湖沼学の基礎

以下は、湖沼学や湖沼管理の全体像を理解する上で知っておくべき、いくつかの要素情報の概説です。 より詳細な情報については、一般的な湖沼学と湖沼関連のトピックに関する多数の出版物を扱っているNALMSブックストアをご覧ください。

流域タイプ

数千年前に地球の表面または地下で起こった出来事が、我々の湖の多くを形成しています。 その結果、湖は通常、多数の水域を持つ地域に集中している。 そのため、湖は水域の多い地域に集中している。 人間の一生に換算すると、湖は永久に存在するように見えるが、実は地質学的には一時的なものに過ぎない。

湖沼盆地の起源とその特性は、最終的には、その周辺地域で起こっている物理的、化学的、生物学的事象を反映している。 これらの事象は、湖が周囲の活動にどのように反応するかに重要な役割を果たす。

氷河湖。 湖の形成における最も重要な要因は、1万年から1万2千年前に起こった氷河の移動による壊滅的な影響である。 雪は降るが溶けないという気候の中で、巨大な氷と雪のシートが作られたのである。 この氷河は、大西洋からロッキー山脈までの地域を、1マイル以上の高さの氷で覆っていた。 この氷河はやがて溶けましたが、現在では地球の10％が氷河に覆われています。

氷河が大地を行ったり来たりして、丘や断崖の頂上を削り、岩を持っていくと、湖が形成される。 氷河に拾われた物質は、後に他の場所で落とされる。 このような氷河の往復運動は、地形を永久に変化させる。 この動きによって、いくつかの重要な地形が形成される。 氷河が停止すると、モレーンと呼ばれる、氷河が運んできた岩や物質の山が残る。 これらは、川や小川をせき止めて、湖を形成します。 また、巨大な氷の塊が割れて、砂や砂利に覆われることもあります。 氷が溶けると、砂や砂利が陥没し、大きな穴が開きます。 これらの釜は、大きな湿地や湖を形成することがあります。 氷の大きな塊が溶けると、氷河の下に川ができます。

Solution Lakes: 水溶性岩石の地下堆積物が、その地域を流れる水によって溶かされ、地面に窪みを作ったときに、湖ができることがある。 塩化ナトリウム（塩）や炭酸カルシウム（石灰石）からなる岩石層は、酸性水によって最もよく溶かされます。 地下水が地表の岩石を溶かすと、土地の上部が陥没し、通常、溶液湖と呼ばれる丸い形の湖が形成されます。 一般的に、この窪みは地下水位よりも下に広がるほど深く、永久に水で満たされています。 溶液湖はミシガン、インディアナ、ケンタッキー、そして特にフロリダでよく見られます。

Oxbow Lakes（オックスボーレイク）。 河川からの水の流れは、大きなエネルギーと侵食力を持っており、湖の盆地を作ることがある。 川が地表を流れるとき、水の流れが最も速い外側の川の湾曲部でより多くの浸食が起こる。 河川によって運ばれた物質は、流れの弱い湾曲部の内側に堆積する。 そして、時間が経つにつれて浸食が進み、堆積物が増えていき、U字型に蛇行した川が閉じていく。 本流は、蛇行の内側に新しい流路を切り開く。 オックスボー湖は通常、Cの字の形をしている

Man-made or Animal-made Lakes: 北米の多くの小湖は、アメリカビーバーの活動によって形成されたものである。 棒、水生植物、泥などを使って小川にダムを作り、水をせき止める。 これらの池は通常、非常に浅く、栄養分や植物が豊富である。 人間は、公衆への飲料水の供給、電力の供給、航海の支援、洪水調節、およびレクリエーション目的のために人工湖（貯水池）を建設してきた。 これらの貯水池は通常、ダムを使って一定量の水をせき止めるために、人間によってうまく設計されています

Volcanic Lakes: 火山活動に伴う悲惨な出来事が、湖の流域を形成することがある。 火山湖の形成は、さまざまな方法で起こることがある。 マグマを含む火山性物質が火山から排出されると、火山内に空の窪みまたは空洞が形成されます。 この窪地の中には、排水ができず、火山の上に密閉された穴ができるものもあります。

