博士（農学）北原 学位論文題名
曜
森林土層中の水移動におけるパイプ孔隙の特性に関する研究
学位論文内容の要旨
森林土層中の水移動は，流出現象のみならず崩壊現象や地形発達，森林植生，水質形成などに 極めて重大な影響を及ぼしている。また，これらの現象を通じて，森林土層中の水移動は，質と 量両面が要求される水資源の問題や洪水・土石災害など社会的経済的に人間生活に密接に関わっ ている。しかし，森林土層中の水移動は複雑であるため依然として不明な点が多く，水資源確保 や災害防止技術の改善を図る上で大きな障害となっている。特に，洪水ピークの大部分を占める と推定される森林土層中の速い流れとしてパイプ流の存在が注目されているが，その実態および 諸特性はまったく未解決なままである。
本研究は，森林土層中の水移動を解析する上で大きな比重を占めると考えられるパイプ流につ い て ，実 態観 測お よ び水 理実験をもとに，その特 性を明らかにすることを目的 とした。
I．森林土層中の水移動形態の分類からパイプ流の位置付けを行ない，森林土層中の水の運動則 に 均質土層中の水の流れを仮 定したDarcy則だけを用いた従来の手法の問題点を明らかにし た。次に，これまでの森林水文研究の発展の中でパイプ流の研究経過を述べ，パイプ流の特性に 関する研究が非常に立ち遅れていることを指摘した。パイプ流の研究対象地としては，地質，地 形などが極端に異なるニヵ所を選定した。すなわち，第四紀未固結堆積層とローム質土層の焼山 川流域と火成岩を母材とする札幌定山渓の小樽内川流域試験地で，焼山川流域は10度前後の緩傾 斜地，小樽内川流域は37度の急峻な地形である。
II.融雪期の地下水位上昇時を選んで，斜面に多数のトレンチを掘削し，パイプの型，分布，直 径，流量などを観察しその諸特性を測定した。焼山川流域では各トレンチに多数のパイプを見出 し，パイプにはその内部に黒色団粒や腐植が認められたA型と全く認められないB型の二型に分 類 した。A型とB型とは明確に 分布深が異なり，A型は地下100cm以深には分布せず，逆にB型 は 浅いところには少なく地下Im程度のC層に分布していること，直径は明らかにA型がB型よ
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り 大 きい こ と が 判 明し た 。成因 にっい ては ，A型 は植 物根系 の枯死 ，B型は地 下水の 化学的 侵食 など 非生 物的な ものと 推定さ れた 。また 分布に っいて はB型パイ プが小 集団 を持つ 集中分 布型を 示し ている ことが 明らか とな った。
流量 にっい ては 地下水 位と流 量は一 定の関 係が 認めら れ，各 パイプ とも 地下水位が上昇すれば 流量 も増大 するこ とが観 察さ れた。 また，B型 パイプ の流量の頻度分布は指数分布を示していた。
森 林 土層 断 面 か ら の全 流 量 に 占 める パ イ プ 流 の 流量 は72〜91％ で ，Darcy流 はわず か9〜28％ しか 占めな いこと ，すな わち ，両試 験地と もパイ プ流 が卓越 してい た。ま たパイプの流速は，両 試験 地とも0． 5〜3. lcm7secで，極 めて速 いこ とが判 明した 。
III.パ イプの 水理特 性を 明らか にする ため， 試験 地よりA型 パイプ を含ん だ非撹 乱土壌 サン プル を 多数採 取し ，透水 試験を 行なっ た後，パイプ内の土をかき出し粒径組成などを調べるとともに，
パ イプ部 分に 石膏を 流し込 み，形 状を測 定し た。そ して， パイプ 部分 の流量 とパイプの水理学的 形 状を測 定し た結果 ，パイ プ断面 の形状 は上 下に短 い楕円 形をし てい ること ，パイプ内の土は団 粒 構 造が 発達し ておりA層 の土色 に相当 してい るこ と，パ イプ内 の土の 占有 体積は10％以下 であ る こ と な ど が 明ら か に な っ た 。ま た ， パ イ プ孔 隙 の 水 理 特性 はDarcy―Weisbachの 式 が よ く 適 合 し た こ とか ら ， パ イ プ内 の 流 れ は 管路 の 流 れ と し て扱 え る こ と を明 らかに した。 また，
Manning式 か ら粗 度 係 数 を 求 めた 結 果 ， 焼 山川 流 域 でO．4前 後 ， 小 樽内 川流域 で4前後と 高い 粗 度 であ ること が判明 した。 以上の よう に，パ イプの 平均直 径，1本当 りの 流量， 本数密 度，断 面 か ら の 総 流 量 に 占 め る 割 合 ， 流 速 な ど か な り の 共 通 的 特 質 が 認 め ら れ た 。
