雨が続いたり渇水になったりすると湖の水位が変わるのは、湖へ入る水と湖から出る水のバランスが変わるからです。 雨が多い時期は、湖面へ直接降る雨に加えて、流域に降った雨が河川や地下水を通じて湖へ集まり、貯水量が増えて水位が上がります。反対に渇水時は、降水と河川流入が減る一方で、蒸発や流出が続くため、湖の貯水量が減って水位が下がります。
ただし、水位の変化は雨量だけでは決まりません。湖面積、集水域の広さ、流出河川の有無、地下水とのつながり、蒸発量、人為的な放流などによって、同じ雨や同じ渇水でも水位の動き方は湖ごとに異なります。
湖の水位は「入る水」と「出る水」の差で決まる
湖の水位を理解する基本は水収支です。湖へ入る水には、湖面への直接降水、河川からの流入、地下水からの流入などがあります。湖から出る水には、流出河川、湖面からの蒸発、地下への漏出、取水などがあります。
一定期間に入る水の量が出る水の量より多ければ、湖に蓄えられる水が増えて水位は上がります。反対に、出る水の量が入る水の量より多ければ、湖の貯水量が減って水位は下がります。
米国地質調査所（USGS）は、湖水位の季節的・長期的な変動を、降水、河川流入、蒸発、流出などの水収支の変化として説明しています。つまり、水位は湖の水循環の結果を目に見える高さとして表したものです。
雨が続くと湖面へ直接水が加わる
雨が降ると、まず湖面そのものに水が直接加わります。湖面積が広い湖では、湖面への降水だけでも大きな水量になります。
たとえば湖面に100mmの雨が降れば、水が外へ出ないと仮定すると、その雨だけで水面を10cm押し上げる量の水が加わったことになります。実際には雨の最中にも流出や蒸発などがあるため、単純に10cm上がるとは限りませんが、直接降水が水位上昇の一因であることは分かります。
湖面への雨は、川を通る必要がないため水位へ比較的すぐ反映されます。一方、流域に降った雨は、湖へ届くまでに時間がかかります。
流域に降った雨は川を通って後から湖へ届く
湖は周囲の集水域から水を集めます。山や平野に降った雨の一部は地表を流れ、沢や支流、本流へ集まり、最終的に湖へ流れ込みます。
琵琶湖を対象にした陸水学雑誌の研究では、湖の水位は降水や河川流入、地下水流入、蒸発、河川流出などによって変化し、強雨時には流域に降った雨が河川などを通じて時間差をもって湖へ流入することが示されています。また、積算降水量が多いほど、湖への河川流入の寄与が大きくなる傾向が確認されています。
このため、大雨がやんだ後も湖水位が上がり続ける場合があります。上流から流れてくる水がまだ湖へ到達している途中だからです。
雨が続くと土が湿り、流出しやすくなる
同じ雨量でも、雨が降る前の地面の状態によって湖への流入量は変わります。
晴天が長く続いて土壌が乾いていると、最初の雨の一部は地中へしみ込みやすくなります。ところが雨が何日も続き、土壌がすでに多くの水を含んでいると、新たに降った雨が地中へ入りにくくなり、地表流や河川流量が増えやすくなります。
そのため、降り始めの100mmと、長雨の後半に降る100mmでは、湖へ流れ込む割合が同じとは限りません。雨が続くほど、流域全体が水をためきれなくなり、水が河川へ集中しやすくなる場合があります。
大雨のピークと湖水位のピークには時間差がある
湖面へ直接降る雨は比較的すぐ水位へ反映されますが、山地や遠い上流に降った雨は湖へ届くまでに時間がかかります。
雨水は斜面を下り、支流へ入り、本流を流れ、ようやく湖へ到達します。地中へしみ込んだ水の一部は地下水となり、さらに遅れて河川や湖へ供給されます。
そのため、大雨が終わった直後ではなく、数時間から数日後に湖水位が最も高くなることがあります。湖が大きく流域が広いほど、水が集まる時間差も大きくなりやすくなります。
