Kitaoka, Y. & Matsumoto, M. Long-term monitoring data analysis of riverine nitrogen load component separation: Estimating the mitigation potential of atmospherically derived load reduction. Mizu Kankyo Gakkaishi 49, 89-98 (2026) doi:10.2965/jswe.49.89
川や湖の水質が悪化して藻類などが異常発生する「富栄養化（ふえいようか）」は、水中の窒素やリンが増えすぎることが主な原因です。川に流れ込む窒素には、生活排水や農地などから出る「流域由来」のものと、車の排気ガスなどの大気汚染物質が雨や乾燥降下物として降り注ぐ「大気沈着由来」のものがあります。水質を改善する政策を効率よく進めるためには、大気汚染を減らしたときにどれくらい迅速に川の窒素を減らせるか（削減ポテンシャル）を把握することが重要です。
しかし、土壌や地下水に長年蓄積された過去の窒素（レガシー成分）が存在するため、大気由来の影響だけをきれいに分離して評価することは簡単ではありません。そこで本研究では、大規模な追加調査を行わずに、自治体などが公開している長年の水質モニタリングデータだけを活用して、大気由来の削減ポテンシャルを簡便に試算する新しい統計モデルを開発しました。
このモデルでは、水質が安定しているときの全窒素（TN）と全リン（TP）の強い相関係数に着目し、リンと連動しない窒素のうち、大気中の窒素酸化物（NOx）濃度の変化に短期間（0〜2ヶ月）で反応して変動する成分を抽出します。この手法を相模川水系の桂川に適用したところ、2021年時点で大気中の窒素酸化物を完全にゼロにできたとしても、降雨のない安定した条件で直接削減できる川の窒素負荷は最大で約9％にとどまることが分かりました。
この結果は、対象とした地域では排気ガス対策などの大気管理だけでなく、下水道の整備や農地管理といった「流域内の対策」が引き続き大きな効果を持つことを示しています。本手法を用いれば、既存のデータだけで手軽に環境施策の有効性を診断できるため、限られた予算やリソースの中で大気・水質政策の優先順位を決定する際に役立つと期待されます。
Abstract
流域由来の負荷（生活排水、産業排水、農地など）と大気沈着由来の負荷を区別することは、河川の富栄養化管理において極めて重要である。しかし、長期間にわたり流域に蓄積された大気由来窒素の過去の残留（レガシー）成分を完全に分離することは依然として困難である。本研究では、すべての成分の完全な分離を試みるのではなく、公開されている長期モニタリングデータのみを用いて、大気質の改善に応じて迅速に削減可能な河川窒素負荷である削減ポテンシャル（mitigation potential）を推定するための簡略化されたトップダウン統計モデルを提案する。水質が安定した条件における全窒素（TN）と全リン（TP）の強い相関に着目し、本モデルは、大気中の窒素酸化物（NOx）濃度に対して短期的なタイムラグ（0〜2ヶ月）で追従する、TPに関連しない窒素成分を抽出する。その際、物理的妥当性を確保するために非負制約を組み込んでいる。相模川水系の桂川に本モデルを適用した結果、2021年時点における安定した非雨天条件での河川窒素負荷の最大削減ポテンシャルは、大気中窒素酸化物の完全除去を仮定した場合、約9％と推定された。これらの結果は、対象流域において2021年時点では排水処理などの流域対策が依然として支配的な効果を持つことを示唆している。本手法により、追加の現地調査を必要とせずに既存データのみを用いて大気質管理の削減ポテンシャルを推定することが可能となり、大気および水質施策の優先順位付けのための迅速な診断が容易になる。 (Geminiによる概要の機械翻訳)
Distinguishing between basin-derived loads (originating from, for example, domestic and industrial wastewater, and agricultural land) and atmospheric deposition-derived loads is crucial for riverine eutrophication control. However, completely separating the legacy components of atmospheric nitrogen accumulated in the basin over long periods remains challenging. In this study, rather than attempting a complete separation of all components, we propose a simplified top-down statistical model to estimate the mitigation potential-the riverine nitrogen load that can be rapidly reduced in response to air quality improvements-using only publicly available long-term monitoring data. Focusing on the strong correlation between total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) under stable water quality conditions, the model extracts the nitrogen component not associated with TP that tracks short-term time lags (0-2 months) relative to atmospheric NO x concentrations. In doing so, we incorporate a nonnegative constraint to ensure physical validity. Applying the model to the Katsura River in the Sagami River system, the maximum mitigation potential for riverine nitrogen load under stable, non-rainfall conditions as of 2021 was estimated to be approximately 9％， assuming the complete removal of atmospheric nitrogen oxides. These results suggest that, as of 2021, basin-based measures, such as wastewater treatment, continue to have a dominant effect in the target basin. Our method enables the estimation of the mitigation potential of air quality management using only existing data without the need for additional field surveys, facilitating rapid diagnosis for prioritizing air and water quality policies.
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