IV.集 水トレ ンチの 観測 による パイプ 流出の 時系列 的変 化にっいて観測した。急峻ナょ斜面最下端 に設 置 し た 長 さ5mの コ ン クリ ート製 集水ト レンチ と， 本試験 地の谷 頭湧水 点およ び流 末に設 置 した量 水堰の 流量資 料を 解析し た。集 水トレ ンチ の土層 断面に は18本 のパイ プが認められ，大集 団を持 つ集中 分布型 であ った。 この観 測で，1次 谷の河 川流量のうち少ナょくとも側壁斜面からの 流出は 大部分 がパイ プ流 量であ ること が明ら かと なった 。これ は河川 の降雨 に対する極めて早い 応答や 水質形 成機構 を考 える上 で，パ イプ流 の水 文学的 な重要 性を示 すもの で，極めて注目すべ き結果 である 。また ，各 パイプ からの 流出ハ イド 口グラ フが近 似な波 形を示 すことから，側壁斜 面土層 内のパ イプの 流出 機構に は共通 の物理 性が あると 推測さ れた。
V.パ イ プ 流 のモ デ ル化と パイプ 流の森 林土 層発達 過程に 及ぼす 影響を 考察 した。 まず， これま
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での成果をもとにパイプ流の簡単なモデルを示し，次いでその検証を集水トレンチ資料を用いて 行な った 。モ デル に は種 々の仮定を入れ てあるが，観測値と比較的よ い一致を示した。
また森林土層の発達過程に及ばすパイプ流の影響としては，流出機構との関係でパイプ流の流 速が非常に大きいことから，河川流量ハイドログラフの敏感な降雨応答はパイプ流に起因してい ると考察した。次に，崩壊機構との関係ではパイプ内の粗度の不均等分布により，パイプの粗度 が高い部分で水圧が増すこと，あるいはパイプ内の流速が大きくなると，パイプ内の団粒土など が移動，ある部分に集中的に詰まることなどから，崩壊の際の弱点となると考察した。最後に地 形発達機構に及ぼすパイプ流の影響を考察し，1次谷流域の側壁斜面部分と谷頭部分の流出機構 が大きく違うことを述べ，各部分の侵食形態の違いが考えられた。
以上のように，本研究はパイプ流の実態観察と実験結果から諸特性を明らかにする一方，流域 単位のパイプ流の位置付けを行ったものである。この新たな方法と知見は，森林土層中の水移動 の法則性を解明し流出モデルの構築を行なう上で重要であり，水資源の確保や災害防止などの水 土保全技術の開発に極めて有効と考えられた。
学位論文審査の要旨
本論 文は5章と緒言，結語，引用文献からなり，図40，表7，写真6を含む総頁数106の和文 論文である。他に参考論文60編が添えられている。
森林土層中の水移動は，流出現象のみならず崩壊現象や地形発達，森林植生，水質形成などに 極めて重要な影響を及ぼす。また，水資源の確保や洪水・土砂災害など社会的経済的に人間生活 に密接に関わっている。しかし，森林土層中の水移動は複雑であるため，その実態と諸特性は大 部分未解明である。
本研究は，森林土層中の水移動を解析する上で重要な位置を占めると考えられるパイプ流につ いて，実態観測および水理的実験をもとに，その特性を明らかにすることを目的としたものであ る。内容は以下のように要約される。
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融 郎
治
一
滉 安
谷 原
田
新 藤
梅
授 授
授
教 教
教
査 査
査
主 副
副
第1章は研 究方法 に当 てられ ，森林 土層中 の水 移動形 態の分類からパイプ流の位置付けを行い，
森林 土 層 中 の 水 の運 動 則 にDarcy則 だけ を 用 い た 従来 手法 の問題 点を 明らか にして いる。 パイ プ流の 観測試 験地 として は，第 四紀丘 陵性山 地焼 山川流 域緩斜 面と第 三紀 火山性 山岳地小樽内川 流域急 斜面の ニヵ 所を選 定しい る。
