雨水

雨水は、雨水とも表記され、大雨や雹や雪の雪解け水など、降水量（嵐）から発生する水です。雨水は土壌に染み込んで（浸透して）、地下水になったり、池や水たまりの窪地表面に貯まったり、大気中に蒸発したり、表面流出に寄与したりします。ほとんどの流出水は、処理されることなく、表面水として近くの小川、川、その他の大きな水域（湿地、湖、海）に直接運ばれます。

森林などの自然環境では、土壌が雨水の多くを吸収します。植物も浸透を改善し、降雨を遮り、根から水を吸収することで雨水を減らします。都市などの開発された環境では、管理されていない雨水によって2つの大きな問題が発生する可能性があります。1つは流出量と流出時期（洪水）に関連し、もう1つは水が運ぶ潜在的な汚染物質（水質汚染）に関連しています。雨水流出に含まれる汚染物質に加えて、都市流出はそれ自体が汚染の原因であると認識されています。

雨水は、特に乾燥地帯や干ばつが発生しやすい気候の地域では、人口増加と水需要の増加に伴い重要な資源となります。雨水収集技術と浄化により、一部の都市環境は水に関して自立できるようになる可能性があります。

開発された地域では、植生が少なく、不浸透性の表面（駐車場、道路、建物、圧縮土壌）が多いため、未開発の状態よりも雨が地面に浸透することが少なく、流出水が多く発生します。さらに、溝や雨水下水道などの通路は、商業地域や住宅地域から近くの水域に流出水を急速に運びます。これにより、水路の水量と水路からの排出が大幅に増加し、浸食と洪水につながります。暴風雨の際に水が流域から洗い流されるため、土壌に浸透したり、地下水を補充したり、乾燥した天候で川の基底水を供給するものはほとんどありません。^[1]

ファーストフラッシュとは、暴風雨の最初の流出水です。この段階では、不浸透性表面の割合が高い地域の雨水排水路に流入する汚染水は、通常、暴風雨の残りの部分と比較してより濃縮されます。その結果、都市流出水の高濃度化により、雨水下水道から表層水に排出される汚染物質のレベルが高くなります。^{[2] [3] : 216}

人間の日常的な活動により、道路、芝生、屋根、農場、その他の地表に汚染物質が堆積します。このような汚染物質には、ゴミ、堆積物、栄養素、バクテリア、農薬、金属、石油副産物が含まれます。 ^[4]雨が降ったり灌漑が行われたりすると、水は流出し、最終的には川、湖、または海に流れ込みます。これらの汚染物質は受水域に入る前にある程度減衰しますが、汚染された流出水は受水域を損傷するのに十分な量の汚染物質をもたらします。^[5]

雨水流出によって運ばれる汚染物質に加え、都市流出水自体が汚染の原因として認識されつつあります。自然の集水域（流域）では、表面流出水が水路に流入することは比較的まれで、年に数回しか発生せず、通常は大きな嵐の後に発生します。開発が行われる前は、降雨のほとんどは地中に浸透して地下水の涵養に寄与するか、蒸発散によって植生によって大気中に再循環されていました。

現代の排水システムは、不浸透性の表面（屋根や道路など）からの流出水を収集し、パイプネットワークを通じて水が効率的に水路に移動することを保証します。つまり、小さな嵐でも水路の流量が増加します。

都市の集水域からより多くの汚染物質が運ばれることに加え、雨水流量の増加は河川の浸食を引き起こし、雑草の侵入を促進し、自然の流れの様相を変える可能性がある。在来種は産卵、幼生の発育、および移動のためにそのような流れの様相をしばしば頼りにしている。道路からの雨水流出には、亜鉛 (Zn)、カドミウム (Cd)、銅 (Cu)、ニッケル (Ni)、鉛 (Pb)、クロム (Cr)、マンガン (Mn)、鉄 (Fe)、バナジウム (V)、コバルト (Co)、アルミニウム (Al) など多くの金属やその他の成分が含まれていることが観察されている (Sansalone and Buchberger、1997 年、Westerlund and Viklander、2006 年) ^{[全文引用が必要]}。

一部の地域、特に米国沿岸部では、道路や高速道路からの汚染された流出水が水質汚染の最大の原因となっている可能性がある。例えば、ワシントン州シアトルのピュージェット湾に到達する有毒化学物質の約75％は、舗装道路や私道、屋根、庭、その他の開発された土地から流れ出る雨水によって運ばれている。^[6]

産業雨水は、工業地帯（製造施設、鉱山、空港など）に降り注ぐ雨水の流出です。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ることが多く、施設は排出を制御する規制の対象となっています。^{[7] [8]}

