不飽 和 土壌 中の根 群域 か らの下方 浸透 水 と

不飽 和 土壌 中の根 群域 か らの下方 浸透 水 と

肥 料 溶 脱 の モ ニ タ リン グ に 関す る研 究

Monitoring of lnfiltration Water and Fertilizer Leaching froIIl the Root Zone in Unsaturated Soils

鳥 取 大 学 大 学 院 連 合 農 学研 究 科 生 物 環 境 科 学 専 攻   国 際 乾 燥 地 農 学 講 座

東    直   ^子 Naoko HIGASHI

2006

一 日

 

次 ―

第

I章  

緒 論 ・ ・ ・・ ・・ 。・ ・ ・ ・ 。・ ・ 。・ ・・ ・ ・・ ・ ・ ・・ ・ ・ ¹

1.1 

研 究 の背 景 ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ 。・ ・・ ・・ ・ ・ 。・・ ・ 。 ¹

1.2 

下方 浸 透 水 量 測 定 に関す る既往 の研 究 。 。・ ・・ ・ ・ ・・ ・ 。・ ²

´

1.3 

本 論 文 の 目的 と構 成 ・ ・・ ・ 。・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・・ ・・ ・ ・ ⁴

第 Ⅱ章

 

砂 質 土 壌 に 適 用 可 能 な

自動 サ ク シ ョ ン制 御 型 サ ン プ ラ ー の 開 発 。・

00。

_・

１

２

３

２

．

２

．

２

．

２

．

４

２

︒

２

．

２

．

２

．

５ ２     ２     ２                             ２                             ２

は じ め に

自動 サ ク シ ョン制 御 型 サ ン プ ラー の概 要 ・・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ 。 実 験 方 法 。・ ・ ・ 。・ 。・ 。・ ・ ・ 。・ ・・ ・ ・ 。・ ・・ ・ 。・

3.1 

砂 質 土 壌 。・ ・ ・・ ・ 。・ ・・ ・ ・ ・ 。・・ ・ ・ ・ ・ ・ 。

3.2 

フ ィル ター 試 験 ・・ ・ 。・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 。・・ ・ 。・ 。・

3.3 

吸 引判 定 値 ・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ 。・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ 。・

3.4 

バ ッフ ァー 容 器 の採 用 と採 水 容 器 の 大 き さ・・・・・ ・ ・ 結 果 お よび 考 察 ・ ・ 。・・ ・ ・ ・ ・ 。・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・

4.1 

砂 質 土 壌 に適 した フ ィル タ ー の 選 定・ ・ ・・ ・ 。・ ・ ・・

4。

2 

シ ミュ レー シ ョン に よ る吸 引判 定 値 の 決 定 。・・ ・ ・・ 。

4.3 

弱 い サ ク シ ヨン を か け る た め の 工 夫 ・・ ・・ ・・ ・ ・ ・ 。

4.4 

自動 圧 力 制 御 プ ロ グ ラ ム・ ・ ・ ・・ ・ 。・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ま とめ 。・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・・ ・ ・・ ・・ ・

6 6 7 10 10 10 11 13 14 14 15 17 17 20

第 Ⅲ 章

3.  1

3. 2

3.

3.

3.  3 3.

3.

室 内 カ ラ ム 実 験 に お け る

自動 サ ク シ ョ ン 制 御 型 サ ン プ ラ ー の 採 水 性 能 評 価 。・ 21 は じめ に ・ ・ ・ ・ 。・・ ・・ ・ ・ ・ 。・ ・・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・・ ・

 21

実 験 方 法 ・ ・ ・ ・・ ・・ ・ ・ 。・ ・ 。・ ・・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・・ ・ 21

2.1 

室 内 カ ラ ム 実 験 装 置 。・ ・ ・ 。・ 。・ ・ 。・ 。・ ・・ ・ ・ 21

2.2 

異 な る降 雨 強 度 下 の採 水 効 率 の算 出 。・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ 。22 結 果 お よび 考 察 ・・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・・ ・ ・ 。・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ 24

3,1 

連 続 降 雨

,定

常 浸 潤 状 態 下 で の採 水・・・ 。・ 。・・・・・ 24

3.2 

短 期 降 雨

,非

定 常 浸 潤 状 態 下 で の採 水 ・ ・ ・ ・ ・・ 。・ 。 25

3.

3。

 4

第 Ⅳ 章

3.3 

異 な る降 雨 条 件 下 で の

SCFSの

採 水 強 度 の ば らつ き 。・ ・ 26 ま とめ 。・・ ・・ ・・ ・・ ・・ 。・・ ・ 。・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 。・ ●26 ラ ッ キ ヨ ウ栽 培 下 の 砂 丘 砂 圃 場 に お け る

下 方 浸 透 水 モ ニ タ リ ン グ・ … … 30 は じめ に・ ・ ・ ・ ・ ●^{0● 0●} ● ● ●0● ・ 。・ ・ ・ ・ ・・ 。・

 30

実 験 方 法 ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・・ 。・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ 31

2.1 

実 験 回場 の概 要 ・ 。。・ 。・ ・・・ ・・・・ ・・・・・・・ 31

2.2 

測 定 機 器 の設 置 。・ ・ 。・・・ ・・・ 。・・ ・・ 。・ 。・・ 32

2。

3 

採 水 効 率 の 算 出 。・・ 。・ ・・・ ・・・・・・ ・ 。・・・・ 32

2.4 

定 植 。灌 漑 お よび 施 肥 条 件・・ ・・・・・・ ・ 。・・ ・・・ 34

2.5 

デ ー タお よび 浸 透 水 の 回 収 と水 質 分 析 ・・・・・・・・・ 。34

2.6 

観 測 井 の設 置 と土壌 抽 出 液 。地 下 水 の水 質 分 析 。… … ・ 36

2.7 

セ ンサ ー 類 の校 正 お よび 配 線・・ ・ 。・・・・・ 。・・・ ・ 37 結 果 お よび 考 察 ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 。・・ ・ 。・ ・・ ・ ・ 。・ 38

3.1 

回場 に お け る

SCFSの

採 水 効 率・・ ・・・・・ ・・・・・・ 38

3。

2 

セ ンサ ー で 捉 え る土 壌 中 の溶 質 移 動 ・・・・・・・・・・・

42

3.3 

下 方 浸 透 水 と地 下 水 に お け る硝 酸 態 窒 素 濃 度 の違 い 。・

644 3.4 

肥 料 成 分 の溶 脱 傾 向 。・・・ 。・・ ・・ 。・ ・・・ 。・・ 。 45

3.5 

冬 期 の採 水 お よび 肥 料 溶 脱 ・・・・ ・ 。・・・・ 。・・・・

46

ま とめ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ 。

 49

サ ク シ ョ ン 固 定 型 サ ン プ ラ ー に よ る

砂 丘 砂 圃 場 で の 下 方 浸 透 水 モ ニ タ リン グ・ 。・

4.

4.

4.

4.

第 V章

5.  1

5。

 2

5。  3

5。

5.

