日本ヒートアイランド学会論文集 Vol.4 (2009)
Journal of Heat Island Institute International Vol.4 (2009)

学術論文

土壌含水率計を用いた屋上緑化面からの蒸発量の簡易現場測定方法に関する研究
Study on a simple on-site estimation method of the evaporative flux from the green roof
using the water content ratio sensor of the soil
竹林 英樹*1Hideki Takebayashi

森山 正和*1
Masakazu Moriyama

古橋 省吾*2
Syogo Furuhashi*1 神戸大学大学院工学研究科 Graduate school of Engineering, Kobe University*2 株式会社 INAX, INAX Corporation

Corresponding author: Hideki TAKEBAYASHI, thideki@koube-u.ac.jp
ABSTRACTThe on-site estimation method for the evaporative flux from the green roof using the TDR water content
sensor of the soil is examined in comparison with the method of the weight change observation of grass and soil.
Evaporative flux estimated by the method of the weight change observation is a little large, because of theinsufficient shield around the test weight and the wind velocity variation of the test weight surface. The evaporative
efficiency calculated by the estimation method using the TDR sensor is around 0.2 - 0.3, which is almost agree withthe values in the conventional study. Two methods using the TDR water content sensor are compared. In the one
method a TDR sensor is set vertically in the soil, and in the other method several TDR sensors are set horizontallyin the soil. In the method setting a TDR sensor vertically, the observation result is influenced by the cavity nearby
surface. And in the method setting several TDR sensors horizontally, the observation result cannot follow the watercontent ratio change of the surface neighborhood. If the installation of the TDR sensor is carried out more carefullyin consideration for the cavities of the surface neighborhood etc., the on-site estimation of the evaporative flux fromthe green roof is possible.
キーワード：土壌含水率計，屋上緑化，蒸発量，現場測定法
Key Words : Water content ratio sensor of the soil, Green roof, Evaporative flux, On-site observation method

もに蒸発量の測定が必要となる．蒸発量の測定法は，蒸発

１.はじめにに伴う重量変化の測定（秤量法など），水蒸気の放出・輸送
近年，ヒートアイランド対策技術の一つとして，屋上緑量の測定（チェンバー法など），吸水量の測定（ヒートパル化や高反射率塗料などのクールルーフに関する多くの研究

ス法など），潜熱輸送量の測定（ペンマン法など），土壌水成果が報告されている(1)．また，ヒートアイランド対策の分変化量の測定（水収支法など），などに分類される(3)．た

施策としてこれらの技術の普及を促進している自治体もあだし，屋上緑化などのヒートアイランド対策技術の現場でる．このような状況のなか，より良い技術の更なる普及をの測定を想定すると，限られた面積において葉と土の両方促進するためには，これらの技術が導入された後の性能確からの蒸発（散）量を測定する必要があるため，適用可能認や経年劣化を評価する手法の確立が必要である．

な測定法としては重量変化の測定か土壌水分変化量の測定

高反射率塗料面における性能確認のためには，施工面にに限定される．

おける日射反射率を測定することが必要である．村田らは

重量変化及び土壌水分変化量の測定ではライシメータな標準板を用いた現場測定法を提案しており，施工面の反射どが用いられるが，専用の容器などを事前に埋め込むか別率を十分な精度を確保して測定できることを示している(2)．

途測定システムを構築する必要があり(4)，日射反射率の測

屋上緑化や保水性建材などの蒸発を利用するヒートアイ定のように施工後に現場に測定器を持ち込んで測定するこランド対策技術の現場測定法に関しては，日射反射率とととは困難である．この問題に対し，近年土壌水分量の測定- 26 -U1U2U31175950950N1600に TDR（Time Domain Reflectometry）法が用いられること
率の違いを利用して土壌中の体積含水率を推定する方法で，金属プローブを土壌に挿入することにより周辺土壌の含水5500が増えてきている．TDR 法は水と土壌及び空気との比誘電U13 U14 U151550

