水文学

水文学（古代ギリシャ語の ὕδωρ （húdōr）  「水」と-λογία （-logía）  「研究」に由来）は、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あり、水循環、水資源、流域の持続可能性などが含まれます。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、}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つデータを収集および分析します。^[1]

水文学は、表層水水文学、地下水水文学（水文地質学）、海洋水文学に分類されます。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、水質などがあります。

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、計画に役立つ可能性があります。

• 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どのような影響を与えるかを研究する学問です。
• 水情報学は、情報技術を水文学および水資源の応用に応用するものです。
• 水文気象学は、陸地や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発生する水文学的プロセスの研究です。
• 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特性（汚染物質と天然溶質の両方）が含まれます。

• 降雨量の計算。
• 蒸発散量の計算
• 表面流出量と降水量の計算。
• 地域の水収支を決定します。
• 農業用水収支の決定。
• 河川沿岸域の修復プロジェクトの設計。
• 洪水、地滑り、干ばつのリスクを軽減および予測します。
• リアルタイム洪水予測、洪水警報、洪水頻度分析
• 灌漑計画の設計と農業生産性の管理。
• 災害モデリングにおけるハザードモジュールの一部。
• 飲料水の提供。
• 給水や水力発電のためのダムの設計。
• 橋の設計。
• 下水道および都市排水システムの設計。
• 先行する湿気が下水道システムに与える影響を分析します。
• 侵食や堆積などの地形変化を予測する。
• 自然および人為的な環境変化が水資源に与える影響を評価する。
• 汚染物質の輸送リスクを評価し、環境政策ガイドラインを確立します。
• 河川流域の水資源ポテンシャルの推定。
• 水資源管理。
• 水資源工学- 水文学と水力学の原理を、人類の有益な利用を目的とした水資源の計画、開発、管理に応用する。水の利用可能性、水質、需要の評価、水インフラの設計と運用、持続可能な水管理戦略の実施などが含まれる。^[2]

水文学は数千年にわたって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人々の1人であり、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] メソポタミアの町は高い土壁で洪水から守られていました。水道はギリシャ人とローマ人によって建設され、歴史は中国人が灌漑と洪水制御施設を建設したことを示してます。古代シンハラ人は水文学を利用し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、アニカット、運河の建設を可能にしたバルブピット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、山に降った雨が地表に浸透し、低地に小川や泉をもたらすという水循環の哲学的理論を述べました。^[4]より科学的なアプローチを採用し、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。水文学的変数が定量化され始めたのは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・ハリーなどがいます。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、やはりセーヌ川の流量値を算出しました。ハリーは、地中海からの蒸発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、およびアンリ・ピトーによるピトー管が含まれます。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見られました。

20 世紀には経験主義に代わって合理的な分析が使われるようになり、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。特に重要だったのは、ルロイ・シャーマンの単位流量図、ロバート・E・ホートンの浸透理論、および井戸の水理学を記述する CV タイスの帯水層テスト/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)の出現によって、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)

水文学の中心的なテーマは、水がさまざまな経路とさまざまな速度で地球全体を循環しているということです。これを最も鮮明に表すのは、海から水が蒸発して雲を形成することです。これらの雲は陸地を漂い、雨を降らせます。雨水は湖、川、帯水層に流れ込みます。湖、川、帯水層の水はその後、蒸発して大気に戻るか、最終的に海に戻って循環します。この循環を通じて、水は何度も状態を変えます。

水文学の研究分野は、さまざまな状態間の水の動き、または特定の状態内での水の動き、あるいは特定の地域におけるこれらの状態の量を単純に定量化することに関係しています。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関係しており、他の部分は、科学的知識のため、または実際のアプリケーションで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関係しています。

地下水は地球の表面下の水であり、飲料水として汲み上げられることが多い。^[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する。^[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る。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る。帯水層は、透水係数、貯留率、および透過率の観点からも記述される。帯水層の特性評価には、いくつかの地球物理学的方法がある^[7]。また、不飽和帯（不飽和帯）の特性評価にも問題がある。^[8]

