洪水と地下水

　水の循環

水の循環（Oki & Kanae,2006）
　地球上には133,800万m3の水がありますが、周知のようにその約97.5%が海水で、淡水は約2.5%に過ぎません。陸上の水のうち、湖や氷河・万年雪を除く流水では、河川と地下水があります。その貯留量および流出量は、それぞれ河川が2x103km3：45.5x103km3/yで、地下水が23,400x103km3：30.2x103km3/yとなるそうです（Oki & Kanae,2006）。地下水は目にとまる機会が少ないので軽視されがちですが、圧倒的な貯留量と河川に匹敵する流出量を持っています。

　洪水の仕組み

ハイドログラフとハイエトグラフ（滋賀県田上山地）（小杉,2005）
　降った雨は一部は地中に染み込んで地下水となり、一部は地表水となって、川になり、いずれもやがて海へ流れ込みます。台風や豪雨、雪解け水によって河川の水かさが急激に増すと洪水になります。洪水は破堤や溢流（オーバーフロー）による外水氾濫と、河川水位の上昇により、都市部の下水が流れなくなって溢れる内水氾濫とあります。こうした洪水の研究は古くから行われていて、流出解析に基づき水害の予知予測や洪水対策などがなされます。流出解析に際して必ず作成されるのがハイエトグラフhyetographとハイドログラフhydrographです。いずれも横軸は時間ですが、前者は縦軸に降水量を、後者は流出量をとったものです。裸地地域は降水のほとんどすべてが地表水となりますので、降水量と河川流出量は良い相関を示します。森林地域でピークは低くなり（いわゆる緑のダム効果）、やや遅れ気味になるもののほぼ一致しますので、河川工学では、基本的にはこのハイエトグラフとハイドログラフを基に、さまざまな解析や設計が行われています。

　地下水の寄与

地下水の高まりの形成
（登坂,2002）		Wisconsin川の水理地質断面図
（Gotkowitz et. al.,2014）		Somme川流域地下水のSr同位体比
（Négrel & Petelrt-Giraud,2005）
　しかし、前述のように地下水の占める割合は大きいですから、地下水を全く無視するのも片手落ちでしょう。実際、地下水誘発型洪水groundwater-induced floodという言葉もあります。登坂（2002）は、従来、地表水の流れと地下水の流れは別々に解析されていたものを同時に扱い、連成解析を行いました。図の左側斜面に雨を降らせ続けると、斜面裾部に地下水の高まりが形成されます。Groundwater rise, water-table rise などと呼ばれます。やがて窪地や河川部に湧出します。これは数値モデルですが、実際の流域でも観測されています（Gotkowitz et. al.,2014）。
　Négrel & Petelrt-Giraud（2005）はSr同位体を用いて分析を行いました。雨水と洪水流の水では、明らかに異なり、洪水流には地下水が混入していることを突き止めました。しかも地下水の同位体比は時間とともに変わります。また、洪水流の水をTritiumを用いて年代測定をした例もあります。直前に降った雨だけではなく、数週間～数年といった値を持つ水も含まれているようです。これは大きな意味を持ちます。先行降雨などで地下水の高まりが形成されていると、その地点で大雨が降っていなくても上流で雨が降れば、圧力はパスカルの原理で瞬時に伝わりますから、河川近くの地下水の高まりから河川に水が供給され、洪水が誘発されます。