率が測定される．この方法であれば，施工後にプローブを埋め込むことも可能であり，現場での蒸発量を簡易に測定

1015 693 693
Depth of each unit:
210 mmすることができると考えられる．そこで本研究では，現場での蒸発量の簡易測定を目的として，TDR 法を用いた測定：A sample for gravimetry：TDR Method 1：TDR Method 2

図 1 屋上実験施設の平面図（左）と写真（右）法について検討を行う．
２. 測定方法の概要

表 1 測定面の概要
UnitComponentsSize(m)神戸大学の研究棟屋上に設置されている屋上実験施設の

1

Grass + Improvement soil

1.175 × 1.6

Undergrounding depth of TDR
2, 6, 16 cm and Vertical

平面図を図 1 に示す．測定は図のユニット 1～3 および 13

2

Grass + Lightweighted soil

0.95 × 1.6

2, 4, 6, 11, 16, 21 cm and Vertical

3

Grass + More lightweighted soil

0.95 × 1.6

2, 6, 16 cm and Vertical

4

Grass + Improvement soil

1.015 × 1.55

Verticalの概要を表 1 に示す．TDR 土壌含水率計の埋設深さを併せ5Grass + Lightweighted soil

0.69 × 1.55

Verticalて示している．一般に屋上緑化等によく用いられている改6

Grass + More lightweighted soil

0.69 × 1.55

Vertical～15（U1～U3，U13～U15）において実施した．各測定面

良 土 壌 （ 絶 乾 状 態 の か さ 密 度 1.58g/cm3 ）， 軽 量 土 壌（0.59g/cm3），超軽量土壌（0.25g/cm3）の 3 種類の土を対A sample for gravimetry

TDR象とし，芝は同じ種類とした．測定対象土壌の断面図を図2 に示す．測定対象期間は 2006 年 8 月 3 日～5 日の 3 日間で，前日の 18 時に 5mm 相当の散水を行った．なお，各ユ210･･･ニットの排水状況をユニット毎に設置した排水口において転倒ます雨量計により測定したところ，散水直後に排水量が確認されたが，重量測定を開始した 8 時以降には全ての

図 2 測定対象土壌の断面図（左）とユニットにおいて排水量は確認されなかった．従って，測重量測定用の試験体及び電子天秤（右）定期間中は土中に保水された水分が蒸発に使用されたと考えられる．重量測定用の試験体は各ユニットと同様の排水300mm

状況となるように，下面の材料等にはユニットに使用した

Layer 1
Layer 2ものと同じ材料を用いて作成した．しかし，実際の排水量が各ユニットと同程度であったかという点については確認出来ていない．
気象条件として，実験施設北東端において気温・相対湿度（通風式温湿度計，白金抵抗体，高分子フィルム，高さは植栽面から約 1m），風向・風速（プロペラ式風向風速計，高さは植栽面から約 1.5m），実験施設東端の植栽面から約

図30.7m の水平面上において水平面全天日射量（精密全天日射TDR 土壌含水率計設置の様子（上）（左：測定法 1，右：測定法 2）と TDR 土壌含水率計（下）計），赤外放射量（精密赤外放射計）を測定した．また，各測定対象面の表面温度は赤外線熱電対により直径約 30cm

2.2 TDR 土壌含水率計による測定程度の植栽面の平均値を測定した．なお測定間隔は TDR

TDR 土壌含水率計（Campbell 社製 CS616 を使用）は 2土壌含水率計の測定に合わせて 10 分である．

本のプローブにより構成される．ステンレス製のプローブの長さは 30cm である．土壌に挿入しデータロガーと接続

2.1 重量変化の測定しておけば長期間の連続測定が可能である．ただし，土壌TDR 法による測定と比較することを目的に試験体を用との間に空隙ができると誤差の原因となるため，プローブいた重量変化の測定を行った．各ユニットの北と南の 2 箇と土壌をよく密着させる必要がある．測定値は含水率に対所に測定用の試験体（内法寸法 150mm×150mm×200mm，応する周波数の変化をパルス応答時間（s）に変換した値で木枠厚み 12mm）を埋設した．測定期間中の 8:00～18:00 ま得られる．土壌によってこの値が異なるため，土壌毎にパで 1 時間ごとに電子天秤により重量を測定した．

