表面侵食

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雨水排水管に流れ込む流出

地表流出(陸地流とも呼ばれます)は、過剰な雨水雨水融雪水、またはその他の水源が土壌に十分に急速に浸透できなくなったときに地表で発生するの流れです。これは、土壌が水で完全に飽和し、土壌が吸収できるよりも早く雨が降った場合に発生する可能あります表面の流出は、不浸透性の領域(屋根舗装など)が原因で発生することがよくあります。)水を地面に浸さないでください。さらに、流出は自然または人工のプロセスのいずれかによって発生する可能性があります。[1]表面流出は、水循環の主要な要素です。水による土壌侵食の主な原因です[2] [3]共通点に排水する流出を生成する土地領域は、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は、人為的な汚染物質や自然の汚染形態(腐敗した葉など)を運ぶ可能性があるため、非点源汚染になる可能性があります流出液中の人工汚染物質には、石油農薬肥料などが含まれます。[4]

水の浸食と汚染を引き起こすことに加えて、都市部の地表流出は都市の洪水の主な原因であり、物的損害、地下室の湿気とカビ、および街路の洪水を引き起こす可能性があります。

生成

土壌が飽和した後の丘の中腹からの表面侵食

地表流出は、土壌表面の下を通過することなく地表の小川に到達する降水量(雨、雪、みぞれ、または雹[5] )として定義されます。[6]これは、降雨または融雪の直後に地表の小川に到達する流出であり、積雪または氷河の融解によって生成される流出を除外する直接流出とは異なります。[7]

氷河の融解は、これらが恒久的に形成されるのに十分な寒さの地域でのみ発生します。通常、融雪は春にピークに達し[8]、氷河は夏に溶け[9]、影響を受ける河川で顕著な流量の最大値につながります。[10]雪や氷河の融解速度を決定する要因は、気温と日光の持続時間の両方です。[11]高山地域では、この理由から、小川は晴れた日に頻繁に上昇し、曇りの日に下降します。

雪が降らない地域では、降雨による流出が発生します。ただし、土壌からの貯蔵は軽いシャワーを吸収する可能性があるため、すべての降雨が流出を引き起こすわけではありません。オーストラリア南アフリカの非常に古い土壌では[12] 根毛の非常に密なネットワークを持つプロテオイドの根は、大量の降雨があっても流出を防ぐほど多くの雨水を吸収することができます。これらの地域では、不毛の少ない粘土質土壌でも、表面流出を生成するために大量の降雨と潜在的な侵食が必要であり、非常に変動する(通常は一時的な)流れへの特殊な適応につながります。

浸透過剰陸地流

樹木を利用した雨水管理(アニメーション)

これは、地表の降雨量が水が地面に浸透する速度を超えており、窪地の貯蔵庫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(Robert E. Hortonにちなんで)[13]または不飽和地表流とも呼ばれます。[14]これは、降雨強度が高く、表面のシーリングのために土壌浸透能力が低下する乾燥および半乾燥地域、または舗装が水の浸透を妨げる都市部でより一般的に発生します。[15]

飽和過剰陸流

土壌が飽和し、窪地の貯蔵庫がいっぱいになり、雨が降り続けると、降雨はすぐに地表の流出を引き起こします。先行する土壌水分のレベルは、土壌が飽和するまでの時間に影響を与える1つの要因です。この流出は、飽和過剰陸域流、[15]飽和陸地流、[16]またはダン流出と呼ばれます。[17]

先行土壌水分

土壌は降雨後もある程度の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を与えます。次の降雨イベントの間に、浸透能力は土壌を異なる速度で飽和させます。先行する土壌水分のレベルが高いほど、土壌はより早く飽和します。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、中強度および低強度の暴風雨後の土壌水分の制御における重要な要因です。[18]

地下リターンフロー

丘の上り坂部分で水が土壌に浸透した後、水は土壌を横方向に流れ、水路の近くに浸透(土壌から流出)する可能性があります。これは、地下リターンフローまたはスルーフローと呼ばれます。

それが流れるにつれて、流出の量はいくつかの可能な方法で減少する可能性があります:それのごく一部が蒸発する可能性があります。水は一時的に微細地形の窪みに蓄えられる可能性があります。そして、それが陸路を流れるときに、その一部が浸透する可能性があります。残っている地表水は、最終的には川河口などの受水域に流れ込みます。[19]

