水系について

水系について調べてみました。

水系（すいけい、drainage system）は、河川に関連する用語です。
ある河川とそれに合流する他の河川や内水面（湖沼や池）、さらには分岐する河川を含めた、流路を部分的に共有する河川や、湖沼全体を体系化した概念と、その概念に基づく分類のことです。

（１）日本における水系の管理
日本では、河川法において重要性が高い水系を区分及び指定しています。
導水や用水、疏水などの人工河川による新たに追加された流れや、排水機場による流水方向の変化などの物理的な川上・川下とは関係が無い流れもあります。
この場合、水系の範囲は分水界を越えています。
①一級水系・・・・日本国内では最重要水系で、一級河川を本流とする国が管理する水系です。
各一級水系の一部は、都道府県や政令市に管理が移譲されています。
②二級水系・・・・上記以外の水系のうち重要性が高く、二級河川を本流とする都道府県が管理する水系です。
③単独水系・・・・河川法を適用する一級河川・二級河川が本流（本川）でなくとも、行政上区分が必要とされる場合に便宜上区分されるものを単独水系と呼んでいます。
法律で定義はされていないのですが、この水系は準用河川や普通河川が本流（本川）となります。

（２）水系の分類
水系は分水界により区分されています。
ある水系に降水が流入する範囲を流域と言い、水系と流域はよく似た概念ですが、流域が面的な広がりを表すのに対し、水系は水の線的なつながりを表しています。
また、他に類似の言葉として流路形状があります。
流路形状は、河川の流路の部分的な地形そのものを表します。
つまり川筋の形のことで、一般的には、地表水のつながりのみを水系と考えられがちですが、ある河川から別の河川へ地下を通じて水が移動（水文循環）することはよく見られることから、水系概念に地下水のつながりも含めるべきとされています。
水系は、その形状などから次のように地理学的に分類されています。
①樹枝状水系・・・・世界中で一般的に見られる形態で、本流と支流が樹枝のような形状のものです。
②平行状水系・・・・急斜面に見られる形態で、急斜面上で水流が直線状となり、隣接する水系と平行関係をとるものです。
山脈地帯に多く見られます。
③格子状水系・・・・地質的に強い構造上の力を受けている地域に見られる形態です。
④放射状水系・・・・上空から見ると車輪のスポーク状となるもので、円錐形の火山などで見られます。
⑤方形状水系・・・・断層地帯で形成される水系形状です。
⑥環状水系・・・・盆地の中央部で形成される環状の水系形状です。
⑦乱状水系・・・・最終氷期に形成されたカナダの湖沼地帯のように、明確な分水界もなく、湖沼が乱雑に存在するような水系形状です。

渓流における流量を測定と「塩分希釈法」

渓流などの流量を測定する場合にはいろいろな測り方があります。

測定方法として、
①容積法
②流速計法
③堰法
④塩分希釈法
が挙げられます。
これらの測定方法や適用条件などについてまとめてみました。

表1　地表水の流量測定手法

測定方法	概要	適用条件	備　考
容積法	渓流を土嚢などにより止水しVP管などを通して流下させ流量を直接測定する方法です。	直接的な測定であり精度は高いのですが、流量が多い場合には測定は困難です。	簡易な方法では地表水の完全な捕捉が困難です。
流速計法	通水断面を測量により作成し、流速計により数ヶ所の流速を測定し流量を求める方法です。	流量が多い場合に適していまます。水量が少ない場合は、測定が難しく精度が悪くなります。流速が通水断面内で大きく変化する条件では精度が悪くなります。	流速計は、深度10ｃｍ以下の水深では測定が困難です。
堰　法	河川や渓流の途中に三角堰や四角堰を設置しノッチ高を測定する方法です。	岩盤や玉石の分布地での堰の設置は難しくなります。 砂や礫などの堆積物が分布する場合、地表水が地下へ浸透しやすくなります。	一般に堰は常時設置するため、簡易な構造の場合、豪雨時に破損する可能性があります。
塩分希釈法	一定時間、定量の食塩水を継続的に渓流に投入し、下流側にて電気伝導度を測定し、流量を計算にて求める方法です。	流量の多寡によらず比較的簡易に測定可能ですが精度はよくありません。	食塩以外の試薬もありますが、食塩を利用することが多くなっています。

この中で、あまり知られていない「塩分希釈法」について説明します。
「塩分希釈法」は、山の中の渓流など水の流れが乱れているようなところで、流速計法や容積法などが使えないような時に用いています。
この方法は測定結果の精度や再現性は高くはありませんが、山中の小さな渓流などにおける簡便調査法として実用的なものとされています。
方法としては、上流側から１リットルの食塩水を流します。
同時に下流側で電気伝導度の計測を開始し、食塩水投入から５秒間隔で電気伝導度を記録していきます。
食塩水が流れてくると、下流側の測定地点ではどんどん塩分の影響により電気伝導度が高くなり、あるところまで来ると食塩水は薄められてもとの値に下がっていきます。
もとの電気伝導度に落ち着いたら測定終了です。
増加した電気伝導度と増加から減少までかかった時間から流量に換算します。