ルス応答時間と含水率の関係を特定しておく必要がある．
TDR 土壌含水率計による測定法は図 3 に示す 2 種類を検討した．測定法 1 は TDR 土壌含水率計を水平方向に埋設- 27 -

し土壌内の特定の層の含水率を測定する方法，測定法 2 はWater contentratio

100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
10

TDR 土壌含水率計を垂直方向に埋設し土壌全体の平均的な含水率を測定する方法である．
なお測定は 10 分間隔で連続的に行った．
2.3 TDR 土壌含水率計の較正実験
TDR 土壌含水率計は土壌，空気，水の誘電率の違い（土Default equation

2025303540
Response time (μsec)
Improvement soil
Lightweighted soil
More lightweightedsoil
Conventional soil

壌 2.5～5，空気 1，水 80）を利用しており，センサーのパルス応答時間から含水率を計測する．この原理には土壌の誘電率が影響する為，土壌の種類ごとに体積含水率とパル15

図 4 炉乾法による TDR 土壌含水率計の較正実験の結果ス応答時間との関係を較正する必要がある．本研究に使用した改良土壌，軽量土壌，超軽量土壌及び一般的な自然土

1000に基づく）による較正実験の結果を図 4 に示す．実験は，

800

Radiation (W/m2)

壌（まさ土）を対象として実施した炉乾法（JIS 規格 A1203
改良土壌，軽量土壌，超軽量土壌は各 5 回，自然土壌は 4回実施した．図 4 より TDR 土壌含水率計のデフォルトの較正式は自然土壌に対して適用可能であり，人工土壌の場

600
400
200

合には応答時間に対する含水率変動量が大きくなる傾向に

00:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00
Aug. 3
Aug. 2
Aug. 4
Aug. 5
Solar radiation
Infrared radiation

ある．以降の解析においては，この較正実験の結果に基づく較正式を各土壌に対して適用する．

a. 日射量と赤外放射量
Air temperature (℃)

潅水，排水のない状態では，時間 dT[s]当たりの蒸発量
Q[g/m2s]は以下の式より算出される．
(1)

単位面積あたりの重量変化量 dW[g/m2]は，重量変化の測定では試験体の測定結果より得られ，TDR 土壌含水率計を用いた測定結果からは以下の式より算出される．
dW = dr × γ × L(2)

dr[m3/m3]は TDR 土壌含水率計により測定される含水率

10080306020401020

00:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00
Aug. 3
Aug. 2
Aug. 4
Aug. 5Air temperature
Relative humidity0b. 気温と相対湿度（植栽面より高さ約 1m）3の変化量，γ[g/m ]は水の密度，L[m]は土壌の厚さである．
Wind velocity (m/s)

測定法 1 では埋設した土壌の層に応じて，含水率と層の厚さを対応させて全層に渡って積算される．測定法 2 では土壌全体を一層として算出される．
３. 蒸発量の推定結果
3.1 推定結果

8765432
100:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00 0:00 12:00
Aug. 3
Aug. 2
Aug. 4
Aug. 5Wind velocity
Wind direction

360
Wind direction (°)

Q = dW / dT

5040

Relative humidity (%)

2.4 蒸発量の推定方法

270180900

測定対象期間の気象条件を図 5 に示す．日射量の安定しc. 風速と風向（植栽面より高さ 1.5m）た典型的な夏期晴天日（降水量 0）であった．TDR 土壌含図 5 測定期間の気象条件水率及び重量変化の測定から推定した蒸発量を図 6 に示す．

（2006 年 8 月 2 日～5 日，実験施設近傍で測定）

どのユニットにおいても TDR 土壌含水率計による測定から推定した蒸発量が，重量変化の測定から推定した蒸発量と一致していない．従って，日射反射率に若干の誤差が含より小さい．標準板(2)を用いて測定した芝の日射反射率はまれるが正味放射量のオーダーとしては上述の値が想定さいずれのユニットにおいても約 20%であり，この間の正味れる．図 6 の右側縦軸には蒸発量に対応した蒸発潜熱を示