人間の影響

降水洗浄は地元の小川に汚染します
都市の地表水の流出

都市化は、舗装や建物など、土壌から帯水層への水の浸透を許さない、より不浸透性の表面を作成することにより、表面の流出を増加させます。代わりに、それは小川や雨水流出排水路に直接押し込まれます。そこでは、洪水がない場合でも、浸食沈泥が大きな問題になる可能性があります。流出量が増えると地下水の涵養が減り、地下水面が下がり、干ばつが悪化します。特に、農業農家や井戸に依存している他の人々にとってはそうです。

人為的汚染物質が流出に溶解または浮遊すると、人為的影響が拡大して水質汚染を引き起こします。この汚染物質の負荷は、小川、川、湖、河口、海などのさまざまな受水域に到達する可能性があり、その結果、これらの水システムとそれに関連する生態系に水化学の変化が生じます。

米国国立研究評議会による2008年の報告書は、都市の雨水を米国の水質問題の主要な原因として特定しました[20]。

人間は温室効果ガスを大気に加えることで気候を変化させ続けるので、水蒸気の大気容量が増加するにつれて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。[21]

表面侵食の影響

侵食と堆積

表面の流出は、地球の表面の侵食を引き起こす可能性があります。侵食された材料は、かなり離れた場所に堆積する可能性があります。水による土壌侵食には、主に4つのタイプがあります。スプラッシュ侵食、シート侵食、リル侵食、ガリー侵食です。スプラッシュ侵食は、雨滴と土壌表面との機械的衝突の結果です。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。シート侵食は土砂の陸路輸送です明確に定義されたチャネルなしの流出による。土壌表面の粗さにより、流出がより狭い流路に集中する可能性があります。これらの切り込みのように、形成される小さいが明確なチャネルはリルと呼ばれます。これらのチャネルは、幅が1センチメートルから、数メートルまでの大きさにすることができます。流出がリルを切り刻み、拡大し続けると、最終的にはガリーに成長する可能性があります。ガリー侵食は、短時間で大量の侵食された物質を輸送する可能性があります。

集中的に耕作された農地における水による土壌侵食。
ヤナギの生け垣は、フランス北部の流出を制限するために粗朶で強化されました。

作物の生産性の低下は通常、侵食に起因し、これらの影響は土壌保全の分野で研究されています。流出で運ばれる土壌粒子のサイズは、直径が約.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。大きな粒子は短い輸送距離で沈降しますが、小さな粒子は水柱に浮遊する長い距離で運ばれる可能性がありますより小さな粒子を含むシルト質土壌の侵食は、濁りを生成し、光の透過を減少させ、それが水生生態系を破壊します。

国のセクション全体が侵食によって非生産的になっています。マダガスカルの中央高原の高い、その国の土地面積の約10%で、事実上全体の風景には植生がなく、侵食された峡谷の溝は通常、深さ50メートル、幅1キロメートルを超えています。 焼畑耕作は、世界の一部の地域で焼畑法を取り入れることがある農業システムです。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ます。

現代の工業型農業は侵食のもう一つの主要な原因です。米国のコーンベルトの3分の1以上が、表土を完全に失っています。[22]不耕起栽培に切り替えると、米国の農地からの土壌侵食が70%以上減少します。[23]

環境への影響

流出に関連する主な環境問題は、これらのシステムへの水質汚染物質の輸送による地表水、地下水土壌への影響です。最終的に、これらの結果は、人間の健康リスク、生態系の乱れ、水資源への美的影響につながります。流出から生じる地表水に最大の影響を与える汚染物質のいくつかは、石油物質、除草剤、および肥料です。農薬やその他の汚染物質の表面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、農薬と水との接触の初期には植物毒性を高めることが知られていました。[24] 地表水の場合、小川や河川がさまざまな化学物質や堆積物を運ぶ流出を受けているため、影響は水質汚染につながります。地表水を飲料水供給源として使用すると、健康上のリスクや飲料水の美観(つまり、臭い、色、濁りの影響)に関して妥協する可能性があります。汚染された地表水は、それらがホストする水生種の代謝プロセスを変え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る可能性があり、または存在する個体群のバランスを変化させる可能性があります。その他の特定の影響は、動物の交配、産卵、幼虫にあります生存率、幼若生存率および植物生産性。いくつかの研究は、DDTなどの農薬の表面流出が魚種の性別を遺伝的に変化させ、オスをメスの魚に変える可能性があることを示しています。[25]