5. 4

は じ め に

実 験 方 法 ・ ・ 。 。・ 。・ 。・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ 結 果 お よび 考 察 ・・ ・・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・

3.1 

サ ク シ ョン 固 定 型 サ ン プ ラー の採 水 効 率 ・ ・ ・・ ・・ ・ ・

3.2 

裸 地 区 に お け る溶 質 移 動 と肥 料 成 分 の溶 脱 傾 向・ ・ 。・・

ま とめ・・ ・ ・・ ・ 。・・ ・ ・ 。・・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・・ ・ ・ ・

シ ョン 制 御 型 サ ン プ ラ ー の 実 用 化 へ の 提 案 ・ 。・ 。 51 51 51 53 53 55 57

58 58 第 Ⅵ 章

 

自動 サ ク

6,1 

は じめ に

6.2 

実 験 方 法 ・ 。・ ・ ・・ ・・ ・ ・ ・ ・ 。^0・ 。・ 。 。・ 。・・ ・ ・

6,2.1 

シ ミュ レー シ ョン設 定 条 件 ・ ・・ 。・ ・・ ・ ・ 。・ ・ ・ ・

6.2.2遠

隔 操 作 に よ るデ ー タ 回 収 シ ス テ ム・ 。・・・ 。・ 。・・ ・

6.3 

結 果 お よび 考 察 ・ 。・ う 。・ ・ ・ ・ ・ 。・・ ・ ・ ・ ・・ ・ ・ ・・

6.3.1 

フ ィル ター 直 上 に 土 壌 水 分 量 の低 い 部 分 が残 され る現 象^e

6.3.2 

様 々 な フ ィル タ ー の砂 質 土壌 へ の適 用 ・ ・ ・・ ・ ・・ ・ ・

6.3.3 

ガ ラ ス フ ィル タ ー を 用 い た様 々 な 土 壌 で の採 水 ・・・・ ・

6.3.4 

遠 隔 操 作 に よ るモ ニ タ リン グデ ー タ の 回 収 。・・ 。・ 。・

6.4ま

とめ 。・ ・ ・ 。・ ^a。

..●

● ● ● ● ● ● ● ● ●・ ・・ ・ ・ ・

第 Ⅶ 章

 

総 合 考 察 。・・・・・・ ・・・・ 。・ ・・・ ・・・・ ・ ・・ ・・

59 59 61 61 61 62 62 66 69

70

付 録 。・ ・ 。・ ・ ・・ ・ 。・ ・ ・ ・ ・ ・ 。・・ ・ ・ ・・ ・ 。・ 。・・ 。・ 。 74 謝 辞 ・ ・ ・ ・ 。・ 。・・ ・ 。・ ・ ・ ・ ・ 。・ ・ ・・ ・ ・ ・ 。・ 。 。・ ・ ・ ・ 89 引用 文 献 。・ ^0・ ・ ・・ ・ ・・ ・ 。・ 。・ 。・ ・ ^0。 ・・ ・ ・ ・ ・ ・ ・・ ・ 90 摘 要 。・ 。・ ・ ・ 。・ ・・ ・ ・ ・ ・ 。・ ・ ・ 。・ 。・ ・ ・ ・ ・ 。・ ・ ・ ・ ・ 97 Sunl14ary・

 0 

。 _{・ ・ ・ ・}

 0 

● ● ● ●

 0 

● ● ● ● ● ●

 0 

●

 0 

● ● ● ● ●

 0 

● ●

 99

論 文 リ ス ト 。・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 。・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ 。 101

Fig。1.1 Fig.2.1

Fig。2.2

Fig.2.3 Fig.2.4 Fig.2.5

Fig.2.6

Fig,2,7

Fig.2.8 Fig.3.1 Fig.3.2

Fig。3.3 Fig.3.4

Fig。4.1 Fig.4.2 Fig.4.3 Fig.4.4 Fig.4.5

Fig.4.6

Fig.4.7

― 図 表 目次 ―

Flowchart of this thesis。  _{・ ・ ・ ・} ● 0 ● 0 ● ● ● ● ● ● ● ●

 0 

● ●  5 Schematic of the suction controned flux sampler(SCFS)・

 

。

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 8

Arrangement of the tensiometers for suction control and detail of

the sampling ilter device(SFD)。

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

°

 

°

 

_・

 

_・

 

_・

 

。

 

_・

 

_・

 

。

 

_・

 9

Water retention curve of Tottori dune sand。  _{・ ・ ・ ・ ・ ・} 。 _・ ● ● ●  10 Boundary condition for simulation by HYDRUS‑2D・

 

・

 

。

 

_・

 

_・

 

●

 

●

 0 12

Changes in hydraulic conductivity in the clogging test by

suspended solution・  ^・ _{・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・} ● ● 0 ● ● ● ● 0 ● Result of the calculation by IIY]DRl」 S‐2D with 50 c■l constant suction

at the filter a .  。

 . 

_・

 

_・

 

。

 

_・

 

_・

 

●

 

●

 

●

 

●

 

●

 

^●

 

●

 

●

 

●

 

●

 0 

●

 0 0 

●

 

● laxil■uni suction in different sampling bottles connected with the buffer container・  _{・ ・ ・ ・} ● ● 0 ● ● ● ● ● 0 ● ● ● ● ● ● ● ● ● Tilne schedule for the suction control by the AVS・  6 ● 0 ● ● ● ● ● Schematic of the soil column experilnental set up・  _{・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・} Infiltration water sampling by SCFS under continuous rainfall・  ^。 _・ 。 Infiltration water sampling by SCFS under short‐term rainfall・  。 _・ ・ Changes in the criteria for suction control(力 _{c― 力}LR)・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

Photos of the experil■ ental plot・ _{・ ・ ・ ・ ・ ・} ● ● ● ● ● ● ● ● ● Photos of the observation pit・  _・ 。 _・ ・ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● Schematic representation of the filed experil■ ental design。  _・ ・ 。 _・ ・ Photos ofthe observation well・  ^。 _{・ ・ ・ ・ ・ ・ ・} ● 0 ●

 0 

●

 0 

● ● Properties of infiltration water sampled by SCFS during a 50‐day

period(Aug.18山 2004〜 Oct.7th 2004)。

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

。

 

_・

 40

Variations in water content and electrical conductivity l■

easured by TDR

sensors during a 50‐day period(Aug.18th 2004〜 Oct,7th 2004)。  _{・ ・ ・}

 43

Variation in the EC of infiltration water lneasured with the four‐ electrode sensor in the salmpling tube(ECiw̲4clc)and With the EC meter in the

samphng bottle(ECtw̲bottle)・

 

_・

 

_・

 

°

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 44

Quality of collected infiltration water during a 50‑day period

(Aug。^18山2004〜 Oct.7th 2004)。

 

_・

 

。

 

_・

 

。

 

_・

 

°

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 47

14

16

18 19 23 27 28 29 31 33 33 37

Fig。4.8

Fig。4.9

Fig,4.10

Fig.5.1

Fig.5。2 Fig.5,3

Fig.5,4

Fig.6。1

Fig.6.2

Fig。6.3 Fig.6.4 Fig.6.5

Fig。6.6 Fig.A‑1 Fig.A‑2 Fig.A‑3

Properties of infiltration water sampled by SCFS during a 50‑day

period(Dec.23th 2004〜 Feb。10th 2005)・

 

。

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 48

Quality Of Collected infiltration water during cultivation of scallion

(Aug.18山 2004〜 生ay.25th 2004)・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

・

 

_・

 

_・

 

・

 

_・

 

・

 

_・

 50

Schematic representation of the field experilnental design(Fixed― suction sampler,No―planting)・

 

。

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

°

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

。

 

_・

 

_・

 

。

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 52

Changes in the l■ atric potential and soil water content of each depth・   54

Changes in ECiw̲bottlc C011ected by fixed‐ suction sampler and SCFS

during ield experiment(△ug。18th 2004〜 lay.25血 2005)・

 

。

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 55

Quality of iniltration water collected by ixed‐ suction sampler

during ield experiment(Aug■8th 2004〜 M[ay.25th 2005)・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 56

Sil■ulation results with 5 0 cni constant suction at the various filter,

G4(a),POrOus plate(b),1.2 μ m membrane(c)in Sandy soil.(d)is a Case ofthe 100 cnl constant suction at the l.2  _μ

 m membranea 

^{・ ・ 。 ・ o ●  64}

Silnulation results with 50 cna constant suction at the G4 filter in

different soil types,Dune sand(a),Loam(b),Silt Loam(c)・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 65