琵琶湖の研究でも、降雨量が増えるほど水位が定常状態へ達するまでの時間が長くなる傾向が報告されています。
雨が少ない状態が続くと水位は下がりやすい
渇水は、単に一日や二日雨が降らない状態ではありません。平年より少ない降水が数週間、数か月と続くと、河川流量や地下水の供給量が徐々に減ります。
USGSは、降水不足が長期間続くと河川の流量が減少し、湖や貯水池の水位が低下すると説明しています。
雨が少なくても、湖からは蒸発が続きます。流出河川のある湖では下流へ水も流れます。そのため、入る水が減った状態で出る水が続けば、湖の貯水量は少しずつ減り、水位が低下します。
渇水では川の流入が減るまでに時間がかかることもある
雨が止まったからといって、川の流れがすぐなくなるわけではありません。
地中に蓄えられた水は地下水としてゆっくり河川へ出て、晴天時の流量を支えます。このため、短い少雨では湖への河川流入が急には減らない場合があります。
しかし少雨が長期化すると、土壌水分や地下水の貯留も減り、河川への基底流が小さくなります。その結果、湖への流入量もさらに減ります。
つまり渇水の影響には時間差があります。降水不足がまず土壌や地下水へ表れ、その後に河川流量や湖水位の低下として現れる場合があります。
暑く乾燥した時期は蒸発も水位低下を進める
湖面からの蒸発量は季節や気象条件によって変わります。一般に気温や水温が高く、空気が乾燥し、風があると蒸発は大きくなりやすくなります。
USGSの五大湖に関する報告では、湖水位の季節変化や長期変化は、降水と流入だけでなく蒸発にも強く左右されるとされています。
渇水が暑い季節と重なると、雨が少ないため入る水が減るだけでなく、蒸発によって失われる水が増えることがあります。この二つが同時に起こると、水位低下が進みやすくなります。
逆に気温が低く蒸発が少ない時期では、同じ降水不足でも水位低下が比較的緩やかな場合があります。
湖の出口があるかどうかでも水位の動きは違う
流出河川を持つ湖では、水位が上がると出口から流れる水量も増えやすくなります。大雨で大量の水が入っても、その一部が下流へ流れることで水位上昇が抑えられます。
反対に表面の流出河川を持たない閉鎖湖では、増えた水を川から外へ逃がせません。そのため降水が多い時期には水位が上がりやすく、少雨と蒸発が続くと水位が下がりやすい場合があります。
ただし閉鎖湖でも、湖底や湖岸から地下へ水が漏れていることがあります。表面の出口がないからといって、水の出口がまったくないとは限りません。
地下水が水位変化を弱める湖もある
地下水とのつながりが強い湖では、地下水が水位変化を緩和する場合があります。
雨が少ない時期でも、周囲の地下水位が高ければ地下水が湖へ入り続け、水位低下を抑えることがあります。逆に湖水が地中へ漏れやすい地質では、水位が高くなったときに地下流出が増え、水位上昇を抑えることがあります。
そのため、同じ降水量の変化を受けても、地下水と強くつながる湖と、地表水中心の湖では水位変動幅が異なります。
湖面積が大きいほど同じ水量変化でも水位は動きにくい
湖へ同じ量の水が増減しても、水位の変化は湖面積によって変わります。
広い湖では、追加された水が大きな面積へ広がるため、水位の上昇幅は比較的小さくなります。逆に湖面積が小さい湖では、同じ水量増加でも水位が大きく上がりやすくなります。
滋賀県によると、琵琶湖では水位1cmの変化が約680万立方メートルの水量に相当します。非常に広い湖面を持つため、大量の水が出入りしても水位変化は数cm単位になることがあります。
一方、大雨時には短期間で大きく水位が上がることもあり、滋賀県は2013年9月の台風18号による大雨で、琵琶湖水位が24時間で約90cm上昇した例を紹介しています。
集水域の広さも水位変動を左右する
湖の水位変動を考えるときは、湖面積だけでなく集水域の広さも重要です。