森林内で発生する表面流出は、富栄養化につながる高負荷のミネラル窒素とリンを湖に供給する可能性があります針葉樹林内の流出水もフミン酸に富んでおり、水域の腐植につながる可能性があります[26]さらに、熱帯および亜熱帯の高地の若い島々は、高い土壌侵食率を経験し、沿岸海洋への大量の物質フラックスに寄与する可能性があります。堆積物の栄養素、炭素、汚染物質のこのような土地由来の流出は、地球規模の生物地球化学的循環と海洋および沿岸の生態系に大きな影響を与える可能性があります。[27]

地下水の場合、帯水層が人間が使用するために抽出された場合、主な問題は飲料水の汚染です。土壌汚染に関して、流出水には2つの重要な懸念経路があります。第一に、流出水は土壌汚染物質を抽出し、それらを水質汚染の形でさらに敏感な水生生息地に運ぶ可能性があります。第二に、流出は自然のままの土壌に汚染物質を堆積させ、健康や生態系に影響を与える可能性があります。

農業問題

農業問題の他の文脈は、表面流出を介した農薬(硝酸塩、リン酸塩、農薬、除草剤など)の輸送を含みます。この結果は、化学物質の使用が高降水量に対して過剰またはタイミングが悪い場合に発生します。結果として生じる汚染された流出は、農薬の浪費だけでなく、下流の生態系に対する環境の脅威も表しています。松藁は、土壌侵食や雑草の成長から土壌を保護するためによく使用されます。[28]しかしながら、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。

経済問題。

農地の流出

表面の流出は、かなりの量の経済的影響をもたらします。パインストローは、表面の流出に対処するための費用効果の高い方法です。さらに、表面の流出は象の塊の成長を通して再利用することができます。ナイジェリアではエレファントグラスは表面の流出と侵食を減らすことができる経済的な方法であると考えられています。[29]また、中国は、野菜などの経済的な作物のほとんどへの表面侵食の影響を大きく受けています。したがって、彼らは土壌中の栄養素(窒素とリン)の損失を減らすシステムを実装したことが知られています。[30]

洪水

洪水は、水路が下流に流れる流出量を伝える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、確率年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も変化する可能性があります。洪水は社会に利益をもたらすか、被害をもたらす可能性があります。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ていました。しかし、集落の数と感受性が高まるにつれて、洪水はますます自然災害になります。都市部では、地表の流出が都市の洪水の主な原因であり、コミュニティへの反復的で費用のかかる影響で知られています。[31]悪影響は、人命の損失、物的損害、水供給の汚染、作物の損失、社会的混乱および一時的なホームレスに及ぶ。洪水は、最も壊滅的な自然災害の1つです。補足灌漑の使用は、トウモロコシなどの作物が土壌に窒素肥料を保持し、作物の水の利用可能性を向上させる重要な方法としても認識されてい[32]

緩和と治療

流出池(ワシントン州ノースベンドの高地周辺)

流出による悪影響の緩和には、いくつかの形態があります。

土地利用規制。多くの世界の規制当局は、不必要なハードスケープを回避することにより、表面全体の流出を最小限に抑える方法の研究を奨励しています。[33]多くの自治体は、最小幅の歩道、私道歩道に地球に設置された敷石の使用、および都市環境で最大の水浸透を可能にするその他の設計技術を奨励する土地開発者向けのガイドラインとコード(ゾーニングおよび関連条例)を作成しました。建物とプロパティの設計要件、建設慣行、およびメンテナンス要件を指定するローカルプログラムの例は次のとおりです。カリフォルニア州サンタモニカ[34]

