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講義ノート 水の話

水の内訳

地球表面の面積に対して、水が占める割合

約70%

内訳

海水 96.5%
塩水  0.9%
淡水  2.5%(そのうち氷が70%、水が30%)

地球にある水のうち、比較的簡単に手に入る飲める水は0.01%
https://www.env.go.jp/policy/hakusyo/zu/h22/html/hj10010401.html

世界の降水量


日本の水事情

農業用水が66%


家庭用水の内訳


水を多く輸入


日本は世界でも有数の水の輸入国。
仮想水とは、農作物を作ったり、家畜を育てたりする時に必要な水のこと。
具体例を挙げると、精米後の米1kgを作るのに約8t、牛肉は肉1kgに対して700~800tもの水が必要とされている。
つまり日本は農作物や肉類の輸入を通じて、外国の水資源を「使っている」。
食料自給率が40%と先進国で最も低い日本にとっては、水の問題は切実。

水の循環


(単位:兆m3/年)
イラスト:古岡修一 データ:中沢弌仁著「水資源の科学」1991より

平均滞留時間(体積/蒸発量)

リザーバー滞留時間
海洋3200年
氷河20-100年
季節的な雪2-6か月
土壌中1-2か月
浅層地下水100-200年
深層地下水10000年
湖沼50-100年
河川2-6か月
大気9日
http://www.physicalgeography.net/fundamentals/8b.html

大西洋は太平洋よりも蒸発量が多い
→地形の影響
→塩分が多い

海水の組成

海水には約3.5%の塩(塩イオン)などが溶けている。
主なイオンはナトリウム(Na+)、マグネシウム(Mg2+)、カルシウム(Ca2+)、カリウム(K+)、ストロンチウム(Sr2+)、塩素イオン(Cl-)、硫酸イオン(SO42-)、炭酸系イオン(HCO3-)など。
塩分(海水中に溶けている成分の合計濃度)の値はある程度幅はあるものの、主要成分の成分比が世界でほぼ一定→海水はよく混合している

水温・塩分と密度

塩分の表し方
溶液1 kg中に32.4356gのKClを含む水溶液の電気伝導度(C(S,t))と等しいとき塩分35.000と定義されている。Sは塩分、tは水温。
だいたい1Lの水に35gの塩が溶けている
世界中の海水の99%は塩分33-37、水温-2~32℃の範囲にある。

瀧澤美奈子著 『深海の不思議』 日本実業出版社 2008年3月20日初版発行
1. 高緯度海域、2. 低緯度海域。色の付いた部分が塩分躍層

塩分
塩分濃度は緯度によって異なっており、表層近くでは 3.3 - 3.7% といくぶん開きがあるが深度が深くなると緯度に関係なく 3.5% 前後の一定値に近づいてゆく。北と南の回帰線付近が最も塩分濃度が高く、高緯度では薄くなり特に北極では 3.3% を下回るまで薄くなる。赤道付近では 3.5% 付近となる。 水深 300 - 1,000 m 付近で塩分濃度が急激に変化する塩分躍層がある

海水温
水深 300 m 付近まで混合層と呼ばれる海水が上下に移動できる領域があり、ここでは低緯度海域の赤道直下では 30 ℃ 付近、中緯度海域は 10 - 20 ℃ となり、高緯度海域は表層から深海まで 2 - 3 ℃ 前後で一定となっている。低・中緯度の両海域では 1,000 m より深い深海は 2 - 3 ℃ 前後となって一定となる

密度
水深 300 m 付近まで混合層と呼ばれる海水が上下に移動できる領域があり、ここでは低緯度海域では 1.024 g/cm3 付近、高緯度海域は表層から深海まで 1.028 g/cm3 強で一定となっていて、中緯度海域は両者の中間となる。いずれの海域でも 2,000 m より深い深海は 1.028 g/cm3 強の一定となる

海洋の深層循環

海洋の深層循環

水深 200 m までは海水が自由に混合するが、温度躍層をはさんで上下の海水は混合することはない。
深海には深層水と呼ばれる、表層とは違った物理的・化学的特徴を持つ海水が分布する。表層と違い風の影響を受けないが、地球上の 2 箇所(北大西洋のグリーンランド沖と南極海)で形成される深層水(北大西洋深層水と南極低層水)はゆっくりと世界中の海洋を移動している。

