流量

河川流量、または河川流出は、小川やその他の河川における水の流れであり、水循環の主要な要素です。これは流出の1 つの要素であり、陸地から水域への水の移動です。もう 1 つの要素は表面流出です。河川を流れる水は、隣接する丘陵斜面からの表面流出、地面からの地下水流出、およびパイプから排出される水から生じます。河川を流れる水の流量は、流量計を使用して測定するか、マニングの式で推定できます。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、水量が河川の容量を超えると発生します。

地球上のすべての生命にとって欠かせない水循環において、小川は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を流水システムに依存しています。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。川は、川床から水を下流に排出することで、地下の帯水層を水で満たすのにも役立ちます。それに加えて、川と流水が絶えず海を潤すため、海は常に水で満たされています。^[1]水流は、水が陸地から海または内陸の排水盆地へ移動する主なメカニズムです。

河川流量は、河川降水量、地表流、合流、地下水の 4 つの発生源から生じます。

• 水路降水は水面に直接落ちる水分であり、ほとんどの川では流量にほとんど影響を与えません。

• 地下水は、水路が地下水面と交差する地点の河床に流れ込み、乾期と雨期の両方で基底流量と呼ばれる安定した水供給を提供します。河川に供給される地下水の量が多く、降雨に対する地下水の反応が遅いため、基底流量は時間の経過とともに徐々にしか変化せず、洪水の主な原因になることはめったにありません。ただし、他の水源からの流出水が重なる段階を提供することで、洪水の一因となります。

• 中間流は、土壌に浸透し、地下水面より上のゾーンで水路に向かって横方向に移動する水です。この水の多くは土壌内を伝わり、一部は地層内を移動します。中間流は、基底流に次いで、森林地帯の河川にとって最も重要な流出源です。森林が密集している地域での地表流は、河川流量にほとんど寄与しません。

• 乾燥地帯、耕作地、都市化地域では、通常、地表流または表面流出が河川流量の主な発生源です。地表流は、薄い水の層として始まり、非常にゆっくりと (通常 0.25 フィート/秒未満) 地面を移動する雨水流出です。激しい降雨があり、荒れた地面、植物、吸収性土壌などの障壁がない場合、地表流は蓄積し、数分で急速に河川に到達し、流量が急激に増加します。降雨と河川流量の応答時間が最も短いのは、庭の排水溝、道路の側溝、雨水下水道が地表流を集めてすぐに河川に流す都市化地域です。雨水下水道管の流出速度は、10 ～ 15 フィート/秒に達することがあります。^[2]

川は常に流れており、それは環境にとって良いことです。なぜなら、よどんだ水は長く新鮮で魅力的な状態を保てないからです。川が絶えず変化する原因となる自然要因と人為的要因の両方が数多くあります。^[3]

自然のメカニズム

• 降雨と雪解け水の流出
• 土壌および地表水からの蒸発
• 植物による蒸散
• 帯水層からの地下水流出
• 地表水からの地下水補給
• 湖沼や湿地の堆積
• 氷河、雪原、永久凍土の形成または消滅

人間が引き起こしたメカニズム

• 地表水の取水と流域間転流
• 水力発電と航行のための河川流量調整
• 貯水池および雨水貯留池の建設、除去、沈殿
• 河川の流路と堤防の建設
• 湿地の排水または復元
• 都市化などの土地利用の変化により、侵食、浸透、地表流、蒸発散の速度が変化する
• 廃水排出口
• 灌漑

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毎秒立方フィートですが、他のほとんどの国では毎秒立方メートルが使用されています。川や運河の流量を測定する方法はさまざまです。流量計は、水資源や環境管理などの目的で、1 か所で一定期間にわたって連続した流量を提供します。流量値は、川全体の状況を示す指標として、流量計の高さよりも優れています。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。職員は川に入って測定するか、川を渡るボート、橋、ケーブルウェイから測定します。各測定ステーションでは、流量計の高さと流量の関係が、流量の自然な範囲 (非常に低い流量から洪水まで) にわたって同時に測定することによって決定されます。この関係から、そのステーションからの流量データが得られます。^[5]流量を一定期間にわたって連続的に測定する必要のない目的では、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、堰堤が設置されることがあります。

オレンジ法またはフロート法と呼ばれる、水流の流れを近似的に表す非公式な方法は次のとおりです。

1. 川の長さを測り、開始点と終了点をマークします。最も正確な測定値を得るには、川の状態を変えずに最長の長さを測ることが望まれます。
2. スタート地点にオレンジを置き、ストップウォッチでゴール地点に到達するまでの時間を計測します。これを少なくとも 3 回繰り返し、計測時間を平均します。
3. 速度はメートル毎秒で表します。測定が中流域（最大速度）で行われた場合、平均流速は、粗い（岩の多い）底質では測定速度の約0.8、滑らかな（泥、砂、滑らかな岩盤）底質では測定速度の約0.9になります。^{[6] [7]}

