高校地理探究 河川と湖沼と地下水—流域の水収支と地層から陸水の変化を説明する｜武蔵野個別指導塾

雨の行方と融雪による河況、湖の成因、被圧地下水をつなぐ鍵は流域の水収支です。

よくあるのは、雨が降るとその全量がすぐ川へ流れると考える場面です。ところが雨の一部は土にしみこみ、一部は植物や地表から大気へ戻り、雪や地下水としてしばらく蓄えられることもあります。川の水は、降った直後の雨だけでできているわけではありません。流域を出入りする水と蓄えの変化を区別すると、雨の時期と川の水が増える時期がずれる理由が見えてきます。

湖のくぼみがどうできたか、地下の水をどの地層が通すかも、同じように条件を分けて考えます。ここでは自然環境としての陸水を扱い、水の利用や資源政策には立ち入りません。

雨の行き先を問う3つの型

流域の問題では、まず境界と期間を読みます。流域とは、降った水が地表の傾きに沿って集まり、ある河川へ流れ込む範囲です。境界の分水界は地形によって区切られます。ただし地下水が地表の分水界と異なる方向へ動く場合もあるので、問題で地下を通る出入りが与えられたら、それも収支に加えます。

第1の型は、降水量と流出量などから貯留の増減を求める問題です。最初と最後の貯留量そのものが不明でも、差は求められる場合があります。第2の型は、降水と河川流量の季節変化を比べ、雪の蓄積と融解による時間差を説明する問題です。雨量が多い時期と流量が大きい時期を、機械的に同じと決めないことが焦点です。

第3の型は、湖の成因や地層の断面から水の位置と動きを推測する問題です。湖面の形だけでは成因が確定しないことや、地下水があることと井戸から地表へ自然に噴き出すことは別だと押さえます。どの型でも、与えられた事実、そこから言えること、追加資料がなければ決められないことを分けて答えます。

流域に出入りする水と地下の通り道

降水が地面に達すると、その一部は地表を流れ、川に集まります。別の一部は地中に浸透し、土壌のすき間に保たれたり、地下水となったりします。浸透した水も、時間をかけて川へ流れ出ることがあります。雨の直後に地表を通る水と、地下にいったん蓄えられて後から川に加わる水を区別すると、降雨が止んでも流れが続く理由を説明できます。

図1のように、降水は流出、蒸発散、貯留の変化と関係します。蒸発散は、水面や土壌からの蒸発と植物からの蒸散を合わせたものです。植物が吸い上げた水は蒸散を通して大気へ戻ります。貯留には土壌水、地下水、雪や湖の水などが含まれます。浸透は地表から地中への移動であり、流域の外へ出る量そのものではありません。

図1の矢印は水の経路を示し、量の大小を表していません。流域全体を対象に一定期間を区切れば、流域への流入量から流域外への流出量を引いたものが、流域内の貯留の増減です。降水以外の流入や地下からの流出がない条件なら、降水量から河川流出量と蒸発散量を引いて貯留変化を出せます。同じ水が浸透した後に川へ出た場合、浸透量と河川流出量を両方とも流域外への損失として数えると二重計算になります。

雪は、降水がその場で流出せずに残る貯留の例です。寒い季節には降水が雪として積もり、暖かくなると融けて川に供給されます。融雪期に流量が増えても、その時期の雨だけが原因とは限りません。一方、雪の量、融け方、雨、地形や地中への浸透は場所や年によって異なります。流量の山があったという事実だけから、融雪が唯一の原因だと断定はできません。

地下では、土や岩石のすき間に水が入ります。地表近くには水と空気が共に存在する部分があり、その下にすき間が水で満たされた飽和帯があります。自由地下水の上面を地下水面と呼びます。水を通しやすく、地下水を蓄えて流す地層を帯水層といいます。水を通しにくい層が水の動きを妨げても、完全に通さないとは限りません。

被圧地下水は、上を通しにくい層に覆われた帯水層内にあり、圧力を受けています。井戸を掘ると、その圧力に応じて井戸内の水位が帯水層の上面より上がることがあります。水位が地表より高くなる条件なら自然に地表へ出ますが、地表に達しなければ自噴しません。地下水の供給側の高さ、地層の連続、圧力などが関わるため、挟まれた断面だけで自噴を決めないことが重要です。

湖は水のたまるくぼみと水の出入りを分けて考えます。たとえば断層運動に伴うくぼみ、火山活動によるくぼみ、氷河の侵食によるくぼみ、河川の蛇行部が切り離された跡などが湖の器になりえます。成因は水面の現在の形だけでは決められず、周囲の地形や地層、形成の履歴を合わせて調べます。湖に流れ込む川があっても、出口の川があるか、蒸発や地下への浸透がどれほどあるかで水の収支は変わります。