雨水管理施設（SWMF）は、通常、ストークスの法則を使用して設計され、サイズが40ミクロンを超える粒子状物質を沈殿させることで基本的な処理を可能にし、下流の洪水を減らすために水を貯留します。しかし、 SWMFからの排水に対する規制はますます厳しくなっています。肥料から溶解した、または建設や農業の流出からの堆積粒子に結合した栄養素であるリンの影響により、受水湖で藻類や有毒なシアノバクテリア（別名藍藻）が大量発生します。多くの飲料水処理施設がこの健康被害を効果的に除去できないため、シアノトキシンが特に懸念されています。最近の自治体の雨水処理研究では、 ^[9] SWMFの上流にある大口径の雨水本管で高度な沈殿技術が受動的に使用され、ほぼ50年に1度の降雨時にTSSとリンの平均90％が除去され、管理施設が受動的な処理施設になりました。

雨水を化学的に処理して汚染物質を除去することは、大規模なインフラ改善をしなくても実現できます。受動的な処理技術は、溝、運河、暗渠、パイプ、またはその他の人工の輸送手段を重力で流れる水のエネルギーを利用して処理を可能にします。ゲル凝集剤などの自己投与製品を流水に入れると、堆積粒子、コロイド、流れのエネルギーが組み合わさって必要な投与量が放出され、重い凝集塊が形成されます。その後、簡単に濾過または沈殿できます。溝の底には、ろ過媒体としてジュートなどの天然の織り繊維がよく使用されます。凝集塊を捕捉するために、沈泥保持マットをその場に設置することもできます。取水池の沈殿は、水を浄化し、物質を濃縮するための堆積領域としてよく使用されます。鉱業、重機建設、その他の産業では、20 年以上にわたって受動的なシステムが使用されてきました。これらのタイプのシステムは、外部電源が不要で、操作にほとんどスキルを必要とせず、メンテナンスも最小限で済むため、低炭素であり、全浮遊物質、一部の重金属、および栄養リンの削減に効果的です。

都市洪水の主な原因は雨水です。都市洪水とは、雨水が雨水下水道などの排水システムの能力を圧倒し、密集した環境にある土地や建物が浸水することです。都市洪水は、突発的な洪水や雪解けなどの単発的な出来事によって引き起こされますが、コミュニティに繰り返し、多大な費用と体系的な影響を及ぼすのが特徴です。都市洪水の影響を受けやすい地域では、損失を軽減するために逆流防止弁やその他のインフラストラクチャを設置する場合があります。

地下室のある建物の場合、都市型洪水が地下室や下水の逆流の主な原因です。都市型洪水による死傷者の数は通常は限られていますが、経済的、社会的、環境的影響は甚大になる可能性があります。不動産やインフラ（高速道路、公共施設、サービス）への直接的な被害に加えて、家が慢性的に濡れていると、呼吸器系の問題やその他の病気が増加する可能性があります。^{[10]下水の逆流は}、浸透/流入 の結果として雨水が流入する衛生下水道システムから発生することがよくあります。

都市部の雨水が陥没穴の崩壊を引き起こした例としては、2002年2月25日にケンタッキー州ボーリンググリーンで起きたディッシュマンレーンの崩壊が挙げられます。陥没穴により道路が突然陥没し、走行中の車両4台が陥没しました。ディッシュマンレーンの崩壊の修復には9か月かかり、100万ドルの費用がかかりましたが、将来的に問題が発生する可能性は残っています。^[12]

自然の地下（カルスト）排水のある未開発地域では、土や岩の破片がカルスト地形の開口部を塞ぐため、開口部の成長が自ら制限される。^{[13] ：189–190、196}未開発のカルスト地形の排水システムは気候とバランスが取れているため、ほとんどの嵐で発生した水を排水できる。しかし、都市開発によって景観が変化すると問題が生じる。^{[14] ：28}自然の地下（カルスト）排水のある都市部では、屋根、駐車場、道路などの不浸透性表面から増加した雨水が流れ出る地表水路がない。その代わり、雨水は地面を伝って地下排水システムに入る。地下水の流れが土や岩の破片を運ぶのに十分になると、カルスト地形の開口部は急速に成長する。 [ ^{13] : 190}カルスト地形の開口部が支持力のある（適格な）石灰岩で覆われている場合、開口部が大きくなりすぎて突然壊滅的に崩壊するという地表の警告がない場合が多い。^{[13] : 198}したがって、新しい開発のための土地利用計画ではカルスト地域を避ける必要がある。^{[14] : 37–38}最終的には、納税者が不適切な土地利用決定のコストを支払うことになる。

