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河川流量、または水路流出とは、河川やその他の水路における水の流れであり、水循環の主要な要素です。これは、陸地から水域への水の移動である流出成分の1つであり、もう1つの成分は表面流出です。水路を流れる水は、隣接する丘陵斜面からの表面流出、地中からの地下水流出、およびパイプから排出される水から生じます。水路を流れる水の流量は、水位計を使用して測定するか、マニングの式で推定することができます。時間の経過に伴う流量の記録は、ハイドログラフと呼ばれます。洪水は、水の量が水路の容量を超えたときに発生します。
河川は、地球上のすべての生命にとって不可欠な水循環において重要な役割を果たしています。単細胞生物から脊椎動物まで、多様な生物種が、生息地や食料資源として流水系に依存しています。河川は、あらゆる種類の植物や動物にとって主要な水生景観です。河川は、河床を通して下方に水を排出することで、地下帯水層を水で満たすのにも役立っています。さらに、河川や流出水が絶えず海を補充するため、海は水で満たされています。[ 1 ]河川の流れは、陸地から海や内陸流域に水が移動する主なメカニズムです。
河川の流量は、河道降水、地表流、中間流、地下水の4つの供給源から生じる。
川は常に流れており、これは環境にとって良いことです。停滞した水は長く新鮮で魅力的な状態を保てません。川が絶えず変化する原因となる自然要因と人為的要因は数多くあります。[ 3 ]
自然のメカニズム
人間が引き起こすメカニズム
気候変動
降水量の増減は、河川流量の変化に大きく影響する。
DRIの研究者たちは、米国全土の500以上の流域を調査し、冬の気温上昇が河川流量のより極端な変動を引き起こしていることを発見した。 [ 4 ]
データによると、積雪量の多い流域では、以前よりも降雨による降水量が増えている。その結果、河川には雪解け水による緩やかな流れではなく、豪雨による急激な増水が見られるようになった。こうした変動は、気温上昇による積雪の融解速度の加速にも起因している可能性がある。[ 5 ]
地下水の観点から見ると、蒸発量と蒸発散量の増加は土壌水分と地下水涵養量を減少させ、基底流量（地下水からの河川流量の持続的な部分）を低下させる。
河川流量は、一定期間に特定の地点を通過する水の量として測定されます。米国で使用される単位は立方フィート毎秒ですが、他のほとんどの国では立方メートル毎秒が使用されます。河川や運河の流量を測定する方法はいくつかあります。水位計は、水資源や環境管理、その他の目的のために、ある場所で一定期間にわたって連続的に流量を提供します。河川流量の値は、水位計よりも河川全体の状況を示すより良い指標です。河川流量の測定は、米国地質調査所（USGS）の職員によって約6週間ごとに行われます。彼らは測定を行うために川に入るか、川にかかるボート、橋、またはケーブルウェイから測定を行います。各観測所では、水位計と河川流量の自然な範囲（非常に低い流量から洪水まで）にわたって同時測定を行うことにより、水位計と河川流量の関係が決定されます。この関係により、その観測所の河川流量データが得られます。[ 7 ]一定期間にわたって河川流量を連続的に測定する必要のない目的には、流速計または音響ドップラー速度プロファイラーを使用できます。幅が数メートル以下の小さな川には、堰が設置されることがある。
河川流量を近似的に推定する非公式な方法の一つに、オレンジ法またはフロート法と呼ばれるものがある。
米国では、河川流量計は主に州および地方自治体の資金で賄われています。2008会計年度には、USGSが流量計の日常的な運用と維持管理のための資金の35%を提供しました。[ 10 ]さらに、USGSは河川流量を調査するためにハイドログラフを使用します。ハイドログラフは、多くの場合、河川水位（任意の高度からの水の高さ）と流量（通常は立方フィート/秒で表される水の量）を示すグラフです。降雨量や水質パラメータなどの他の特性もプロットできます。[ 11 ]
ほとんどの河川、特に流域面積の小さい河川では、流量の記録が残っていない。そのような場合は、合理式またはその改良版を用いて流量を推定することが可能である。しかし、河川の流量の時系列記録が入手可能な場合は、ハイドログラフを用いて特定の降雨イベントにおける短期的な流量予測を行うことができる。
近年、人工知能（AI）の発展により、河川流量予測をより効率的に行うことが可能になった。AI技術、特にLSTMモデルは、従来のモデルよりも高い予測精度を実現している。