基本と標準：数と季節をつなぐ

基本例題：貯留は増えたか

次は実際の観測ではなく、計算のための自作の練習条件です。ある流域の一定期間の降水量を水深に換算すると120 mm、河川を通じて流域外へ出た水は70 mm、蒸発散は30 mmです。これ以外に流域境界を通る水の出入りはありません。期間中の貯留の変化を、増加か減少かと、その大きさをmmで答えてください。

図2のように、まず流域へ入る量と外へ出る量を分けます。降水120 mmが入り、河川流出70 mmと蒸発散30 mmが外へ出ます。差の120 − 70 − 30 = 20 mmが流域内に残るため、貯留は20 mm増加します。これが地下水だけの増加とは限りません。雪や湖、土壌なども流域内の貯留に含まれるからです。

図2の20 mmは期間の初めに蓄えていた量ではなく、終わりと初めの差です。答えを元に戻すと、外へ出た70 mmと30 mm、流域内に増えた20 mmの合計は120 mmで、入った降水量と一致します。最初の貯留量を知らなくても変化は求められますが、最後の貯留量そのものは求められません。

もし同じ条件で「浸透した水が40 mm」と追加されても、40 mmをさらに差し引いてはいけません。浸透後の水のうち、期間末に残った分は貯留の変化に、期間中に川から外へ出た分は河川流出に含まれます。浸透量は地表と地下の間の移動を表す量で、流域境界を通る出入りとは役割が違います。

標準例題：雨と川の山がずれる理由

次の資料は、季節変化を考えるための自作条件です。ある流域では、寒い季節の降水の多くが雪として残ります。春には気温が上がって雪が融け、春の降水は寒い季節より少ないものの、河川流量は春に増えます。夏には積雪がほぼなく、流量は春より小さくなります。この条件から、春の流量が増える理由を、雪の貯留と融解の両語を使って2文以内で説明してください。

まず、寒い季節に降った水は雪として貯留されています。次に、春の融解でその水が流域内を移動し、河川へ供給されます。模範解答は「寒い季節の降水が雪として貯留され、春に融解して河川へ水が供給されるためです」です。寒い季節に積もった雪が春に融けて川に入る、という表現も、貯留と融解の関係が伝われば同じ筋道です。

この資料は春の流量増加と雪の関係を示しますが、融けた水のすべてが直ちに川へ達するとまでは示していません。地中にしみこむ分や蒸発散される分も考えられます。また、夏の流量が春より小さい理由を積雪の減少だけに決めるには、夏の降水や地下からの供給など、さらに条件が必要です。資料で与えられた説明と、他の要因を調べる必要のある部分を区別します。

発展：同じ流量変化でも経路を比べる

次は自作の比較資料です。同じ期間に同じ量の雨を受けた流域AとBを考えます。Aは雨の前から地表付近が水で満たされ、新たな水がしみこみにくい状態です。Bは地表付近に水を受け入れる余地があり、浸透しやすい状態です。両流域の面積と地形の傾き、降雨の時間的な降り方、蒸発散は同じとします。地下から川への供給は短い降雨期間中には変化しないものとします。

雨の直後に地表を通って川へ集まる水は、AとBのどちらが多いと考えられるでしょうか。水の通り道を含む1文で答えてください。また、降雨後の長い期間を含む総流出量まで、この条件だけで大小を決められるか述べてください。

短い降雨期間ではAの方が、浸透しにくい分、地表を流れて川へ集まる水が多いと考えられます。Bで浸透した水の行き先は、土壌に残る、地下水として蓄えられる、後から川へ出るなどに分かれます。したがって長い期間の総流出量は、期間末までにどのくらい貯留が変わるかや地下の経路が与えられず、大小を決められません。「Aは雨の直後に川への地表流出が多いが、その後の貯留と流出が不明なので長期間の総流出量は比べられない」という答えが適切です。

比較の前提を変えると結論も変わりえます。Bでも雨の勢いが地面の水を受け入れる能力を上回れば、地表を流れる水が生じます。地表を通る水の差は浸透だけでなく、降り方、地面の状態、地形などにも左右されます。雨の直後の増水が大きいことと、その流域から長期に出る水の総量が大きいことは、別の問いです。

湖についても、似た形の水面を見ただけで、断層による湖か氷河による湖かを決めることはできません。断層による地形変位や氷河が削った地形など、成因に対応する周囲の証拠が必要です。湖の器の成因と、その後の降水・流入・流出による水量の変化を一続きにせず、まず別々に調べてから結びます。

間違いをたどり直す

図3のように、浸透を流域外への流出と取り違えると、収支の途中で水を二度失ったことにしてしまいます。たとえば基本例題で「120 − 70 − 30 − 40 = -20 mmだから貯留は20 mm減少」と答えた場合、誤りは引き算の手順ではなく、40 mmの位置づけにあります。

図3では、浸透は流域の内部で地表から地下へ移る矢印です。地下に入った水が後に川から流域外へ出るなら、その水は河川流出に含まれます。期間末まで残った分は貯留変化に含まれます。境界をまたぐ矢印と内部の矢印を見分ければ、正しくは20 mmの増加と修正できます。