放射量の最大値は約 600W/m2 と計算された．なお，長波長している．重量変化の測定から推定した蒸発による蒸発潜放射量の算出には，赤外放射計及び赤外線熱電対の測定結熱の最大値は 600W/m2 を超えており，芝生面への入力とな果を用いた．本研究で用いた標準板の日射反射率は分光光る放射収支量より大きな値となっている．従って，測定方度計の照射ランプを用いて測定した分光反射率に基づき算法の違いにより蒸発量に差が生じた原因は重量変化の測定出された値であり，実際の太陽光の分光特性（重価係数）からの推定値が大きく算定されたためであると考えられる．

- 28 -

700

0.8

350

0.4
0.2

00.0-0.2
0:00

0.6

350

0.4
0.2

00.0
-0.2

12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
Aug. 3
Aug. 4
Aug. 5
TDR - Horizontal setting
TDR - Vertical setting
Weight obs. in north side
Weight obs. in south side

700

1.0
0.8

12:00
0:00
12:00
Aug. 4
Aug. 5
TDR - Vertical setting
Weight obs. in north side
Weight obs. in south side

0:00

Evaporation (kg/m2･h)

Evaporation (kg/m2･h)

700

1.0

0.8
0.6

350

0.4
0.2

0

0.0
-0.2
0:00

1.2

700

1.0
0.8
0.6

350

0.4
0.2

0

0.0
-0.2
0:00

12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
Aug. 3
Aug. 4
Aug. 5
TDR - Horizontal setting
TDR - Vertical setting
Weight obs. in north side
Weight obs. in south side

12:00
0:00
12:00
Aug. 4
Aug. 5
TDR - Vertical setting
Weight obs. in north side
Weight obs. in south side

Evaporation (kg/m2･h)

Evaporation (kg/m2･h)700

0.8
0.6

350

0.4
0.2

00.0

12:00
Aug. 30:00

e. ユニット 14（軽量土壌）
Latent heat flux (W/m2)

b. ユニット 2（軽量土壌）
1.2
1.00:00

d. ユニット 13（改良土壌）

1.2

Latent heat flux (W/m2)

a. ユニット 1（改良土壌）

12:00
Aug. 3

Latent heat flux (W/m2)

0.6

1.2

-0.2
0:00

1.2

700

1.0
0.8
0.6

350

0.4
0.2

00.0
-0.2

12:00
0:00
12:00
0:00
12:00
Aug. 3
Aug. 4
Aug. 5
TDR - Horizontal setting
TDR - Vertical setting
Weight obs. in north side
Weight obs. in south side

Latent heat flux (W/m2)

1.0

Latent heat flux (W/m2)

Evaporation (kg/m2･h)

Latent heat flux (W/m2)

Evaporation (kg/m2･h)

1.2

12:00
0:00
12:00
Aug. 4
Aug. 5
TDR - Vertical setting
Weight obs. in north side
Weight obs. in south side

0:00

12:00
Aug. 30:00

f. ユニット 15（超軽量土壌）

c. ユニット 3（超軽量土壌）

図 6 蒸発量の推定結果（2006 年 8 月 3 日～5 日）
なおこの理由としては，重量測定用の試験体がユニット全体よりも蒸発が促進されやすい状況にあったのではないかと考えられる．具体的には，試験体の周辺の僅かな隙間に空気が供給される可能性が確認され，風による芝と空気との水蒸気交換速度にも空間分布が生じていた可能性がある．木枠で作成された試験体は周囲の土壌と断熱されている状況にあり，乾燥が進行する過程においては図 7 に示す
ように試験体の芝は周辺の芝より先に葉面が細くなる傾向が確認されており，土壌内の水分が周辺より失われやすいことを反映している．試験体周辺のシールドと伝達率に影響する風の問題は，図 2 に示すような試験体を現場で施工