雨水の量と質を管理することを「雨水管理」と呼びます。^[15]ベストマネジメントプラクティス（BMP）または雨水制御対策（SCM）という用語は、汚染された雨水を処理または貯蔵するための構造的または工学的な制御デバイスとシステム（例：貯留池）と、運用上または手順上の慣行（例：道路清掃）の両方を指すためによく使用されます。^[16]雨水管理には、技術的側面と制度的側面の両方が含まれます。^[17]

• 洪水と浸食の抑制;
• 環境への汚染物質の放出を防ぐための有害物質の管理（発生源管理）
• 雨水貯留槽、各種メディアフィルターを備えた地下貯留槽、渦流分離器などの雨水システムの計画と建設により、粗い固形物^[18]が表層水や地下水資源を汚染する前に除去する。
• 自然水路の取得および保護または再生;

• 

  池、湿地、人工湿地などの自然ベースのソリューションや、パイプやコンクリート水路などの既存のまたは「ハード」な排水構造物と連携したグリーンインフラストラクチャソリューションを構築する（雨水処理用に構築された人工湿地は、植物、両生類、魚類の生息地としても機能します）

• 雨水利用料や雨水公益事業の創設を含む可能性のある雨水プログラムへの資金調達アプローチの開発。
• 老朽化したインフラの修復および交換のための長期資産管理プログラムの開発。
• 総合的な雨水ニーズに対応するために現在の雨水規制を改正する。
• 土地所有者が土地開発の前、最中、後に雨水の影響を考慮するようにするための既存の条例の強化と施行。
• 地域社会の行動が水質にどのような影響を与えるか、また水質を改善するために何ができるかについて地域社会を教育すること。

雨水の総合水管理 (IWM) は、水路の健全性に影響を与える多くの問題や、現代の都市が直面している水供給の課題に対処できる可能性があります。設計プロセスで考慮される際、 IWM はグリーン インフラストラクチャと関連付けられることがよくあります。都市計画者、建築家、造園家、インテリアデザイナー、エンジニアなど、それぞれの分野の専門家は、総合水管理を設計プロセスの基礎として考えることがよくあります。

米国では低影響開発（LID）^[19]、オーストラリアでは水に配慮した都市設計（WSUD）^[20]としても知られるIWMは、流出水の質を改善し、洪水のリスクと影響を軽減し、飲料水供給を増強するための追加の水資源を提供する可能性があります。

近代都市の発展は、人口増加による水供給の需要増加につながることが多く、同時に気候変動によって予測される流出水の変化により、排水や洪水の問題に寄与する雨水量の増加につながる可能性があります。IWM には、雨水収集 (洪水の原因となる水の量を減らす)、浸透(地下水の自然な涵養を回復する)、生物濾過または生物保持(例:雨水ガーデン)、流出水を貯蔵および処理し、制御された速度で放出して河川への影響を減らす、湿地処理 (流出水を貯蔵および制御し、都市部に生息地を提供する) など、いくつかの技術があります。

LID を実現する方法は多数あります。最も一般的な方法は、貯留池、バイオスウェール、浸透溝、持続可能な舗装（透水性舗装など）、および上記その他の方法を使用して、雨水流出を減らすための陸上ソリューションを組み込むことです。LID は、人工的に製造された製品を利用して、陸上システム（地下貯蔵タンク、雨水処理システム、バイオフィルターなど）と同等または潜在的に優れた結果を達成することによっても実現できます。適切な LID ソリューションとは、望ましい結果（流出と汚染の制御）と関連コスト（陸上システム用の使用可能な土地の損失と製造ソリューションの資本コスト）のバランスが取れたソリューションです。緑の（植生のある）屋根も、別の低コストのソリューションです。

IWM 運動はまだ初期段階にあると考えられており、排水科学、生態学、そして従来の排水ソリューションでは問題が下流にまで広がり、環境と水資源に悪影響を与えるという認識の要素を統合しています。

米国では、環境保護庁(EPA) が水質浄化法(CWA)に基づき雨水を管理する責任を負っている。 ^[21] CWA の目標は、すべての「米国の水域」を「魚が釣れる」および「泳げる」状態に戻すことである。点源排出は、主に都市廃水(下水) および産業廃水排出に由来し、1972 年の CWA 制定以来規制されている。これらの発生源からの汚染物質負荷は、国家汚染排出削減システム ( NPDES ) 許可証の発行を通じて厳しく管理されている。しかし、これらの管理にもかかわらず、米国の何千もの水域は「汚染」に分類されたままであり、これは、EPA が意図した水の有益な用途に対して安全であるとみなすレベルよりも高いレベルの汚染物質が含まれていることを意味する。この汚染の多くは、一般に都市化された流域における汚染された流出水によるものである (米国の他の流域では、農業による汚染が主な発生源である)。^{[22] : 15}