別の誤答は「降水の少ない春に流量が増えるのは資料の矛盾です」です。これは、流量をその時期の降水だけで決める発想が原因です。寒い季節に残った雪が春の水の供給源になると考えれば、時間差を説明できます。必要語を並べるだけでなく、雪が蓄えられ、後に融けて川に入る順序を書きます。

地下水の問題では「被圧帯水層に井戸を掘れば必ず自噴する」という誤りもあります。圧力で井戸の水位が上がることと、水位が地表を越えることは別です。帯水層の上面より水位が高くても、地表より低ければ自噴しません。断面に示された地表の高さと、水が井戸内で上がる高さを比べるように修正します。

新しい条件で試す5問

以下は本文の例題とは別に作った練習条件で、観測値ではありません。計算では流域全体の水量を同じ面積で水深に換算し、指定がなければ示された経路以外の出入りはないものとします。記述は各問の条件に基づき、1文または2文で答えてください。

1. ある期間の降水量は150 mm、河川流出量は80 mm、蒸発散量は40 mmです。貯留の変化を、増減と大きさを示してmmで答えてください。
2. 別の流域では、ある期間の降水量が90 mm、河川流出量が75 mm、蒸発散量が25 mmでした。貯留の変化を、増減と大きさを示してmmで答えてください。
3. 寒い時期には降水が雪として蓄えられ、暖かい時期にはその雪が融けます。暖かい時期の降水が少なくても河川流量が増えうる理由を、降水の時期と川に入る時期の違いを含めて述べてください。
4. 通しやすい地層が通しにくい層に覆われています。井戸内の水位は帯水層の上面より高いものの、地表には達しません。被圧地下水かどうかと自噴するかどうかを、それぞれ理由とともに述べてください。
5. ある湖の周囲には氷河が削った谷があり、湖のくぼみも氷河による侵食でできたとする資料が与えられました。湖の成因を答え、さらに現在の湖水量の増減を判定するために調べるべき水の出入りを2種類挙げてください。

答えと考え方

1. 30 mmの増加です。150 − 80 − 40 = 30です。河川から80 mm、蒸発散で40 mmが出て、30 mmが増えるので、合計150 mmとなり、入った降水に戻ります。
2. 10 mmの減少です。90 − 75 − 25 = -10です。出る量の合計100 mmは降水90 mmより10 mm多く、その差を貯留の減少が補います。90 mmの流入と10 mmの貯留減少を合わせると100 mmとなり、流出と蒸発散の合計に戻ります。負の値を増加量と読み替えないことが要点です。
3. 「寒い時期の降水が雪として蓄えられ、暖かい時期に融けて川へ流れ込むためです」。雪が積もる時期と水が川に加わる時期を結べば、「雪解け水が後から川に供給される」も同じ説明です。暖かい時期の雨の量だけでは流量を決められません。
4. 「水を通しにくい層の下の帯水層にあり、井戸の水位が帯水層上面より上がるので被圧地下水です。水位は地表に達しないため自噴しません」。被圧であることを圧力と結び、地表に届かないことを自噴しない根拠として示します。上面と地表の両方の高さに答えを戻して確かめます。
5. 「氷河による侵食でできた湖です。湖への河川流入と湖からの河川流出を調べます」。降水と蒸発、地下からの流入や地下への流出を挙げる答えも、流入と流出の方向を明示すれば適切です。くぼみの成因は与えられていますが、水量の増減は現在の出入りと貯留の関係で決まります。挙げた2種類だけで水収支の全体が決まるとは限りません。

覚えておきたい水の道筋

流域の水収支では、境界を越える水と貯留の変化を対応させます。 雪や地下にいったん蓄えられた水は、後から川へ供給されます。 湖の器の成因と現在の水の出入りは、別々に調べて結びます。 被圧地下水の水位が上がっても、地表を越えなければ自噴しません。

つまずきの位置を見つける

式が合わないときは、数を計算し直す前に、それぞれの量が流域に入るのか、外へ出るのか、内部を移動するのかを言葉で確かめます。浸透を外への流出に入れていたら、境界を描き、地中へ入った後の行き先を指で追うと誤りの位置を見つけられます。貯留変化が負の場合には、出る量の不足を以前の蓄えが補うことまで説明できるかを見ます。

季節の説明で止まる場合は、雪が降った時期、残った時期、融けて川に加わった時期を順番に話してみます。湖や地下水で名前だけを答えた場合は、くぼみを作った働き、地層の通しやすさ、井戸の水位と地表の高さを根拠として指せるかを確認します。個別に解き方を確かめる際も、用語を知っているか、資料のどこを根拠にしたか、その根拠から結論へどうつないだかを分けて見ると、直すべき箇所が明確になります。水がどこに残り、いつ移るかを追えば、陸水の変化を筋道立てて説明できます。