表面流出

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）とは対照的に、地表を流れる水の制限されない流れである。表面流出は、過剰な雨水、雨水、雪解け水、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、雨が土壌が吸収できる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）が地面に水を浸透させないためによく発生する。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。^[1]

表面流出は水循環の主要な構成要素であり、水による土壌侵食の主な原因です。^{[2] [3]}共通点に排水される流出水を生成している陸地は、流域と呼ばれます。

地表で発生した流出水は、水路に到達する前に人為的な汚染物質や自然の汚染物質（腐った葉など）を運ぶ可能性があるため、非点源汚染となる可能性があります。流出水に含まれる人為的な汚染物質には、石油、農薬、肥料などが含まれます。^[4]多くの農業汚染は表面流出によって悪化し、富栄養化を引き起こす栄養素汚染など、下流にさまざまな影響を及ぼします。

都市部での表面流出は、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、財産の損害、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。

表面流出は、土壌表面を通過することなく表面河川に到達する降水（雨、雪、みぞれ、または雹^{[5] ）として定義されます。 [6]}これは、降雨または降雪の融解直後に表面河川に到達する流出である直接流出とは異なり、積雪または氷河の融解によって発生する流出は除外されます。^[7]

雪や氷河の融解は、これらが恒久的に形成されるほど寒い地域でのみ発生します。通常、雪解けは春にピークを迎え^[8]、氷河の融解は夏にピークを迎え^[9] 、それらの影響を受ける川では顕著な流量の最大値が見られます。^[10]雪や氷河の融解速度を決定する要因は、気温と日照時間です。^[11]このため、高山地域では、晴れた日に水位が上昇し、曇りの日に水位が下がることがよくあります。

雪が降らない地域では、流出は降雨によるものです。しかし、土壌に蓄えられた雨水が小雨であれば吸収できるため、すべての降雨が流出を引き起こすわけではありません。オーストラリアと南アフリカの極めて古い土壌では、^[12] 極めて密集した根毛ネットワークを持つプロテオイド根が大量の雨水を吸収するため、かなりの降雨量があっても流出を防ぐことができます。これらの地域では、それほど肥沃ではない割れやすい粘土質の土壌であっても、表面流出を生み出すには多量の降雨と蒸発の可能性が必要であり、極めて変化に富んだ（通常は短命な）小川への特殊な適応につながっています。

これは、地表での降雨量が地表への水の浸透量を超え、窪地の貯留量がすでに満たされている場合に発生します。これは、ホートン地表流（ロバート・E・ホートンにちなんで）^[13] 、または不飽和地表流^[14]とも呼ばれます。これは、降雨量が多く、地表の密閉により土壌浸透能力が低下している乾燥地域や半乾燥地域、または舗装により水の浸透が妨げられている都市部でより一般的に発生します。^[15]

土壌が飽和し、窪地貯留層が満たされた状態で雨が降り続けると、降雨によって直ちに表面流出が発生します。土壌が飽和するまでの時間に影響を与える要因の 1 つは、先行する土壌水分レベルです。この流出は飽和過剰地表流^[15] 、飽和地表流^[16]、またはダン流出と呼ばれます。^[17]

土壌は降雨後もある程度水分を保持します。この残留水分は土壌の浸透能力に影響します。次の降雨時には、浸透能力によって土壌は異なる速度で飽和します。先行する土壌水分レベルが高いほど、土壌はより速く飽和します。土壌が飽和すると、流出が発生します。したがって、表面流出は、中程度および低強度の嵐後の土壌水分の制御において重要な要素です。^[18]

水は丘の上り斜面部分の土壌に浸透した後、土壌を横方向に流れ、水路の近くまで浸透（土壌から流出）することがあります。これを地下還流または通過流と呼びます。

流れていくにつれて、流出量はいくつかの方法で減少する可能性があります。少量は蒸発散し、微地形の窪地に一時的に水が貯まり、一部は陸上を流れる際に浸透します。残った表層水は最終的に川、湖、河口、海などの受水域に流れ込みます。^[19]

都市化により、舗装や建物などの不浸透性表面が増え、水が土壌を通って帯水層に浸透しなくなるため、表面流出が増加します。代わりに、水は小川や雨水流出溝に直接流れ込み、洪水が発生していなくても、浸食や沈泥が大きな問題になることがあります。流出が増加すると地下水の涵養が減少し、地下水位が低下して干ばつが悪化します。特に農業従事者や井戸に依存している人々にとってその傾向が顕著です。^[20]