湖面積に対して集水域が広い湖では、周辺の広い土地に降った雨が河川として集まり、大きな流入量になることがあります。そのため、強い雨が流域全体に降ると水位が大きく上がる可能性があります。
反対に集水域が小さい湖では、周囲から集まる河川水が相対的に少なく、湖面への直接降水や地下水の影響が大きくなる場合があります。
つまり「どれだけ雨が降ったか」だけでなく、「その雨をどれだけ広い土地から湖が集めるか」が水位変化を左右します。
人が水位を調節している湖では自然の変化がそのまま表れない
自然湖でも、治水や利水のため出口に堰や水門が設けられていることがあります。
琵琶湖では瀬田川洗堰によって流出量が調節されています。滋賀県は、大雨の後など速やかに水位を下げる必要があるときには洗堰を全開にすることがあると説明しています。
一方、渇水で水位が低下しているときには、下流で必要な水量を確保しつつ、湖水位の低下を抑えるための放流管理が重要になります。
このような湖では、雨や渇水による自然な水収支に加えて、人為的な放流操作も水位の変化を左右します。
短時間の水位変化と本当の貯水量変化は別の場合がある
湖面の高さは、風や気圧によって短時間だけ変わることもあります。
強風が吹くと湖水が風下側へ押し寄せ、一方の岸では水位が上がり、反対側では下がることがあります。また、湖では静振と呼ばれる大きな揺れが起こる場合もあります。
こうした変化は、湖全体の水量が増減したわけではありません。雨や渇水による本当の貯水量変化を評価するときは、複数地点の水位や一定時間の平均値を使って、風による一時的な変動と区別します。
琵琶湖の水位研究でも、短周期の波や静振と、降水・流入による長い時間スケールの水位変化を分けて解析しています。
雨が続く場合と渇水の場合を整理すると
- 雨が続くとき：湖面への直接降水と河川・地下水からの流入が増え、入る水が出る水を上回ると水位が上がる
- 強雨の後：流域からの水が遅れて届くため、雨がやんだ後も水位上昇が続くことがある
- 渇水時：降水と河川流入が減る一方、蒸発や流出が続くため水位が下がる
- 暑い渇水：蒸発量が増え、水位低下がさらに進みやすい
- 流出河川のある湖：水位上昇時に流出量が増え、水位変動を抑えることがある
- 地下水とつながる湖：地下水流入・漏出によって水位変動が緩和される場合がある
- 管理された湖：堰や水門の操作によって自然の変化に加えて人為的な水位調節が行われる
まとめ
雨が続いたり渇水になったりすると湖の水位が変わるのは、湖へ入る水と出る水のバランスが季節や天候によって変化するからです。
雨が続けば、湖面への直接降水だけでなく、流域に降った水が河川や地下水を通じて湖へ集まり、水位が上がります。渇水では反対に、降水と流入が減り、蒸発や流出が上回ることで水位が下がります。
ただし、水位変動の大きさと速さは湖ごとに違います。湖面積、集水域、出口、地下水、蒸発、人為的な放流管理などが、それぞれ水位変化を強めたり弱めたりするためです。
湖の水位は単なる「水面の高さ」ではありません。その湖と流域で起きている雨、河川、地下水、蒸発、流出のすべてをまとめて反映する、水循環の指標なのです。
参考資料
- 滋賀県「琵琶湖の水位情報」
- 陸水学雑誌「大型湖の水位変動からもとめた強雨時における河川流入量の評価」掲載号
- U.S. Geological Survey「Lake-Level Variability and Water Availability in the Great Lakes」
- U.S. Geological Survey「South Atlantic Water Science Center Drought Monitoring」
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