図 7 試験体とその周辺の芝の様子（乾燥過程）して実験する際の課題であると考えられる．
なおこの他にも，対象面積が小さいことによるオアシス

3.2 蒸発効率の算定

効果や対象面周辺のパラペットの影響による伝達率のバラ蒸発量の測定と併せて，表面温度や気温等の気象データツキなども要因として考えられるが，これらの要因は TDRが測定されており，測定結果を用いると蒸発効率 β[-]が決

土壌含水率計による測定結果に対しても同様の影響を与え

まれば以下の式より蒸発量 E[g/m2s]が算出される．
E = αw β ( Xs – Xa )ると考えられ，重量測定にのみに大きな影響が生じている(3)湿気伝達率 αw[g/m2s]は，風速を用いてユルゲス式とルイ

今回の結果の主な原因であるとは想定していない．

- 29 -

Evaporative efficiency (-)

Evaporative efficiency (-)

1.4
1.2
10.8
0.6
0.4
0.2
01.4
1.2
10.8
0.6
0.4
0.2
0-0.2
9:00

13:00 17:00 11:00 15:00
Aug. 3
Aug. 4
U1-Horizontal
U2-Horizontal
U1-Vertical
U2-Vertical
U13-Vertical
U14-Vertical

8:00 12:00 16:00 9:00 13:00 17:00 10:00 14:00 18:00
Aug. 3
Aug. 4
Aug. 5
U1-N
U1-S
U2-N
U2-S
U3-N
U3-S
U13-N
U13-S
U14-N U14-S
U15-N
U15-S

9:00

13:00 17:00
Aug. 5
U3-Horizontal
U3-Vertical
U15-Vertical

図 8 蒸発効率の算出結果（左：重量変化の測定より，右：TDR 土壌含水率計の測定より）
ス式により算定される．表面の飽和絶対湿度 Xs[g/g’]と外12.51気の絶対湿度 Xa[g/g’]は測定値より与えられる．湿気伝達0.910る方法が考えられるが，その場合には各ユニット（場合によっては各試験体）で個別の熱収支の検討が必要となる．
本研究では蒸発量の推定方法の検討に主眼を置いているとともに，ヒートアイランド対策として屋上緑化を評価する

0.8
0.7
0.6

7.5

0.5
0.4

5

0.3
0.2

2.5

場合には，この程度の大きさの対象面ではほぼ同じ伝達率

Evaporative efficiency (‐)

Evaporation (kg/m2)率に関しては，熱収支の残差より顕熱流を算定して同定す0.1を設定することが現実的であるとの立場に立っている．そ00こで，湿気伝達率には対象面近傍の風速を考慮したバルクの輸送係数が適当であると考え，この分野において一般的

U1U2U3TDR Horizontal
TDR Vertical

U13
Weight North

U14U15Weight SouthTDR Horizontal

Weight North

Weight SouthTDR Vertical

図 9 8 月 3 日～5 日の 1 日毎の日積算蒸発量（縦棒）とに用いられているユルゲス式を用いた．
上式の E と蒸発量の推定結果が一致するように蒸発効率

3 日間の平均蒸発効率（折れ線）

β を逆算すると図 8 となる．併せて，8 月 3 日～5 日の 1 日毎の日積算蒸発量と 3 日間の平均蒸発効率を図 9 に示す．

水力の差を反映した結果に並んでいるが，重量変化の測定一部の測定結果を除いて，日積算蒸発量の日による差はそから推定された蒸発量は明確な傾向が確認されない．

れほど大きくないため，蒸発効率は 3 日間の平均値を示し

TDR 土壌含水率計を用いる測定法 1 及び測定法 2 によりている．5mm 相当の散水量は 5kg 程度に相当するため，散算出された蒸発量を比較すると，測定法 2 により算出され水方法，土や植物の保水，排水による影響を考慮しても，た蒸発量が若干大きくなっている．この理由としては，測重量変化の測定から算出された蒸発量は若干大きいと考え

定法 1 では深さ 2cm までの表面近傍の含水率を 2cm におけられる．重量変化の測定より算出された蒸発効率は日中にる測定値で代表しているため，表面近傍における含水率のは 0.6～0.8 程度となり時間帯によっては 1 を超える場合も変化を十分な精度で捕らえられていないためであると考えある．TDR 土壌含水率計の測定より算出された蒸発効率はられる．この点から判断すると，測定法 2 の方が現実に近(5)