火山の火口にできる湖（火口湖）は、火山活動が活発な地域で多く見られます。 また、マグマ溜まりの屋根が陥没してできた湖はカルデラと呼ばれます。 オレゴン州のクレーター湖は、このカルデラ湖の代表的な湖です。 クレーター湖は、世界で7番目に深い湖で、最大水深は608m（2006フィート）です。 クレーター湖のような火山盆地は、通常、非常に丸い形をしています。 火山活動から流れ出た溶岩が湖を形成することもあります。 表面の溶岩は冷えて固まり、溶岩流の内部は動き続けるのに十分な熱を持ったままです。 やがて、固まった溶岩の表面が崩れて、窪みができます。 この窪みはやがて水で満たされ、小さな湖になります。 また、溶岩流は既存の川の谷に流れ込み、固まってダムになります。 この固まった岩の塊が川の水をバックアップして新しい湖になる。

Landslide lakes: 急峻な谷の側面から渓谷の底に落ちる大量の物質が、新しい湖を作るダムを引き起こすことがある。 このような地すべりは、通常、不安定な斜面に過剰な雨が作用するなどの異常気象の結果として発生する。 地すべりは、落石や土石流、あるいは氷河によって引き起こされることもあります。 地すべりによってできた湖は、川や小川の流れによって浸食されやすいため、通常は一時的なものにとどまります。 ダムが非常に大きい場合、湖は永久的なものになる可能性がある。 地殻変動盆地は、地下深くの地殻の動きによってできた窪地である。 地殻変動盆地の主な種類は、断層から形成される。 地殻の弱い部分が分離し、地震が発生すると窪地が形成される。 このくぼみに雨水や地下水がたまり、湖になることがあります。 このような盆地はグラベンと呼ばれ、多くの動植物が生息する世界で最も壮大な遺跡湖の起源となっている。 世界で最も深い湖であるシベリアのバイカル湖は、地殻変動によって形成されたものである。 アメリカでは、カリフォルニア州とネバダ州にあるタホ湖が地殻変動によって形成されました。

湖の形成と湖盆の構造と形態は、湖がそのライフステージを通してどのように機能するかに影響します。 湖の長さ、幅、深さ、面積、および体積などの特性はすべて、湖の水質が土地の変化によってどのように影響されるかに重要である。 人間が湖の周囲の土地を開発すると、土壌が乱され、樹木が車道や屋根に変わり、自然の植生に取って代わられます。 このような変化によって、表面流出水の流量が増加し、湖に流入する栄養塩の量が増加します。 湖の構造は、湖が周囲の土地のこれらの文化的変化にどのように反応するかを決定づけます。 湖の形態と湖がどのように形成されたかを知ることは、湖の健康を悪化させる汚染物質から湖を保護するために科学者が使用する重要なツールです。

混合と成層

湖の熱構造は、生産性と栄養循環を決定するのに役立っています。 湖の温度構造はいくつかの要因によって決定される。 湖は、その熱の大部分を太陽熱から地表に受けている。 暖かい水は浮くので、水柱はその熱を深く混ぜるためのエネルギー入力が必要であり、ほとんどの湖では風がそのエネルギーを提供する。

風から完全に保護されている湖は、非常に暖かいが表面は浅く、下は冷たい水になる。 強風にさらされた湖は、冷たい水の上に、より冷たいが厚い上層がある。 深い湖では、夏の間、上部の暖かい層（エピリムニオン）、中間の移行層（メタリムニオン、この中で温度の垂直変化が最も大きい点をサーモクラインと呼ぶ）、より冷たい底層（ハイポリムニオン）の3層構造になっている場合がある。 春先の氷点下から、湖の水は上から下まですべて同じ温度に近い。密度の差はわずかで、水は春風によって容易に混合される。 日中の気温が高くなると、表層水と底層水の温度差が大きくなり、湖の深さが十分であれば成層が発生する。 やがて、涼しい季節になると太陽熱が減少し、上層は冷えて沈み始める。 やがて秋になると、湖の上部と下部が同じような温度になる。 冬になると、表面に氷ができ、新たな逆成層（冷たい水の上に冷たい水）ができ、春まで持続する。 成層の程度は、栄養塩の循環、深層水の酸素の変動、湖を通過する流入水の移動、湖に生息する水生生物の種類にとって重要である。