人為的汚染物質が流出水に溶解または浮遊すると、人間の影響が拡大して水質汚染を引き起こします。この汚染物質は、小川、川、湖、河口、海などのさまざまな受水域に到達し、これらの水系と関連する生態系の水質化学変化を引き起こします。^[21]

人間が大気中に温室効果ガスを放出することで気候を変え続けると、大気中の水蒸気の容量が増加するため、降水パターンが変化すると予想されます。これは流出量に直接的な影響を及ぼすでしょう。^[22]

都市流出水は、都市化によって生じた雨水、景観灌漑、洗車からの表面流出である^[23]。土地開発の過程で不浸透性表面（道路、駐車場、歩道）が構築される。雨や嵐、その他の降水事象の際、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構築）は、屋根とともに、汚染された雨水を土壌に浸透させる代わりに、雨水排水溝に流す。^{[24]これにより、}地下水位が低下し（地下水の涵養が減少するため）、表面に残る水の量が増えるため洪水が発生する。[ ^{25] [26]}ほとんどの自治体の雨水下水道システムは、未処理の雨水を小川、川、湾に排出する。この過剰水は、地下室の逆流や建物の壁や床からの浸透によって人々の所有物に流れ込むこともある。

都市部の流出水は、世界中の都市部における都市洪水や水質汚染 の大きな原因となる可能性があります。

表面流出は地球の表面の浸食を引き起こす可能性があり、浸食された物質はかなり離れた場所に堆積する場合があります。水による土壌浸食には、スプラッシュ浸食、シート浸食、リル浸食、ガリー浸食の 4 つの主なタイプがあります。スプラッシュ浸食は、雨滴が土壌表面に機械的に衝突することによって発生します。衝撃によって除去された土壌粒子は、表面流出とともに移動します。シート浸食は、明確な水路のない流出によって堆積物が陸上を輸送されることです。土壌表面の粗さが原因で、流出水がより狭い流路に集中する場合があります。これが刻み込まれると、形成される小さいながらも明確な水路はリルと呼ばれます。これらの水路は、幅 1 センチメートルほど小さいものから数メートルほどの大きさのものまであります。流出水がリルを刻み続けて拡大すると、最終的にガリーになる可能性があります。ガリー浸食は、短期間で大量の浸食物質を輸送する可能性があります。

作物の生産性の低下は、通常、侵食が原因であり、これらの影響は土壌保全の分野で研究されています。流出水で運ばれる土壌粒子のサイズは、直径約 0.001 ミリメートルから 1.0 ミリメートルまでさまざまです。大きな粒子は短い移動距離で沈降しますが、小さな粒子は水柱に浮遊したまま長距離を運ばれます。小さな粒子を含むシルト質土壌の侵食により、濁度が発生し、光の透過率が低下し、水生生態系が乱れます。

国土の全域が侵食によって非生産的になっている。マダガスカルの中央高原は国土の約 10 パーセントを占め、その地形のほぼ全域に植生がまったくなく、侵食による溝は通常 50 メートル以上の深さと 1 キロメートル以上の幅がある。 焼畑農業は、世界の一部の地域では焼畑農法を取り入れることもある農法である。侵食は肥沃な表土の喪失を引き起こし、その肥沃度と農産物の品質を低下させる。

現代の工業型農業も土壌侵食の大きな原因となっている。米国のコーンベルト地帯の3分の1以上で表土が完全に失われている。^[29]不耕起栽培に切り替えれば、米国の農地からの土壌侵食は70％以上減少するだろう。^[30]

