水文学

スコットランドの集水域に降る雨。集水域への水の流入、通過、そして流出の循環を理解することは、水文学の重要な要素です。

水文学（古代ギリシャ語のὕδωρ（húdōr）「水」と-λογία（-logía）「〜の研究」に由来）は、水循環、水資源、流域の持続可能性など、地球や他の惑星における水の動き、分布、管理に関する科学的研究です。水文学の専門家は水文学者と呼ばれます。水文学者は、地球科学または環境科学、土木工学または環境工学、自然地理学を研究する科学者です。[ 1 ]さまざまな分析方法と科学的手法を使用してデータを収集および分析し、環境保全、自然災害、水管理などの水に関連する問題の解決に役立てます。[ 1 ]  

水文学は、表層水水文学、地下水水文学（水文地質学）、海洋水文学に細分されます。水文学の分野には、水文気象学、表層水文学、水文地質学、流域管理、水質が含まれます。

海洋学と気象学は含まれません。水はこれらの分野における多くの重要な要素の 1 つにすぎないからです。

水文学的研究は、環境工学、政策、計画に役立つ情報を提供します。

支店

  • 化学水文学は水の化学的特性を研究する学問です。
  • 生態水文学は、生物と水循環の相互作用を研究する学問です。
  • 水文地質学は、地下水の存在と動きを研究する学問です。
  • 水文地球化学は、陸水がどのように鉱物を溶解し風化するか、そしてそれが水の化学に及ぼす影響を研究する学問です。
  • 水力情報学は、情報技術を水文学および水資源の応用に適応させるものです。
  • 水文気象学は、陸地と水域の表面と下層大気の間の水とエネルギーの移動を研究する学問です。
  • 同位体水文学は、水の同位体特性を研究する学問です。
  • 表面水文学は、地球の表面またはその近くで起こる水文学的プロセスを研究する学問です。
  • 流域管理には、貯水池の形での貯水と洪水防止が含まれます。
  • 水質には、河川や湖沼の水の化学組成（汚染物質と天然の溶質の両方）が含まれます。

アプリケーション

歴史

カイサリア・マリティマのローマ水道橋。湿潤なカルメル山地から集落まで水を運んでいた。

水文学は数千年にわたり、調査と工学の対象となってきました。古代エジプト人は、水文学を工学と農業に初めて取り入れた国の一つであり、盆地灌漑として知られる水管理の形態を発明しました。[ 3 ]メソポタミアの都市は高い土壁で洪水から守られていました。水道橋はギリシャ人とローマ人によって建設され、歴史上、中国人は灌漑と治水施設を建設しました。古代シンハラ人は水文学を用いてスリランカで複雑な灌漑施設を建設しました。これはまた、現在も機能している大規模な貯水池、水路、運河の建設を可能にしたバルブピット（ビソコトゥワ）の発明でも知られています。

紀元前1世紀、マルクス・ウィトルウィウスは水循環に関する哲学的理論を提唱しました。この理論では、山岳地帯に降った雨が地表に浸透し、低地の河川や泉へと流れ込んでいくとされています。 [ 4 ]より科学的なアプローチを採用したレオナルド・ダ・ヴィンチとベルナール・パリッシーは、それぞれ独立して水循環の正確な表現に到達しました。水文変数が定量化されるようになったのは17世紀になってからでした。

近代水文学の先駆者には、ピエール・ペロー、エドム・マリオット、エドマンド・ハレーなどがいます。ペローは降雨量、流出量、流域面積を測定することで、降雨量がセーヌ川の流量を説明するのに十分であることを示しました。マリオットは流速と河川断面積の測定を組み合わせて、セーヌ川における流量値を算出しました。ハレーは、地中海からの蒸発量が、海に流れ込む河川の流出量を説明するのに十分であることを示しました。[ 5 ]

18世紀の進歩には、ダニエル・ベルヌーイによるベルヌーイ圧計とベルヌーイの方程式、そしてアンリ・ピトーによるピトー管などがありました。19世紀には、ダルシーの法則、デュピュイ・ティエムの井戸の公式、ハーゲン・ポアズイユの毛細管流方程式 など、地下水水文学の発展がありました。

20世紀には、経験主義に代わって合理的な分析が台頭し始め、政府機関も独自の水文学研究プログラムを開始しました。特に重要なのは、ルロイ・シャーマンの単位水位線図、ロバート・E・ホートンの浸透理論、そしてCV・タイスの井戸水理学を記述する帯水層試験/方程式です。

1950年代以降、水文学は、水文学的プロセスの物理的理解の進歩と、コンピュータ、特に地理情報システム（GIS）の登場により、以前よりも理論的な基盤に基づいて研究されるようになりました。（GISと水文学も参照）

テーマ

水文学の中心的なテーマは、水が地球全体を様々な経路と速度で循環しているというものです。このことを最も鮮明に表す例は、海から水が蒸発して雲が形成されることです。これらの雲は陸地を漂い、雨をもたらします。雨水は湖、河川、あるいは帯水層に流れ込みます。湖、河川、あるいは帯水層の水は、その後、蒸発して大気中に戻るか、最終的に海へと流れ戻り、循環を完了します。この循環の中で、水は幾度も状態を変えます。