時間と、電気伝導度の関係は概ね上図のようになります。
上流側から食塩水を流すときは、その間に流れが分かれているところや淵など流れが留まっているところは避ける必要があります。
「塩分希釈法」による流量算出式は下式で計算します。
Ｑ＝ｑ・Ｔ/［λ（ｔｎ-ｔｏ）］
ここに
ｑ：投入塩水の量
Ｔ：投入塩水の電気伝導度
ｔｎ：渓流の電気伝導度の増加終了時間
ｔｏ：渓流の電気伝導度の増加開始時間
λ：渓流の平均増加電気伝導度（λ：Ｔａｖｅ-Ｔｏ）
Ｔａｖｅ：測定中の渓流の電気伝導度
Ｔｏ：塩水投入前の渓流の電気伝導度

電気伝導度について

水文調査でよく使う電気伝導度について調べてみました。

電気伝導度(EC・electric condacttivity)とは、電気の通りやすさを示す指標です。
電気伝導度観測は以下の点で役立ちます。
①流域の大まかな水文地質特性
②地下水系統の異なる水の判定
③水質変化の監視
④異種の水塊における混合等の把握
単位は、μS/cmをよく使います。
これを１mS/mに換算すると、１μS/cm=10^-6S/10^-2m=10^4S/mとなり、１mS/m=10^-3S/mで、10^4S/m<10^-3S/mとなるそうです。
これにより１mS/mの方が１μS/cmより10倍大きくなるようです。
日本の天然水の一般値としては、
・雨水・・・・10～30μS/cm
・上流のきれいな河川・・・・110μS/cm
・下流の汚れた河川・・・・200～400μS/cm
・海水・・・・45000μS/cm
です。
海水の値が真水よりも異常に大きい値を示すので、塩水による地下水追跡にも使うことができます。

電気伝導度と同じような言葉で、電気伝導率がありますが、これは違うものです。
違いとしては、JIS K0130によると、
①電気伝導度・・・・電解質水溶液で満たされた電極間の電気抵抗の逆数。
②電気伝導率・・・・ 面積１平方メートルの2個の平面電極が１メートルで対向している容器に電解質溶液を満たして測定した電気抵抗の逆数で、 「導電率」とも言います。

地下水の流向流速測定

地下水の流向流速測定にもいろいろな方法があります。

大きく分けると、
①単孔式
一つの測定孔で観測を行う方法で、熱中性子検出法、電位差法、熱量法、テレビ法、レーザー法などがあります。
②多孔式
複数の測定孔を用いて観測を行う方法で、トレーサー法、水位測定法などがあります。
それぞれの方法の特徴について、以下の表にまとめました。

測定方法		測定原理	長所	短所
単 孔 式	熱 中 性 子 検 出 法	ホウ素を測定区間内に注入し、指向性を持たせた中性子検出器にて各方向のホウ素濃度を観測します。ホウ素濃度の希釈状況の変化から流速と流向を求めます。 ホウ素は熱中性子を好んで取り込む性質があり、トレーサーとして利用できます。	幅広い流速範囲で測定可能です。（3×10-5～1×10-1cm/s）	装置が複雑です。 大きい孔径が必要です。（観測孔径φ80mm） 地下水の水質を変化させてしまいます。
	電 位 差 法	地下水と比抵抗の異なる溶液（蒸留水、食塩水等）を測定区間内に注入し、測定器の円周上に設置された電気抵抗検出器にて電気抵抗を観測します。 注入溶液の希釈状況の変化から流速と流向を求めます。	幅広い流速範囲で測定可能です。（1×10-5～1×10-2cm/s） 流向の精度が高いです。（±7.5°）	装置が複雑です。 地下水の電気伝導率により測定できない場合があります。 最大測定時間が大きく、 やや大きい孔径が必要です。（φ75mm～φ100mm）
	熱 量 法	測定器に内蔵したヒーターにより地下水をあたため、測定器の円周上に設置された温度センサにて地下水の温度を観測します。 地下水の温度変化から流速と流向を求めます。 現在では最もよく用いられている方法です。	地下水が懸濁していても測定ができます。 比較的小さい孔径で測定できます。（φ50mm以上で測定可能） 短時間で測定ができます。（1箇所あたり約2時間）	適用できる流速範囲が狭いです。（0.01～1cm/分 ＝1.6×10-4～1.6×10-2cm/s）
	テ レ ビ 法	測定器に赤外線カメラを内蔵し、地下水中を移動する微粒子を観測します。 微粒子の移動速度、方向から流速と流向を求めます。	小さい孔径から測定できます。（φ40mmより測定可能） 機材にも依るが、速い流れでも測定できます。 映像をビデオなどに記録でき、後で再測定することができます。	地下水が懸濁していると測定できません。
	レ ｜ ザ ｜ 法	レーザー光により干渉縞を発生させ、粒子が干渉縞を横切る周期から流速と流向を求めます。	深い深度(200m)まで測定可能です。	-
多 孔 式	ト レ ｜ サ ｜ 法	食塩水などのトレーサーをある孔に投入し、その周辺に設置された複数の観測孔でトレーサーの到達時間を測定することによって、流速と流向を求めます。	測定孔間の実際の地盤状況を反映した測定値が得られます。	水位変動による影響が大きいのが特徴です。 流速が遅いと非常に時間がかかります。 観測孔の配置が粗い場合、測定値が得られません。 地下水の水質を変化させてしまいます。
	水 位 測 定 法	複数の観測孔で同時に水位を測定し、その水位差から流速と流向を求めます。	一度観測孔を設けてしまえば、測定は簡便で、何回でも測定可能です。	対象帯水層の透水係数がわからなければ流速が求められません。 できるだけ同時に水位を測る必要があります。