Photo ofthe data‐ collecting syste■ l using cellular phone・ 。 _・ ・ 。 ● ●

 67

A wiring diagranl ofthe data‐ collecting syste■ l using a cellular phone・ 67 Sample progra■l for data―collection using a cellular phone with a

wiring shown in Fig。 6.4・ _{・ ・ ・ ・} ● ● ● 。 ● 0 ● ● 0 ● 0 ● ● ● 0  67 The screen of PC208W for data― collection using a cellular phone。  _・ ・

 68

A wiring diagram ofthe Automated Vacuum System(AVS)・ ^{。・ ・ ・}

 84

A wiring diagraHl of the several sensors・  。 _{・ ・ ・ ・ ・} ● 0 ● ● ● ●  85 A wiring diagrarl of the ca11‐ back systeHl and help for ASCll

characters input・ _・ 。 _・ ・ ● ● ● ● ●

 0 

● ●

 0 

● ● ● ● ● ● ● ● ●  88

Physicocherlical properties of Tottori dune sand・  ^。 _{・ ・ ・ ・ ・} ● ● Saturated hydraulic conductivity and atr entry pressure of tested

filters・

 

。

 

・

 

。

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 0 

●

 

●

 

●

 

●

 

●

 

●

 

●

 

●

 

●

 

●

 

●

 

●

 

●

 0 

●

 

●

 

● Water―collecting efficiency under various rainfall conditions。  _{・ ・ ・} Components of basal and top― dressed fertilizers・  _{・ ・ ・ ・ ・ ・ ・ ・} Table 2.1

Table 2.2

Table 3.1 Table 4.1

５     ５     ５ １     ２     ３

Table 4.2

Table 4.3 Table 414

Table 5.1 Table 6.1.

Properties of extracted solution frorn sandy soil samples(average

values are shown)at different depths.Before and after cultivation・  ^。

 36

Water‐conecting efficiency of SCFS・  ^。 _{・ ・ ・ ・ ・ ・ ・} ● ● ● ● ● 39 N03‐ COnCentration and EC in groundwater(ECgW)and iniltration

water(ECiw̲botdr)・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

。

 

_・

 

_・

 

_・

 

_・

 

。

 

_・

 45

Water‐collecting efficiency of Fixed―suction sampler and SCFS・  ^。 _・  54 1nput parameters for]江

YDRUS‐

2D si14ulation・ _・ 。 。 。 _・ 。 _・ 0 ●  60

第 I章

1.1 

研 究 の 背 景

酸 性 雨 や 農 薬 等 化 学 物 質 の 上 壌 へ の 投 与 な どに よ り,様々 な化 学 物 質 が 土 壌 水 と共 に移 動 して 土壌 や 地 下 水 が 汚 染 され て い く こ とに 尉 し,大 き な 関 心 が 寄 せ られ て い る 。あ らゆ る物 質 に つ い て 土 壌 ・地 下 水 中 で の移 動 。存 在 量 に偏 り が 生 じれ ば,「汚 染 」と呼 ば れ る現 象 とな る(岡 崎 2002)。 近 年

,先

^{進 諸 国 お よ}

び 我 が 国 に お い て 硝 酸 態 窒 素 に よ る地 下 水 の汚 染 が 問題 とな っ て お り(鈴木 。 志 賀

2004),1982年

に環 境 庁 が 実 施 した 全 国 の 地 下 水 質 測 定 結 果 に お い て^, 最 も検 出 率 の 高 か っ た 物 質 は 硝 酸 態 お よび 亜 硝 酸 態 窒 素 で あ る と報 告 され た (小

)￨12000).農

村 地 域 に お け る地 下 水 中 の 硝 酸 態 窒 素 濃 度 の 高 ま りは

,土

壌 一植 物 系 の もつ 窒 素循 環 の容 量 を超 えた ,化 学 肥 料 の 多 量 施 用 や 畜 産 廃 棄 物 な どの 投 棄 的 な 土 壌 還 元 が そ の原 因 で あ る と され,法的 な規 制 と と も に抜 本 的 な 対 策 技 術 の 開 発 が 急 が れ て い る(小サ￨12000)。 硝 酸 態 窒 素 に 限 らず

,様

^{々 な 物}

質 が 土 壌 水 に溶 解 して 移 動 す るた め,土壌 や 地 下 水 の汚 染 を 明 らか にす る 際 に は 土 壌 浸 透 水 の モ ニ タ リン グ が 必 要 で あ り,環 境 へ の負 荷 が 懸 念 され る地 域 や 環 境 的 に 重 要 な 地 域 を 中 心 に 土 壌 。水 質 の モ ニ タ リン グ の 強 化(金子 2002)が 図 られ て い る 。ま た

,地

域 環 境

,地

球 環 境 問題 で は

,土

壌 が 介 在 す る物 質 の循 環 や フ ロー の 収 支 を 定 量 化 す る こ とが 不 可 欠 で あ る と され て い る^.

水 田 土 壌 の よ うに飽 和 した 土 壌 中 に お け る水 や 物 質 の 収 支 は 比 較 的 容 易 に 測 定 で き る が

,砂

質 の 畑 地 の よ うな 不 飽 和 土壌 で は

,不

飽 和 透 水 係 数 な どの 特 性 値 の 非 線 形 性 や 計 測 の難 し さか ら収 支 が と りに く く,複雑 な 土壌 内部 で の物 質 の 移 動 現 象 を捉 え る こ とは容 易 で は な い(小杉 2000,Mori et al.2003)。 そ の た め ,こ れ ま で は テ ン シ オ メー タ で 水 の ポ テ ン シ ャル 差 を測 定 す る こ とな どに よ り,土壌 中 の水 分 量 を測 定 す る に と どま つ て い た が ,浸 透 水 量 を直 接 測 定 し^, 且 つ 水 質 分 析 に利 用 可 能 な浸 透 水 を採 取 す る方 法 を確 立 させ る こ とが で き れ ば

,環

境 負 荷 物 質 の モ ニ タ リン グ も容 易 とな る 。モ ニ タ リン グ とは

,語

義 か ら い え ば 「監 視 す る こ と」 で あ り

, 

さ らに 「評 価 を行 い 」「警 告 とな る も の 」 と

論

緒

い う語 義 も含 ま れ る 。 した が つ て

,土

壌 ・水 質 の 分 析 調 査 を継 続 す る だ け で は 本 来 の モ ニ タ リン グ とな らず

,モ

ニ タ リン グ結 果 か ら

,土

壌 管 理 方 策 な どを策 定 す る こ とが 本 来 の 目的 とな る(金 子 ^2002)。 ま た

,モ

ニ タ リン グ 自体 は 現 象 を観 察 す る手 段 で あ る た め,最終 的 に は 要 因 の 摘 出 とモ デ ル 化 が 求 め られ る が,

予 測 モ デ ル の 精 度 を 向上 させ

,汚

染 の 防 止 の た め に も

,ま

ず は モ デ ル 対 象 系 内 で 起 き て い る様 々 な過 程 の 寄 与 を 定 量 化 せ ね ば な らな い(長谷 川 2002)。 どの よ うな環 境 負 荷 物 質 が 不 飽 和 土 壌 中 の ど こ に ,ど れ だ け存 在 して い る の か を把 握 す るた め に,下方 浸 透 水 の 水 量 お よび 水 質 の 両 方 につ い て 正 確 な 測 定 が 求 め

られ て い る^.