水文学の研究分野は、水が様々な状態間で、あるいは特定の状態内でどのように移動するか、あるいは特定の地域におけるこれらの状態における水の量を単純に定量化することに焦点を当てています。水文学の一部は、これらの水の流れや量を直接測定する方法の開発に携わっていますが、他の部分は、科学的知識を得るため、あるいは実用上の予測を行うために、これらのプロセスをモデル化することに携わっています。

地下水

地下水等高線図の作成

地下水は地球の表面の下にある水であり、多くの場合、飲料水として汲み上げられます。[ 1 ]地下水水文学（水文地質学）は、地下水の流れと溶質輸送の定量化を検討します。[ 6 ]飽和帯を記述する際の問題には、流れの方向、地下水圧、および推論による地下水深（帯水層テストを参照）の観点からの帯水層の特性評価が含まれます。ここでの測定は、ピエゾメーターを使用して行うことができます。帯水層は、透水係数、貯留率、および透過率の観点からも説明されます。帯水層の特性評価には、いくつかの地球物理学的手法があります[ 7 ]。また、通気帯（不飽和帯）の特性評価にも問題があります。[ 8 ]

浸潤

浸透とは、水が土壌に浸透する過程である。水の一部は吸収され、残りは地下水位まで浸透する。浸透容量、つまり土壌が水を吸収できる最大速度は、いくつかの要因によって決まる。すでに飽和している層はその厚さに比例した抵抗を提供し、それと土壌上の水深が駆動力（水頭）を提供する。乾燥した土壌は毛細管現象によって急速に浸透するが、この力は土壌が湿るにつれて減少する。圧縮は多孔性と細孔径を減少させる。表土被覆は流出を遅らせ、圧縮やその他の作用を軽減することで容量を増加させる。気温の上昇は粘性を低減し、浸透を増加させる。[ 9 ]：250～275

土壌水分

土壌水分は、静電容量プローブ、時間領域反射率計、テンシオメーターなど様々な方法で測定できます。その他の方法としては、溶質サンプリングや地球物理学的手法などがあります。[ 10 ]

地表水の流れ

ウィルミントンにおけるショーシーン川の水位を示す洪水ハイドログラフ

水文学は、表層水の流れと溶質輸送の定量化を研究対象としますが、大河川における流れの扱いは、水理学または流体力学の独立した分野とみなされることもあります。表層水の流れには、認識可能な河道内の流れとそうでない流れの両方が含まれます。水が河川に到達した後の流量を測定する方法には、流量計（流量参照）やトレーサー法などがあります。その他の分野としては、表層水に含まれる化学物質の輸送、堆積物の輸送、侵食などがあります。

水文学の重要な分野の一つは、河川と帯水層間の水交換です。河川や帯水層における地下水と表層水の相互作用は複雑であり、正味の水流束（表層水または帯水層への）の方向は、河川水位と地下水位の関係に応じて、河川沿いの空間的、また特定の場所における時間的に変化する可能性があります。

降水量と蒸発量

NOAA 標準雨量計

水文学は、ある観点からは、陸地と大気の境界から始まると考えられており[ 11 ]、降水量と蒸発量の両方について十分な知識を持つことが重要です。降水量は様々な方法で測定できます。例えば、細かい時間スケールでの降水特性を測定するディスドロメーター、雲の特性、降雨量の推定、雹や雪の検出を行うレーダー、雨量計による雨量と降雪量の日常的な正確な測定、雨量地域の特定、降雨量の推定、土地被覆・土地利用、土壌水分、積雪量、積雪水量当量などを測定する衛星などが挙げられます[ 12 ] 。

蒸発は水循環において重要な部分を占めています。蒸発は湿度の影響を受け、湿度はスリング乾湿計で測定できます。また、雪、雹、氷の存在によっても影響を受け、露、霧、靄とも関連があります。水文学では、水面からの蒸発、自然生態系および農業生態系における植物表面からの蒸散など、様々な形態の蒸発を考察します。蒸発量の直接測定は、サイモン蒸発皿を用いて行うことができます。

蒸発の詳細な研究には、運動量、熱流束、エネルギー予算に加えて境界層の考慮も含まれます。

リモートセンシング

NASAのGRACE衛星によって測定された、チグリス川とユーフラテス川周辺の貯水量の変化の推定値。衛星は重力加速度の微小な変化を測定し、それを処理することで、水の総質量の変化による水の動きを明らかにすることができます。

水文学的プロセスのリモートセンシングは、現場センサーが利用できない、またはまばらな場所の情報を提供することができます。また、広大な空間範囲にわたる観測も可能になります。地上の水収支を構成する変数の多くは、例えば地表水貯留量、土壌水分、降水量、蒸発散量、雪氷などであり、リモートセンシングを用いて様々な空間・時間解像度と精度で測定可能です。[ 13 ]リモートセンシングの情報源には、陸上センサー、航空機センサー、衛星センサーなどがあり、マイクロ波、熱、近赤外線データを取得したり、ライダーなどを使用したりすることができます。