0.2～0.3 程度でばらつきも少ない．従来の研究 におけるい蒸発量を算出していると考えられるが，8 月 3 日におけ芝生等の植生面における蒸発効率は 0.3 程度と算定される

る U2 のように散水翌日の蒸発量が非常に大きく算出され場合が多いことからも，上述のとおり重量変化の測定からており，測定条件を確認したところ，土壌表面と芝生層と推定された蒸発量が大きいために，蒸発効率も大きく算定の間の空隙内に存在した水分の影響を TDR 土壌含水率計されたと考えられる．但し，本研究ではユニット内での湿が受けていた可能性が確認された．

気伝達率，絶対湿度差の分布についは考慮しておらず，重量変化の測定結果に対しても，周辺ユニットと同じ値を用４.まとめいている．
TDR 土壌含水率計の測定より算出された蒸発量のユニ

本研究では，蒸発を利用するヒートアイランド対策技術ット（土壌の違い）による差はあまり大きくないが，U1が施工された面における蒸発量の簡易測定を目的として，の蒸発量が若干小さく算定された．U1 では芝生面の成長がTDR 法を用いた測定法について，重量変化の測定と比較しあまり良くなかった事（図 1 右図の左上のユニットが若干て検討を行った．本研究の測定条件では，重量変化の測定黄色くなっている）が原因ではないかと考えられる．同じ結果より算定された蒸発量は大きく見積もられる傾向にあ

種類の 2 つのユニット（U1 と U13，U2 と U14，U3 と U15）

り，その原因としては試験体周辺のシールド及び伝達率にを比較すると，TDR 土壌含水率計の測定より算出された蒸関係する風の影響などが考えられる．

発量は，U2 と U14，U3 と U15，U1 と U13 の順に土の保TDR 土壌含水率計の測定より算出された蒸発効率は 0.2- 30 -～0.3 程度でばらつきも小さく，従来の研究における植生面参考文献における蒸発効率とも整合していた．TDR 土壌含水率計を(1)

森山正和，ヒートアイランドの対策と技術，学芸出版社，2004

土壌内に水平方向に数本埋設する測定法 1 と鉛直方向に 1(2)村田泰孝，酒井孝司，金森博，竹林英樹，松尾陽，森山正和，本埋設する測定法 2 を比較したところ，測定法 1 では表面

吉田篤正，西岡真稔，矢野直達，清水亮作，三木勝夫，村瀬近傍の含水率の変化の追随に課題が確認され，測定法 2 で俊和，ハシェムアクバリ，高反射率塗料施工面の日射反射率は表面近傍の含水率変化には追随するが埋設方法により地現場測定法に関する研究－標準板二点校正法の提案および水表面近傍の空隙の影響を受ける様子が確認された．以上よ

平面における精度確認－，日本建築学会環境系論文集，第 632

り，土壌に応じて較正実験を行えば，TDR 土壌含水率計に号，pp.1209-1215，2008

より蒸発量の推定は可能であるが，設置の際に測定器に対(3)堀江武，桜谷哲夫，蒸発散の測定法（I），農業気象，38(2)，(4)香川治美，林哲夫，谷本潤，片山忠久，芝生植栽が都市熱環する地表面近傍の空隙などの影響に対する配慮が必要であ

pp.193-195，1982

る．

境に及ぼす影響に関する研究，第 1 報土壌の含水状態を考慮

謝辞 本研究の遂行に当たり三木コーティング・デザイン

した蒸発散特性の定量的特定，日本建築学会計画系論文集，事務所の三木勝夫氏及び東邦レオ株式会社より様々な協力

第 507 号，pp.7-12，1998を頂いた．また，大阪府立大学の北宅善昭教授より貴重な(5)助言を頂いた．ここに記して謝意を表する．

近藤純正，水環境の気象学－地表面の水収支・熱収支－，朝倉書店，p.137，1994(Received December 22, 2008, Accepted March 9, 2009)- 31 -