有機物のC、H、N、S、P等によって消費される酸素の全量を示す全酸素要求量(TOD)、窒素(N)、リン(P)、塩化イオン(CL－)、硫酸イオン(SO42－)、カルシウム(Ca)、ナトリウム(Na)、鉄(Fe)、農薬、重金属類、トリハロメタン(THM)、外因性内分泌攪乱化学物質があります。 生物学的指標には、クロロフィルム、藻類生育ポテンシャル、一般細菌、大腸菌群などがあります。 水質汚濁による被害や影響としては、上水道、農業用水、水産用水、工業用水等の利水の面で障害があげられます。水質汚濁は水中および水辺の動植物相を変化させ、ひいては生態系のバランスや親水機能を崩します。この影響は食物連鎖の頂点に立つ人間へ達し、生物濃縮による母乳の安全性が議論されています。 汚濁物質の発生源は自然的および人為的発生源に分類されます。人為的発生源には、鉱山、工業、都市、農業等があります。鉱山排水には重金属が、工場からの排水には水銀やヘドロ汚染が、都市下水には大量の有機物や窒素・リンが含まれます。農業排水からは肥料中の窒素・リンや農薬が、畜産業からは糞尿中の有機物や窒素・リンが流出します。 農業用水の汚濁が農業に与える影響には、（1）酸、アルカリ、塩類、過剰窒素等による生育障害、（2）カドミウム米のように品質の低下、（3）ゴミによる通水障害や酸性排水による金属の腐食等農業用施設への影響、（4）悪臭やユスリカ等による農業者や周辺住民への影響などがあげられます。 これらの水質を保全するために環境基本法のもとに、水質汚濁防止法による水質環境基準があります。 自然界の水には、これらの汚濁物質を浄化する環境生物群があります。その代表は微生物です。狭義には、細菌、真菌類、ウィルスを指し、広義には原生動物、微小後生動物、微細菌類などが含まれます。環境生物群の代表であるプランクトンは、遊泳力がないか、あっても非常に小さいために水中に浮漂あるいは浮遊して生存する生物群で、植物プランクトンと動物プランクトンに分けられます。 陸域と水域のように二つの異質な生物環境が隣接している場所では、その境界部に環境諸条件の連続的な変化があり、それに伴って植物群落や動物群集の移行が見られます。このような場所を推移帯(エコトーン)と呼びます。淡水域ではヨシ、ガマ、ヒシ、ホテイアオイ等の大型水生植物が、藻場ではアマモ、ホンダワラ、マコンブ等が生息し、物質循環や水質浄化に重要な役割を果たしています。そして、海洋、湖沼、河川などの水域の水底に棲む生物を総称して底生生物と呼びます。魚類はもとより、貝類、エビ類などが該当します。
小泉 健 H20.6.13
*1 ゲ・ユルコフ、水の本性、東京図書、pp7-32(1962) *2 宗宮功、津野洋著、水環境基礎科学、コロナ社、pp16-45、pp66-73、pp106-137、 1997．4．25 *3 農業土木学会編、農業土木ハンドブック基礎編4水理、pp74-80、2008.8 *4 農業土木学会編、農業土木ハンドブック基礎編6水質・水処理、pp124-130、2008.8 |
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