地下水の涵養

地下水涵養または深部排水または深部浸透は、水が地表水から地下水へと下方に移動する水文学的プロセスです。涵養は、水が帯水層に入る主な方法です。このプロセスは通常、植物の根の下の不飽和帯で発生し、地下水面への流入として表現されることが多いです。地下水涵養には、地下水面から飽和帯へと水が移動することも含まれています。^{[1]涵養は、自然に（}水循環を通じて）発生する場合と、雨水や再生水が地下に送られる人為的プロセス（つまり、「人工地下水涵養」）を通じて発生する場合があります。

補給率を推定する最も一般的な方法は、塩化物質量収支（CMB）、土壌物理学的方法、環境および同位体トレーサー、地下水位変動法、水収支（WB）法（地下水モデル（GM）を含む）、および河川への基底流量（BF）の推定である。^[2]

地下水の涵養は、拡散的または集中的なメカニズムを通じて起こる可能性があります。拡散的涵養は、降水が土壌を通って地下水位に浸透するときに起こり、定義上、広い範囲に分布します。集中的涵養は、水が地表水源（川、湖、ワジ、湿地）または地表の窪地から漏れる場所で起こり、一般的に乾燥するとより顕著になります。^[2]

水は、雨や雪解け水によって自然に涵養され、また、程度は低いものの、地表水（河川や湖）によっても涵養されます。舗装、開発、伐採などの人間の活動によって、涵養が多少妨げられることがあります。これらの活動によって表土が失われ、水の浸透が減少し、表面流出が増加し、涵養量が減少する可能性があります。特に灌漑用の地下水の使用も、地下水位を下げる可能性があります。長期的に帯水層から汲み上げる水量は、涵養される水量以下でなければならない ため、地下水の涵養は持続可能な地下水管理にとって重要なプロセスです。

涵養は、根域に蓄積した余分な塩分をより深い土壌層、または地下水系に移動させるのに役立ちます。木の根は地下水への水分飽和度を高め、水の流出を減らします。^[3]洪水は粘土質の土壌を下流に移動させることで一時的に川底の透水性（土壌の透水性）を高め、これにより帯水層の涵養が増加します。^[4]

湿地は、地下水位（水頭）を維持するのに役立ちます。^{[5] [6]}これにより、地下水の涵養と他の水域への排出も促進されます。湿地による地下水涵養の程度は、土壌、植生、場所、周囲の容積に対する比率、および地下水位勾配によって異なります。^{[7] [8]}地下水の涵養は、主に空中に見られる鉱物質土壌によって発生します。 ^{[9]ほとんどの湿地の土壌は比較的不浸透性です。小さな湿地などの高い周囲容積に対する比率は、}草原の窪みなどの小さな湿地に典型的に見られる地下水に水が浸透できる表面積を意味し、地域の地下水資源の涵養に大きく貢献します。^[8]研究者は、シーズンごとに湿地の容積の最大20％の地下水涵養を発見しました。^[8]

淡水の利用可能性を高めるための管理された帯水層補給（MAR）戦略には、河床チャネルが含まれます。^[10]カリフォルニア州オレンジ郡の施設では、 1日あたり1億ガロンの水を浄化して注入しています。 ^[11]つまり、年間900億ガロンです。^[12]

インドでは、農民による地下水の過剰汲み上げにより地下資源が枯渇しており、人工的な地下水涵養がますます重要になっている。2007年、国際水管理研究所の勧告に基づき、インド政府は、硬岩帯水層に蓄えられた水が過剰に搾取されていた7州の100地区で、掘り抜き井戸涵養プロジェクト（掘り抜き井戸とは、広くて浅い井戸で、コンクリートで裏打ちされていることが多い）に資金を提供するために、1,800クローレ（2023年時点で540億ルピー、6億5,000万米ドルに相当）を割り当てた。もう1つの環境問題は、酪農場、産業、都市の流出水など、水の流れによる廃棄物の処分である。

雨水流出による汚染物質は、貯留池に集まります。分解可能な汚染物質が濃縮されると、生物分解が促進されます。ただし、地下水位が高い場所や時期によっては、貯留池、調整池、雨水ガーデンの適切な設計に影響します。

