水文学

地下水は地球の表面の下にある水で、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）では、地下水の流れと溶質輸送を定量化することを考察する。^{[ 6 ]}飽和帯を記述する際の問題には、流れの方向、地下水圧、そして推測される地下水深度の観点からの帯水層の特性評価が含まれる（帯水層テストを参照）。ここでは、ピエゾメーターを使用して測定を行うことができる。帯水層は、透水係数、貯留係数、透過係数の観点からも記述される。帯水層を特性評価するための地球物理学的方法は数多くある。 ^{[ 7 ]}また、不飽和帯（バドースゾーン）の特性評価にも問題がある。^{[ 8 ]}

浸透とは、水が土壌に浸透する過程のことです。水の一部は吸収され、残りは地下水位まで浸透していきます。浸透能力、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ります。すでに飽和している層は、その厚さに比例した抵抗力を提供し、それに加えて土壌上の水の深さが駆動力（水頭）となります。乾燥した土壌は毛細管現象によって急速な浸透を可能にしますが、土壌が湿潤になるにつれてこの力は弱まります。圧縮は多孔性と孔径を減少させます。地表被覆は、流出を遅らせ、圧縮やその他の過程を減少させることで、浸透能力を高めます。高温は粘度を低下させ、浸透を促進します。^{[ 9 ]： 250～275}

土壌水分は、静電容量プローブ、時間領域反射計、またはテンシオメーターなど、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、地表水の流れと溶質の輸送を定量化することを扱いますが、大河川の流れの扱いは、水理学または流体力学の独立したトピックとして扱われる場合もあります。地表水の流れには、明確な河川水路内の流れとそれ以外の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（流量を参照）やトレーサー法などがあります。その他のトピックには、地表水の一部としての化学物質の輸送、堆積物の輸送、侵食などがあります。

水文学における重要な分野の一つに、河川と帯水層間の水の交換があります。河川や帯水層における地下水と地表水の相互作用は複雑であり、河川の水位と地下水位の関係によって、正味の水流（地表水への流入または帯水層への流入）の方向は、河川水路に沿って空間的に変化したり、特定の場所で時間とともに変化したりする可能性があります。

水文学は陸地と大気の境界から始まると考えられる場合もあり^{[ 11 ]}、そのため降水と蒸発の両方について十分な知識を持つことが重要です。降水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ためのディスドロメーター、雲の特性、降雨量の推定、雹や雪の検出のためのレーダー、雨や雪の降雨の正確な日常測定のための雨量計、降雨域の特定、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当量などの測定のための衛星などです^{[ 12 ] 。}

蒸発は水循環の重要な要素です。蒸発は湿度によって部分的に影響を受け、湿度は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、靄とも関連します。水文学では、水面からの蒸発、自然生態系および農耕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扱います。蒸発の直接測定は、サイモンの蒸発皿を使用して行うことができます。

蒸発に関する詳細な研究では、境界層の考察に加え、運動量、熱流束、エネルギー収支なども考慮する必要がある。

水文過程のリモートセンシングは、現地センサーが利用できない、またはまばらな場所に関する情報を提供できます。また、広範囲にわたる観測も可能になります。地表水貯留量、土壌水分、降水量、蒸発散量、雪や氷など、陸域の水収支を構成する多くの変数は、さまざまな空間時間分解能と精度でリモートセンシングを使用して測定できます。^{[ 13 ]}リモートセンシングのソースには、地上センサー、航空機搭載センサー、マイクロ波、熱赤外線、近赤外線データを取得できる衛星センサー、またはライダーを使用する衛星センサーなどがあります。

水文学において、水質の研究は有機化合物と無機化合物、そして溶存物質と堆積物の両方を対象とします。さらに、水質は溶存酸素と有機物との相互作用や、起こりうる様々な化学変化によっても影響を受けます。水質測定には、現場で分析を行う現場分析法（多くの場合、自動で行われる）と、微生物学的分析を含む実験室分析法があります。

• 予算分析
• パラメータ推定
• 時間と空間におけるスケーリング
• 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

水文過程の観測は、水文システムの将来の挙動（水流、水質）を予測するために使用されます。 ^{[ 14 ]}水文学研究における現在の主要な関心事の1つは、「未観測流域における予測」（PUB）、つまりデータがまったくないか、ごくわずかしか存在しない流域における予測です。^{[ 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現象を推定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現期間の観点から分析が行われます。関心のあるその他の量には、河川の年間平均流量や季節ごとの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であり、将来のインフラ投資に関する意思決定に影響を与え、給水システムの供給信頼性特性を判断するための適切なリスク分析を行うために役立ちます。統計情報は、農業、工業、住宅の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規則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な表現です。これらは主に、科学的モデリングの一般的な分野において、水文予測や水文プロセスの理解に使用されます。水文モデルには大きく分けて2つの種類があります。^{[ 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（たとえば降雨量）をモデルの出力（たとえば流出量）にリンクします。一般的に使用される手法は、回帰、伝達関数、およびシステム同定です。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、関連する実際の物理的プロセスを深く掘り下げることなく、流域の応答の一般的な側面を表現するために非線形コンポーネントを使用することが一般的です。そのような側面の一例として、流域がすでに湿っている場合、乾燥している場合よりもはるかに速く強く反応するというよく知られた挙動があります。
• 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、地下流、蒸発散、および水路流の表現が含まれますが、はるかに複雑な場合もあります。このカテゴリ内で、モデルは概念モデルと決定論モデルに分類できます。概念モデルは、ある地域の水文プロセスの簡略化された表現をリンクするのに対し、決定論モデルは、システムの物理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化できます。

水文モデリングに関する近年の研究では、水文システムの挙動をより包括的に理解することで、より精度の高い予測を行い、水資源管理における主要な課題に対処しようとしている。

水の移動は、土壌、砂利、岩石、汚染物質などの他の物質をある場所から別の場所へ運ぶ重要な手段です。受水域への最初の流入は、点源排出、線源、または表面流出などの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利用により、かなり複雑な数理モデルが開発されてきました。分析される最も一般的な汚染物質の種類は、栄養素、農薬、総溶解固形物、および堆積物です。

• 国際水文計画（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 – 水生研究、チューリッヒ工科大学、スイス^{[ 23 ]}
• ドイツ、フライブルク大学水文学研究所^{[ 24 ]}
• 米国地質調査所–米国の水資源^{[ 25 ]}
• NOAA国立気象局– 水文開発局、米国^{[ 26 ]}
• 米国陸軍工兵隊水理工学センター、米国^{[ 27 ]}
• 水文学研究センター、米国^{[ 28 ]}
• NOAA経済社会科学部、アメリカ合衆国^{[ 29 ]}
• オクラホマ大学自然災害研究センター、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）－水文学部会^{[ 35 ]}
• 全国地下水協会(NGWA) ^{[ 36 ]}
• アメリカ水資源協会^{[ 37 ]}
• 水文学の発展のための大学コンソーシアム (CUAHSI) ^{[ 38 ]}
• 国際水文学協会（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 ]}
• 水文学者および気象学者協会 – ネパール^{[ 48 ]}

• コネクテッド・ウォーターズ・イニシアチブ、ニューサウスウェールズ大学^{[ 49 ]} – オーストラリアにおける地下水および水資源問題の調査と啓発
• マレー・ダーリング盆地イニシアチブ、オーストラリア環境遺産省^{[ 50 ]}