深層流は地球規模の熱塩循環を構成している。この循環は、水の持つ熱量と塩分濃度によって支配されている。
深層流の上部の流れは、黒潮など表面の海流とは違う流れ。3000~4000メートル以上の深さを流れていて、表面の温度や養分に影響を与えている。

海水が凍る

水は温度が下がっていくと、プラス4度までは重くなるが、それからは軽くなり0度で氷になる。
海水は水よりも凍りにくい。マイナス2度まで凍らず、温度が下がれば下がるほど重くなる。
海を凍らせる南極のきびしい寒さは、冷たくて重い海水も大量に作りだす。この海水が海の底へ沈んでいくので、かわりに海底から深層水が上がってくる。南極の寒さは、海をかきまわすポンプになっている。
海の水が寒さで温度が下がり、ついに凍ってしまうときには、海水の中の水分だけが氷になる。塩分は凍らないで氷の外へ追いだされるので、重い海水ができる。
南極の凍る海で生まれた冷たくて重い海水は、深い海の底に沈みこんで南極の外へ流れ出す。
この流れ出す力が、地球全体をまわる深層流を動かしている。
深層流は、地球の気候などの環境に大きな役割を果たしていると考えられている。

深層流のはたらき

流れだす深層流が地球を冷やしている
地球は赤道など熱帯地方が暖め、北極や南極で冷やされている。このバランスをとって、地球の穏やかな気候を保つことに、深海流は大切な役割を果たしている。
流れだす深層流が地球に栄養を送っている
南極で作られた栄養分の濃い海水を、深層流が世界の海に運んでいる。この栄養分が世界の海でプランクトンを育て、地球の豊かな海を作りだしている。

陸上の水

湖や川→生活水
地下水→生活水+地面を支える

安全でおいしい水とは?

水道は、本来水の乏しい地域に遠隔地から水を引き、安定した供給をするためのもので、安全でおいしい水の自然環境に恵まれていた日本では、水道化が本格的に進んだのは第二次大戦後のここ数十年のこと。
高度経済成長の頃、住宅地が都心部から近郊へと広がり始めると、それまでの水源地の近くにも住宅や工場が増え、排水が水源に流れ込むようになり、そこでより高度な浄水処理を施して対処するとともに、より遠くのきれいな水源を求めるようになった。
しかし農薬汚染、工場からの排水、産業廃棄物にまぎれ込んだ有害物質などにより、その水源まで水質汚染は進み、より遠くに水源を求め、より高度な浄水処理が必要となった。
水道水は、まず浄水場に水を溜めて、砂などの不純物を沈殿させ、その後、濾過処理して、より細かい不純物を取り除き、塩素を入れて雑菌などを死滅させるという処理を施している。日本では、水道法で残留塩素の一定値が定められている。(水道水1リットル中0.1ミリグラム以上の含有量)
⇒その塩素によって有害な細菌を完全に死滅させるため。
しかし、この塩素が水道水の味を損ねる原因になっている。
一般に水道水は、特有のカルキ臭がするが、これは塩素自体の臭いではなく、塩素が細菌と反応することによってカルキ臭が発生してしまうもの。細菌が多ければ多いほど多量の塩素を必要とし、カルキ臭も強くなる。つまり水道のカルキ臭が強い地域は、それだけ水源の汚染がひどいとも言える。
消毒のために用いる塩素と水道水中のわずかな有機物が反応してトリハロメタンが生じることがあり、これは発ガン性を示すものがある。
水道法では、クロロホルム、ブロモジクロロメタン、ジブロモクロロメタン、ブロモホルムの4種類とその合計量について基準が定められている。
なお、水道局では、中間塩素処理やオゾン・粒状活性炭処理によりその低減化を行っている。
それでも水道水の中に、O157など人体に直接影響を及ぼす細菌がいるため、現在できうる最も安価で効果的な殺菌方法は塩素処理。
塩素を減らすためには、まず水源をきれいにして細菌の量を減らすしかない。
最近では、オゾンや活性炭を使った高度浄水処理により、カルキ臭やかび臭を取り除いた、おいしい水もつくられるようになった。

