漁川ダム貯水池における 水質保全の取り組みについて - …ジェオスミン...
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Masahiro Yasuda,Toshiaki Kikuchi,Takahiro Nishida
平成24年度
漁川ダム貯水池における 水質保全の取り組みについて
札幌開発建設部 千歳川河川事務所 漁川ダム管理支所 ○安田 昌弘
菊地 敏秋
西田 貴博
漁川ダム貯水池は、道央圏4市の水道水源として重要な役割を担っており、水環境を保全し
ていくことが重要である。しかし、長年、カビ臭が問題となり、湖水循環装置の設置や堆砂掘
削を中心とした対策が実施され水質保全に努めてきた。本報告は、漁川ダム貯水池に設置され
た湖水循環装置による水質保全の取り組みと、その効果について水質調査結果を考察し報告す
るものである。
キーワード:水質保全、湖水循環
1. 漁川ダムの概要
漁川は、千歳川 大の支川であり、その源は漁岳に
発し、幹線流路延長46.8kmである。
漁川ダムは、千歳川水域総合計画の一環として、千
歳川合流点より約25km上流の恵庭市漁平に昭和55年に
完成した多目的ダムで、堤高45.5m、堤頂長270.0m、総
貯水容量15,300千m3、流域面積113.3km2、湛水面積1.1km2
を有するロックフィルダムである。洪水調節、正常流
量の確保のほか、石狩東部地区の水道用水供給を目的
とした多目的ダムである。図-1に位置図を示す。
図-1 恵庭市(漁川ダム)の位置
2. これまでの課題と対策の経緯、現状の課題
(1)カビ臭の発生と防止対策の経緯
漁川ダムの集水域には特定の汚濁源はない。しかし、
平成 5 年より顕著にカビ臭が起こり、利水者より早急
な対策が求められていた。この要請を受け、平成 11 年
より本格的な原因を究明した結果、カビ臭物質はジェ
オスミンによるもので、カビ臭発生のメカニズムは次
のとおり推定された。模式図を図-2に示す。
① 堆積土砂の進行により、貯水池上流部に棚状の浅瀬
が形成される。
② 貯水池内に流入する放線菌が、棚上の浅水部で日光
により水温上昇した環境下で活性化し増殖する。
③ 増殖した放線菌は、棚部から嫌気化した貯水池深水
部に移流する。この深水部に放線菌が沈降すると希
薄な酸素のため死滅する。
④ 放線菌体内に生成されたジェオスミンが水中に拡散
し、漁川ダムのカビ臭発生の原因となっている。
これらを踏まえ、平成 13 年より 5ヶ年計画で貯水池
水質保全事業を立ち上げ、カビ臭の防止対策として放
線菌の繁殖域となっている浅瀬の解消と、堆積土砂の
形状が要因で貯水池深層部に形成された嫌気層の改善
を主目的として、湖水循環装置の導入、堆砂掘削など
が実施された。図-3にその模式図を示す。
図-2 カビ臭発生のメカニズムの模式図
図-3 カビ臭防止対策の模式図
Masahiro Yasuda,Toshiaki Kikuchi,Takahiro Nishida
(3)水質保全の目標と対策
a)貯水池水質保全事業の概要
貯水池水質保全事業の具体的対策として、平成 14 年
度から堆積土砂の掘削が開始され、曝気式湖水循環装
置の設置に関する検討が行われ、翌年、カビ臭発生の
抑制対策としてダムサイト湖底付近に曝気循環装置を
設置、同年稼動が開始された。
b)水質改善目標と曝気式湖水循環装置の設置
漁川ダムでは、貯水池の嫌気化改善に必要なDOを
6mg/L以上として目標値を設定している。これは既往の
カビ臭発生期間におけるDOとジェオスミンの関係より
設定したものでその関係図を図-4に示す。この相関関
係によればDOが6mg/L程度に低下した時、ジェオスミン
濃度は5ng/L程度に上昇する。この濃度は、過去に水道
利用者から苦情があった 小濃度であり、ジェオスミ
ン定量下限値と同程度である。従って、カビ臭の改善
目標値として、ジェオスミン5ng/L以下とし、貯水池の
嫌気化改善に必要なDOを6mg/L以上とした。
湖水循環装置は、間欠式空気揚水筒式が採用され、
融雪出水後の 5 月中旬から 9 月中旬のカビ臭発生の
