水頭（水文学・流体力学）

水頭の構成要素

全水頭は、伝統的に次の3つの部分に分解される。

• 位置水頭（z）：選定した基準面に対する、その点の鉛直位置。
• 圧力水頭（p/γ）：局所的な静圧を生じさせる流体柱の高さ。圧力を単位体積重量で割った値である。
• 速度水頭（v²/2g）：流体運動のエネルギーに相当する量。緩やかな地下水流ではしばしば無視できるが、開水路流れや管路流れでは重要である。

測定と実用上の利用

水文地質学では、水頭はピエゾメーターまたは井戸で測定される。管または井戸内の水位の、選んだ基準面からの標高がピエゾ水頭を与える。井戸の場合、水頭は測定点の標高から測定した地下水位までの深さを差し引き、井戸構造に必要な補正を加えた値に等しい。技術者は水頭図（ポテンショメトリック面）を用いて流れの方向を求める。水は高水頭側から低水頭側へ移動し、ダルシーの法則に従って流れを駆動する動水勾配も算出できる。

理論的背景と保存

水頭は、ベルヌーイの式および流体流動のエネルギー収支による記述の中心的な概念である。理想的な非粘性流れでは、全水頭は流線に沿って保存される。一方、実在の流れでは摩擦と乱流により水頭損失が生じる。多孔質媒体では、2点間の水頭差を距離で割ったものが動水勾配であり、媒体の透水性とともに体積流束を決定する。

用途と注目すべき点

水頭は、地下水資源の評価、汚染物質輸送の研究、揚水計画の設計、ダム下部の浸透流解析などの基礎となる。同じ水頭を結ぶ等ポテンシャル線は、流れの流線に直交するという点は有用な概念である。水頭の値は基準面に対する相対値であるため、絶対値そのものよりも差と勾配が重要である。より技術的な背景については、追加資料を参照。