水が圃場全体に均一に降り注ぎ、土壌の圃場容量を超えない場合、地下水に浸透する水はごくわずかです。代わりに低地に水たまりができると、同じ量の水がより狭い領域に集中して圃場容量を超え、その結果、水が浸透して地下水を補充することになります。相対的に寄与する流出領域が大きいほど、浸透は集中します。比較的均一に領域全体に降り注ぐ水が、表面の窪みの下で選択的に地下水に流れるという反復プロセスは、窪みに集中した補充です。このような窪みの下では地下水位が上昇します。

乾燥地域では、低地に集中した地下水涵養が非常に重要です。より多くの降雨が地下水供給に貢献する可能性があります。

窪地に集中した地下水涵養は、地下水への汚染物質の輸送にも大きな影響を及ぼします。これは、カルスト地形のある地域では大きな懸念事項です。なぜなら、水は最終的に帯水層や分断された小川に至るまでのトンネルを溶かしてしまう可能性があるからです。この極端な形態の優先流は、汚染物質の輸送とそのようなトンネルの浸食を加速させます。このようにして、流出水が脆弱な水源に流れ込む前に捕らえることを目的とした窪地は、時間の経過とともに地下につながる可能性があります。トンネルの上部の表面が空洞化すると、ポットホールや洞窟 が発生します。

より深い水たまりは、圧力をかけて水を地中に素早く浸透させます。流れが速いと、土壌に吸着されていた汚染物質が剥がれ落ち、流れていきます。これにより、汚染物質が地下水面に直接流れ込み、地下水源に流れ込む可能性があります。したがって、浸透池に溜まる水質は特に重要です。

地下水涵養速度を定量化することは困難である。^{[13] [2]}これは、バランスを決定するために、まず蒸発、蒸散（または蒸発散量）、浸透プロセスなどの他の関連プロセスを測定または推定する必要があるためです。地下水位に到達する雨水の量を直接かつ正確に定量化できる、広く適用可能な方法は存在しません。^[2]

補給率を推定する最も一般的な方法は、塩化物質量収支（CMB）、土壌物理学的方法、環境および同位体トレーサー、地下水位変動法、水収支（WB）法（地下水モデル（GM）を含む）、および河川への基底流量（BF）の推定である。^[2]

地域、大陸、地球全体の涵養量の推定は、一般的に地球規模の水文学モデルから導き出されます。^[2]

物理的方法は、土壌物理学の原理を使用して、涵養量を推定します。直接物理的方法は、根域の下を通過する水の量を実際に測定しようとするものです。間接物理的方法は、土壌の物理的パラメータの測定または推定に依存しており、土壌の物理的原理とともに、潜在的または実際の涵養量を推定するために使用できます。雨が何ヶ月も降らないと、湿潤気候の河川の水位は低く、排水された地下水のみを表します。したがって、集水域がすでにわかっている場合は、この基本流量から涵養量を計算できます。

化学的方法は、深部排水が起こると土壌中を移動する 同位体トレーサー^{[14] [15] [16]}や塩化物^{[17]などの比較的}不活性な水溶性物質の存在を利用します。

涵養量は、Hydrologic Evaluation of Landfill Performance、UNSAT-H、SHAW (Simultaneous Heat and Water Transfer model の略)、WEAP、MIKE SHEなどのコードを使用した数値的手法で推定できます。1D プログラムHYDRUS1Dはオンラインで入手できます。これらのコードでは通常、気候と土壌のデータを使用して涵養量を推定し、何らかの形でRichards 方程式を使用して通気帯の地下水の流れをモデル化します。

地下水涵養のさらなる影響は、都市化の結果である。研究によると、都市部では農村部に比べて涵養率が最大10倍高い場合がある^[22] 。これは、都市部では広大な水道と下水道網が整備されているが、農村部ではそれが得られないからである。農村部の涵養は降水量によって大きく支えられており^[22]、都市部ではその逆である。都市内の道路網とインフラは地表水が土壌に浸透するのを妨げ、その結果、ほとんどの地表流出水は地元の給水のために雨水排水路に流れ込む。都市開発がさまざまな地域に広がり続けるにつれて、地下水涵養率は以前の農村地域の既存の率に比べて増加する。地下水涵養の急激な流入の結果、鉄砲水が発生する^[23]。生態系は、地下水涵養率による地下水余剰の増加に適応しなければならない。さらに、道路網は土壌に比べて浸透性が低いため、地表流出水が多くなる。そのため、都市化により地下水の涵養速度が上昇し、浸透が減少し、^[23]地域の生態系が周囲の環境の変化に適応するにつれて、洪水が発生します。

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