米国では、流量計は主に州政府および地方政府の資金から賄われています。2008 年度、USGS は流量計の日常的な運用と保守のための資金の 35% を提供しました。^[8]さらに、USGS はハイドログラフを使用して河川の流量を調査します。ハイドログラフは、ほとんどの場合、河川の水位 (任意の高度を超える水の高さ) と流量 (通常は立方フィート/秒で表した水の量) を示すチャートです。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。^[9]

ほとんどの河川、特に流域が小さい河川では、流量記録がありません。その場合、合理的な方法またはその修正版を使用して流量を推定できます。ただし、河川の流量の時系列記録が利用できる場合は、ハイドログラフを使用して、特定の暴風雨に対する流量の短期予測を行うことができます。

この方法では、一定規模の暴風雨によって発生した流出量を時間経過（通常は数時間または数日）に沿ってプロットしたグラフを作成します。これは、特定の暴風雨によって特定の期間に発生した流出量（嵐によって川の水位が上昇、ピークに達し、下降するのにかかる時間）のみを対象とするため、単位流量グラフ法と呼ばれます。

降雨量と流出量の関係が確立されると、その後の降雨量データを使用して、標準暴風雨と呼ばれる特定の暴風雨の流量を予測できます。標準暴風雨とは、ある程度の規模と頻度がわかっている高強度の暴風雨です。単位流量図分析の 1 つの方法は、流量の 1 時間ごとまたは 1 日ごとの増加を総流出量のパーセンテージとして表すことです。グラフにプロットすると、その暴風雨の単位流量図のデータが示され、暴風雨前のベース流量に追加された流出量を表します。

単位流量図法を使用して大規模な流域の流量を予測することは困難です。大規模な流域では、流域の地理的条件が流域の特定の場所から別の場所まで大きく異なる可能性があるためです。これは特に降雨量の分布に当てはまります。これは、個々の暴風雨が流域を均等に覆うことがほとんどないためです。その結果、流域は特定の暴風雨に対して単位として反応せず、信頼性の高い流量図を作成することが困難になります。

単位流量図が役に立たず、信頼性も低い可能性がある大規模な流域では、過去の流量記録に基づいて、マグニチュードと頻度の手法を使用して、大規模な流量の再発確率を計算します。米国では、大規模な河川については、これらの記録は USGS の水文部門によって管理されています。面積が 5,000 平方マイル以上の流域では、河川システムは通常 5 か所から 10 か所で計測されます。

各観測所のデータは、その場所の上流の流域の一部に適用されます。川の年間最大流量が数十年にわたって記録されている場合、限られた予測を行うことで、記録期間中に経験したことのない大きな流量の大きさを推定できます。この手法では、年間最大流量をそれぞれの発生間隔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。ただし、ほとんどの場合、曲線は大きく曲がるため、投影を正確にプロットすることは困難です。この問題は、流量および/または発生間隔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。プロットがまっすぐになったら、点を通る線を引くことができます。次に、線を点を超えて延長し、問題の発生間隔の適切な流量を読み取ることで、投影を行うことができます。

水路の流出は、堆積物、栄養素、汚染物質を下流に運ぶ役割を果たします。水流がなければ、特定の流域の水は湖や海の最終目的地に自然に流れていくことができません。これは生態系を混乱させます。水流は、陸地から湖や海への水の重要な経路の1つです。他の主な経路は、表面流出（降雨時や灌漑の結果として陸地から近くの水路に水が流れること）、地下水から表層水への流れ、建設されたパイプや水路からの水の流れです。^[10]

流量は社会に利益と危険の両方をもたらします。下流への流出は、ダムに貯水して発電や取水を行うための水を集める手段です。水の流れは下流への輸送を助けます。特定の水路には、計算によって水路が対応できる最大流量があります。水路に過剰な量の水がある場合などに流量がこの最大流量を超えると、水路はすべての水を処理できず、洪水が発生します。

1993 年のミシシッピ川洪水は、同川で記録された最大の洪水であり、春と夏の長く激しい降雨に対する反応でした。早い時期の降雨により、上流域の 30 万平方マイル以上の土壌が飽和状態となり、浸透が大幅に減少し、土壌の貯留能力はほとんどまたはまったくなくなりました。雨が続くと、地表の窪地、湿地、池、溝、農地が地表流水と雨水で満たされました。水を貯める能力がなくなったため、さらなる降雨が陸地から支流に流れ込み、ミシシッピ川に流れ込みました。1 か月以上にわたり、数百の支流から流入した水の総量はミシシッピ川の水路容量を超え、隣接する氾濫原に水が溢れました。洪水の水が、建設された堤防に囲まれた人工の水路によって人工的に狭められ、氾濫原の大部分に流れ込むことができなかった場所では、洪水の水位がさらに高まりました。^[11]

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