フラッシング

湖水の量（湖水量÷流出量）を完全に更新するのに要する平均時間を水理学的滞在時間またはフラッシングレートと呼ぶ。 水理学的滞留時間は、湖の体積（すなわち水収支）に対する湖に流入または流出する水の体積の関数である。 湖の体積が大きく、水力的な入力または出力が小さいほど、滞留時間は長くなる。

湖の滞留時間は、数時間または数日から数年まで変化することがある。 例えばスペリオル湖は、184年の滞留時間を持つ。

湖のフラッシング速度は、大気およびその流域からの多くの入力にどのように反応するかを決定する。

栄養分類

湖の栄養分類、または湖の老化度のランキングは、しばしば、特定の湖の特性（酸素含有量、藻類バイオマス、植物体、透明度など）にポイントを割り当てる何らかの確立した評価システムを使って分類する。 このポイントシステムによって、湖沼学者がシステムの各カテゴリーに一定の値を割り当てることができるのです。

湖が非常に高いレベルの溶存酸素、高い透明度の測定値を持ち、維管束植物の成長がまばらで、プランクトンの成長が比較的低い場合、その湖は貧栄養、または「若い」湖として分類されるでしょう。

溶存酸素レベルが低く、透明度が浅く、維管束水生植物が豊富でクロロフィルa（プランクトン個体数が多いことを示す）が高レベルの湖は、より多くのポイントを受け取り、「高齢」または富栄養と呼ばれる。 湖沼の発達のこの段階は、「中年」と呼ぶのが最もふさわしい。

栄養素

湖沼は人間の文化的発達による多くの影響を受けるかもしれないが、湖沼水質におけるいくつかの重大問題を引き起こすのは、湖に流れ込む栄養分である。 また、光も必要です。 光が容易に得られると仮定すると、植物はその細胞が必要とする割合で栄養素を取り込む。 植物の必要量に対して最も不足している栄養素が、植物の成長を制限することになる。 これを限界栄養素の概念という。 国内には窒素で制限される水域がある一方、ほとんどの水域はリンによって制限されています。 微量元素が制限されることもあるが、程度は低い。

栄養収支（負荷分析）の作成は、湖沼の富栄養化の原因に対する洞察を提供するものである。 栄養塩収支は、自然の地表流出、非点源汚染、漏水浄化システム、大気沈着、地下水、野生生物などの供給源によって供給される栄養塩の量を決定することに依存する。 また、栄養塩収支は、流出および堆積物への沈着によって湖沼系に失われる栄養塩の量も決定する。 栄養塩の負荷を定量化するには、水収支を評価し、各水源における栄養塩の濃度を決定することが必要である。 したがって、支流から供給される栄養塩の量は、濃度に単位時間当たりの水量（流量）を掛けたものである。 これは、定量化される栄養素と水源の「負荷」と呼ばれる。

栄養収支は、一般に、直接測定するか、過去の研究で決定されたさまざまな経験的関係から推定する、2つの主要な方法で決定される。 ほとんどの人が目にすることはないが、バクテリアは湖の生活において極めて重要な役割を果たしている。 湖で最も豊富な生物群であり、そのほとんどが有機物を無機物に変換するのに重要である。

バクテリアは水柱に自由に浮遊し、基質または堆積物に付着していることがある。 多くは好気性で、有機物を無機物に変換し、エネルギーを得るために酸素を必要とする。 他の多くは嫌気性で、エネルギーを得るために他の化学経路を使用します。