流出に関連する主な環境問題は、水質汚染物質がこれらのシステムに運ばれることで表層水、地下水、土壌に及ぼす影響である。最終的にこれらの影響は、人間の健康リスク、生態系の撹乱、水資源への美観への影響につながる。流出によって表層水に最も大きな影響を及ぼす汚染物質には、石油物質、除草剤、肥料などがある。農薬やその他の汚染物質の表面流出による定量的吸収は1960年代から研究されており、初期には農薬が水と接触すると植物毒性が強まることが知られていた。^[31] 表層水の場合、小川や川はさまざまな化学物質や堆積物を含んだ流出水を受け取るため、影響は水質汚染につながる。表層水を飲料水供給源として使用すると、健康リスクや飲料水の美観（つまり、臭気、色、濁度の影響）が損なわれる可能性がある。汚染された表層水は、そこに生息する水生生物の代謝プロセスを変化させる危険性があり、これらの変化は魚の大量死などの死につながる可能性があり、また、存在する個体群のバランスを変化させる可能性もあります。その他の具体的な影響としては、動物の交尾、産卵、卵と幼生の生存、幼生の生存、植物の生産性などがあります。一部の研究では、 DDTなどの農薬の表層流出が魚種の遺伝的性別を変化させ、オスの魚をメスに変えてしまう可能性があることが示されています。^[32]

森林内で発生する表面流出は、湖に大量の無機窒素とリンを供給し、富栄養化につながる可能性があります。針葉樹林内の流出水もフミン酸が豊富で、水域の腐植化につながる可能性があります^[33]さらに、熱帯および亜熱帯の標高の高い若い島々は、高い土壌浸食率に見舞われ、沿岸海域に大量の物質フラックスをもたらす可能性があります。このような陸地由来の堆積物栄養素、炭素、汚染物質の流出は、地球規模の生物地球化学的循環と海洋および沿岸生態系に大きな影響を与える可能性があります。^[34]

地下水の場合、帯水層が人間の使用のために汲み上げられると、飲料水が汚染されるという問題が主に生じます。土壌汚染に関しては、流出水には 2 つの重要な懸念経路があります。まず、流出水は土壌汚染物質を抽出し、水質汚染の形でさらに敏感な水生生息地に運びます。次に、流出水は汚染物質をきれいな土壌に沈着させ、健康や生態系に影響を及ぼす可能性があります。

農業問題のもう一つの側面は、農薬（硝酸塩、リン酸塩、殺虫剤、除草剤など）が表面流出によって運ばれることです。これは、化学物質の使用が過剰であったり、降雨量が多い時期とタイミングが悪かったりした場合に発生します。結果として生じる汚染された流出水は、農薬の無駄になるだけでなく、下流の生態系に対する環境上の脅威にもなります。松の葉は、土壌浸食や雑草の繁殖から土壌を保護するためによく使用されます。^[35]しかし、これらの作物を収穫すると、土壌浸食が増加する可能性があります。

表面流出は多大な経済効果をもたらす。松葉は表面流出に対処する費用対効果の高い方法である。さらに、表面流出は象の群れの成長を通じて再利用することができる。ナイジェリアでは、象の草は表面流出と浸食を減らす経済的な方法と考えられている。^[36]また、中国は野菜などのほとんどの経済作物が表面流出による大きな影響を受けている。そのため、中国は土壌の栄養素（窒素とリン）の損失を減らすシステムを実施したと知られている。^[37]

洪水は、水路が下流に流れる流出水の量を運ぶことができない場合に発生します。これが発生する頻度は、再現期間によって説明されます。洪水は、生態系の構成とプロセスを維持する自然のプロセスですが、河川工学などの土地利用の変更によって変更されることもあります。洪水は社会に利益をもたらすこともあれば、損害を引き起こすこともあります。ナイル川の氾濫原に沿った農業は、作物に有益な栄養素を堆積させる季節的な洪水を利用しました。しかし、集落の数と脆弱性が増加するにつれて、洪水はますます自然災害になります。都市部では、表面流出が都市洪水の主な原因であり、地域社会に繰り返し大きな影響を与えることで知られています。^[38]悪影響は、人命の損失、財産の損害、水源の汚染、作物の損失、社会的混乱、一時的なホームレスに及びます。洪水は、自然災害の中でも最も壊滅的なものです。補助灌漑の使用は、トウモロコシなどの作物が土壌中の窒素肥料を保持し、作物の水利用性を向上させる重要な方法としても認識されています。 ^[39]

流出による悪影響の緩和にはいくつかの方法があります。

• 都市部の不浸透面を最小限に抑えることを目的とした土地利用開発規制
• 農場や建設現場の侵食防止
• 洪水対策やグリーンインフラなどの改修プログラム
• 農業、景観維持、工業用途などにおける化学物質の使用および取り扱い管理。

