Loading article…
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、地表を流れる水の非拘束流です。これは、過剰な雨水、雨水流出、融雪水、またはその他の水源が、土壌に十分に速やかに浸透できなくなったときに発生します。これは、土壌が水で飽和状態になり、雨が土壌の吸収速度よりも速く降った場合に発生する可能性があります。表面流出は、屋根や舗装などの不浸透性領域が地面への水の浸透を妨げているために発生することがよくあります。さらに、流出は自然プロセスまたは人為的プロセスによって発生する可能性があります。[ 1 ]
地表流出は水循環の主要な構成要素です。それは水による土壌侵食の主な原因です。[ 2 ] [ 3 ]流出が発生し、共通の地点に流れ込む土地の領域は流域と呼ばれます。
水路に到達する前に地表で発生する流出水は、人為的な汚染物質や自然由来の汚染物質（腐った葉など）を運ぶ可能性があるため、非点源汚染源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、肥料などがあります。[ 4 ]農業汚染の多くは地表流出水によって悪化し、富栄養化を引き起こす栄養汚染など、下流に多くの影響をもたらします。
都市部における地表流出水は、水の浸食や汚染を引き起こすだけでなく、都市型洪水の主な原因でもあり、その結果、建物の損壊、地下室の湿気やカビの発生、道路の冠水などを引き起こす可能性がある。
表面流出とは、降水（雨、雪、みぞれ、雹[ 5 ]）が土壌表面より下を通過することなく地表水路に到達することを指します[ 6 ] 。これは、降雨または融雪直後に地表水路に到達する流出であり、積雪や氷河の融解によって発生する流出を除外する直接流出とは異なります[ 7 ] 。
雪や氷河の融解は、そ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。一般的に、雪の融解は春にピークを迎え[ 8 ]、氷河の融解は夏にピークを迎えます[ 9 ]。その結果、雪や氷河の影響を受ける河川では顕著な流量のピークが生じます[ 10 ]。雪や氷河の融解速度を決定する要因は、気温と日照時間の両方です[ 11 ]。高山地帯では、このため、川の水位は晴れた日に上昇し、曇りの日に低下することがよくあります。
雪のない地域では、流出水は降雨から発生します。しかし、土壌の貯留によって小雨が吸収されるため、すべての降雨が流出水を生み出すわけではありません。オーストラリアや南アフリカの非常に古い土壌では、[ 12 ]根毛が非常に密な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し、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、肥沃度の低い亀裂粘土土壌であっても、表面流出水を発生させるには大量の降雨と潜在的な蒸発が必要であり、非常に変動の激しい（通常は一時的な）河川への特殊な適応につながっています。
これは、地表面への降雨量が水が地面に浸透できる速度を超え、窪地の貯水量がすでに満杯になっている場合に発生します。これは、ホートン型地表流（ロバート・E・ホートンにちなんで命名）[ 13 ] 、または不飽和地表流[ 14 ]とも呼ばれます。これは、降雨強度が高く、地表面の被覆によって土壌の浸透能力が低下している乾燥地域や半乾燥地域、あるいは舗装によって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、雨が降り続くと、降雨によってすぐ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、先行土壌水分量です。この流出は、飽和超過地表流[ 15 ] 、飽和地表流[ 16 ] 、またはダン流出[ 17 ]と呼ばれます。
降雨後、土壌にはある程度の水分が残ります。この残留水分は土壌の浸透能力に影響を与えます。次の降雨イベントでは、浸透能力によって土壌が異なる速度で飽和状態になります。降雨前の土壌水分量が多いほど、土壌はより早く飽和状態になります。土壌が飽和状態になると、流出が発生します。したがって、表面流出は、中強度および低強度の嵐の後の土壌水分を制御する上で重要な要素です。[ 18 ]
丘の斜面の上り坂部分で水が土壌に浸透した後、水は土壌中を横方向に流れ、水路に近い場所で土壌から流出（土壌外への流出）することがあります。これは地下還流または浸透流と呼ばれます。
流れるにつれて、流出量はいくつかの方法で減少する可能性があります。その一部は蒸発散し、水は一時的に微地形の窪地に貯留され、その一部は地表を流れる際に浸透します。残った地表水は最終的に、河川、湖、河口、海洋などの受水域に流れ込みます。[ 19 ]
都市化は、舗装や建物などの不浸透性の表面を増やすことで地表流出を増加させます。これらの表面は、水が土壌を通って帯水層まで浸透するのを妨げます。代わりに、水は直接河川や雨水排水路に流れ込み、洪水が発生しない場合でも、浸食や堆積が大きな問題となる可能性があります。流出量の増加は地下水の涵養を減少させ、地下水位を低下させ、干ばつを悪化させます。特に、井戸水に依存している農業従事者などにとっては深刻な問題です。[ 20 ]