浸透とは、水が土壌に入る過程である。水の一部は吸収され、残りは地下水面まで浸透する。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、その抵抗と土壌上の水の深さが駆動力（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。圧縮により、多孔性と細孔サイズが減少する。表面被覆は流出を遅らせ、圧縮やその他のプロセスを減らすことで容量を増加させる。温度が高いと粘度が低下し、浸透が増加する。^{[9] : 250–275}

土壌水分は、静電容量プローブ、時間領域反射計、張力計など、さまざま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方法などがあります。^[10]

水文学では、表面水の流れと溶質輸送の定量化を考慮しますが、大河川の流れの扱いは、水力学または流体力学の別個のトピックと見なされることもあります。表面水の流れには、認識可能な河川の水路とそれ以外の水路の両方の流れが含まれます。水が川に到達した後の流れを測定する方法には、流量計(流量を参照) やトレーサー技術があります。その他のトピックには、表面水の一部としての化学物質の輸送、堆積物の輸送、浸食などがあります。

水文学の重要な分野の一つは、河川と帯水層の間の交流です。河川と帯水層における地下水と表層水の相互作用は複雑になる可能性があり、純水流の方向（表層水または帯水層への）は、河川の水位と地下水位の関係に応じて、河川沿いの空間的および特定の場所における時間の経過に応じて変化する可能性があります。

いくつかの考察では、水文学は陸地と大気の境界から始まると考えられており^[11]、したがって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。降水量はさまざまな方法で測定できます。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、雨量計による雨と降雪の日常的な正確な測定、降雨地域の特定、降雨量の推定、土地被覆/土地利用、土壌水分、積雪量または積雪水量当量などを測定する衛星などです。^[12]

蒸発は水循環の重要な部分です。蒸発は湿度によって部分的に影響を受けますが、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、靄と関係することがあります。水文学では、水面からの蒸発、自然および農業生態系における植物表面からの蒸散など、さまざまな形態の蒸発を考慮します。蒸発を直接測定するには、サイモンの蒸発皿を使用します。

蒸発の詳細な研究では、境界層の考慮に加え、運動量、熱流束、エネルギー予算も考慮されます。

水文学的プロセスのリモートセンシングは、現場の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、広い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、地表水貯蔵量、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使用して、さまざまな空間的・時間的解像度と精度で測定できます。^[13]リモートセンシングの情報源には、陸上センサー、航空機搭載センサー、衛星センサーがあり、マイクロ波、熱、近赤外線データを取得したり、 LIDARを使用したりできます。

水文学では、水質の研究は有機化合物と無機化合物、および溶解物質と堆積物質の両方に関係します。さらに、水質は、溶存酸素と有機物質の相互作用や、発生する可能性のあるさまざまな化学変化によって影響を受けます。水質の測定には、多くの場合自動的に現場で分析が行われる現場法と、微生物学的分析を含む実験室ベースの分析のいずれかが含まれます。

• 予算分析
• パラメータ推定
• 時間と空間のスケーリング
• データ同化
• データの品質管理 – 例えば二重質量分析を参照

水文学的プロセスの観測は、水文学的システムの将来の行動（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1つは、「未測定流域での予測」（PUB）、つまりデータがまったく存在しないか、非常に少ない流域での予測です。^[15]

統計水文学の目的は、水循環のさまざまな部分を分析およびモデル化するための適切な統計的手法を提供することです。^[16]降雨量や河川流量などの水文学的記録の統計的特性を分析することにより、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。比較的まれな事象がどのくらいの頻度で発生するかを評価する場合、そのような事象の再来期間の観点から分析が行われます。その他の重要な数量には、年間または季節ごとの河川の平均流量が含まれます。

これらの推定値は、エンジニアや経済学者にとって、将来のインフラへの投資決定に影響を与え、給水システムの収量信頼性特性を決定するための適切なリスク分析を実行するために重要です。統計情報は、農業、工業、住宅需要 を含むシステムの一部を形成する大規模ダムの運用ルールを策定するために利用されます。