1.2 

下 方 浸 透 水 量 測 定 に 関 す る 既 往 の 研 究

土 壌 中 の 下 方 浸 透 水 の モ ニ タ リン グ に は ,間 接 的 な方 法 で あ る水 収 支 法 と浸 透 水 を直 接 採 取 す る ライ シ メ ー タ法 ,ダ ル シー の 法 則 を用 い て 浸 透 水 量 を推 定 す る フ ラ ッ ク ス 法 が あ る(長谷 川

2002).降

雨 に 伴 う地 下 水 位 の応 答 は 一 般 的 に は 日単 位 で 現 わ れ る こ とが 多 く(田 中

2001),そ

の タ イ ム ラ グ の影 響 を受 け^, 地 下 水 と土 壌 間 隙 水 中 で は硝 酸 態 窒 素 な どの溶 質 濃 度 が 異 な る(Spalding et al.

2001)こ とか ら

,地

下 水 の 水 質 分 析 結 果 の み か ら物 質 の排 出負 荷 量 を算 出 して 対 策 を講 じ る に は 限 界 が あ る(鈴木 。志 賀 ^2004)。 そ の た め

,下

方 浸 透 水 を 直 接 採 水 し,根 群 域 か らの 浸 透 水 の 水 量 お よび 水 質 を正 確 に把 握 す る た め の 様 々 な装 置 が 開発 され て き た 。

テ ン シ ョン フ リー ライ シ メー タ

,ゼ

ロテ ン シ ョンサ ン プ ラー

,パ

^{ン ライ シ メ}

夕

(Barzegar et al.2004;/jヽ 杉

2000,金

子 2002,Schoen et al.1999;Zhu et al.

2002)な ど と呼 ば れ る装 置 は

,土

層 中 に埋 設 した 不 透 水 性 の プ レー トに よ つ て 浸 透 水 を集 め る構 造 で あ るが,プレー ト上 面 の 土壌 が飽 和 状 態 とな らな い 限 り 採 水 で き な い た め,採水 断 面 全 体 が 自然 状 態 よ りも著 し く湿 潤 な環 境 とな つ て しま う(Flury et al.1999;小 杉 ^2000)。 ま た 大 型 設 備 や ライ シ メー タ の設 置 に よ り浸 透 水 を採 取 し

,硝

酸 態 窒 素 の 動 態 を解 析 した 実 験 で は

,測

定 器 具 の設 置 工 事 時 に 土 壌 を撹 乱 し

,土

壌 構 造・透 水 性 の 変 化 が 測 定 結 果 に影 響 して い る こ と (小

)￨12000),費

用 が 高 額 で あ る こ とが 報 告 され て い る。ま た採 水 率 が ^45〜580/0

と低 く(JemiSOn and Fox 1992),火 山砂 放 出物 の未 熟 上 で は 特 に低 い(三木 2002) な ど とい う問題 が あ つ た 。

採 水 断 面 の 上 壌 水 分 量 が 周 囲 よ りも増 加 す る こ とを 防 ぐた め に ,キ ャ ピ ラ リ ー ライ シ メ ー タ

,ウ

ィ ッ クサ ン プ ラー(Brandi‐Dohrn et al.1996‑a;Maeda et al.

1999;Zhu et al.2002)が

考 案 され た 。 これ は テ ン シ ョン フ リー ライ シ メ ー タ の 底 部 に グ ラ ス フ ァイ バ ー や ナ イ ロ ン で 作 つ た 毛 管 を敷 き詰 め,排水 部 へ と誘 導 す る構 造 で

,採

水 部 の 上壌 に は 毛 管 力 に よ るサ ク シ ョンが か か る。 しか し

,か

か るサ ク シ ョン は 一 定 値 で あ る た め ,採 水 断 面 の 上 壌 水 分 状 態 が 常 に 自然 状 態 と等 し く保 た れ る わ け で は な い(小杉 ^2000)。 ま た

,ウ

ィ ッ ク の材 質 が 採 取 し た 浸 透 水 の 水 質 に影 響 す る こ と

(Boll et al.1992,Goyne et al.2000),採

^{水 が 降} 雨 強 度 の 変 化 に敏 感 で な く

,一

度 採 水 が 開始 され る と長 時 間継 続 す る こ と(猪 迫 ら 2005)が指 摘 され て い る。

先 端 に 多 孔 質 管(ポー ラ ス カ ップ_)を取 り付 け た パ イ プ を埋 設 し

,ポ

^{ー ラ ス カ}

ップ 内部 を減 圧 して採 水 を行 うテ ン シ ョ ンサ ンプ ラー ,吸 引 ポ ー ラ ス カ ップ サ ン プ ラー

,サ

ク シ ョンカ ップ サ ン プ ラー_(Brandi‐

Dohrn et al.1996‑b;Hart and Lowery 1997)は ,水

質 分 析 の た め の 浸 透 水 採 取 を 主 な 目的 と して 用 い られ る 。 土 層 中 の 一 点 か らの 吸 引採 水 で あ る た め浸 透 水 量 の 把 握 が で きず(小杉 2000), 採 水 時 に か け るサ ク シ ョン の 強 弱

(Rhoades and Oster 1986)あ

る い は セ ラ ミ ッ ク の ポ ー ラ ス カ ップ を通 過 させ る こ とで 水 質 が 異 な る こ と

(Hart and Lowery 1997,McGuire et al.1992;Siemens and Kaupettohann 2003)も

指 摘 され て い る 。

以 上 の よ うに

,多

くの研 究 者 が 様 々 な浸 透 水 採 取 方 法 を用 い て い るが

,そ

れ ぞ れ に長 所 と短 所 が あ るた め ,土 壌 や 目的 に合 わせ て 適 切 な方 法 を選 択 す る必 要 が あ る (長 谷 川

2002).各

種 採 水 装 置 の 採 水 率 (小 杉

2000,Siemens and

Kaupettohann 2004;Zhu et al.2002)や 水 質(HaineS et al。 1982;Landon et al.1999) を比 較 した 研 究 も行 われ て お り

,ま

^た

,各

採 水 法 の 問 題 点 を踏 ま え

,改

^{良 を加}

え た 採 水 装 置 の 開発 も続 い て い る(Bowman et al.2002,Gee et al.2003)。 ^{そ の} 中 で

,浸

透 水 の 流 線 を乱 す こ とな く効 率 よ く採 水 可 能 な装 置 と して

,採

水 断 面 に お け る水 分 条 件 が 周 囲 の 自然 状 態 の 断 面 と等 し くな る よ うに 吸 引 圧 を制 御 す る装 置(河ヽ杉 2000)が 開発 され て い る(Brye et al。

1999;Kosugi and Katsuyama 2004;Lentz and Kincaid 2003;lMertens et al.2005;Siemens and Kaupettohann

2004)。 そ れ らは 手 動 あ るい は 自動 で 吸 引圧 を制 御 す る こ とか ら

,サ

^{ク シ ョン}

コ ン トロー ル ライ シ メー タ

,平

衡 テ ン シ ョンサ ン プ ラー な ど と呼 ば れ て い る。

特 に採 水 断 面 の サ ク シ ョン を 自動 制 御 す る もの は ,他 の 装 置 と比 較 して 採 水 効 率 が 高 い た め

,本

^{研 究 で は}

Wagenet(1986)が

下 方 浸 透 水 を直 接 採 水 す る装 置 と

して フ ラ ック ス メー タ とい う名 で 紹 介 し,van Grinsven et al。 (1988)や

houe and

Dirksen(2000)が提 案 して い る装 置 に 注 目 した 。

1.3 

本 論 文 の 目 的 と構 成

本 研 究 の 目的 は

,土

壌 構 造 を破 壊 す る こ とな く土 壌 水 分

,溶

質 濃 度

,地

^温,

下 方 浸 透 量 な どの変 化 を 同 時 測 定 し

,デ

ー タ ロガ ー と各 種 セ ンサ ー ,お よび 下 方 浸 水 採 取 装 置 を用 い た 根 群 域 か らの 下 方 浸 透 水 の モ ニ タ リン グ シ ス テ ム を 構 築 す る こ とで あ る。不 飽 和 土 壌 中 に流 入 した 物 質 の動 態 お よび 溶 脱 量 を把 握

し

,回

場 に お け る適 切 な 土 壌 管 理 方 法 を提 案 す る こ とを 目指 した^.