恐れがある期間において連続運転を行っている。設
備概要を図-5 に示す。
図-4 DO とジェオスミンの関係
図-5 間欠式揚水筒型曝気装置の概要
c)堆砂掘削の概要
漁川ダムの堆砂形状の特徴は図-6 に示すようにテラ
ス状の堆砂棚が縦断的に発達し、制限水位との水位差
は、2~3m 程度であった。さらに、堆砂棚下流端からダ
ムサイトまでは、13~15m の深度が続くため水循環が鈍
く、深水部では嫌気層を形成している。
堆砂掘削は、堆砂棚部の水深を確保し、放線菌の抑
制を図る目的で、約 60 万 m3 の土砂掘削がを行い、制
限水位との水深は、4m 程度確保された。掘削形状は、
カビ臭発生が顕著となる以前の S60 頃の河床と近似す
る。
図-6 漁川ダムの堆砂状況
(4)循環装置運用後の効果と課題
事業着手前から循環装置設置後のDOとジェオスミン
の濃度推移は、以下に示す表-1、図-7のように示され
る。事業実施前に比べ、事業実施後はDO濃度は管理目
標値を概ね達成している状況にあり、ジェオスミン濃
度は低く安定しており、堆砂掘削並びに湖水循環装置
設置については効果が認められた。
表-1 DO、ジェオスミン平均濃度の推移
図-7 DO、ジェオスミン濃度の推移
事業期間 DO(mg/L) ジェオスミン(ng/L)
実施前(H9~H13) 5.0 13.6
実施中(H13~H18) 5.5 6.7
実施後(H18~H23) 7.9 5.6
0
2
4
6
8
10
12
14
H8 H9 H10 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 H19 H20 H21 H22 H23
DO(
mg/L)
目標値 6.0mg/L 以上
事業実施前 事業実施中 事業実施後
0
10
20
30
40
50
H8 H9 H10 H11 H12 H13 H14 H15 H16 H17 H18 H19 H20 H21 H22 H23
ジェ
オス
ミン
(ng/L)
水道水基準値 10.0ng/L 以下
事業実施前 事業実施中 事業実施後
DO(下層)
DO(底泥直上)
DO平均値 DO目標値
ジェオスミン(下層)
ジェオスミン(底泥直上)
ジェオスミン平均値 ジェオスミン目標値
0
2
4
6
8
10
12
14
16
5/13 5/28 6/12 6/27 7/12 7/27 8/11 8/26 9/10 9/25
DO (mg/
L)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
ジェオ
スミン
(ng/
L)
DO
目標値
ジェオスミン
●施設諸元・空気揚水筒 1台・コンプレッサー 22kw・空気量 3,700L/min
145
148
151
154
157
160
163
166
169
0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250
貯水
位[
EL]
(m)
ダム堤体からの距離(m)
S54河床
S60河床
H13河床
H17河床
常時満水位 EL=164.3m
制限水位 EL=161.0m
最低水位 EL=154.6m
水質運用水位(変更前) EL=159.0m
水質運用水位(変更後) EL=157.0m
930m
深層部 堆砂部
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しかしながら、循環装置設置・稼動後の平成18 年に
は小規模なカビ臭の発生や、平成20 年度においてもジ
ェオスミン濃度も高くなる時期があった。これは、渇
水等により貯水位低下時やダム流入量減少時にDO濃度
の低下が生じていたものと推定される。図-8に、平成
20年のダムサイトDO鉛直分布を示す。これによれば、5
~6月(EL160m以上)はDOの鉛直分布の大きな濃度差は
発生せず、低い水位で運用される7~9月に下層付近の
濃度低下が発生している。
図-8 DOの鉛直分布(H20ダムサイト)
以上のことから、渇水等による貯水位、流入量低下
時において嫌気化することが推察されたため、現有循
環装置の能力と効果を踏まえた新たな湖水循環装置の