水質

水文学における水質研究は、有機化合物、無機化合物、そして溶存物質と堆積物の両方を対象としています。さらに、水質は溶存酸素と有機物質の相互作用、そして起こりうる様々な化学変化の影響を受けます。水質測定には、現場で（多くの場合は自動で）分析を行う現場分析法と、実験室ベースの分析法（微生物学的分析を含む場合もあります）があります。

測定とモデリングの統合

予測

水文学的プロセスの観測は、水文学システムの将来の挙動（水の流れ、水質）を予測するために使用されます。 [ 14 ]水文学的研究における現在の主要な関心事の一つは、「非観測流域における予測」（PUB）、すなわちデータが全く存在しない、あるいは非常に少ない流域における予測です。[ 15 ]

統計水文学

統計水文学の目的は、水循環の様々な部分を解析・モデル化するための適切な統計手法を提供することです。[ 16 ]降雨量や河川流量といった水文学的記録の統計的特性を解析することにより、水文学者は将来の水文学的現象を予測することができます。比較的稀な事象の発生頻度を評価する際には、そのような事象の再現期間に基づいて解析を行います。その他の重要な量としては、河川における年間平均流量や季節平均流量などがあります。

これらの推定値は、エンジニアや経済学者にとって重要なものであり、適切なリスク分析を実施して将来のインフラ投資決定に影響を与え、給水システムの水量信頼性特性を決定するのに役立ちます。統計情報は、農業、工業、住宅需要 を含むシステムの一部を構成する大規模ダムの運用ルールを策定するために活用されます。

モデリング

SHETRAN水文学モデリングシステムによってシミュレートされた集水域を通る水の流れの平面図

水文モデルは、水循環の一部を簡略化した概念的表現である。科学的モデリングの分野において、主に水文予測や水文プロセスの理解に用いられる。水文モデルには大きく分けて2つの種類がある。[ 17 ]

  • データに基づくモデル。これらのモデルはブラックボックスシステムであり、数学的および統計的概念を用いて特定の入力（例えば降雨量）をモデル出力（例えば流出量）に結び付けます。一般的に用いられる手法としては、回帰、伝達関数、システム同定などがあります。これらのモデルの中で最も単純なものは線形モデルですが、実際の物理過程を深く掘り下げることなく、集水域の反応の一般的な側面を表すために非線形コンポーネントを展開することが一般的です。このような側面の一例として、集水域が既に湿っているときの方が乾燥しているときよりもはるかに迅速かつ強く反応するというよく知られた挙動が挙げられます。
  • プロセス記述に基づくモデル。これらのモデルは、現実世界で観測される物理プロセスを表現しようとします。通常、このようなモデルには、地表流出、地下水、蒸発散、河川流などの表現が含まれますが、はるかに複雑なものになることもあります。このカテゴリでは、モデルは概念モデルと決定論モデルに分けられます。概念モデルは、ある地域における水文学的プロセスの簡略化された表現を結び付けますが、決定論モデルは、システムの物理現象を可能な限り解明しようとします。これらのモデルは、単一イベントモデルと連続シミュレーションモデルにさらに分けられます。

最近の水文学的モデリングの研究では、水文学的システムの挙動をよりグローバルなアプローチで理解し、より正確な予測を行い、水資源管理における主要な課題に取り組むことを目指しています。

輸送

水の移動は、土壌、砂利、玉石、汚染物質などの物質が場所から場所へと輸送される重要な手段です。受水域への最初の流入は、点源からの排出、または表面流出などの線源や面源から発生する可能性があります。1960年代以降、高速コンピュータの普及に伴い、かなり複雑な数学モデルが開発されてきました。分析対象となる最も一般的な汚染物質は、栄養塩、農薬、全溶解固形物、堆積物です。

組織

政府間組織

国際研究機関

国立研究機関

国内および国際社会

流域および集水域全体の概要

  • ニューサウスウェールズ大学のコネクテッドウォーターズイニシアチブ[ 49 ] – オーストラリアの地下水と水資源の問題の調査と意識向上
  • マレー・ダーリング流域イニシアティブ、オーストラリア環境遺産省[ 50 ]

研究ジャーナル

参照

その他の水関連分野
  • 海洋学は、海洋と河口の水に関するより一般的な研究です。
  • 気象学は、雪や雨などの降水を含む、大気と天気についてのより一般的な研究です。
  • 陸水学は、湖沼、河川、湿地の生態系を研究する学問です。陸水学は、あらゆる内陸水（流水・静水、淡水・塩水、天然・人工を問わず）の生物学的、化学的、物理的、地質学的、その他の特性を網羅します。[ 51 ]
  • 水資源とは、有用または潜在的に有用な水源です。水文学はこれらの資源の利用可能性を研究しますが、通常はその利用については研究しません。

参考文献

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さらに読む

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