解 説

HYDRUS-1D を用いた土中への浸潤シミュレーションへの第一歩
資源保全チームに PC - PR OG R E S S へ の 登 録 （ 無 料 ） を 行 う。P C-

１．はじめにPROGRESSへアクセスし、ページ左上のresisterをク
HYDRUS1）は土中水分・熱・溶質移動シミュレーシリックする（図－1①）。登録フォーム（図－2）に移ョンソフトウェアで、特に地表面から地下水位までの動するので、赤字で記されている欄に氏名と在住国、水分不飽和帯の計算を得意とする。国内での活用例とメールアドレスを入力する。入力したメールアドレス

2）にUsernameとPasswordが記載されたメールが届くのや畑地におけるかん水操作方法の検討 、地下水汚染で、login（図－1②）からログインする。ログイン

して、農地における暗渠排水の機能と耐久性の評価
3）4）対策効果の検討 がある。現地ではなかなか測定でき後、ダウンロードページ（https://www.pc-progress.

ない大雨や干ばつ時の土壌水分データも、仮想的にシ

com/en/Default.aspx?H1d-downloads）にアクセスミュレーションできるのは大きな強みである。

し、インストーラのファイル名をクリックするとダウ1次元のHYDRUS-1Dは、2021年8月10日現在、無料ンロードが可能となる。2021年8月10日現在、バージで公開されており、誰でも自由に使用することができ

ョン4.17.0140が最新版である。今回はDドライブ直下る。しかし、HYDRUSの設定画面やマニュアルはすに「HYDRUS」フォルダを作成し、そこをインストーべて英語で記述されていることに加え、複雑な数式をル先のフォルダとした。

用いるシミュレーションであることから、HYDRUSの利用は難しいというイメージをもっている方もいるであろう。確かに、適切な条件設定や数値実験計画の策定には専門的な経験や知識を要する場面もある。しかし、動作させること自体は思っているより難しくなЌղЌձいことから、まずは体感してもらうことが本稿の狙いである。そのため、ソフトウェアのインストールから結果の確認方法までなるべく丁寧に解説を行った。
メインターゲットは、土壌物理学の教科書や授業などで勉強してマトリックポテンシャル（土中水圧力）や水分特性曲線、水収支など基本的な知識を持つが、

図－1

登録ページへのリンク場所

HYDRUS-1Dには触れたことがない方を想定している。本稿で触れていない設定項目については、土壌物理研究部会HYDRUSグループが公表している解説 5）を参考にして頂きたい。
２．計算前の準備
２．１

HYDRUS-1Dのインストール

本稿での動作環境はWindows 10 Proである。
Windowsのバージョンが異なる場合、表示される画像に多少異なる場合がある。HYDRUS-1Dのインストー
ラはPC-PROGRESS（https://www.pc-progress.
com/）から入手可能である。ダウンロードには、初め
48

図－2

登録フォーム

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３．計算条件の入力

ձղ

厚さ50cmのシルト質土壌に1mm/hの雨が1日降り続いた場合の浸潤を例題として考える。本章では例題を解くための入力条件を解説すると同時に、注意点も併

図－3

メニューバーとツールバー記した。また、特に説明のない場合にはデフォルト値を用いた。
３．１

プロジェクトの新規作成

メニューバーのFile（図－3①）からNewを選択するとNew Projectウインドウが表示される（図－4）。
Nameはプロジェクトの名前、Descriptionは計算の詳細を自分用のメモとして記入する欄である。今回はシルト質土壌における浸潤の例題を解くので、Nameに

図－4

New Projectウインドウ「Example1」、Descriptionに「Silt Inf」と記入した。
３．２

シミュレーション種類の選択

プロジェクトを作成すると図－5のように設定項目のウインドウが表示される。上から順に設定を行っていく。左列Pre-ProcessingのMain Processesをダブルクリックすると、Main Processesウインドウが表示される（図－6）。ここではHeadingに見出しの記入とSimulateでシミュレーションの種類を選択する。

図－5

設定項目ウインドウ

Headingはデフォルトや空欄でも問題なく動作するが、分かりやすさのために「infiltration to silt」と記入した。今回は水分移動のみ計算を行うため、SimulateはWater Flowのみ選択した。HYDRUS-1Dは熱・溶質の計算も水分と同時に行えるが、ここでは扱わない。
ウインドウでの設定が終わったらNextを押し、次の設定に移動するが、OKを押して、Pre-processing（図－5）から次の項目をダブルクリックして次の設定に進んでも良い。
３．３

土層の設定

Geometry Informationウインドウでは計算土層の設定を行う（図－7）。Length Unitsではプロジェクト内で用いられる長さの単位を、Number of Soil Material

図－6

Main Processesウインドウでは土層内の土質の種類を、Depth of the Soil Profile
では計算土層の長さを、任意に設定可能である。
Length Unitsは「cm」を選択した。Number of Soil
Materialに「1」を、Depth of the Soil Profileに「50」を入力した。これらの情報を入力することで、深さ50cmの土層が仮想的に作成される。Length Unitsに「m」を、Depth of the Soil Profileに「0.5」を選択して、深さ0.5mの土層を作成しても本質的には違いはな
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図－7