第2章 では融 雪期 の地下 水位上 昇時を 選んで ，斜 面に多 数のト レンチ を掘 削して パイプ 流を観 測し， パイプ の型 ，分布 ，直径 ，流量 などの 諸特 性を明 らかに してい る。 各トレ ンチに認められ た多 数 の パ イ プ 孔隙 を ， パ イ プ内部 に黒色 団粒や 腐植 が認め られたA型 と全く 認めら れないB型 の 二 型 に 分 類 し て いる 。A型 とB型 と は 分 布 深が 異 な り ，A型 は 地 下Im以 深 に は 分 布せ ず ， 逆 にB型 は 浅 い と こ ろに は 少 な く 地下Im程 度 のC層 に 集 中 分布 し て い る こと ， 直 径 はA型 （10mm く）がB型 （3 mm冫 ）より 大きい ことを 指摘 してい る。成 因にっ いて は，A型は 植物根系の桔死，
B型 は地下 水の化 学的侵 食な ど非生 物的な ものと 推定し てい る。
森 林 土 層 断面 か ら の 全 流量 に 占 め る パ イプ 流 の 流 量 は72〜91％ （Darcy流9〜28％）と 卓越 して い る こ と ， また パ イ プ の 流速 はO． 5〜3. lcm/secで ，極 めて速 いこと を指摘 してい る。
第3章 で はパ イ プ の 水 理特 性 にっ いて述 べてい る。A型パ イプに っい て試験 地より 非撹乱 土壌 サンプ ルを多 数採 取し透 水試験 を行な った後 ，パ イプ内 の土を かき出 し粒 径組成 などを調べると ともに ，パイ プ部 分に石 膏を流 し込み 形状を 測定 してい る。そ の結果 ，パ イプ断 面の形状は上下 に短い 楕円形 をし ている こと， パイプ 内の土 （占 有体積10％以下 ）tま団粒 構造 が発達しておりA 層の土 色に相 当し ている ことな どを明 らかに して いる。
こ れ ら の パ イプ の 水 理 特 性 はDarcy―Weisbachの式 が よ く 適 合し た こ と か ら 管路 の 流 れ と して 扱 え る こ と ，ま た ，Manning式 か ら 求 め た 粗度 係 数は 第四紀 丘陵性 山地流 域でO．4前後 ， 第 三 紀 火 山 性 山 岳 地 流 域 で 4前 後 と ， 極 め て 大 き い こ と を 明 ら か に し た 。 第4章 では流 域流 出とパ イプ流 出にっ いて述 べて いる。 集水ト レンチ を急 峻な斜 面最下 端に，
また 量 水 堰 を1次 谷 の 谷 頭 湧 水点お よび 流末に それぞ れ設置 し， 流量資 料を解 析した 結果，1次 谷の河 川流量 のう ち側壁 斜面か らの流 出は大 部分 がパイ プ流量 である こと を明ら かしている。こ れは河 川の降 雨に 対する 極めて 早い応 答や水質形成機構を考える上で，パイプ流の水文学的ナょ重 要性を 示すも ので ，極め て注目 すべき 結果と 考え られる 。また ，各パ イプ からの 流出ハイド口グ ラフが 近似波 形を 示すこ とから ，側壁 斜面土 層内 のパイ プの流 出機構 には 共通の 物理性があると 推測し ている 。
第5章 はパイ プ流 のモデ ル化と パイプ 流の森 林土 層発達 過程に 及ぼす 影響 を考察 してい る。ま ず，こ れまで の成 果をも とにパ イプ流 モデル 式の 提示と その検 証を行 なっ た結果 ，観測値と比較
的よく 一致し たこと を述べ てい る。ま た，流 出機構 との 関係で は，パ イプ流 の流速が極めて速い ことか ら，河 川流量 の敏感 な降 雨応答 はパイ プ流に 起因 してい ると考 察して いる。次に，崩壊機 構との 関係で はパイ プ内の 粗度 の不均 等分布 が，崩 壊の 際の弱 点とな ると考 察している。さらに 地形発 達機構 に及ぼ す影響 とし ては，側壁斜面部分と谷頭部分の流出機構が大きく違うことから，
各部分 の侵食 形態の 違いを 指摘 してい る。
以上の ように ，本 研究は パイプ 流の実 態観測 と実 験結果 からパ イプの 諸特 性を明らかにする一 方，流 域流出 におけ るパイ プ流 の位置 付けを 明らか にし たもの である 。この 新たな知見は，森林 土層中 の水移 動の法 則性を 解明 し流出 モデル の構築 を行 なう上 で学術 的に高 く評価されるととも に ， 水 資 源 の 確 保 や 災 害 防 止 な ど の 水 土 保 全 技 術 の 開 発 に 極 め て 有 効 と 考 え ら れ る 。 よ っ て審査 員一同 は別に 行っ た学力 確認試 験の結 果と合 わせ て，本 論文の 提出者 ，北 原曜tま 博士（ 農学） の学位 を受け るの に十分 な資格 がある もの と認定 した。
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