人為的な汚染物質が流出水に溶解または懸濁すると、人間の影響が拡大して水質汚染を引き起こします。この汚染物質負荷は、小川、河川、湖、河口、海洋などのさまざまな受水域に到達し、これらの水系および関連する生態系の水質変化を引き起こします。[ 21 ]
人間が温室効果ガスを大気中に放出することで気候を変化させ続けると、大気中の水蒸気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します。[ 22 ]
都市流出とは、都市化によって生じる雨水、景観灌漑、洗車などの表面流出のことである[ 23 ]。土地開発の際に、不浸透性表面（道路、駐車場、歩道）が建設される。雨、嵐、その他の降水イベントの際、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されている）は、屋根とともに、汚染された雨水を雨水排水溝に運び、水が土壌を浸透するのを妨げている[ 24 ]。
これにより、地下水涵養が減少するため地下水位が低下し、地表に残る水の量が増えるため洪水が発生します。 [ 25 ] [ 26 ]ほとんどの都市の雨水排水システムは、未処理の雨水を小川、河川、湾に放流しています。この余剰水は、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敷地内に流れ込むこともあります。都市の雨水流出は、世界中の都市コミュニティで都市洪水や水質汚染の主な原因となる可能性があります。
工業用雨水とは、工業用地（製造施設、鉱山、空港など）に降った降水（雨、雪、みぞれ、着氷性の雨、雹）による流出水のことです。この流出水は、敷地内で取り扱われたり保管されたりする物質によって汚染されていることが多く、施設は排出を管理するための規制の対象となります。[ 27 ] [ 28 ]
産業排水を効果的に管理するために、施設では、汚染物質が流出水に混入するのを防ぎ、敷地から排出される前に水を処理することを目的とした最良管理慣行（BMP）を採用しています。一般的な予防措置には、清潔な作業スペースの維持、定期的な機器点検の実施、資材の適切な保管、流出の防止、汚染防止技術に関するスタッフのトレーニングなどがあります。[ 29 ]
雨水処理施設では、貯留池や調整池、人工湿地、ろ過システム、油水分離器などの構造的制御設備を設置することがあります。これらのシステムは、固形物を沈殿させたり、水をろ過したり、水が排出される前に自然処理プロセスをサポートしたりすることで、汚染を軽減するのに役立ちます。[ 30 ]
地表流出は地表の侵食を引き起こす可能性があり、侵食された物質はかなり遠くまで堆積することがあります。水による土壌侵食には、飛沫侵食、面状侵食、細流侵食、溝状侵食の 4 つの主な種類があります。飛沫侵食は、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。衝突によって剥がれた土壌粒子は、地表流出とともに移動します。面状侵食は、明確な流路を持たずに流出によって堆積物が地表を運搬される現象です。土壌表面の粗さによって、流出がより狭い流路に集中することがあります。これらの流路が侵食されると、小さくても明確な流路が形成され、これを細流と呼びます。これらの流路は、幅が 1 センチメートルほどの小さなものから、数メートルにも及ぶ大きなものまであります。流出が細流を侵食し拡大し続けると、最終的には溝に成長する可能性があります。溝状侵食は、短時間で大量の侵食物質を運搬することができます。
作物の生産性低下は通常、土壌侵食によって引き起こされ、これらの影響は土壌保全の分野で研究されています。流出水によって運ばれる土壌粒子は、直径約0.001ミリメートルから1.0ミリメートルまで様々です。大きな粒子は短い輸送距離で沈降しますが、小さな粒子は水中に浮遊したまま長距離を運ばれることがあります。小さな粒子を含むシルト質土壌の侵食は濁りを生じさせ、光透過率を低下させ、水生生態系を破壊します。
浸食によって、国土の広範囲が不毛な土地になってしまった。マダガスカルの中央高原（国土面積の約10%）では、ほぼ全域が植生を失い、浸食によってできた溝は通常、深さ50メートル以上、幅1キロメートルにも及ぶ。 移動耕作は、世界のいくつかの地域で焼畑農業を取り入れた農法である。浸食は肥沃な表土の喪失を引き起こし、農産物の肥沃度と品質を低下させる。
現代の工業型農業も土壌侵食の大きな原因の一つです。アメリカのコーンベルトの3分の1以上が表土を完全に失っています。[ 31 ]不耕起栽培に切り替えることで、アメリカの農地からの土壌侵食を70%以上削減できます。[ 32 ]
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によって、地表水、地下水、土壌に及ぼす影響です。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、水資源の美観への影響につながります。流出によって地表水に最も大きな影響を与える汚染物質には、石油系物質、除草剤、肥料などがあります。農薬やその他の汚染物質の地表流出による定量的取り込みは1960年代から研究されており、初期の段階で農薬が水と接触すると植物毒性が増強されることが知られていました。[ 33 ]