本 論 文 の 多 くで は

,乾

燥 。半 乾 燥 地 に も多 い 土 性 で 灌 漑・排 水 の 条 件 さ え整 え ば 高 い 収 量 が 期 待 で き る砂 質 土 壌 に お け る,硝 酸 態 窒 素 な ど肥 料 成 分 の溶 脱 に 注 目 した 。 論 文 構 成 は^Fig。1.1の フ ロー チ ャー トに示 した 。

まず

,第

Ⅱ章 に示 した よ うに

,僅

か なサ ク シ ョン変 化 に対 して 土 壌 水 分 量 が 大 き く変 化 す る砂 質 土壌 に お い て ,流 線 を乱 す こ とな く下 方 浸 透 水 を採 取 可 能 な Suction Controlled Flux Sampler(SCFS)を 開発 した 。装 置 の概 要

,お

よび 砂 質 土壌 に お け る採 水 の た め に 改 良 。工 夫 した 点 を詳 細 に記 した 。次 に

,室

内 カ ラ ム 実 験 で

SCFSの

採 水 性 能 の評 価 を行 い 第 Ⅲ 章 と した 。異 な る降 雨 条 件 下 で の 採 水 性 能 を採 水 効 率 の 算 出 に よ り評 価 し

,SCFSが

高 い採 水 効 率 で 採 水 可 能 な 装 置 で あ る こ とを示 した 。 ま た

,SCFSの

採 水 強 度 の ば らつ き につ い て も検 討 した 。第 Ⅳ 章 で は

SCFSと

各 種 セ ンサ ー 技 術 を併 用 した 下 方 浸 透 水 モ ニ タ リン グ シ ス テ ム を構 築 し,実際 の ラ ッキ ョ ウ栽 培 下 の砂 丘 砂 回場 に お け る肥 料 成 分

￠溶 脱 をモ ニ タ リン グ した 。 ま た 第

V章

で は

,SCFSよ

りも安 価 で 簡 便 な採 水 装 置 を用 い た 下 方 浸 透 水 モ ニ タ リン グ に つ い て 検 討 す るべ く,サ ク シ ョン 固 定 型 サ ン プ ラ ー に よ る砂 丘 砂 回場 で の モ ニ タ リン グ結 果 を示 した 。さ らに第 Ⅵ 章 で は

,SCFSを

実 用 化 させ るた め の提 案 を行 つ た 。 フ ィル タ ー や 土 壌 の 組 み 合 わせ を変 化 させ て シ ミュ レー シ ョン を行 い,採水 フ ィル タ ー 周 辺 の 土壌 水 分 量 とマ トリ ッ ク ポ テ ン シ ャル の 変 化 を観 察 す る こ とで

,SCFSの

適 用 性 を 考 察 し た 。 ま た

,我

々 の 開発 した モ ニ タ リン グ シ ス テ ム は

,SCFSだ

け で な く多 様 な 機 器 で 構 築 され て お り,こ の シ ス テ ム が 記 録 す るデ ー タ を遠 隔 操 作 に よ つ て 自 動 回 収 す る こ と も試 み た 。最 後 に

,不

飽 和 土壌 中 の 下 方 浸 透 水 モ ニ タ リン グ に 関す る本 研 究 の 総 合 考 察 を第 Ⅶ 章 に ま とめ た 。

第

I章

不飽和土壌 中の下方浸透水 量測 定 に関す る 既往 の研究・研究 目的

Fig.1.l  Flowchart of this thesis, 第 Ⅱ章

砂 質 土壌 に適 した 下方浸透水採取装置 (SCFS)の 開発

第Ⅵ 章

SCFSの

実用化 への提案

・異 な るフィル ター と土壌 への適 用

・屋外 デー タの遠 隔回収 第 Ⅲ章

室 内カ ラム実験に よる

SCFSの

採 水性能評価

第Ⅳ章

ラ ッキ ヨウ栽培下の 肥料成 分溶脱傾向の 把握

第

V章

サ クシ ョン固定型 サ ンプ ラーの 砂質 土壌へ の適用

第Ⅶ 章

 

総合考察

第 Ⅲ章

砂 質 土 壌 に 適 用 可 能 な

自動 サ ク シ ョン制 御 型 サ ン プ ラー の 開 発

2.1  は じめ に

近 年 は灌 漑 。施 肥 技 術 の発 達 に よ つ て

,有

機 物 に 乏 し く

,保

肥 性 ・保 水 性 に 劣 る砂 質 土 壌 で も営 農 活 動 が 可 能 に な っ て い る(松本 ^1993)。 ま た 世 界 的 に 見 れ ば

,蒸

発 散 量 は 多 い が灌 漑 。排 水 の条 件 さ え整 え ば 高 い 収 量 が 期 待 で き る乾 燥 。半 乾 燥 地 域(環境 土 壌 学 編 集 委 員 会 1998)の 土 性 は 砂 質 土 壌 で あ る こ とが 多 い 。砂 質 土 壌 は透 水 性 が 高 く

,肥

料 の溶 脱 リス ク も高 い た め厳 格 な水 管 理 と 施 肥 管 理 が 求 め られ,特に根 群 域 下 に流 出す る浸 透 水 の 管 理 が 必 要 と考 え られ る 。実 際

,砂

質 土 壌 へ の 多 量 の 施 肥 後 の灌 水 あ るい は 降 雨 に よ り下 層 へ の イ オ ン集 積 が 引 き起 こ され,上壌 イ オ ン の 損 失 や 地 下 水 へ の イ オ ン負 荷 の 増 大 とい

う問題 に つ な が る可 能 性 が 明 らか に され て い る_(中村 ら

2003).し

た が つ て,

砂 質 土 壌 に 注 目 した 下 方 浸 透 水 の 管 理 技 術 を確 立 して お くべ き で あ る 。 流 線 を 乱 す こ とな く

,最

も効 率 よ く下 方 浸 透 水 を直 接 採 取 す る方 法 と して^, フ ィル タ ー に か か るサ ク シ ョン を制 御 す る こ とに よ り,土壌 中 の 下 方 浸 透 水 量

と同水 量 を採 取 で き るサ ク シ ョン コ ン トロー ル サ ンプ ラー が 開発 され て い る。

これ は採 水 装 置 の サ ク シ ョン を周 囲 の 土 壌 と等 し く制 御 す る こ とで 周 囲 の ポ テ ン シ ャル プ ロ フ ァイ ル を乱 さず

,つ

^{ま り}

,浸

透 水 の 流 線 を 自然 状 態 か ら変 え ず に採 水 す る こ とを 目指 した 装 置 で あ る 。van Grinsven et al.(1988)は 砂 壌 土 に お い て

,定

常・非 定 常 降 雨 下 で フ ィル ター 直 上 とそ の 周 辺 土 壌 の マ トリ ッ ク ポ テ ン シ ャル の 差 が ^10°/。未 満 に な る よ うサ ク シ ョン を制 御 す る シ ス テ ム を報 告 し

