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nh午(α― め
)Fig 5 12 Calculated pOtential head profile of saturated floMr in a c10sed system Hatched area
indicates the negative pressure zone
に比べて大 きな流量流速 を もっていることを示 している。
この部分 での流速が大 きい ことは
,層
内圧力の低下 も,他の部分 に比べて大 きい ことを意味 している。
したが って,この ような飽和浸透流の解析結果か ら,
上 。下層 の境界 に沿 った全域 で空気 の放 出 と浸透層の不 飽和化現象 を生ず ることを予想す る ことがで きる。また,
とくに
,境
界面の排水路 に近接 した部分 で不飽和化が著 しく進行 す ることが予期 され る。前節の2次元2層成層 の閉鎖浸透実験の結果 は, この ような推論が妥 当である ことを示 している。5,4 まとめ
排水路面が開放状態お よび閉鎖状態の場合 について2 次元の2成層浸透実験 を行 い
,流
れの特徴 について比較 検討 を行 った。排水路面が開放状態の とき
,上
層 と下層の透水係数の 比が小 さければ,浸
透層 はほ とん ど飽和 の状態が維持 さ れ,浸
透流量の経時変化 も小 さい。 しか し,そ
の比 が大 きければ,浸
透層内は大気の侵入 によって一瞬の うちに 不飽和化す る。 また,浸
透流量 も小 さ くなる。排水路面が閉鎖状態の とき
,上
層 と下層の透水係数の 比が大 き くて も,浸
透層内の不飽和化 は緩慢 であ る。 そ れは,不
飽和化が浸透水 中の溶解空気 の気泡 としての放 出によるためである。定負圧帯 の圧力値 を比較 す る と
,開
放状態で は,不
飽 和化の進行 に伴 う圧力値 の変化が小 さいのに反 し,閉
鎖 状態では,そ
の圧力値 は次第 に上昇する。つ ぎに
, 2次
元の2成層土壊 における飽和浸透流解析 を行 った。計算結果 によると,排
水路面が開放状態の場 合,透
水係数の比が大 きいほ ど負圧領域 が大 きか った。また
,排
水路面が閉鎖状態の場合, 2層境界面 を中心 にして負圧領域 が上・ 下 に分布 し
,排
水路面 に近 いほ ど負 圧値 が大 きか った。上記不鶯和浸透実験結果の特徴 をこ れ ら計算結果か ら推定 することが可能であることを示 し た。第6章 総 括
成層土壌 における不飽和浸透流の機構の解明 と定量解 析 を試みた。
一般 に
,成
層土壊層 において,上
層の透水性が下層の 透水性 に比べて小 さい場合 には,負
圧発生型の浸透流 を 生 じ,時間の経過 とともに浸透層の不飽和化が進行 す る。この ような
,成
層不飽和浸透現象は,①
浸透層 内の不 飽和領域 と大気が毛管 メニ スカスを介 して圧力的に連絡 している開放浸透の場合 と,②
層 内の不飽和領域 が大気 としゃ断 されている閉鎖浸透 の場合 とに大別 され る。この開放浸透現象 な らびに閉鎖浸透現象では
,そ
れ ぞ れ浸透層の不飽和化の機構 な らびに過程 は,全
く異 なっ ている。すなわち,開
放浸透現象 は,層
内の圧力が層の att entry valueよ りも低下 し,そ
の結果,大
気が層内に 侵入す ることによって生ず る。 したが って,流
れ は比較 的短 い時間の非定常過程 を経 て,不飽和定常流 に落着 く。これに対 して
,閉
鎖浸透 では,層
内の圧力低下 に伴 い,浸透水の空気溶解能の変化 に基 づ く浸透水か らの気泡の 放 出によって
,浸
透層内の不飽和化が進行 する。 したが って,不
飽和化の進行過程 す なわ ち非定常過程 は,開
放 浸透の場合 に比べて長時間継続 す る。このように
,開
放浸透 と閉鎖浸透 とでは,い
ずれ も成 層不飽和浸透流ではあるけれ ども,そ
の現象過程 な らび に現象発現の機構 が異 なるので,そ
の定量解析法 は全 く 異なった もの となる。本論文では, まず最初 に
,負
圧発生型の成層開放浸透 の定常流 について,既
往の研究の論評 を行 い,そ
れ らの 理論の適用限界 に関す る筆者の見解 を実験 な らびに解析 結果 に基づいて述べた。成層開放浸透 において,Takagiは下層の定負圧帯 を前 提 として理論の展開 を行 ってお り,こ れ に対 し,S nJta
￠ナα友 は下層の定負圧帯 の存在 を認 めず
,上
層飽和部 か ら不飽和部への移行 と下層不飽和部か ら飽和部への移行 帯 に対 する式 を連立で解 くこ とを提案 している。 これ ら 両論 は,一
見矛盾 してい るよ うに見 えるが,筆
者の実験 な らびに解析か ら Srinilta″ αとの理論の解 の発散領域 が,Takagiの理論の成立領域 であることが明 らかになっ た。 したが って,Takaglな
らびにSrinilta tt αどの両理 論 を統一的に取扱 うことによって,い
かなるたん水深,ド 謂
﹂ｏｗｅｒ Ｆ