増設仕様、位置、運用方法等の検討実施が必要となっ
た。
3.湖水循環装置増設の検討と概要
(1)現有機の機能検証と課題の整理
循環装置の増設検討にあたり、現有循環装置の能力
と効果を把握するため、投げ込み式水質測定器による
水質調査とADCPによる湖水流動計測を実施した。あわ
せて、湖水および底泥が必要とする酸素量を把握する
ため、酸素消費速度試験を行った。図-9に調査位置図
を示す。また、現有循環装置の運用を加味した貯水池
の水質変化予測を行うため、流入水質・放流量などの
「水象条件」、「気象条件」、「水質条件」を用いて、
鉛直2 次元流動モデル4)を基礎とし、水温や植物プラン
クトン(クロロフィル換算)消長を計算する水質モデ
ルを運用し、貯水池内の流動・DO 等について計算した。
図-9 湖水流動計測試験位置
湖水流動調査の結果を表-2、図-10に示す。現有循環
装置の有効範囲は、貯水位159.3mで100mであり、水位
が3m程度低下した場合、有効範囲が50mと循環能力が
半減しており、下層付近の循環混合効果が低下してい
る。また、循環装置の気泡吐出敷高がEL155.0m であり、
水位がEL156.0m 以下まで低下した場合、循環機能が大
幅に低下することが推定された。
表-2 現有循環装置の水位別能力比較
図-10 水質測定器・ADCP測定結果
図-11は、ダム流入量が低水流量相当のQ=3.0m3/s時
にEL156m、EL158m、EL160m 及びEL162m で運用した場合
の鉛直2次元モデルによる計算結果で、DO 濃度の目標
値である6.0mg/L を1 日目で下回る可能性を示している。
このことは、湖水循環装置を常時運用し貯水位が高い
145
150
155
160
165
4 6 8 10 12 14
DO(mg/L)
貯水位(
m) 5/15
6/19
7/16
8/13
9/17
取水塔
湖水循環装置ADCP観測・湖水底泥採取
水質機器測定測線
測定時の貯水位 159.3m 156.6m
循環装置近傍の流速 50mm 20mm
鉛直循環発生地点(循環装置からの距離)
有効な循環流の到達距離
(循環装置からの距離)
30m 20m
100m 50m
(mg/L)
100m 0m 100m
流動到達距離 100m
鉛直循環範囲 30m
流動到達距離 50m
鉛直循環範囲 20m
DO
(循環装置設置箇所)下流(ダムサイト)方向上流方向
09/08/24 WL=159.3
09/09/14 WL=156.6
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場合でも、ダム流入量が減少時には底層へのDO供給が
不十分となり、嫌気化が進行することを意味している。
貯水位を156m 付近で運用したケースでは、湖水循環
装置がその構造上機能しなくなる(揚水筒TOP より水
面までの距離が1.0m 以下になる)ため、DO 濃度の急速
な低下が発生し、下層DO 濃度は1日で6.0mg/Lを下周り、
7 日間程度で5mg/L 以下まで低下している。
漁川ダムの 低水位はEL154.6mで、EL156.0m~154.6m
の間で水位管理がなされる場合(目標確保水位で8月下
旬~9月上旬)、循環装置が機能停止した際にカビ臭発
生リスクが高まることになる。
図-11 流入量の違いによる下層DO濃度の変化
(2)増設機の選定
循環装置に必要な機能はEL152.0m以深への恒常的なDO
供給である。この条件に適応する機種として、表層の
酸素豊富な水を直接下層に送水することができること、
気泡より広範囲に酸素を供給できること、経済性等を
勘案してプロペラ式循環装置を選定した。設備諸元を
図-12に示す。
定格流量:1,000m3/h
定格出力:2.2kw
図-12 プロペラ式循環装置の概要
循環装置に求められる能力は、貯水位低下時に現有
循環装置が機能停止した場合に発生する嫌気層の酸素
濃度を回復させるために必要な酸素量を恒常的に供給
することである。必要酸素量は、底泥および湖水の酸
素消費速度試験の結果から、嫌気層が発生する貯水容