長短期記憶ネットワークは、時系列データを連続的に処理する能力が高いため、河川流量予測において注目を集めるようになりました。研究では、河川流量と気候データ用のCaMa Flood較正モデルやSMA-SAC流出予測モデルなど、従来の物理ベースのモデルよりもLSTMが優れていることが示されています。また、LSTMは河川流量予測の分野にも進出しています。長江上流域と渤江流域における日々の予測と10日間の平均流量予測に対するLSTMネットワークの有効性が評価されました。全体として、LSTMは従来の水文モデルと比較してより優れた予測能力を示しました。[ 12 ]
数値モデルと機械学習モデルを組み合わせることで、非線形学習能力により、より優れた予測結果が得られる場合もある。[ 13 ]
さらに、LSTMは他のモデルと比較して、非常に多様なデータを処理できる。
この方法は、特定の規模の豪雨によって発生する流量を、通常は数時間または数日という時間軸に沿ってプロットしたグラフを作成するものです。これは、特定の豪雨によって一定期間内に発生する流出量のみを対象とするため、単位ハイドログラフ法と呼ばれています。この期間とは、豪雨によって河川の水位が上昇し、ピークに達し、下降するまでの時間を指します。
降雨流出関係が確立されると、その後の降雨データを使用して、標準降雨と呼ばれる特定の降雨イベントの河川流量を予測できます。標準降雨イベントとは、規模と頻度が既知の高強度降雨イベントのことです。単位ハイドログラフ解析の1つの方法は、河川流量の毎時または日ごとの増加を総流出量の割合として表すことです。グラフにプロットすると、その降雨イベントの単位ハイドログラフからこれらのデータが得られ、これは降雨前の基底流量に加算された流出量を表します。
単位ハイドログラフ法を用いて大規模な流域の流量を予測することは困難である。なぜなら、大規模な流域では、流域内の場所によって地理的条件が大きく異なる場合があるからである。特に降雨分布に関しては、個々の豪雨が流域全体を均一に覆うことは稀であるため、この傾向が顕著となる。結果として、流域は特定の豪雨に対して一体として反応せず、信頼性の高いハイドログラフを作成することが困難となる。
単位流量曲線が有用かつ信頼できるものではない大規模な流域では、過去の流量記録に基づいて大流量の再発確率を算出するために、流量規模と流量頻度法が用いられる。米国では、これらの記録は米国地質調査所（USGS）の水文部門によって大規模河川について管理されている。面積が5,000平方マイル以上の流域では、通常、河川系は5～10か所で流量が測定される。
各観測所のデータは、その地点より上流の流域部分に適用されます。河川の年間最大流量が数十年分ある場合、記録期間中に経験したことのない大流量の規模を推定するための限定的な予測を行うことができます。この手法では、年間最大流量をそれぞれの再現期間に対してプロットしたときに形成される曲線（グラフ線）を投影します。しかし、ほとんどの場合、曲線は大きく曲がるため、正確な投影をプロットするのは困難です。この問題は、流量および/または再現期間のデータを対数グラフ用紙にプロットすることで克服できます。プロットが直線になったら、点を通る線を引くことができます。次に、その線を点を超えて延長し、該当する再現期間に対応する流量を読み取ることで、投影を行うことができます。
水路における水の流出は、堆積物、栄養分、汚染物質を下流へ運ぶ原因となります。河川の流れがなければ、特定の流域の水は自然に湖や海という最終目的地まで流れることができず、生態系が破壊されます。河川の流れは、陸地から湖や海への水の重要な経路の一つです。その他の主な経路としては、地表流出（降雨時や灌漑の結果として陸地から近くの水路へ流れ込む水）、地下水から地表水への流れ、人工的に作られたパイプや水路からの流れなどがあります。[ 14 ]
河川流量は社会に恩恵と危険の両方をもたらします。下流への流出水は、発電や取水のためにダムに貯水するための水を集める手段となります。水の流れは下流への輸送を助けます。特定の河川には、計算によって算出できる最大流量があります。河川に過剰な水が存在する場合のように、流量がこの最大流量を超えると、河川はすべての水を処理しきれず、洪水が発生します。
1993年のミシシッピ川の洪水は、同河川で記録された中で最大規模の洪水であり、春から夏にかけての長期間にわたる激しい降雨が原因でした。初期の降雨により、上流域の30万平方マイル以上の土壌が飽和状態になり、浸透が大幅に減少し、土壌の貯水能力がほとんど、あるいは全くなくなってしまいました。降雨が続くと、地表の窪地、湿地、池、溝、農地は地表流と雨水で満たされました。水を保持する能力が残っていないため、追加の降雨は土地から支流の水路に押し出され、そこからミシシッピ川へと流れ込みました。1か月以上にわたり、数百の支流からの総水負荷がミシシッピ川の水路容量を超え、川が堤防を越えて隣接する氾濫原に溢れ出しました。人工的に堤防で囲まれた人工水路によって洪水が制限され、氾濫原の大部分に溢れ出ることができなかった場所では、洪水水位はさらに上昇しました。[ 15 ]