2021年5月15日 CIVIC TECH FORUM 2021 の発表資料 https://2021.civictechforum.jp/

1. シビックテックと統計学で予測する
琵琶湖の環境問題
CIVIC TECH FORUM
2021年5月15日
代表
五十嵐康伸、博士（理学）

2. 1 はじめに

3. 関西大好き！
佐藤
奈良県在住
藤原
滋賀県在住
五十嵐
大阪府&奈良県に25年

4. 近畿の水瓶：琵琶湖
4

5. 琵琶湖は日本で一番大きい & 深い
北湖
南湖
琵琶湖大橋
琵琶湖の定量的特性
• 滋賀県の面積：4,017km2
• 琵琶湖の面積：670.25km2
（滋賀県面積の約1/6）
（淡路島より少し大）
• 湖岸線延長：約235km
• 貯水量：約275億m3
北湖：約273億m3、南湖：約２億m3
• 平均深度：約41m
北湖：約43m、南湖：約４m
• 最大深度：103.58m
• 最小幅：1.34km
5

6. 6
周辺が都市化する「南湖」

7. 7
自然豊かな「北湖」

8. 水質の定期モニタリング
【公共用水域の水質監
視】
○調査地点数：琵琶湖５１（北湖３１、南湖２０）
河川３５（調査河川数３１）

9. 北湖では全層循環が起こっている
滋賀県琵琶湖環境科学研究センター: 琵琶湖の全層循環
https://www.lberi.jp/setting/learn/jikken/junkan

10. 琵琶湖の北湖の水深は90mを超え、全層循環という現象が起こっている。
気温の変化は、深層の水温よりも、表層の水温へ急速にかつ大きく影響を
与える。春から夏にかけて表層の水温は大きく上がる。北湖では、春から
初冬にかけて、表層と深層の間に水温が急激に変わる水温躍層（すいおん
やくそう）が形成される。表層水は温度が上がることで低密度になり、沈
みにくくなる。水温躍層が形成されると、表層と深層の間で水の対流が減
り、上下方向に湖水が混ざりにくくなる。表層水は酸素を多く含んでいる
が、その酸素が底層に届かなくなる。底層では、溶存酸素（DO）が供給さ
れず、溶存酸素の消費が進む。晩秋に底層のDOは最も低くなる。
秋から冬にかけて表層の水温は大きく下がる。水温躍層は緩和し、冬に無
くなる。表層水は温度が下がることで高密度になり、沈みやすくなる。表
層から深層に向かって湖水の混合が進む。湖水の混合が底層まで進むこと
により、底層まで酸素が届きDOが回復し、冬には表層から底層まで水温と
DOが一様に近くなる。この現象を「全層循環」と言う。底層の生物が住み
やすい環境になるので、「琵琶湖の深呼吸」とも呼ばれる。

11. 近年の傾向
• 琵琶湖表層の水温は、気温と同様に上昇傾向にあり、約40年間で
約1.5℃の上昇した
• 2018年度と2019年度の冬は、２年連続で北湖の一部水域で全層
循環が完了しなかった
• 底層DOが2[mg/l]を下回ると琵琶湖の下の生物が死ぬ、可能性がある
琵琶湖環境科学研究センター 環境監視部門
平成30年度琵琶湖水質変動の特徴 &令和元年度 琵琶湖水質変動の特徴
https://www.pref.shiga.lg.jp/ippan/kankyoshizen/kankyou/306170.html
https://www.pref.shiga.lg.jp/ippan/kankyoshizen/kankyou/313082.html

12. 今回の取り組む問題
＜定性＞
今後、地球温暖化で琵琶湖表層の水温が上昇したら
全層循環はどうなるのか？
そして底層DOはどうなるのか？
＜定量＞
琵琶湖表層の水温が何度上昇したら
底層DOは2 [mg/l] を下回るのか？