,小

杉 (2000)は 豊 浦 砂 を用 い た 室 内 実 験 や 森 林 土 壌 の 屋 外 実 験 に お い て

,土

壌 水 分 状 態 の撹 乱 を最 小 限 に抑 え た採 水 が 可 能 な装 置 を 開発 して い る 。しか し^, い ず れ の研 究 で も

,採

水 用 フ ィル ター の選 定 は行 わ れ て お らず

,ま

^た

,サ

ク シ

ョン の 制 御 方 法 を 上 壌 の 種 類 ご とに 細 か く変 更 す る よ うな 工 夫 も為 され て い な い 。そ の た め

,現

在 の と こ ろ様 々 な 土 壌 に適 用 可 能 な 下 方 浸 透 水 の 直 接 的 な 採 水 方 法 は確 立 され て い な い 。特 に

,砂

質 土 壌 は僅 か な サ ク シ ョン変 化 に 対 し

て 土 壌 水 分 量 が 大 き く変 化 して しま うた め ,既 存 の サ ク シ ョン コ ン トロー ル サ ン プ ラ ー を 用 い る に は 砂 質 土 壌 に適 した フ ィル タ ー の 選 定 や 厳 密 な サ ク シ ョ ン制 御 を行 う必 要 が あ る。

そ こで

,既

存 の サ ク シ ョン コ ン トロー ル サ ン プ ラー を 改 良 して

,砂

質 土 壌 で 下 方 浸 透 水 の 流 線 を乱 す こ とな く定 量 的 な採 水 が 可 能 な 装 置 を 開発 した 。本 章 で は ,サ ク シ ョン を か け て採 水 を行 う際 の 条 件 判 定 と弱 い サ ク シ ョン を か け る 工 夫 に つ い て 特 記 した 。採 水 効 率 の 向 上 を 目指 し

,フ

ィル タ ー サ ク シ ョン を 自 動 制 御 す る シ ス テ ム の うち,砂質 土 壌 で の採 水 の た め に留 意 す べ き 改 良 点 を示

した 。

2.2 

自 動 サ ク シ ヨ ン 制 御 型 サ ン プ ラ ー の 概 要

まず ,砂 質 土 壌 で の 下 方 浸 透 水 採 水 の た め に様 々 な 改 良 を加 え た 自動 サ ク シ ョ ン制 御 型 サ ン プ ラー

(SuctiOn controlled Flux Sampler;以

^後

SCFS)の

概 略 を Fig.2.1に 示 し

,装

置 全 体 に つ い て概 説 す る 。

van Grinsven et al,(1988)や Inoue and Dirksen(2000)の 報 告 を基 に作 製 され た

SCFSは ,採

水 フ ィル ター (Sampling Filter Device;以 後

SFD)と

圧 力 を 自動 制 御 す る部 分

(Automated Vacuum System;以

^後

AVS)か

ら成 る(Fig.2.1).土 ^{壌 中1こ埋} 設 す る

SFDに

は

,透

水 性 の 高 い砂 質 土 壌 に お け る採 水 に適 す る フ ィル タ ー を 選 択 した 。

SFDに

は

,AVSに

よ る制 御 の 乱 れ が 少 々 あ つ た と して も採 水 フ ラ ッ ク ス を確 保 で き る よ う高 さ

4 cmの

側 壁 を設 け(Fig.2.2),それ を通 して フ ィ ル タ ー の

2.5 cm上

に テ ン シ オ メー タ

1本

を挿 入 した 。 こ の テ ン シ オ メ ー タ が 測 定 す る フ ィル ター 直 上 の マ トリ ッ´ク ポ テ ン シ ャル(力c)と

,同

深 度 の 自然 土壌

中 の マ トリ ッ ク ポ テ ン シ ャル(力L,力

R)の 3分

間 の 平 均 値 が そ れ ぞ れ 記 録 され る。

吸 引 判 定 に 用 い る

3本

の テ ン シ オ メ ー タ の配 置 は ^Fig。

2.2の

とお りで あ る 。力c

とフ ィル タ ー 外 の マ トリ ック ポ テ ン シ ャル の平 均 値^(ねLR)か ら吸 引 判 定 を行 い^,

AVSに

よ リフ ィル タ ー に か か るサ ク シ ョン を制 御 した 。

SFDか

ら採 水 容 器 ヘ と続 く採 取 チ ュー ブ 内 は 水 理 学 的 連 続 が保 た れ て お り,途 中 に挿 入 した 自作 の

4極

塩 分 セ ンサ ー で 採 取 した 水 溶 液 の 電 気 伝 導 度(EC)を モ ニ ター した 。 な お,

この

EC値

は本 章 の範 囲 内 で は 考 察 に は使 用 して い な い 。

AVSは

吸 引 判 定 用 テ ン シ オ メ ー タ

,真

空 ポ ンプ

,電

磁 弁

,圧

^{力 変 換 器}

,バ

ン フ ア

容

_器

_,採

_{水 容 器}

,

お よび 電 子 天 秤 で構 成 され

,1台

の デ ー タ ロガ ー

(CR10X,Campbell Scientiac)

が

5分

を

1サ

イ クル とす る プ ロ グ ラ ム で 制 御 して い る 。弱 い サ ク シ ヨン を 実 現 す る た め の バ ッ フ ァー 容 器 は

,真

空 ポ ン プ と電 磁 弁

V3に

よ つ て 常 に

80 cm以

上 の サ ク シ ヨン が 保 た れ て い る 。実 際 に は 次 の よ うな タイ ミン グ で 採 水 を行 つ た 。

下 方 浸 透 の 無 い 場 合 は ,(力c―力

LR)= 5 cmで

平 衡 とな る 。 これ は

,次

節 で 詳 述 す る実 験 結 果 か ら得 られ た も の で あ り,す な わ ち(力c― 力

LR)= 5 cmが AVS

に よ る吸 引判 定 の 基 準 で あ る 。した が つ て ,フ ィル ター 深 度 に浸 透 水 が 到 達 し^,

(力

C 力 LR)> 5 cmと

^{な る と}

,電

^{磁 弁}

^{Vlが 10秒}

間 開 き

,バ

ッ フ ァー 容 器 と採 水 容 器 を接 続 す る こ とで フ ィル ター に サ ク シ ョン を か け採 水 す る 。一 方

,フ

ィ ル タ ー 直 上 が設 定 値 以 上 に 乾 燥 した(力c― 力LR)≦

5 cmの

_{場 合}

_,電

_{磁 弁}

_V2を

₁₀

秒 間 開 い て 採 水 容 器 を大 気 に 開 放 し,フ ィル タ ー サ ク シ ョンが 大 気 圧 に 近 づ く こ とで公 々 に採 水 が 行 わ れ な くな る .以 上 の よ うに して 自然 状 態 の ポ テ ン シ ャ ル プ ロ フ ァイ ル を維 持 し

,流

線 を乱 す こ とな く浸 透 水 を採 取 す る よ うに した 。

Sampling Fi■er De ce(SFD) T

Filter

Vacuum

pllIIlp

Bu ^container

PT:Pressure transducer V:Solenoid valve Samphng bottle

Electtonic balance

Fig。 2.l  Schematic of the suction controned flux sampler(SCFS).

PVC ptte

eム

Filttr

PVC pla俺 _(Cleaつ

Fig。 2.2  Arrangement of the tensiometers for suction control and detail of the samphng filter device(SFD).

Table 2.l  Physicoche■ cal properties of Tottori dune sand(Endo et al.2003).

Texture Three phases(0/0) Bulk   Saturated hydraulic  Speciic density     conductivity     gravity

Sond Liquid Gas (W【

^gm‐3) _{(Cm S 1)}

52.8

9.5   37.7

1.56 0,034 2.68

pH   EC H20 dS m・

Tota卜N   Exchangeable cation(cmOlc kg 1)

CEC

g kg‐l   Ca2+ _【

82+ K+ Na・   cmolc kg・

6.67 0.08 0.01 0.33 0.21 0.25 0,19 0.97

2.3 

_{実 験 方 法}

2.3.1 

砂 質 土 壌

実 験 で使 用 す る砂 質 土 壌 は

,鳥

取 砂 丘 砂_(砂丘 未 熟 土

,Samments,Arenosols)

で あ り

,土

壌 水 分 特 性 曲線 (Fig.2.3)か らわ か る よ うに

,わ

ず か な サ ク シ ョン の 変 化 で 土 壌 水 分 量 が 大 き く変 化 す る透 水 性 の 高 い 土 壌 で あ る 。そ の 温 度 依 存 性 な どの詳 細 は 矢 野 ら

(1983),物

理 学 的 性 質 は Toride et al。 (2003)で 報 告 され て い る 。理 化 学 的 性 質 に つ い て は遠 藤 ら(2003)に 示 され て お り

,Table2.1の

^{とお り}

で あ る^.