量と湖底面積を用いて嫌気層の酸素濃度を回復させる
ために必要な酸素量が190.8kg/dayであることを算出し
た。表層水のDO濃度を10mg/Lとした場合、これに表層DO
濃度の変動と装置流路部分の圧力損失等を考慮して
1,000m3/hの定格流量とした。
また、ダム流入量減少時においても、DO濃度の低下
が懸念されるため、常時は250m3/hの送水を行うことに
より循環能力の強化を図るとともに、貯水位低下時の
必要酸素量が増大した場合へも対応できるよう、送水
量の切替を行える設備としている。なお、湖面結氷に
よる浮体への損傷は、プロペラの逆回転による凍結防
止対策により保護する構造となっている。
4. 効果検証結果
(1)効果検証方法
増設した循環装置は、EL152.0m以深への恒常的なDOの
供給と鉛直混合規模の維持を目的としている。この効
果を検証するため、投げ込み式水質測定器(プロファ
イラ)による湖内水質測定と、過年度に実施した堆砂
測量次の河床地形メッシュデータを基にした水質の3次
元分布を検証した。調査の概要を以下に列記する。
<調査地点>
•図-13に示す貯水池内11測線
観測地点は既往調査箇所と同一地点である堆砂測量
断面上の3点(LCR)とし、調査地点への誘導はGPSを使
用している。
図-13 調査地点
<調査時期および貯水位>
•第1回 ・・・稼動直前(H24.07.30 WL=158.18m)
•第2回 ・・・稼動4日後(H24.08.03 WL=158.28m)
•第3回 ・・・稼動8日後(H24.08.07 WL=159.14m)
(2)調査結果の考察
a)貯水池内の水質分布
水質測定結果と堆砂測量(H23)を用いて水質メッシュ
データ(5m)を作成し、図-14に鉛直分布( 深河床)を
4
4.4
4.8
5.2
5.6
6
6.4
6.8
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10日数
下層
DO
濃度
(mg/
L)
EL=162m EL=160m
EL=156m EL=158m
目標 DO;6.0mg/L
EL.156m で、曝気装置が機能しなくなると、下層 DO 濃度は 6 日間程度で 5mg/L
以下まで低下する可能性がある。
取水塔
湖水循環装置水質機器測定測線
DO 濃度の高い表層付近の湖水を
湖底付近へ強制的に送り込む
Masahiro Yasuda,Toshiaki Kikuchi,Takahiro Nishida
示す。
水温の縦断分布をみると、表層付近は経時的に低下
を示しているが、気温低下によるものと推察される。
中層付近では循環装置稼働前後で温度低下がみられ、
循環機能により中層~下層の湖水混合によるもの推察
される。
DOの縦断分布をみると、循環装置稼動前後に下層付
近のDO上昇が認められ、稼働前に確認された湖底の貧
酸素水塊は稼働後には消失している。ただし、図-15に
示すとおり、第2回調査と第3回調査の間には降水影響
のため貯水位および流入量に変化が発生している。こ
れにより、湖水流動と鉛直循環が促進された可能性が
あり、循環装置のみによる水質変化と断定するに至っ
てはいない。
図-14 水質の縦断分布( 深河床)
図-15 調査日前後の貯水池状況
図-16 水質の経時変化
b)水質の経時変化
カビ臭調査分析値を図-16に示す。
底泥直上のジェオシミン濃度は、装置稼動後は低濃
度で安定しており、平均濃度は装置稼動前の3.2ng/Lか
ら1.9ng/Lへ改善傾向にある。河床付近の酸素状況は概
ね改善傾向にあり、装置稼動前の5.1mg/Lから7.2mg/Lに
上昇している。しかしながら、管理目標値である
6.0mg/Lを下回る値も散見されており、河床付近のDO変
化については気象や流況等も含めた観測の継続が必要
と思われる。
5. 今後の調査計画
今後、循環装置の効果監視を目的として水質変化の
の監視継続、渇水等の流況変化に対応した運用方法
(出力調整、稼動・停止)も併せて策定する必要があ
る。上記の課題に対応するため以下の調査を計画して
いる。
① 定期水質調査による水質監視
調査地点:ダムサイト(定期調査定点)