土地利用規制。世界の多くの規制機関は、不必要なハードスケープを避けることで総表面流出量を最小限に抑える方法の研究を奨励している。^[40]多くの自治体は、土地開発業者向けに、最低限の幅の歩道、私道や歩道に地面に敷いた舗装材の使用、都市環境で最大限の水の浸透を可能にするその他の設計技術を奨励するガイドラインや規則（ゾーニングおよび関連条例）を作成している。建物や不動産の設計要件、建設慣行、保守要件を規定する地方プログラムの例として、カリフォルニア州サンタモニカがある。^[41]

土壌侵食防止は、農民が土壌資源を保護するために等高線農法の重要性を認識した中世以来、出現してきた。1950年代から、これらの農法はますます洗練されていった。1960年代には、一部の州政府および地方自治体が、建設業者に侵食および堆積防止策（ESC）の実施を義務付けることで、建設による流出の緩和に注力し始めた。これには、斜面の流出を遅らせるためのわら俵や障壁の使用、シルトフェンスの設置、降雨量の少ない月に建設を計画すること、露出した傾斜地の範囲と期間を最小限に抑えることなどの技術が含まれていた。メリーランド州モンゴメリー郡は1965年に最初の地方自治体による堆積防止プログラムを実施し、これに続いて1970年にメリーランド州全体でプログラムが実施された。^[42]

20世紀前半には、すでに洪水制御プログラムが河川システムのピーク流量を予測する定量的手法を取り入れていた。ピーク流量を最小限に抑え、また河川流速を下げるための戦略が次第に開発されてきた。一般的に適用される技術には、河川ピーク流量を緩衝するための貯水池（別名、調節池または調整湖）の設置、流速を下げるための河川内のエネルギー消散装置の使用、流出を最小限に抑えるための土地利用規制などがある。^[43]

化学物質の使用と取り扱い。1976年に米国資源保全回収法(RCRA) が制定され、その後1987 年に水質法が制定された後、州や都市は有毒化学物質の封じ込めと貯蔵をより厳格に管理するようになり、放出や漏洩を防止しています。一般的に適用される方法は、地下貯蔵タンクの二重封じ込めの要件、危険物質の使用の登録、許可される殺虫剤の数の削減、景観維持における肥料と除草剤のより厳格な規制です。多くの産業ケースでは、衛生下水道や雨水下水道への汚染物質の流出を最小限に抑えるために、廃棄物の前処理が必要です。

米国水質浄化法（CWA）では、都市化地域（国勢調査局の定義による）の地方自治体が排水システム用の雨水排出許可を取得することを義務付けている。 ^{[44] [45]}本質的には、これは地方自治体が市営雨水下水道システム（「MS4」）に入るすべての表面流出水に対して雨水管理プログラムを運用しなければならないことを意味する。EPAと州の規制および関連出版物は、各地方プログラムに含まれなければならない6つの基本要素を概説している。

• 公衆教育（個人、家庭、企業に雨水汚染を避ける方法を知らせる）
• 住民参加（地域プログラムの実施における住民参加の支援）
• 不法排出の検出と排除（MS4への下水道やその他の雨水以外の接続の除去）
• 建設現場の流出制御（浸食および堆積制御）
• 建設後（つまり恒久的な）雨水管理制御
• 汚染防止（例：自動車燃料やオイル、肥料、農薬、道路凍結防止剤の管理を含む化学物質の取り扱いの改善）および「適切な管理」対策（例：システムメンテナンス）。

州高速道路システム、大学、軍事基地、刑務所など、自治体と同様の雨水排水システムを運営するその他の不動産所有者も、MS4 許可要件の対象となります。

流出水は、数学モデルとさまざまな水質サンプリング方法を組み合わせて分析されます。測定は、特定の有機または無機化学物質、pH 、濁度などの汚染物質、または溶存酸素などの二次指標を対象とした連続自動水質分析機器を使用して行うことができます。単一の水サンプルを抽出し、そのサンプルに対して化学的または物理的テストを実施することで、バッチ形式で測定を行うこともできます。

