流出（水文学）

流出とは、地球を横切る水の流れであり、水循環の主要な構成要素です。水路に到達する前に陸地を流れる流出は、表面流出または地表流と呼ばれます。水路に到達した流出は、河川流、水路流出、または河川流出と呼ばれます。 都市流出は、都市化によって生じる表面流出です。

背景

地球規模の水循環を詳細に描いた図。貯水池間の水の移動方向は、蒸発散による上昇と重力による下降の傾向がある。この図はまた、人間の水利用が水の貯蔵場所と移動方法にどのような影響を与えるかを示している。^{[ 1 ]}

水循環（または水文循環、水文学的循環）は、地球の表面上および表面下の様々な貯留層における水の形態の継続的な変化を伴う生物地球化学的循環である。地球上の水の質量は、時間の経過とともにほぼ一定に保たれている。^{[ 2 ]}しかし、氷、淡水、塩水、大気中の水の主要な貯留層への水の分配は変動し、気候変数に依存する。水は、様々な物理的および化学的プロセスにより、川から海へ、または海から大気へなど、ある貯留層から別の貯留層へと移動する。これらの移動、つまりフラックスを駆動するプロセスは、蒸発、蒸散、凝縮、降水、昇華、浸透、表面流出、および地下水流である。その過程で、水は液体、固体（氷）、蒸気という異なる相を経る。海洋は世界の蒸発量の86%の発生源であるため、水循環において重要な役割を果たしている。^{[ 3 ]}

水循環は、異なる相間の熱伝達という形でのエネルギー交換によって駆動されます。相変化の際に放出または吸収されるエネルギーは、温度変化を引き起こす可能性があります。^{[ 4 ]}水が蒸発によって液体から気相に変化する際には、熱が吸収されます。この熱は蒸発潜熱とも呼ばれます。^{[ 5 ]}逆に、水が凝縮したり固体の氷が融解したりする際には、エネルギーと熱が放出されます。地球規模で見ると、水は海洋循環を介して熱帯から極地へ熱を伝達する上で重要な役割を果たしています。^{[ 6 ]}

循環における蒸発段階は、水分子を液相中の塩分やその他の粒子から分離する浄化プロセスとしても機能します。^{[ 7 ]}大気中の凝結段階は、陸地に淡水を補給します。液体の水の流れは、鉱物を地球全体に運びます。また、風化、浸食、堆積といったプロセスを通じて、地球の地質学的特徴を変化させます。水循環は、地球上の ほとんどの生命と生態系の維持にも不可欠です。

人間の行動は水循環に大きな影響を与えています。森林伐採、都市化、地下水の汲み上げといった活動は、自然景観を変化させ（土地利用の変化）、水循環に影響を与えます。^{[ 8 ] : 1153} さらに、気候変動は水循環の激化をもたらしています。研究によると、地球温暖化は降水パターンの変化、異常気象の頻度の増加、降雨の時期や強度の変化を引き起こしています。^{[ 9 ] : 85} これらの水循環の変化は、生態系、水の利用可能性、農業、そして人間社会に影響を及ぼします。

表面流出

雨水排水溝に流れ込む流出水

表面流出（地表流または陸地流出とも呼ばれる）は、水路流出（または河川流出）とは対照的に、地表を流れる水の閉じ込められていない流れである。これは、過剰な雨水、雨水、融雪水、またはその他の水源が土壌に十分な速さで浸透できなくなったときに発生する。これは、土壌が最大容量まで水で飽和し、雨が土壌の吸収能力よりも速く到達した場合に発生する可能性がある。表面流出は、不浸透性領域（屋根や舗装など）が地面への水の浸透を妨げているために発生することが多い。さらに、流出は自然または人為的なプロセスによって発生する可能性がある。^{[ 10 ]}

表面流出は水循環の主要な構成要素であり、水による土壌浸食の主な原因です。^{[ 11 ] [ 12 ]}流出が生じ、共通の地点に流れ込む陸地は、流域と呼ばれます。