採水層数:表・中・下層、湖底直上
分析項目:DO、ジェオスミン
② 循環機能把握のための流向流速調査
調査範囲:循環装置を中心に4方(上下流、直行)
計測機器:ADCPまたは同等能力を持つ測定器
調査頻度:吐出量変化時(0、250、1000m3/h)
豊水時、渇水時を考慮して追加
③ 自記水質測定器による水質経時変化の調査
調査期間:6月~9月下旬
調査項目:水温、DO
設置深度:湖底直上
また、これらの調査結果を踏まえて水質予測を行い、
湖水循環装置の運用等を含めた水質保全対策のフォロ
ーアップしていく予定である。
6. おわりに
漁川ダムは石狩南部の貴重な水道水源であり、日常
のダム水質を注意深く監視、管理することは、当ダム
を水源として水道を利用する多くの住民の生活や産業
活動に大きく貢献するものであり、今後ともダムの水
質保全に取り組む必要がある。
これまで、貯水池水質保全事業により堆砂掘削や湖
水循環装置の導入などにより、ダム貯水池での放線菌
の繁殖抑制や深水部の嫌気化改善により、ジェオスミ
ン濃度が低下し、カビ臭防止が図られてきた。
また、渇水等によるダム貯水位低下時、流入量減少
20
12
11
7
水温(゚C)
DO(mg/L)
8日後凡例
08/0707/30 08/03稼動前 4日後
0
2
4
6
8
10
07/27
07/28
07/29
07/30
07/31
08/01
08/02
08/03
08/04
08/05
08/06
08/07
08/08
08/09
08/10
08/11
日平
均流
入量
(m3/s
ec)
155
156
157
158
159
160
日平均貯
水位
(m)
調査日 日平均流入量(m3/sec) 日平均貯水位(m)
循環装置稼動日 循環装置停止期間 貯水位
DO分析値 DO平均値 ジェオスミン分析値
ジェオスミン平均値
158.0
160.0
162.0
164.0
貯水
位(EL.m)
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
DO(mg/L)
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
06/01
06/08
06/15
06/22
06/29
07/06
07/13
07/20
07/27
08/03
08/10
08/17
08/24
08/31
09/07
09/14
09/21
09/28
geosmin(ng/L)
Masahiro Yasuda,Toshiaki Kikuchi,Takahiro Nishida
時へのカビ臭防止として湖水循環装置が増設され、本
年度から運用している。その結果、DO濃度の上昇及
びジェオスミンの低下が確認され、循環機能の向上が
確認された。しかし、単年度の調査結果であり、渇水
時など流況変化時の効果や堆砂進行による水質変化を
監視し、良好な水質維持のためフォローアップをして
いく必要と考えられる。
謝辞:本報告にあたっては石狩東部広域水道企業団の
ご協力をいただいた。ここに記して謝意を表す。
参考文献
1) 小森太一、稲村豊、鈴木将:漁川ダムにおけるカビ
臭発生原因の究明、第46回北海道開発局技術研究発
表会発表概要(ダム・砂防部門),調査計画 、ダ-
17,2003.2
2) 鈴木将、稲村豊、三田村宏二:漁川ダムのカビ臭の
改善方法と防止対策、第46回北海道開発局技術研究
発表会発表概要(ダム・砂防部門),調査計画 、ダ-
18,2003.2
3) 小倉和紀、村椿健治、三俣晴由:漁川ダムにおける
カビ臭発生の防止対策とその効果について、第47回
北海道開発局技術研究発表会発表概要(ダム・砂防
部門),調査計画 、ダ-6,2004.2
4) 玉川尊、村椿健治、小倉和紀、三俣晴由:漁川ダム
における貯水池水質保全事業の効果検証、土木学会
北海道支部年次技術研究発表会(論文報告集第61号
Ⅱ部門-55)、2005.2
5) 三俣晴由、村椿健治、小倉和紀:漁川ダムにおける
カビ臭防止対策法の効果検証と今後の課題、第49回
北海道開発局技術研究発表会発表論文集、環-
6,2006.2