全国的な雨水汚染問題に対処するため、議会は1987年にCWAの「ポイントソース」の定義を拡大し、産業雨水排出と自治体別雨水下水道システム（「MS4」）を含めました。これらの施設はNPDES許可を取得することが義務付けられています。^[23] 2017年には、約855の大規模自治体システム（人口10万人以上）と6,695の小規模システムが許可システムによって規制されています。^[24]

EPAは47の州にNPDES許可証の発行を許可している。^[25] NPDES要件の実施に加えて、多くの州および地方自治体は独自の雨水管理法および条例を制定し、いくつかの州は雨水処理設計マニュアルを発行している。^{[15] [26]これらの州および地方の要件の一部は、連邦要件を超えて適用範囲を拡大している。たとえば、}メリーランド州は5,000平方フィート（460 m ²）以上の建設現場で浸食および堆積物の制御を義務付けている。^[27]州政府機関が要件を改訂して郡や市に課すことは珍しくなく、たとえば建設現場の地元の雨水許可証を変更しなかった場合、1日あたり最高25,000ドルの罰金が科されることがある。

農業流出水（集中家畜飼育施設、または「 CAFO 」を除く）は、 CWAの下では非点源汚染として分類されます。これはCWAの「点源」の定義には含まれていないため、NPDES許可要件の対象ではありません。1987年のCWA改正により、研究および実証プロジェクトからなる非点源汚染管理のためのEPAの非規制プログラムが確立されました。^[28]環境品質インセンティブプログラムなどの関連プログラムは、米国農務省の天然資源保全局（NRCS）によって実施されています。^[29]

教育は雨水管理の重要な要素です。多くの機関や組織が、雨水汚染について、そしてその解決にどのように貢献できるかを一般の人々に教えるキャンペーンを立ち上げました。米国の何千もの地方自治体は、NPDES雨水許可の要件に従って教育プログラムを開発しました。^[30]

地域教育プログラムの一例として、西ミシガン環境行動協議会（WMEAC）のプログラムが挙げられます。同協議会は「15 to the River」キャンペーンの一環として、雨水汚染を表す造語として「Hydrofilth」という用語を生み出しました。 ^[31]（暴風雨の際には、ミシガン州グランドラピッズの汚染された流出水がグランド川に到達するのにわずか15分しかかからない場合があります。）^[32]啓蒙活動には、雨水タンク配布プログラムや、住宅所有者向けの雨水ガーデン設置に関する資料などがあります。^[33]

その他の公衆教育キャンペーンでは、雨水流出を遅らせ、処理するためのグリーンインフラの重要性を強調しています。デュページ郡雨水管理局は、ソーシャルメディアサイトで「Love Blue。Live Green」アウトリーチキャンペーンを開始し、グリーンインフラと雨水流出のその他のベストマネジメントプラクティスについて一般の人々を啓蒙しています。 ^[34]このキャンペーンを通じて、記事、ウェブサイト、写真、ビデオ、その他のメディアが一般の人々に広まりました。

雨水インフラは、根本的な状況が変わったときに置き換えることが難しい、高額な長期投資です。その結果、システムは時間の経過とともにパフォーマンスが低下したり、故障が増えたりするようになります。これはまさに、気候変動のペースが加速し、システム、都市化の進展、規制の強化にストレスがかかっているヨーロッパとバルト海周辺地域で起こっていることです。雨水管理技術を再考し、インフラに投資することは、急速に変化する状況に適応するために不可欠です。^{[35] [36]}

雨水流出は、人類が密集した村や都市部に住み始めて以来、問題となってきた。青銅器時代には、住居はより密集した形態をとり、不浸透性表面は初期の人類居住地の設計要素として登場した。雨水工学が初期に取り入れられた証拠は、古代ギリシャに見られる。^[37]

初期の雨水流出システムの設計の具体的な例は、クレタ島のミノア文明ファイストスの考古学的発掘調査で発見されています。^[38]

• EPA 雨水許可プログラム
• 雨水モデル USGS確率的経験的負荷および希釈モデル(SELDM)
• 雨水モデルUSEPA 雨水管理モデル (SWMM)
• 国際雨水ベストマネジメントプラクティス（BMP）データベース
• 雨水に関する YouTube ページ