2.3.2 

フ ィ ル タ ー 試 験

既 往 の研 究 で は

,各

土 壌 に最 適 な採 水 フ ィル ター の 選 定 は行 わ れ て お らず^, サ ク シ ョン制 御 に耐 え得 る空 気 侵 入 値 を もつ ポ ー ラ ス板 な ど(小杉

2000;van

Grinsven et al.1988)が 使 用 され て き た 。 しか し本 研 究 で は

,対

象 とな る砂 丘 砂 の 透 水 性 の 高 さ を考 慮 し

,飽

和 透 水 係 数 や 空 気 侵 入 値

,土

粒 子 に よ る 目詰 ま りを検 討 して 砂 質 土 壌 に適 した フ ィル タ ー を選 出 した 。試 験 した フ ィル ター は 孔 径 や 材 質 の 異 な る

8種

の フ ィル ター で(Table2.2),ガ ラ ス お よび ス テ ン レ ス フ ィル タ ー は Fig.2.2の よ うな構 造 の 状 態 で試 験 した 。 メ ンブ レ ン フ ィル タ ー は

,マ

ル チ ス テ ップ 流 出 法 で 用 い られ る圧 カ セ ル(森 ら 2001)に 固 定 して試 験 した 。

70 60 50

０       ０ ４       ３

一ｇ ｅ ｇＯ

︼や豊

∽ 20

10

o      O。 1      0.2     0。 3      0.4     0。⁵ Water corlttnt tド m‐3)

Water retention curve of Tottori dune sand(Bulk density:

Fig。 2.3 1.55 Mg m 3).

フ ィル タ ー の飽 和 透 水 係 数 は 定 水 頭 法 (Klute and Dirksen 1986;中 野 ら 1995), 空 気 侵 入 値 は脱 気・飽 和 した フ ィル タ ー に会 々 に正 圧 を か け て い く方 法 に よ り 求 め た 。ま た ,鳥 取 砂 丘 砂 を洗 浄 して得 られ る懸 濁 液(浮遊 物 質 SS:0.003 mg L‐^1, EC iO.67 dS m 1)を 用 い て 定 水 頭 法 に よ る飽 和 透 水 試 験 を繰 り返 し

, 

日詰 ま り に よ る透 水 係 数 の 変 化 を記 録 した 。

2.3.3 

_{吸 引 判 定 値}

鳥 取 砂 丘 砂 の 土 壌 水 分 特 性 曲線 (Fig.2,3)か ら

,よ

り厳 密 な サ ク シ ョン制 御 が 求 め られ る と予 想 され た め

,二

次 元 土 中水 分・塩 分 移 動 予 測 汎 用 プ ロ グ ラ ム で あ る

HYDRUS‑2D(ver.2.05,芭 im&nek et al.1999;取

出 。井 上 2004)を利 用 して シ ミュ レー シ ョン を行 い

,そ

の 結 果 か ら吸 引判 定 値 を検 討 した 。な お

,シ

^ミュ

レー シ ョ ン で は

,SCFSの

よ うに フ ィル ター サ ク シ ョン を 自動 制 御 す る よ うな 条 件 選 定 が 困難 で あ る こ とを考 慮 し

,以

下 の よ うな設 定 と した 。

1メ ッシ ュ を

lcmと

して 縦 50 cm× 横

20 cmの

砂 質 土 壌 の鉛 直 二 次 元 断 面 を 作 成 し

,4 cmの

側 壁 を設 け た フ ィル タ ー が砂 質 土 壌 中 に埋 設 され て い る と し

た(Fig。 2.4)。 フ ィル ター 内外 に は

,吸

引判 定 用 の テ ン シ オ メ ー タ の よ うに観 測

点 を設 け ,そ の 地 点 の マ トリ ッ ク ポ テ ン シ ャル の 経 時 変 化 お よび 水 分 分 布 の 変 化 を 注 視 し た 。

HYDRUS‑2Dで

入 力 し た 物 質 の 各 パ ラ メ ー タ (van Genuchten―

Mualem Model)は

_{ぅ砂 質 ■ 壌}:鳥 =0,0486 cm3 cm‐^3,典 =0。4132 cm3 cm‐^3,

α

 =0,03 cm・ ,n=5.5,照 =760.48cm d 1,1=0.5,採

水 フ ィアレター

:4=0.0283

cm3 cm 3, _典=0.33 cm3cm‐ 3, α

 =0,01 cm 1, n=5,0, 

′砲

=50.97cm d 1, 1=0.5

で あ る 。 フ ィル タ ー サ ク シ ョン は

50 cm一

定 と した

.初

期 の 水 分 条 件 を飽 和 と し,フ ィル タ ー 外 側 の境 界 条 件 もサ ク シ ョン

50 cm一

定 と して 1日 排 水 させ^, そ の 後

,降

^{雨 強 度 20 mm h 1の} 連 続 降 雨 が 1日 発 生 した と仮 定 し

,そ

^の

^2日

間 の 計 算 を行 つ た 。

0  _■■1     0      

4cm

■  0 2 cln

Fi

(lCm)

lcm)

Fig。 2.4 Boundary condition for simulation by HYDRUS‑2D.

2.3.4 

バ ッ フ ァ ー 容 器 の 採 用 と 採 水 容 器 の 大 き さ

短 い サ イ クル で フ ィル タ ー 内外 の マ トリ ック ポ テ ン シ ャル をモ ニ ター し,強 い サ ク シ ョン を瞬 間 的 に適 用 させ る採 水 方 法(Kosugi and Katsuyama 2004)が 森 林 土 壌 で は 功 を奏 して い る 。しか し

,砂

質 土 壌 で 採 水 す る た め に は 弱 い サ ク シ ョン を か け る必 要 が あ り(中尾 ら

2003),強

い サ ク シ ョ ン を か け る こ とは許 さ れ な い 。微 妙 な サ ク シ ョン を制 御 で き るポ ンプ の採 用 も考 え られ る が

,シ

^{ス テ}

ム を安 価 に仕 上 げ る た め に

,こ

こで はバ ッフ ァー 容 器 を採 用 す る こ とに した 。 す な わ ち

,ポ

ン プ と採 水 容 器 との 間 にバ ンフ ア

容

_{器 を設 置 し}

(Fig。

2.1),そ

の 容 器 内 が 常 に 弱 い サ ク シ ョン を保 つ よ うに制 御 した 。これ に よ り

,ポ

ン プ稼 動 時 に しば しば 見 られ る過 剰 な運 転 と,そ れ に伴 う過 剰 な サ ク シ ョン変 化 を 防 ぐ こ とが で き る。 今 回 使 用 した 容 積

