湖の滞留時間

湖の滞留時間（湖水の滞留時間、水齢、またはフラッシング時間とも呼ばれる）は、水（または溶解した物質）が特定の湖で過ごす平均時間を表す計算量です。最も簡単に言えば、この数値は湖の容積を湖への流入量または流出量で割った結果です。これは、湖に流入した物質が再び湖から流出するのにかかる時間を大まかに表しています。滞留時間は、下流の洪水や汚染物質が懸念される場合に特に重要です。

湖全体の滞留時間（湖で水が滞留する平均時間）は、湖の容積を全支流の平均流入速度または平均流出速度（理想的には蒸発と浸透を含む）で割ることによって計算されます。この測定基準は、湖の水がよく混合されている（成層化されていない）ことを前提としており、湖の水のどの部分も他の部分とほとんど同じです。実際には、大きくて深い湖は一般的によく混合されていません。多くの大きな湖は、限られた流れのみで明確な部分に分割できます。深い湖は一般的に成層化しており、深層水は表面水とめったに混ざりません。これらは、いくつかの異なる水の部分量としてモデル化する方がよいことがよくあります。^[1]

特定の湖のより具体的な滞留時間を計算することも可能で、たとえばサブボリューム (特定の支流など) の個々の滞留時間や、成層湖のさまざまな層の滞留時間分布などを計算することができます。これらの数値は、湖の流体力学をより適切に表現できる場合がよくあります。ただし、このようなアプローチはいずれも単純化にとどまり、湖で発生するプロセスを理解した上で行う必要があります。

特定の湖がどのように機能するかを解明するために、2 つのアプローチ (多くの場合、組み合わせて) を使用できます。フィールド測定と数学的モデリングです。フィールド測定の一般的な手法の 1 つは、湖にトレーサーを導入してその動きを監視することです。トレーサーは、特定の水層内で中性浮力になるように作られたフロートなどの固体トレーサーの場合もあれば、液体の場合もあります。このアプローチは、ラグランジュ参照フレームを使用すると呼ばれることもあります。オイラー参照フレームを使用する別のフィールド測定アプローチは、湖のさまざまな固定位置で湖水のさまざまな特性 (質量移動、水温、電気伝導率、溶解物質 (通常は酸素) のレベルなど) をキャプチャすることです。これらから、湖のさまざまな部分で動作している主要なプロセスとその範囲と期間についての理解を構築できます。^[1]

現地計測だけでは、通常、滞留時間を生成するための信頼できる根拠にはなりません。主な理由は、計測が必然的に場所と条件の小さなサブセットを表すためです。したがって、計測は一般に数値モデルの入力として使用されます。理論的には、流入する水粒子が湖から出るのに十分な非常に長い期間にわたって、可変境界条件を持つ流体力学方程式のシステムを統合することが可能です。その後、ラグランジュ法を使用して粒子の移動時間を計算できます。ただし、このアプローチは、現在の流体力学モデルで利用可能な詳細と、現在のコンピュータリソースの容量を超えています。代わりに、ガスおよび流体力学、化学工学、および生物流体力学用に開発された滞留時間モデルを適応させて、湖のサブボリュームの滞留時間を生成することができます。^[1]

有用な数学モデルのひとつは、流入水が湖をどれだけ早く満たすことができるかを測定することです。更新時間は保持時間の具体的な尺度であり、「湖の水をすべて完全に入れ替えるのにどれだけの時間がかかるか」に焦点が当てられています。このモデル化は、システムによって獲得および失われたすべての水の正確な予算がなければ実行できません。更新時間は、湖の流入水が流域全体の容積をどれだけ早く満たすことができるかという単純な問題になります (これは、流出水が変わらないことを前提としています)。たとえば、ミシガン湖が空になった場合、その支流が湖を完全に満たすには 99 年かかります。^[2]

記載されている滞在時間は、特に指定がない限り、関連記事の情報ボックスから取得されます。

• 水循環: 滞留時間

• EPA 五大湖ファクトシート #1
• EPA 五大湖アトラス
• Jody Richardson、Alistair McKerchar (2006 年 12 月)。「陸封魚と湖での滞在時間」 。2007年5 月 22 日閲覧。- ニュージーランドの湖の滞在時間とコアロ、ワカサギ、コモンブリーの個体数との関係。