、 Ff2=1 136Cm/sec
100(cm)
地下水位の場 合 について も成層開放の不飽和浸透定常流 の解析が可能 となることを示 した。
また
,成
層開放浸透の定常流 に対す る影響 は,上
層の 厚 さが薄 い場合,お
よびたん水深が小 さい場合 に大 きいことが明 らかになった。
つ ぎに
,成
層開放浸透の非定常流 として,次
の2つの過程 について検 討 を行 った。
その 1つ は
,浸
潤現象 とそれに引続 いて生ず る成層不 飽和開放浸透 に至 る過程 についてであ り,この過程 は土 壌水分一張力の関係 か らは吸水過程 に相 当す る。他の 1つ は
,成
層飽和正圧浸透か ら成層不飽和浸透 に 移行す る過程 であ り,この過程 は土壌水分一張力の関係 か ら脱水過程 に相 当す る。解析な らびに実験の結果
,開
放成層不飽和浸透の定常 流の圧力分布 は,吸
水過程,脱
水過程のいずれの過程 を 経 るか によって特徴的に異 なることが明 らかになった。浸透層内の不飽和領域が大気 と速断 されてい る閉鎖浸 透で は
,層
内の圧力低下 に伴 い,浸
透水の空気溶解能 に 基づ く浸透水か らの気泡放出によって,浸
透層内の不飽 和化が進行 する。そこで,まず閉鎖浸透の現象 を的確 に把握 し
,流
れ を 規定す る要素 と,それの流れへの影響 を知 るために,種々 の条件下で実験 を行 った。 その結果,次
の ことが明 らか になった。(1)上層の透水係数が比較的大 きい (下層の透水係 数 よ りは小 さい
)か ,あ
るいは下層の厚 さが小 さ い場合,上
層 において正圧側 に傾 いた圧力分布 を 生ず る可 能性がある。鬱)不飽和帯が十分 に発達 した段階で
,地
下水位の 上昇あるいは下降がある と,層
内の空気の圧縮,膨張 によってそれぞれ透水性が悪 くなった り
,良
くなった りす る。
俗)2層の境界面か ら下方 に向 って発達す る定負圧 帯 内の圧力 は
,定
負圧帯 の生長 にかかわ らず一定と見 なせ る。
また
,等
温,溶
解空気の放 出過程 における成層閉鎖浸 透の不飽和流れを定量的 に表わす方法 を考 えた。流れ は,空気の放 出 と飽和度の変化 を伴 うので非定常であ る。現 象 を定量的に表現 するための理論式 は,Fig 4。12の 循環 図 に基づいて
,溶
解空気の気泡 としての放 出を支配 す る か く乱係数 を導入 して組立てた。 ‐理論 に基づ く計算の結果 は
,実
験で得 られた圧力分布 の時間変化な らびに浸透量 と大略一致 することが認 め ら れた。さらに
,上
層の厚 さが下層のそれ に'ヒ
ベ て
'ヒ
較 的小 さ い場合
,上
層の透水係数 は常 に均― な分布 をしてい るも の と考 え,近
似 的な解析 を試 みた。実験値 と計算値 との 一致か ら, この ような場合,近
似的 な取扱 いが可能 であ ることが示 された。2次元の成層浸透層の排水路面が開放状 態の場合お よ び閉鎖状態の場合のそれぞれについて実験 を行 い
,不
飽 和化の過程 の相違 について検討 を試みた結果,次
の ことが明 らかになった。
(1)開
放状態の場合 には,下
層の透水性 と上層の透 水1■との比が小 さけれ ば,浸
透層 内への大気の侵入 とそれに伴 う層の不飽和化 はほ とんど生 じない。
これに対 し
,下
層 と上層の透水性 のナヒが大 きい場 合,層
内は大気の侵入 によって一瞬 の うちに不飽 不口化する。鬱
)閉
鎖状態の場合 は,浸
透層 内の不飽和化 は,溶
解空気の放出によって生ず る。 そのため
,下
層 と上層の透水性 の比 が大 きくて も
,不
飽和化 は緩慢に進行す る。 また
,定
負圧帯 の圧 力 もゆ るやかに 上昇 を続 ける。また
,上
記の2次元成層浸透層 において,飽
和浸透流としての解析 を行 った。 それ によれば
,飽
和浸透流解析 の結果 は,そ
れに引続 いて生ず る不飽和浸透流 の特徴 を 推定す るのに有効であることが認 め られた。謝 辞
本研究 を行 うにあた り
,終
始懇切 な指導 と校 閲 を賜わ った元九州大学教授 田辺邦 美博 士 (現九 州大学名誉 教 授),九州大学教授田中宏平博士,同助教授黒 田正治博士 に深 く感謝 の意 を表す る。 また,有
益 な助 言 を賜わ つた 九州大学助手田中明博士,同
中野芳輔氏 に心か ら感謝す る。 さらに,絶
えず暖い激励 を賜わ った九州大学教授藤 川武信博士 は じめ同農業工学科の諸先生方 な らびに同学 科の各研究室の諸氏 に心か ら感謝 す る。 また,本
論文の 出版 に際 し特別の配慮 を賜わ つた鳥取大学教授河野洋博 士 に心か ら感謝する。なお
,本
研究の計算 は九州大学大型計算機 セ ンターお よび九州大学 中央計数施設で行 つた。付記 して感謝 の意 を表す る。文 献
1)Day,P R and Luthin,」 N :Pressure dittribution in layered soils during cOntinuous MIater fiO都 ア
SοゲチSθ∴Sοひ 五%珍仏P/ο♂