河川に到達する前に地表で発生する流出水は、人為的な汚染物質や自然由来の汚染物質（腐葉土など）を運ぶ可能性があるため、非点源汚染となり得る。流出水に含まれる人為的な汚染物質には、石油、農薬、肥料などが含まれる。^{[ 13 ]}多くの農業汚染は地表流出によって悪化し、富栄養化を引き起こす栄養塩汚染など、下流域への様々な影響を及ぼしている。

都市部における表面流出は、水による浸食や汚染を引き起こすだけでなく、都市部の洪水の主な原因でもあり、その結果、建物の損傷、地下室の湿気やカビ、道路の冠水などが生じる可能性があります。

都市流出水

雨水排水路に流れ込む都市排水

都市流出とは、都市化によって生じた雨水、灌漑用水、洗車用水などの表面流出である^{[ 14 ]}。土地開発の過程で、不浸透性表面（道路、駐車場、歩道）が建設される。雨、嵐、その他の降雨時には、これらの表面（アスファルトやコンクリートなどの材料で造られたもの）と屋根が、汚染された雨水を土壌に浸透させる代わりに、雨水排水溝へと流してしまう。^{[ 15 ]}

これにより、地下水位が低下し（地下水の涵養量が減少するため）、地表に残る水の量が増えるため洪水が発生します。 ^{[ 16 ] [ 17 ]}ほとんどの自治体の雨水下水道は、未処理の雨水を小川、河川、湾に排出します。この余剰水は、地下室の逆流や建物の壁や床からの浸水によって人々の敷地内に流れ込むこともあります。世界中の都市部において、 都市流出水は都市洪水や水質汚染の主要な原因となり得ます。

河川流出

河川流量、または河川流出とは、小川やその他の水路を流れる水の流れであり、水循環の主要な要素です。これは流出の構成要素の1つであり、陸地から水域への水の移動です。もう1つの構成要素は表面流出です。水路を流れる水は、隣接する丘陵斜面からの表面流出、地面からの地下水流出、およびパイプからの排水によって発生します。水路を流れる水の流量は、流量計を使用して測定するか、マニングの式を使用して推定できます。時間経過に伴う流量の記録は、ハイドログラフと呼ばれます。洪水は、水量が水路の容量を超えると発生します。

モデル

流出モデルまたは降雨流出モデルは、流域（集水域または流域）における降雨がどのように流出水に変換されるかを記述します。より正確には、降雨イベントに応じて表面流出ハイドログラフを作成します。このハイドログラフは で表され、ハイエトグラフとして入力されます。降雨流出モデルは、使用前に 較正する必要があります。

よく知られている流出モデルは線形貯水池モデルですが、実際には適用範囲が限られています。非線形貯水池モデルはより普遍的に適用可能ですが、それでもなお、降雨量がその地域全体にほぼ均一に分布しているとみなせるという条件によって、表面積が制限される集水域にのみ適用可能です。したがって、流域の最大面積は、その地域の降雨特性に依存します。調査対象地域が広すぎる場合は、小集水域に分割し、洪水経路決定技術を用いて様々な流出ハイドログラフを組み合わせることができます。

曲線番号

流出曲線数（カーブナンバー、または単にCNとも呼ばれる）は、水文学において降雨超過による直接流出または浸透を予測するために用いられる経験的パラメータである。 ^{[ 18 ]}カーブナンバー法は、米国農務省天然資源保全局（旧称：土壌保全局、SCS）によって開発された。この数値は、文献では今でも「SCS流出曲線数」として広く知られている。流出曲線数は、米国農務省が監視する小規模集水域および丘陵斜面からの流出に関する経験的分析から開発された。これは広く使用されており、特定の地域における降雨イベントによる直接流出量の概算を決定するための効率的な方法である。

参考文献

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