一部の細菌は人間の健康問題を引き起こしたり、人間の健康に対する脅威の存在を示す有用な指標であることが証明されています。 大腸菌（E. coli）は通常、私たちの腸内で見つかる無害な細菌ですが、湖でのその豊富さは、下水、浄化槽の入力またはその他の糞便汚染物質と、人間の細菌やウイルス性疾患の移転の可能性を示しています。 藻類は、主に微細な植物で、自由に浮遊しているもの（植物プランクトン）と基質に付着しているもの（ペリフィトン）があります。 単細胞の場合もあれば、多数の細胞を持つ場合もある。 適度な水量の湖では、大さじ1杯の湖水に100種近くの藻類が存在することもあります。 富栄養化した湖では、1ガロンの水に数百万個の細胞が存在することもあります。 藻類は、緑藻類（Chlorophyta）、金褐藻類（Chrysophyta）、渦鞭毛藻類（Pyrrophyta）、珪藻類（Bacillariophyta）、青緑藻（Cyanophyta）などのいくつかの大きなグループに分けられます。

上記のグループのそれぞれに、非常に豊富で厄介になることを許すような特徴を持つ種があります。 どの種が「咲いて」いるかを知ることで、咲いた原因を理解できることもあります。 例えば、ある種のアオコは、溶存空気から窒素を固定できるため、リンが豊富で硝酸塩が少ないときによく開花します。 また、アオコは水に浮くため、競合する生物種の影となるため、水温が低い時期を好むことが多い。 これらの条件が重なると、通常アオコが発生しますが、ある要素が欠けていると、他の種や他の藻類群にバランスが移ることがあります。 珪藻類は、混合の多い時期、気温の低い時期、シリカの利用しやすい時期（春と秋の入れ替わりの時期に見られる条件）を好む傾向がある。

湖における熱、光、栄養のレジームの動態は、藻類種の季節的な継承にかなり予測可能なパターンを引き起こすが、いつでも驚くことがあり得る。 しかし、いくつかの種は飲料水の貯水池で味や臭いの問題を引き起こし、フィルターを詰まらせることがありますが、通常、春と秋のターンオーバーは、非常に豊富になることがありますが、通常は人間の利用に深刻な影響を与えることはありません珪藻が有利です。 温度成層後、窒素が利用できる夏の大半は緑藻類が優勢になることが多いが、温度が高く、窒素濃度が低く、pHが高い場合はアオコが取って代わることがある

Aquatic Macrophytes: 通常微細な植物である藻類とは対照的に、肉眼でも容易に確認できる大型の水生植物である。 藻類とマクロフィットはしばしば光を奪い合うので、特定の湖で両方が問題となることは珍しいが、実際に起こることである。 マクロフィットは根を張ることもあれば、自由に浮遊することもありますが、ほとんどは根を張った状態です。 また、沈水性、抽水性、浮葉性である。 多くの分類群がありますが、上記の分類は、マクロフィットの問題の原因を理解し、適切な管理戦略を決定するために最も有用であることが多いのです。 実際、それぞれの分類の中で、多くの種は、その生育習性が一般的な湖水条件に対応しているため、非常によく似ている場合があります。 しかし、多くのマクロファテイの種は似ているように見えても、湖で問題を起こす性質は様々である。

植物は、小さな藻類をろ過する微小なワムシから、大きな藻類を狩る動物プランクトン、昆虫、さらに大きな植物や動物を食べる魚や水生ほ乳類まで、多くの形態の動物の生息場所と餌を提供している。

流域

流域は漏斗と表現するのが最も適切でしょう。 漏斗の上端は、流域の境界を示す地理的な特徴（丘、山）である。 漏斗の内側、つまり漏斗の壁は、丘や山の境界内にある、湖に流出するすべての土地を表している。

流域には、家、車、職場、ゴルフ場、ショッピングモール、舗装された場所、浄化システム、洗車場、球場、砂場、その他さまざまな土地利用タイプがあります。 地表水からどれだけ離れていても、湖や川が見えていても見えていなくても、あなたは流域にいるのです

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