13. 2 材料と方法

14. 2.1 測定者
• 滋賀県琵琶湖環境科学研究センターが測定したDOと水温のデータを用い
た
1. 滋賀県 環境白書 資料編
https://www.pref.shiga.lg.jp/ippan/kankyoshizen/kankyou/11319.html
2. 北湖底層DO調査結果
https://www.pref.shiga.lg.jp/ippan/kankyoshizen/biwako/300014.html
3. マザーレイク21計画関連指標オープンデータ、水質
https://www.pref.shiga.lg.jp/ippan/kankyoshizen/biwako/306153.html

15. 2.2 測定場所
• 位置は北湖にある今津沖の第一湖盆の中央に限定して用いた
• 深さは水面から深さ0.5m・湖底上1mの2点に限定して用いた

16. 2.3 測定時期
• 測定は毎月1〜4回実施されていた。月内のデータを平均化して用いた
• 期間は1979年4月から2020年3月の492ヶ月・41年に限定して用いた

17. 2.4 測定方法
• DO：JIS K0102
• 水温：上水試験方法-2011 Ⅱ-３ １
4. 令和２年度 公 共 用 水 域 ・ 地 下 水 水 質 測 定 計 画、滋 賀 県
https://www.pref.shiga.lg.jp/ippan/kankyoshizen/biwako/311000.html

18. 2.5 分析方法
• プログラミング言語：Python 3.8.3
• 予測アルゴリズム：SARIMAXモデル
• パラメータ最適化基準：AIC
もものきとデータ解析をはじめよう
https://momonoki2017.blogspot.com/2018/02/python1.html

19. 3 結果

20. 3.1 DO理解

21. DO [mg/l]
溶存酸素量

22. トレンドと季節性と残差足し合わせると
オジリナルの時系列と一致

23. 月別の平均値

24. DOの時系列の自己相関
青：95%信頼区間
信頼区間の領域を超えてプロットされているデータは
統計的に有意差がある値とみなされます。

25. 3.2 TEMP理解

26. 表層から0.5m
TEMP
トレンドは
約1.5℃上昇
季節性大
±10 ℃
規則性が強い

27. 底層から1m
TEMP
表層より
規則性が弱い
トレンドは
約1.5℃上昇
表層より
季節性小
±0.3 ℃

28. 3.3 DO単独の予測と
TEMPを用いたDO予測

29. ＜データ＞
• 学習（訓練、モデル作成用）用データ：1979-04〜2019-03： 40年分
• 予測（テスト）用データ：2019-04〜2020-3、1年分
＜モデル＞
• SARIMAX
• S： Seasonal （季節）
• AR： AutoRegressive （自己回帰）
• I： Integrated （和分）
• MA： Moving Average （移動平均）
• X：外生変数、説明変数
＜パラメータ by AIC最適化＞
• p：AR（自己回帰） 3 in 1〜5
• d ：差分の次数 0 in 0〜2
• q ： MA（移動平均）の次数 3 in 0〜5
• P,D,Q：季節調整に適用する次数＝（1,1,2）in （ 0〜2, 0〜2, 0〜2）
• S：季節調整に適用する周期=12

30. DO単独の予測
DOが2を下回ると
琵琶湖の下の生物が死ぬ
予測期間
学習期間

31. TEMPを説明変数として用いた
DOの予測
DOが2を下回ると
琵琶湖の下の生物が死ぬ
予測期間
学習期間

32. TEMPを説明変数として用い
予測期間のTEMPに+5にした、DOの予測
DOが2を下回ると
琵琶湖の下の生物が死ぬ
予測期間
学習期間

33. TEMPを説明変数として用い
予測期間のTEMPに+10にした、DOの予測
DOが2を下回ると
琵琶湖の下の生物が死ぬ
予測期間
学習期間

34. まとめ
＜定量＞
• 琵琶湖表層の水温が何度上昇したら、底層DOは2[mg/l]を下回るのか？
＜結論＞
• 10度
＜議論＞
• 水温変化の傾向
– トレンド：表層、底層共に：約40年間で約1.5℃上昇
– 季節性：表層±10 ℃、底層±0.3 ℃
＜今後の課題＞
• 表層の水温に、底層の水温も加えて予測
• 予測精度の定量的評価、信頼区間の表示
• 表層の水温に対して、気温＋風＋雨が及ぼす影響