1950年代かそれ以前には、水文学的輸送モデルは主に洪水予測のために流出量を計算するために使われていた。1970年代初頭から、水質汚染物質を運ぶ流出水の輸送を分析するためのコンピュータモデルが開発された。これらのモデルは、さまざまな化学物質の溶解率、土壌への浸透、受水域に運ばれる最終的な汚染負荷を考慮した。流出水中の化学物質の溶解とその結果生じる輸送を扱う最も初期のモデルの1つは、1970年代初頭に米国環境保護庁（EPA）との契約により開発された。^[46] このコンピュータモデルは、土地利用と化学物質の取り扱い管理の戦略につながる緩和研究の多くの基礎となった。

雨水の専門家は、流出水の質と量に影響を与える複数の変数の自然変動のため、雨水プロセスをシミュレートするためのモンテカルロモデルの必要性をますます認識しています。モンテカルロ分析の利点は、入力統計の不確実性を減らすことではなく、水質逸脱の潜在的なリスクを決定する変数のさまざまな組み合わせを表すことです。このタイプの雨水モデルの1つの例は、確率的経験的負荷および希釈モデル（SELDM）^{[47] [48]}です。これは雨水質モデルです。SELDMは、複雑な科学的データを、流出が受水域に悪影響を与えるリスク、緩和措置の潜在的な必要性、およびこれらのリスクを軽減するためのそのような管理措置の有効性に関する意味のある情報に変換するように設計されています。SELDMは、水文学的変数（異なる確率分布を持つ）間の相互作用をモデル化するため、通常は入手が困難または不可能な情報を迅速に評価する方法を提供し、流出プロセスからの可能性のある長期的結果とさまざまな緩和措置の潜在的な効果を表す値の集団をもたらします。 SELDM は、さまざまな入力仮定が水質逸脱のリスクに及ぼす可能性のある影響を判断するために、感度分析を迅速に行う手段も提供します。

他にも、表面流出を反応性水質汚染物質として河川経路を通じて追跡できるコンピュータモデル（ DSSAMモデルなど）が開発されている。この場合、表面流出は受水域への水質汚染の線源とみなされる可能性がある。 ^[49]

• 農業廃水 – 水域の汚染
• 農業栄養流出 – 飼育施設での動物の飼育と表面流出による汚染を制御するための農場管理Pages displaying short descriptions of redirect targets
• バイオスウェール – 表面流出水を管理するために設計された景観要素
• 集水装置 – 流出水を捕集または流す装置
• 排水 – 川や海に排出される液体廃棄物または下水
• 突発洪水
• HydroCAD H&Hモデリング用ソフトウェアツール
• 水文モデル – 水資源の予測と管理
• 全国都市流出プログラム – 米国汚染研究プログラム – 米国研究プログラム
• 非点源汚染 – 複数の発生源から生じる汚染
• 有機物 – 有機化合物から構成される物質
• 雨水ガーデン – 流出を減らす造園方法
• 流出曲線番号 – 水文学で使用されるパラメータ
• 流出モデル（貯水池）  – 水の動きの種類
• 安全な水
• 確率的経験的負荷および希釈モデル - 雨水水質モデル
• 栄養段階指数 – 生物の生産性を維持する水の能力の尺度

無料辞書のウィクショナリーで「表面流出」を調べてください。

• USDA NRCS 国家エンジニアリング ハンドブック、ステージ排出関係、第 14 章
• NutrientNet は、世界資源研究所が開発したオンライン栄養素取引ツールで、表面流出やその他の汚染に関連する水質問題に対処するために設計されています。ペンシルバニア州の栄養素取引プログラム用に設計された PA NutrientNet Web サイトも参照してください。
• 表面流出水を処理する低影響開発方法としてのバイオリテンション
• Liu, Yang (2009)。「高速かつエリートな多目的粒子群アルゴリズムを使用した降雨流出モデルの自動較正」。Expert Systems with Applications。36 (5): 9533–9538。doi :10.1016/ j.eswa.2008.10.086。
• Liu, Yang; Pender, Gareth (2013). 「多目的最適化を用いた急速な洪水拡散モデルの自動較正」. Soft Computing . 17 (4): 713–724. doi :10.1007/s00500-012-0944-z. S2CID  27947972.
• Liu, Yang; Sun, Fan (2010). 「多目的モデルを用いた降雨流出モデルの感度分析と自動較正」.生態情報学. 5 (4): 304–310. Bibcode :2010EcInf...5..304L. doi :10.1016/j.ecoinf.2010.04.006.
• 雨水モデル USGS確率的経験的負荷および希釈モデル(SELDM)