流量の測定について

流量の測定方法について調べてみました。
 
（１）流量測定を行う目的
地表水の流量は、流域、降水量、蒸発量や地下水との流出・流入量などによって変化しています。
このため、流域や降水量などがわかっている場合では、地表水の流量を測定することで、地下水の流出・流入量を想定することが可能となります。
地表水の流量は降雨時の土壌の飽和度や中間流出までの時間的な速さなどの要因によっても変化しますが、直接的な測定ができない地下水の流出・流入量を想定し、地質との関連を検討するために、有効な手段となります。
特に、岩盤が露出し地下水への流入がほとんどない条件で長期間にわたり降雨がない場合には、地下水の流出のみ（基底流量）となり、地質と地下水量の関係を把握しやすくなります。
地質調査の観点から、地表水の流量測定を行う目的として、
①地質区分と水理地質や地下水の関係の把握
②地表水の帯水層への涵養量の推定、或いは帯水層から地表への流出量の推定
③断層などの地下水の供給源の推定
といった内容が挙げられます。
これは、地質調査のなかでも水文調査の項目になりますが、具体的には、
①トンネルや大規模な切土などを対象とする土木工事で問題となる地下水調査
②岩盤地帯での地下水探査
などのような適用事例となります。
 
（２）流量の測定方法について
ここで、当社が行っている小規模な河川や渓流などでの地表水の流量測定方法を紹介します。
測定手法として、
①容器法（直接計測法）
②流速計法
③堰法
④投入試薬の希釈度の測定（塩分希釈法）
が挙げられ、各々の測定方法や適用条件などについて下表にまとめました。

表1　地表水の流量測定手法

測定方法	概要	適用条件	備　考
1.容器法	渓流を土嚢や粘土などにより止水し、VP管などを通して流下させ、流量を直接測定する方法です。	直接的な測定であり精度は高いが、流量が多い場合は測定が困難です。	簡易な方法では地表水の完全な捕捉が難しくなります。
2.流速計法	通水断面を測量により作成し、流速計により数ヶ所の流速を測定し流量を求める方法です。 流速計で測定できないような浅い断面では浮きを使用することもあります。	流量が多い場合に適していますが、逆に水量が少ない場合には、測定が難しく精度が悪くなります。 また、流速が通水断面内で大きく変化する条件では精度が悪くなります。	容器法や堰法に比べると、流速計の精度が問題になります。
3.堰　法	河川や渓流の途中に三角堰や四角堰を設置しノッチ高を測定する方法です。 流量の少ない場合には三角堰、多い場合には四角堰を設置しますが、四季で変動の大きい所には適していません。	玉石の分布地での堰の設置は困難です。 砂や礫などの堆積物が分布する場合、地表水が地下へ浸透しやすくなります。 岩盤での堰の設置は、コンクリートでの施工となり手間や経費はかかりますが、浸透水がないので精度は高くなります。	一般に堰は常時設置するため、簡易な構造の場合には、豪雨時に破損する可能性があります。
4.塩分希釈法	一定時間、定量の食塩水を継続的に渓流に投入し、下流側にて電気伝導度を測定し、流量を計算にて求める方法です。	流量の多寡によらず、比較的簡易に測定可能です。	食塩以外の試薬もありますが、食塩を利用することがほとんどです。