水道水もカルキ臭のするまずい水から、高度浄水処理によりおいしい水へと変わりつつあるが、ミネラルウォーターの売り上げは、水道水の約1000倍の価格にも関わらず急増している。
1986年0.7リットル/年・人;2008年19.7リットル/年・人

ボトルの水

農林水産省が設定した品質表示ガイドラインでは、原水の採水場所や処理方法によって、ミネラルウォーター類を4種類に分けている。 (農林水産省「ミネラルウォーター類の品質表示ガイドライン」より)

品名原水処理方法
ナチュラルウォーター 特定の水源から採水された地下水のみ 沈殿、ろ過、加熱殺菌
ナチュラルミネラルウォーター 特定の水源から採水された地下水(鉱泉水、鉱水など)ミネラル成分が溶け込んでいる 沈殿、ろ過、加熱殺菌
ミネラルウォーター 何種類かのナチュラルミネラルウォーターを混合したもの ナチュラルミネラルウォーターのミネラル分を人工的に調整したもの 沈殿、ろ過、加熱殺菌、原水のブレンド、ミネラル成分の調整、ばっ気(水に空気を送り込んで溶け込ませること)など
ボトルドウォーター 飲用できる水 (水道水、蒸留水、河川の表流水などで飲用に適しているもの) 特に規定されていない

水のおいしさを決めているもの

水の味

全く何も含まれない純水はおいしくない。水の味を決めているのは、それに含まれるミネラルなどの成分。
雨水は、地球上に降った後に、地質層や岩石層の狭い隙間に浸み込み、 いろいろなミネラル成分(カルシウム、マグネシウムなど)を溶かし込む。水に味があるというのは、飲み水が純粋なH2Oではなく、鉱物分などを溶かし込んでいるから。
天然ミネラル水の中には、岩盤の鉱物、苔や藻などの微生物など実に500種以上の物質がほどよく溶け込んでいる。

水の硬度

硬度(こうど)とは、水にふくまれるカルシウムやマグネシウムなどの量を、炭酸カルシウムの量に換算して数値で表したもの。
硬度が低い水は、あっさりとしてクセがなく、逆に硬度が高い水は、コクがありクセのある味となる。
日本では、おいしさの面から硬度の目標値10~100mgが設定されている。
水の硬度mg/L=カルシウムmg/L ×2.5+マグネシウムmg/L ×4.1

一般的な総称硬度
軟水0mg/L以上100mg/L未満
中硬水100mg/L以上300mg/L未満
硬水300mg/L以上

東京都の水源

東京都の水源は、ほとんどが河川水で、地下水の比率は0.2%となっている。河川水は、78%が利根川・荒川水系、19%が多摩川水系。
これまでの東京水道の歴史は、増加し続ける水道需要を懸命に支える100年間で、これは、水源についても同様。
昭和30年代までは、水源の多くを多摩川水系に依存してきたが、その後、急激な需要の増加に対応するため、利根川水系の水資源開発に合わせて、利根川水系への依存度を高めてきた。
現在、東京都の保有する水源量は日量630万t。
http://www.waterworks.metro.tokyo.jp/water/w_info/index.html

浄水場の仕組み


1)川やダムからの原水を浄水場に取り入れる。
2)大きな砂や土を沈める
5)水に混ざっている細かい砂や土などを沈めるために、凝集剤(ポリ塩化アルミニウム等)を入れる
6)原水と凝集剤を混ぜる
7)砂や土などを沈みやすいフロック(細かい砂や土などと凝集剤がくっついた大きなかたまり)にする
8)フロックを沈める
9)アンモニア態窒素や鉄などを取るため塩素を注入する
10)砂や砂利の層で、水をこしてきれいにする
11)消毒のための塩素を入れる

下水場の仕組み


水を安全においしく利用するには、水をきれいに保つ必要がある。
排水対策→汚さない
全国で下水道普及率は77.6%(平成28年)、東京都は99.5%