文献
  1. Abboud, J.M., Ryan, M. C. & Osborn, G. D.（2017）, Groundwater flooding in a river‐connected alluvial aquifer. Journal of flood risk management, Vol.11, No.4, p.e12334.
  2. Ascott, M, J., Marchant, B. P., Macdonald, D., McKenzie, A. A. & Bloomfield, J. P.（2017）, Improved understanding of spatio-temporal controls on regional scale groundwater flooding using hydrograph analysis and impulse response functions. Hydrological processes, Vol.31, No.25, p.4586-4599.
  3. Becker, B. P. J., Jansen, M., Sinaba, B. P. & Schüttrumpf, H.（2015）, On the Modeling of Bank Storage in a Groundwater Model: The April, 1983, Flood Event in the Neuwieder Becken (Middle Rhine). Water, Vol.7, No.3, p.1173-1201.
  4. Dan, Z., Ye, Z., Guillaume, G., Lichtner, P. & Engelhardt, I.（2018）, Numerical modelling of stream–aquifer interaction: Quantifying the impact of transient streambed permeability and aquifer heterogeneity. Hydrological processes, Vol.32, No.14, p.2279-2292.
  5. Gotkowitz, M. B., Attig, J. W. & McDermott, T.（2014）, Groundwater flood of a river terrace in southwest Wisconsin, USA. Hydrogeology Journal, Vol.22, Issue.6, p.1421–1432.
  6. Hughes, A. G., Vounaki, T., Peach, D. W., Ireson, A. M., Jackson, C.R., Butler, A.P., Bloomfield, J. P., Finch, J. & Wheater, H. S.（2011）, Flood risk from groundwater: examples from a Chalk catchment in southern England. Jour. flood risk management, Vol.4, No.3, p.143-155.
  7. 稲葉　薫・登坂博行・張　馳（2004）, 洪水氾濫時の地下水の寄与について. 水文・水資源学会004年研究発表会要旨集, p.146-147.
  8. Jasperson, J. L., Gran, K. B. & Magner, J. A（2018）, Seasonal and Flood‐Induced Variations in Groundwater–Surface Water Exchange in a Northern Coldwater Fishery. Jour. Am. Water Resources Ass., Vol.54, No.5, p.1109-1126.
  9. 風間　聡（2006）, メコン河の洪水・氾濫による地下水涵養に関する研究. 日産科学振興財団研究報告書, Vol., No., p..
  10. 小松　光・篠原慶規・大槻恭一（2013）, 管理放棄人工林は洪水を助長するか. 水利科学, Vol.56, No.6, p.68-90.
  11. 小杉賢一朗（2005）, 森林の「ダム」機能の科学的評価の試み. 水利科学, Vol.48, No.6, p.18-31.
  12. Michael O’DriscollPatrick JohnsonDavid Mallinson（2010）, Geological controls and effects of flood plain asymmetry on river–groundwater interactions in the southeastern Coastal Plain, USA. Hydrogeology Journal, Vol., Issue 5, p.1265-1279.
  13. 森　雄仁・吉越昭久（2005）, 井戸遺構からみた平安時代の地下水環境と洪水 : 平安京域を中心に. 立命館地理学, Vol.17, No., p.117-128.
  14. Négrel, Ph. & Petelrt-Giraud, E.（2005）, Strontium isotopes as tracers of groundwater-induced floods: the Somme case study (France) . Jour. Hydrology, Vol.305, No.1, p.99-119.
  15. Oki, T. & Kanae, S.（2006）, Global Hydrological Cycles and World Water Resources. Science, Vol.313, Issue 5790, p.1068-1072.
  16. Pinault, J.-L., Amraoui, N. & Golaz, C.（2005）, Groundwater-induced flooding in macropore-dominated hydrological system in the context of climate changes. Water Resources Research, Vol.41, No.5, p.1-16.
  17. Robins, N. S & Finch, J. W.（2012）, Groundwater flood or groundwater-induced flood?. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, Vol.45, No.1, p.119-122.
  18. Robins, N.S; Finch, J. W.（2012）, Groundwater flood or groundwater-induced flood?. Quart. Jour. Engineering Geology and Hydrogeology, Vol.45, No.1, p.119-122.
  19. Rushton, K.R. & （1979）, Possible mechanisms for leakage between aquifers and rivers. Jour. Hydrology, Vol.40, Nos.1-2, p.49-65.
  20. Sommer,T., Karpf, C.,Ettrich, N., Haase, D., Weichel, T., Peetz, J.-V., Steckel, B., Eulitz, K. & Ullrich, K.（2009）, Coupled modelling of subsurface water flux for an integrated flood risk management. Natural Hazards and Earth System, Vol.9, No.4, p.1277-1290.
  21. 武田　宏（1982）, 地下水の挙動を考慮した洪水防御工法の評価手法に関する事例研究. 国立防災科学技術センター研究報告, Vol., No., p.40-68.
  22. 登坂博行（2002）, 地下水と地表水・海水との相互作用 9. 地表水流れと地下水流れの結合解析. 地下水学会誌, Vol.44, No.1, p.45-52.
  23. 登坂博行・森　康二・多田和広・田原康博・ 山下紘司（2015）, 地圏水循環モデルと現象再現性の検証例. 地下水学会誌, Vol.57, No.3, p.335-344.
  24. Vekerdy, Z. & Meijerink, A. M. J.（1998）, Statistical and analytical study of the propagation of flood-induced groundwater rise in an alluvial aquifer. Journal of Hydrology, Vol.205, No.1, p.112-125.
  25. （）, . , Vol., No., p..
  26. （）, . , Vol., No., p..
  27. （）, . , Vol., No., p..
  28. （）, . , Vol., No., p..

参考サイト：

初出日：2019/01/28
更新日：2019/03/08