地表水の場合、その影響は水質汚染につながります。なぜなら、河川や小川にはさまざまな化学物質や堆積物を含む流出水が流れ込んでいるからです。地表水が飲料水として使用される場合、健康リスクや飲料水の美観（つまり、臭い、色、濁度の影響）に関して損なわれる可能性があります。汚染された地表水は、そこに生息する水生生物の代謝プロセスを変化させるリスクがあります。これらの変化は、魚の大量死などの死につながったり、生息する個体群のバランスを変化させたりする可能性があります。その他の具体的な影響としては、動物の交尾、産卵、卵と幼生の生存率、稚魚の生存、植物の生産性などがあります。DDTなどの農薬の地表流出は、魚種の性別を遺伝的に変化させ、雄の魚を雌の魚に変えることができるという研究もあります。[ 34 ]
森林内で発生する地表流出は、湖沼に高濃度の無機窒素とリンを供給し、富栄養化を引き起こす可能性があります。針葉樹林内の流出水は腐植酸も豊富で、水域の腐植化につながる可能性があります[ 35 ]。さらに、熱帯および亜熱帯の高地にある若い島々は、土壌侵食率が高く、沿岸海洋への物質流入量も多い可能性があります。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サイクルや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[ 36 ] 。
地下水の場合、主な問題は、帯水層から人間が水を汲み上げると飲料水が汚染されることです。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。第一に、流出水は土壌中の汚染物質を抽出し、水質汚染という形で、より脆弱な水生生物の生息地へと運ぶ可能性があります。第二に、流出水は汚染物質を汚染されていない土壌に堆積させ、健康や生態系に悪影響を及ぼす可能性があります。
農業問題のもう 1 つの文脈は、表面流出による農薬(硝酸塩、リン酸塩、殺虫剤、除草剤など)の輸送です。これは、化学物質の使用が過剰であったり、降水量が多い時期と合わない場合に発生します。結果として生じる汚染された流出水は、農薬の無駄遣いであるだけでなく、下流の生態系に対する環境上の脅威でもあります。松葉は、土壌侵食や雑草の生育から土壌を保護するためによく使用されます。[ 37 ]しかし、これらの作物を収穫すると、土壌侵食が増加する可能性があります。
地表流出は、かなりの経済的影響をもたらします。松葉は、地表流出に対処するための費用対効果の高い方法です。さらに、エレファントグラスの生育によって地表流出を再利用できます。ナイジェリアでは、エレファントグラスは地表流出と侵食を減らす経済的な方法と考えられています。 [ 38 ]また、中国は、野菜などの経済作物のほとんどが地表流出によって大きな影響を受けています。そのため、土壌中の栄養素（窒素とリン）の損失を減らすシステムを導入したことで知られています。[ 39 ]
洪水は、水路が下流に流れる流出水の量を運搬できない場合に発生します。この発生頻度は再現期間で表されます。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化によって変化することもあります。洪水は社会にとって有益な場合もあれば、被害をもたらす場合もあります。ナイル川の氾濫原沿いの農業は、作物に有益な栄養分を堆積させる季節的な洪水を利用していました。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っています。都市部では、表面流出が都市洪水の主な原因であり、コミュニティに繰り返し高額な影響を与えることで知られています。[ 40 ]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状態に及びます。洪水は最も壊滅的な自然災害の1つです。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、作物の水分利用可能性を向上させる重要な方法として認識されている。 [ 41 ]
流出水の悪影響を軽減する方法はいくつかあります。
土地利用規制。多くの世界の規制機関は、不必要な舗装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。[ 42 ]多くの自治体は、土地開発業者向けにガイドラインやコード（ゾーニングおよび関連条例）を作成し、歩道の最小幅、車道や歩道に土に埋め込んだ舗装材の使用、都市部での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している。建物や不動産の設計要件、建設方法、維持管理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。[ 43 ]
