地域水循環を踏まえた地下水持続利用システムの構築

研究の概要

研究の概要

地域水循環を踏まえた地下水持続利用システムの構築

 地球温暖化や人口増加により地球規模での水資源は不足しており、その安定供給のために持続可能な地下水利用システムを早急に構築する必要があります。本研究では、地下水管理の先進地域である熊本地域を研究フィールドとして、帯水層構造とその循環機構に基づく流域地下水の水量管理手法、硝酸性窒素汚染による水質負荷の軽減や原位置浄化技術、生物モニタリング手法など、水量・水質両面からの管理を踏まえた持続的地下水利用システムの開発を行います。

 研究代表者
 嶋田 純
 熊本大学 大学院自然科学研究科 教授

【研究概要の詳細】

 地球温暖化に伴う降水量変動の増大や急速な人口増加によって,地球規模で水資源は不足している.豪雨や干ばつなどによって地表水の流量は大きく変化するが、地下水は貯留量が大きく滞留時間が長いため,相対的に安定した水資源として注目されている.我が国は温帯湿潤気候に属して降水量が多く,山が海に近くて流域の起伏が大きいため,流域に降る雨が海まで流出する時間が早く,水循環は極めて活発である.これまでは相対的に容易に取水できる地表水がよく利用されていたが,最近では供給が安定している地下水資源の利用に関心がでてきている.我が国のような水文気候条件下では,地下水の利用量が涵養量を超えないように適切に管理すれば,地下水の持続的な利用は可能である.
 本研究では,この地下水資源の持続的利用に必要な技術として水量と水質両面からの研究開発を展開する.水量把握に関しては,地下水の帯水層構造を把握するための周波数変換方式の電気探査の開発や,地下水の年齢を推定するための若い年代トレーサーなどの新しい技術開発を行う.日本を始めとして世界各地の地下水は農業用肥料の過剰施肥や畜産廃棄物に起因する硝酸性窒素汚染,一般廃棄物や産業廃棄物処分場等からの有害物質の流出など、問題が山積している。そこで,地下水汚染の発生機構とその変動プロセスを調査して,地下水汚染を防いだり,汚染された地下水の水質を改善したりする必要がある.そのため,硝酸性窒素や自然由来の有害物質などを汚染源で水質負荷を軽減する技術や,帯水層中で汚染物質を除去する技術、揚水後に水質を改善する簡便で実用的な浄化装置などの開発を行う.さらに,地下水を利用している人々にも水質汚染の実態が一目で分かるように,特定物質の水質が悪化すると赤色に変わるメダカなど,新しい生物モニタリング手法の開発を行う.
 このようにして本研究を通して水量と水質の両面から,地下水を持続的に利用できるような管理システムの開発を目指す.研究の展開方法としては,まず地下水利用の先進地域である熊本地域を対象として開発手法の適応による地下水賦存状況の実態把握と地下水3次元モデルを構築して,地下水流動や水質汚染機構などを再現する.そのモデルを使って地下水を持続的に利用するための揚水量の推定や,水質汚染軽減のシミュレーションなどを行い,持続的な地下水管理システムを構築する.その後,硝酸性窒素汚染と温暖化に伴う海面上昇など,地下水環境問題に逼迫している亜熱帯の島嶼地域を対象として,本課題で提案した様々な地下水の調査・開発手法や方法論の汎用化を目指した適用をすることで,地域に応じた持続的地下水資源利用策の提言を試みる.

画像の説明


【Research Project】

 The increase of precipitation variability with the global warming and the rapid population growth lead to the shortage of water resources on a global scale. The amount of running surface water changes widely by a heavy rain or a drought, but groundwater is attracted as a relatively stable water resource because the groundwater has a larger reservoir and a longer residence time. Our country belongs to a temperate humid climate with much precipitation, and has a steep topography which mountains close to the sea coast. So, the residence time from falling rain flows out to the sea is very short, thus the regional hydrological cycle is extremely active. Surface water could be taken easily and was often used to a water supply, but recently groundwater is taking the place of surface water because of the stability of water supply. While in our hydro-climatic condition, the sustainable use of groundwater is possible under the appropriative management, that is, groundwater pumping rate does not exceed the recharge rate in a basin.
 For the sustainable use of groundwater resources, this project aims to develop new technologies relating to the quantity and quality aspects of groundwater resources. For the precise understanding of groundwater flow system, new technologies will be developed, like frequency changeable electric resistivity exploration method to evaluate an aquifer structure and a new groundwater age-tracer method to estimate the younger age. There are many problems not only in our country but also all over the world about groundwater quality including nitrate-nitrogen contamination caused by the surplus fertilizer and manure, and also by the outflow of toxic substances from the domestic and industrial waste disposals. It is necessary to understand the production mechanism to prevent groundwater contamination and the degradation process of nitrate-nitrogen contamination to improve the water quality. Therefore this project will develop new technologies including the reduction of nitrate-nitrogen and natural toxic substances loads before groundwater recharge, the on-site removal of contaminants from aquifers, and simple and effective equipment to improve groundwater quality after pumping. Furthermore, this project will also develop a new biological monitoring technique for local groundwater users to notice the contamination at a glance, for example a freshwater fish changes its color to red when specific ion water quality turns worse.
 Following above procedures, this project aims to establish the groundwater management system for sustainable utilization in the view point of water quantity and quality. At first, the evaluation of the local groundwater flow system by using new technologies and the three-dimensional groundwater flow simulation including nitrate-nitrogen contamination will be applied to the Kumamoto area where is the most advanced groundwater utilization area in Japan. This model will be used to estimate the maximum amount of local groundwater pumping for sustainable utilization, to simulate the reduction of nitrate contamination, and to propose the reasonable groundwater management system based on the regional hydrological system. Then, these newly developed research techniques and methodologies will apply to the remote coral islands where stands on the edge of a precipice of groundwater quantity and quality caused by the nitrate contamination and sea level rising with global warming. Finally, this project will plan to propose the policy of sustainable groundwater utilization based on the regional hydrological cycle.

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