3500 cm3の

バ ッ フ ァー容 器 を

,真

空 ポ ン プ に よ つ て

15秒

間 吸 引す る と最 高 到 達 サ ク シ ョン は

300 cmで

あ つ た 。ま た

,鳥

取 砂 丘 砂 の 土 壌 水 分 量 の 減 少 が ほ と ん ど起 こ ら な く な る サ ク シ ョ ン は 80

cm(土

壌 水 分 特 性 曲線 ,Fig。

2.3参

照)と 考 え られ る 。 そ こで

,フ

ィル タ ー サ ク シ ョン を 0〜

80 cmで

制 御 す る た め

,フ

ィル ター に か か るサ ク シ ョ ン は

80 cm

が 上 限 とな る よ う

,バ

ッ フ ァー 容 器 の サ ク シ ョン は

80〜 300 cmに

調 整 した 。 実 際 に は

,ポ

ン プ が稼 働 して サ ク シ ョン

300 cmに

な つ た バ ッフ ァー 容 器 は,

採 水 容 器 に接 続 され る毎 に そ の サ ク シ ョン を減 じ,サ^{ク シ ョン}

80 cmを

下 回 つ た と こ ろ で 再 び ポ ンプ が稼 働 し

,300 cmま

で 吸 引 され る とい うこ とを繰 り返 す 。

バ ン フ ア

容

器 を採 用 した場 合,採水 容 器 が バ ッフ ァー 容 器 よ り大 きす ぎ る と採 水 に 充 分 な サ ク シ ョン を フ ィル ター に反 映 で きず

,さ

らに

,採

水 容 器 に は 採 取 した 浸 透 水 を貯 留 させ る役 目 も あ る こ と を考 え る と容 器 が 過 小 で も採 水 が 困 難 とな る^.こ の よ うに採 水 容 器 の 大 き さに つ い て 検 討 す る必 要 が あ る と考 え られ た 。 そ こで

,630,1500,3500,4300,6600 cm3の

密 閉 可 能 な 容 器 を用 意 し

,予

^{め サ ク シ ョン}

^80あ

^{るい は}

^300 cmに

保 た れ た バ ンフ ア

容

_{器 と}

_10秒

間 接 続 した 際 に

,各

容 器 が 到 達 す るサ ク シ ョン を測 定 し

,最

適 な容 積 の採 水 容 器 を選 出 した^,

2.4 

結 果 お よ び 考 察

2.イ .1 

砂 質 土 壊 に 適 した フ ィ ル タ ー の 選 定

砂 質 土 壌 に適 した 採 水 フ ィル タ ー を 選 出 す る た め に供 試 した フ ィル タ ー は

Table2.2の 8種

で あ る。透 水 性 は 良 い が 空 気 侵 入 値 が低 い 孔 径 20〜

30 

_μ

mの

ガ ラ ス フ ィル タ ー

(G3),お

よび 目詰 ま り試 験_(Fig。2.5)に お い て

10回

の試 験 で 一 桁 の 透 水 係 数 の 低 下 が 認 め られ た メ ン ブ レ ン フ ィ ル タ ー は

,砂

^{質 土 壌 で の}

SCFSに

よ る採 水 に 不 適 と判 断 した 。 さ らに

,採

取 した 浸 透 水 の水 質 に つ い て 考 慮 す る と

,重

金 属 類 の フ ィル タ ー ヘ の 吸 着 な ど(McGuire et al.1992)か ら

,ス

テ ン レス フ ィル ター よ りもガ ラ ス フ ィル ター が適 して い る と考 え られ た 。した が つ て

,砂

質 土 壌 で の

SCFSに

よ る下 方 浸 透 水 採 取 に は

,孔

径 ^5〜

10 

μ

mの

ガ ラ ス フ ィル ター(G4)が ^{最 適 と判 断 し}

,以

後

,本

^{研 究 で は この}

^G4フ

^{ィル タ ー を}

使 用 した 。

1.OI}04

1.0王〉05

1.0正}06

345678910

The number ofttst imes

Fig。 2.5 Changes in hydraulic conductivity in the ciogging test by suspended

solution.

Glass 2‑5μm(□_{),Glass 5‐} 10μm(■),Stainless 2μm(○),Stainless 5 μ

m(o),

Membrane l.2μ

m(▲

),Membrane 3μ

m(△

),Membrane 5μ

m(▲

)。

︵︻︲ ∽ ︹ ｏＡ︶ ︶

ふ君＞

︼ や目０ＯＦ巧∽ｏｏｏＯ目ぉゃ事戸∝ｏ︑ョＳ︼ム

■ ０

□                      

▲

△

■ 白

∪

■ ０

∪

■

∩

∪

■

● 日

■

●

□

■

●

∪

■

●

□

Filters    Pore size Thickness   Hydraulic conductivity Air entry pressure

(CIn)

(μ

m)   (mm)

_(Cm S‐¹⁾

Glass(G5)  2‑5

Glass(G4)  5‐

10

Glass(G3)  20‐

30 Stainless        2 Stainless        5

lembrane     l,2 lembrane     3 lembrane      5

1.4× 10 4(± 0.2

5,8X10 4(±

0.3 2.1× 10 3(± 0,4 1,9× 10 4(± 0,1 2,4× 10 4(± 0.1 1,4× 10 5(± 0。2 1,6× 10‐5(上

0.1 1.5×10 5 (± 0.1

×      

×

×      

× ８

    ８     ８     ８

8 0.1

0。1

0.1

10‐

4)

10‐

4)

10‐

3)

10‐

4)

10‑4) 10‑5)

10‐

5)

10‐

5)

300

90 40

180本 180奉 400ヰ

200+

3504

*Data fronl company catalog.

Glass(TOkyO Koshin Rikagaku Seisakusho, Japan), Stainless(Sankeirika, Japan),

Membrane l.2μ m,3μ m(VerSapori Pall,UoS.A),Membrane 5μ m(Minipore;Nihon

liⅡipore,Japan).

2.4.2 

シ ミ ュ レー シ ョ ン に よ る 吸 引 判 定 値 の 決 定

これ まで^1こ, 吸 弓1半J定値 を(力c―力LR)=±^0・

5 cmと

す る案 (InOue and Dirksen 2000)や _,力cと 力LRが 全 く同 じにな る よ うに制御 す る案(小杉

,2000)が

報 告 され

て い た 。いず れ の場 合 も,(力c― 力

LR)=0が

平衡 で あ る こ とが前 提 で あ る。 しか

し

,HYDRUS‑2Dに

よ る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 結 果 ,Fig.2.6‐

aの

よ う に

,連

続 降

雨 下 で 力cと 力LRは

定

の 差 を保 っ て 平 衡 とな り,(力c一 ね

LR)=0と

^{な らな い こ と}

が 明 らか とな つ た 。砂 質 土 壌 内 に設 置 した採 水 フ ィル ター に周 辺 土 壌 と同 等 の サ ク シ ョン が か か つ て い る と して も,前 の 浸 透 水 の 通 過 後 に で き た 不 飽 和 部 分 が 残 つ た ま ま(Fig.2.6‐b)次 の 浸 透 が 起 こ るた め

,浸

透 水 とフ ィル タ ー との 間 に 空 気 の 封 じ込 め が 起 こ つ て い る(Fig.2.6‑c)。 今 回 掲 載 した シ ミュ レー シ ョン結 果(Fig。 2.6‐a)にお い て

,ね

cと 力LRの^{差 は お よそ}

2.5 cmで

あ るが

,物

質 の パ ラ メ ー タや 境 界 条 件 の設 定 値 を変 化 させ る と差 も大 き くな つ た 。シ ミュ レー シ ョン で20 mm h 1と い う高 い 降 雨 強 度 を想 定 した場 合 で さ え も

,フ

ィル ター 直 上 は 周 囲 よ りも乾 燥 した 状 態 で 平 衡 とな つ た 。した が つ て

,カ

ラ ム実 験 で 設 定 した よ うな 降 雨 強 度 で

,も

し吸 引 判 定 基 準 を(力c― 力

LR)=O Cmと

^{して い る と}

,浸

透 水 が 到 達 して い る に もか か わ らず ,い つ ま で も採 水 命 令 が 出 な い こ とに な つ て