土壌侵食対策は、農民が土壌資源を保護するために等高線耕作の重要性を認識した中世以来存在しています。1950年代以降、これらの農業手法はますます高度化しました。1960年代には、一部の州および地方自治体が、建設業者に侵食および堆積物制御（ESC）の実施を義務付けることで、建設による流出の緩和に力を注ぎ始めました。これには、斜面での流出を遅らせるための藁の束や障壁の使用、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、露出した整地エリア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ました。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物制御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ました。[ 44 ]
20世紀前半には早くも、河川系のピーク流量を予測する洪水制御プログラムが定量化されました。ピーク流量を最小限に抑え、河川流速を低減するための戦略が徐々に開発されてきました。一般的に適用されている技術には、河川のピーク流量を緩衝するための貯水池（調整池または調整湖とも呼ばれる）の設置、河川流速を低減するための河川内のエネルギー減衰装置の使用、流出を最小限に抑えるための土地利用制御などがあります。[ 45 ]
化学物質の使用と取り扱い。 1976年の米国資源保全回復法（RCRA）の制定、そして1987年の水質法の制定後、州や都市は有害化学物質の封じ込めと保管の管理に一層注意を払い、放出や漏洩を防止してきました。一般的に適用されている方法は、地下貯蔵タンクの二重封じ込め要件、有害物質使用の登録、許可される農薬の数の削減、景観維持における肥料と除草剤のより厳格な規制などです。多くの産業分野では、汚染物質が下水道や雨水排水管に漏れるのを最小限に抑えるため、廃棄物の前処理が求められています。
米国の浄水法（CWA）は、都市化地域（国勢調査局の定義による）の地方自治体に対し、排水システムに関する雨水排出許可を取得することを義務付けています。[ 46 ] [ 47 ]これは基本的に、地方自治体が、市町村の個別雨水下水道システム（「MS4」）に流入するすべての地表流出水に対する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します。EPAおよび州の規制と関連出版物では、各地方自治体プログラムに含まれなければならない6つの基本要素が概説されています。
州道、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。
流出水の分析は、数学モデルと様々な水質サンプリング方法を組み合わせて行われます。測定は、特定の有機化学物質や無機化学物質、pH 、濁度などの汚染物質を対象とした連続自動水質分析装置、あるいは溶存酸素などの二次指標を対象とした装置を用いて行うことができます。また、単一の水サンプルを採取し、そのサンプルに対して化学的または物理的試験を行うことで、バッチ形式で測定を行うことも可能です。
1950年代以前には、主に洪水予測のために流出量を計算する水文輸送モデルが登場しました。1970年代初頭から、水質汚染物質を含む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ました。これらのモデルは、さまざまな化学物質の溶解速度、土壌への浸透、および受水域に最終的に到達する汚染物質負荷を考慮しました。流出水中の化学物質の溶解とそれに伴う輸送を扱った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）との契約に基づいて開発されました。[ 48 ] 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大部分の基礎となりました。
雨水管理の実務者は、流出水の質と量に影響を与える複数の変数の自然な変動のため、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するようになっています。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現することです。この種の雨水モデルの1つは、確率的経験的負荷希釈モデル（SELDM）[ 49 ] [ 50 ]です。これは雨水水質モデルです。SELDMは、複雑な科学データを、流出が受水域に及ぼす悪影響のリスク、緩和策の必要性、およびこれらのリスクを軽減するための管理策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、水文変数間の相互作用（異なる確率分布を持つ）をモデル化することで、流出プロセスからの長期的な結果とさまざまな緩和策の潜在的な影響を表す値の集合を生成するため、そうでなければ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ます。 SELDMはまた、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の感度分析を迅速に行う手段も提供する。
他のコンピューターモデル（ DSSAMモデルなど）では、表面流出水が反応性水質汚染物質として河川の流れに沿って追跡されることが示されています。この場合、表面流出水は受水域への水質汚染の線源とみなすことができます。 [ 51 ]