砂防は、農民が土壌資源を保護するための等高線農業の重要性を認識した中世の時代から現れてきました。1950年代以降、これらの農業手法はますます洗練されてきました。1960年代に、一部のおよび地方政府は、建設業者に侵食および堆積物管理(ESC)の実施を要求することにより、建設流出の緩和に力を注ぐようになりました。これには、斜面での流出を遅らせるためのわら俵と障壁の使用、シルトフェンスの設置、降雨量が少なく、露出した傾斜領域の範囲と期間を最小限に抑える月の建設のプログラミングなどの手法が含まれていました。メリーランド州モンゴメリー郡1965年に最初の地方政府の堆積物管理プログラムを実施し、その後1970年にメリーランド州全体のプログラムが実施された。[35]

20世紀の前半には、河川システムのピークフローを予測する上で、早くも洪水制御プログラムが定量的になりました。ピークフローを最小限に抑え、チャネル速度を下げるための戦略が徐々に開発されてきました。一般的に適用される手法のいくつかは、河川のピークフローを緩衝するための貯水池(遊水地またはバランス湖とも呼ばれる)の提供、河川速度を下げるための水路でのエネルギー散逸装置の使用、および流出を最小限に抑えるための土地利用制御です[36]

化学薬品の使用と取り扱い。1976年に米国資源保護回復法(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保管の管理にさらに注意を払い、放出と漏出を防止しています。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、危険物使用の登録、許可される農薬の数の削減、および景観維持における肥料と除草剤のより厳格な規制です。多くの産業の場合、汚染物質の衛生またはへの漏出を最小限に抑えるために、廃棄物の前処理が必要です。雨水下水道

米国の水質浄化法(CWA)は、都市部の地方自治体(国勢調査局によって定義されている)が排水システムの雨水排水許可を取得することを要求しています。[37] [38]本質的に、これは、地方自治体が地方自治体の個別の雨水管システム( "MS4")に流入するすべての地表流出に対して雨水管理プログラムを運用する必要があることを意味します。EPAと州の規制および関連する出版物は、各ローカルプログラムに含まれなければならない6つの基本的なコンポーネントの概要を示しています。

  • 公教育(雨水汚染を回避する方法について個人、家庭、企業に通知する)
  • 市民参加(地域プログラムの実施への市民参加を支援する)
  • 不法な流量の検出と除去( MS4への衛生下水道またはその他の非雨水接続の削除)
  • 建設現場の流出制御(すなわち、侵食と堆積物の制御)
  • 建設後(すなわち恒久的な)雨水管理制御
  • 汚染防止(例:モーター燃料とオイル、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)と「適切なハウスキーピング」対策(例:システムのメンテナンス)。

州の高速道路システム、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用している他の不動産所有者も、MS4許可要件の対象となります。

測定と数学的モデリング

流出は、さまざまな水質サンプリング方法と組み合わせて数学モデルを使用して分析されます。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を対象とした、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任意の数の化学的または物理的テストを実行することにより、バッチ形式で測定を行うこともできます。

1950年代以前の水文学輸送モデルは、主に洪水予測のために流出量を計算するように見えました。1970年代初頭から、さまざまな化学物質の溶解速度、土壌への浸透、および受水域に供給される最終的な汚染物質の負荷を考慮した、流出水を運ぶ水質汚染物質の輸送を分析するためのコンピューターモデルが開発されました。流出とその結果としての輸送における化学的溶解に対処する最も初期のモデルの1つは、米国環境保護庁(EPA)との契約の下で1970年代初頭に開発されました。[39] このコンピューターモデル土地利用と化学物質の取り扱い管理 のための戦略につながる緩和研究の多くの基礎を形成しました。

雨水利用者は、流出の質と量に影響を与える複数の変数の自然変動のために、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、水質エクスカーション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[40] [41]雨水です。品質モデル。SELDMは、複雑な科学データを、流入水への流出の悪影響のリスク、緩和策の潜在的な必要性、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手段の潜在的な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、流出プロセスとさまざまな緩和策の潜在的な影響。SELDMは、感度分析を迅速に実行して、水質変動のリスクに対するさまざまな入力仮定の潜在的な影響を判断するための手段も提供します。

他のコンピュータモデル(DSSAMモデルなど)が開発されており、反応性水質汚染物質として河川のコースを介して地表の流出を追跡することができます。この場合、地表流出は、受水域への水質汚染の線源あると見なすことができます。[42]

も参照してください

参照

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さらに読む

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外部リンク

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