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。これらは主に、科学的モデリングの一般分野において、水文予測や水文プロセスの理解に利用される。水文モデルには2つの主要なタイプがある。^[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使用して、特定の入力 (降雨量など) をモデルの出力 (流出量など) にリンクします。よく使用される手法は、回帰、伝達関数、およびシステム識別です。これらのモデルの中で最も単純なのは線形モデルですが、関連する実際の物理プロセス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。このような側面の例として、集水域がすでに湿っている場合の方が乾燥しているときよりもはるかに迅速かつ強力に反応するというよく知られた動作があります。
• プロセス記述に基づくモデル。これらのモデルは、現実世界で観察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、表面流出、地下水流、蒸発散、水路流の表現が含まれますが、はるかに複雑になることもあります。このカテゴリ内では、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、あるエリアの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、システムの物理的性質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 モデルに細分できます。

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大きな課題に取り組もうとしています。

水の移動は、土、砂利、玉石、汚染物質などの他の物質が場所から場所へ輸送される重要な手段です。受水域への最初の流入は、点源排出、または表面流出などの線源または面源から発生する可能性があります。1960 年代以降、高速コンピューターの利用により、かなり複雑な数学モデルが開発されました。分析される最も一般的な汚染物質クラスは、栄養素、農薬、全溶解固形物、および堆積物です。

• 国際水文学計画（IHP）^[18]

• 国際水管理研究所（IWMI）^[19]
• UN-IHEデルフト水教育研究所^[20]

• 生態学・水文学センター– 英国^[21]
• クランフィールド大学水科学センター、英国^[22]
• eawag – 水生生物研究、ETHチューリッヒ、スイス^[23]
• ドイツ、フライブルク・アルベルト・ルートヴィヒ大学水文学研究所^[24]
• アメリカ地質調査所–米国の水資源^[25]
• NOAAの国立気象局水文開発局、米国^[26]
• アメリカ陸軍工兵隊水文学工学センター、米国^[27]
• 水文学研究センター、米国^[28]
• NOAA経済社会科学部、米国^[29]
• オクラホマ大学自然災害・災害研究センター、米国^[30]
• カナダ国立水文学研究センター[ ^31]
• インド国立水文学研究所^[32 ]

• アメリカ水文学研究所（AIH）^[33]
• アメリカ地質学会（GSA）水文地質学部門^[34]
• アメリカ地球物理学連合（AGU）水文学セクション^[35]
• 全国地下水協会(NGWA) ^[36]
• アメリカ水資源協会^[37]
• 水文学科学振興のための大学連合（CUAHSI）^[38]
• 国際水文学科学協会（IAHS）^{[39] [40]}
• 水文学統計ワーキンググループ（IAHSのサブグループ）^[41]
• ドイツ水文学会 (DHG: Deutsche Hydrologische Gesellschaft) ^[42]
• イタリア水文学会 (SII-IHS) – Società Idrologica Italiana
• 北欧水文学協会^[43]
• 英国水文学会^[44]
• ロシア地理学会（モスクワセンター）水文学委員会^[45]
• 国際環境水文学協会^[46]
• 国際水文地質学会^[47]
• ネパール水文学・気象学会^[48]

• 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チブ、オーストラリア環境遺産省^[50]

• 国際水文学科学技術ジャーナル
• 水文学的プロセス、ISSN  1099-1085（電子版）0885-6087（紙版）、John Wiley & Sons
• 水文学研究、ISSN  0029-1277、IWA Publishing（旧Nordic Hydrology）
• ジャーナル・オブ・ハイドロインフォマティクス、ISSN  1464-7141、IWA 出版
• 水文学工学ジャーナル、 ISSN  0733-9496、 ASCE出版
• 水文学ジャーナル
• 水研究
• 水資源研究
• 水文学科学ジャーナル-国際水文学科学協会 (IAHS)のジャーナル ISSN  0262-6667 (印刷)、ISSN  2150-3435 (オンライン)
• 水文学と地球システム科学
• 水文気象学ジャーナル

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（流水と静水、淡水と塩水、天然または人工）の生物学的、化学的、物理的、地質学的、およびその他の特性を扱います。^[51]
• 水資源とは、有用または潜在的に有用な水源です。水文学では、これらの資源の利用可能性を研究しますが、通常はその用途は研究しません。

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• Hydrology.nl – 国際水文学と水資源のポータル
• 水文および水力モデリングのための不確実性手法を選択するための決定木 (2013 年 6 月 1 日アーカイブ)
• 実験水文学ウィキ