2021 Fiscal Year Research-status Report
Development of a generalized method for nonpoint source load estimation
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21K05828
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
多田 明夫 神戸大学, 農学研究科, 准教授 (00263400)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | Horvitz-Thompson推定量 / 年単位LQ式 / 低頻度データ / 長期データ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
R3年度は，年単位の流域河川年総流量QTと年総流出負荷量LTの関係式について検討した。当初の計画では過去の研究を参考に，流量変動に対し濃度変動が小さいというchemostatisticな特性から，両者の間に線形関係を想定し，その傾きである平均濃度（annual mean concentration，AMC）の値を流域特性値として採用し，原単位法に代わる負荷量推定に利用することを想定していた。この観点から，米国エリー湖周辺の複数流域（25流域）の日単位水質データ(9項目)を用いてAMCと土地利用（農地，市街地，林地，その他の分類の土地利用面積比）の関係を調べた。しかしながら，土地利用とAMCの間に有意な関係性を認めることはできなかった。このことは，従来報告されてきたように，土地利用を元にした面源原単位の設定にそもそも無理があることを意味している。
さらにAMCと土地利用の間統計的に有意な関係を見いだせない理由を検討した結果，その原因が少ない土地利用分類数やデータにあるのではないことがわかった。そもそも既往の研究報告にみられるchemostaticな前提はかなり楽観的なものであり，（１）QT-LTの間にはべき乗関係などの非線形関係を想定する必要があること，（２）このQT-LT関係式は，日単位の流量qと日単位負荷量lの間の関係式とは一致する保証が無く，明確に異なることも多い，ということが判明した。
このため，QT-LT関係式（べき乗型回帰式）を月1回・年間12個の10年分の定期モニタリングデータから推定する手法を，総量の不偏推定法であるHorvitz-Thompson推定量を利用して開発した。またQT-LT関係の95%信頼区間の推定法もあわせて開発した。これにより，低頻度の観測データがあれば，原単位を利用せずに正確にQT-LT関係とその不確かさを推定することが可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題は，原単位法に代わる面源負荷量の推定法を開発することにあり，あわせて土地利用ごとに負荷量排出量の特性値を設定できるかどうかを検証する，というものであった。とくに年総流出量の変化に対して原単位法は一定値の排出負荷量しか与えないという欠点を修正する方法の開発を目指したものである。また面源に限らず，点源もあわせた河川からの総流出負荷量の推定が可能となれば，原単位法で必要となる流達率に基づく発生源排出負荷量から流達負荷量への変換も不要となりさらに有益である。
以上の観点からここまでの研究成果を整理する。まず土地利用により流域からの排出負荷量の説明が可能かという問いに対しては，米国のエリー湖周辺の多数の流域のデータからそれが困難であることが推察された。原単位法に代わる流域からの流出負荷量の推定という観点からは，年12個程度の低頻度長期間（10年間）のデータから，年総流量QTと年総流出負荷量LTの関係式の正確な推定とその95%信頼区間の構成法を確立することができた。この方法個別の年単位総流出負荷量を推定するのでは無く，ある年総流量に対する年総流量の長期平均としての期待値を推定するため，研究代表者が以前開発した単年度の総流出負荷量を推定する方法よりも不確かさの大きさを非常に小さくすることが可能である。以上の結果は当初計画よりも大幅に進んでいるものの，学会発表や論文公表の形をまだ取っていないため，総合的な評価として概ね順調に推移しているものと判断している。
なお以上述べたように，本研究は河川を流下して下流に到達する総流出負荷量を低頻度長期間データに基づいて正確に推定する手法の開発に到達している。この方法を用いることで従来原単位法で推計されていた湖沼や海洋への陸域からの物質の供給量を，過去に遡り実測データに基づいて適切に評価できることになり，その学術的意義は非常に大きい。
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| Strategy for Future Research Activity |
現時点での成果は，低頻度・長期データによる年総流量QTと年総負荷量LTのべき乗型関係式（lnLT＝a0＋a1×lnQT，a0，a1は回帰パラメータ）の正確な推定とその不確かさの推定法を開発である。今後の課題として，（１）米国の25流域・9項目の日単位水質データを用いて，このQT-LT関係式の回帰パラメータa0，a1と土地利用・流域面積の関係の有無を確認すること，（２）10年間のデータ期間長を流域土地利用の変化を考慮する上で適当な長さであると考えるのであれば，例えば50年間のデータがあれば5つのデータ期間を得ることができるので，長期的な流域の排出負荷特性の経時変化を統計的に適切に定量的に推定することが可能となるので，この手法の有効性を検討すること，この２つがR4年度の中心課題となる予定である。
さらに，これまで瀬戸内海や琵琶湖への総流入負荷量は原単位法により推計されてきたが，その推計量が適当なものであったかどうかを，水体への流入河川の低頻度長期データに基づいて推定することが可能となる。これにより，近年の瀬戸内海の貧栄養問題に対する陸域からの供給物質の影響や，琵琶湖などで見られる化学的酸素要求量や窒素濃度に対する水質対策効果が上がらないことの原因が陸域からの流入物質量の変化にも富まれるかどうかを検討することが可能となる。これらの検証の一部と，原単位法に代わる「流域からの流出負荷量の簡易推定法」の提案をR5年に欠けて実施したい。
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| Causes of Carryover |
R3年度はコロナのため，当初計画していた国際学会での発表を見送った。このため当初計画よりも30万円ほど支出予定額が少なくなった。この繰越金額は，現在投稿中の国際誌の論文がminor revisionとなり掲載受理の見通しが高いため，Open Accessの料金に充てる予定である。
R4年度は当初計画ではそれ以外に100万円を支出予定であるが，これらは計画通りに，論文の英文校正料，国際学会への参加料金，プリンタとGISソフトウェア購入に充てる予定である。
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Research Products
(1 results)