Geometry Informationウインドウ

49

い。表示したいスケールに従ってLength Unitsを選択すれば良い。
３．４

時間情報の入力

Time Informationウインドウでは計算時間に関する設定を行う（図－8）。長さの単位と同様にTime Unitsで設定した単位がHYDRUS-1D内すべてで用いられる。Time DiscretizationではInitial Time（計算開始日）とFinal Time（計算終了日）を設定する。今回は1日間の計算を行うので、Time Unitsで「Days」を選択し、Initial Timeに「0」、Final Timeに「1」を入力した。なお、Time Unitsで「Hours」を、InitialTimeに「0」、Final Timeに「24」を入力しても表示される単位が変わるだけで、結果の意味は変わらな

図－8Time Informationウインドウ

図－9Print Informationウインドウ

い。Initial Time Step、Minimum Time Step、
Maximum Time Stepは、今回のように期間内に一定量の雨が降り続けるような、簡単な条件の場合には変更不要である。
３．５

出力時間の設定

Print Informationウインドウでは結果に出力される時間を設定する（図－9）。計算結果をある時間ごとに区切って抽出したい場合、Print timesのNumber ofPrint Timesに、その区切る数を入力する（図－10）。
今回は1日間の計算結果のうち、特に0.25、0.5、0.75、1日における計算結果を抽出したいので、Number ofPrint Timesに「4」を入力し、Select Print Timesに「0.25、0.5、0.75、1」を入力した。この際、区切る間隔が等間隔の場合はDefaultをクリックすると自動的に等間隔にしてくれて便利である。Print Optionsについてはデフォルト値で問題ない。
３．６

図－10

Print Timesウインドウ

反復計算の設定

Iteration Criteriaでは反復計算の設定を行えるが、基本的にデフォルト値で問題ない。
３．７

水分保持曲線モデルの選択

Soil Hydraulic Modelウインドウでは計算に用いる水分保持曲線のモデルを指定する（図－11）。水分保持曲線とは、マトリックポテンシャルhと体積含水率θの関係を表すモデル式である。モデル式については
坂井・取出（2009）6） によって詳細に解説されている。今回は広く用いられている「van Genuchten Mualem」モデルを選択した。一般的に給水過程と排水過程で水分保持曲線の形が異なり、これをヒステリ50

図－11

Soil Hydraulic Modelウインドウ
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シスと呼ぶ。今回はヒステリシスを計算に考慮しないためNo hysteresisを選択した。
３．８

水分保持曲線モデルのパラメータ入力

Water Flow Parametersウインドウでは３．７で選んだ水分保持曲線モデルのパラメータを入力する（図－12）。吸引法や加圧板法によって得られたマトリックポテンシャルhと体積含水率θの実測データがない場
合、HYDRUSが提供するSoil Catalogから土性を選択

図－12

Water Flow Parametersウインドウ

することでパラメータを自動で入力することができる。
今回はSoil CatalogのSiltのパラメータを利用した。
３．９

境界条件の選択

Water Flow Parametersでは上下端の境界条件の設定を行う（図－13）。本稿での境界条件とは、土層の上端（0cm）と下端（－50cm）における水の出入りに関する条件である。今回は、一定の降雨量下での土中の浸潤をシミュレーションするため、Upper BoundaryCondition（上端境界条件）には土層の上端から常に一定量の水が流入する条件のConstant Flux（一定流束）を選択した。Lower Boundary Condition（下端境界条件）にはFree Drainage（自由排水）を選択した。自由排水条件は、地下水位が十分に低く、土層内

図－13

Water Flow Boundary Conditionsウインドウの水分移動に影響しない場合に用いられる条件である。
ウインドウ右下のInitial conditionは、計算開始前の土中の初期水分量に関する設定条件である。今回は初期水分量をマトリックポテンシャルhとして設定するため（３．１２で後述）、In Pressure Headsを選択した。
３．１０

上端境界条件の入力

Constant Boundary Fluxesでは３．９で上端境界条件に選択したConstant Fluxの詳細を設定する（図－図－14

Constant Boundary Fluxesウインドウ14）。単位は３．３と３．４で設定した長さと時間の単位であることに注意いただきたい。また、HYDRUS
では上方向が正なので、水が浸潤する下方向を表すマイナス記号を必ずつける。今回は1mm/hの雨を想定しているので、Upper Boundary Fluxに「－2.4」（cm/day）と入力する。ここでは1mm/hの雨が降ることと、地表面から1mm/hの水が流入することが同図－15

HYDRUS-1D guideウインドウじであると考えている。
15）。PROFILE application（グラフィカルエディタグラフィカルエディターの起動ー）を起動するためOKを選択する。設定項目ウイン

Constant Boundary FluxesウインドウのNextを押ドウ（図－5）のSoil Profile–Graphical Editorからもすと、HYDRUS-1D guideウインドウが出る（図－グラフィカルエディターを起動することができる。

３．１１

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３．１２

初期条件の入力

Ўձ

グラフィカルエディターが別ウインドウで立ち上がったら、左から9番目にあるアイコン（図－16①）をクリックすると、Initial Condition（初期条件）の設定画面に切り替わる。ここでは、初期条件（計算開始前）の水分量の設定をする。左下のEdit conditionボタン（図－16②）をクリックすると、カーソルが矢印から指に変わる。設定したい範囲の開始点と終了点をクリックで指定する。今回は全層を選択したいので、1回目は上端を、2回目は下端をクリックする。この時、深度を表す右下のZの値（図－16③）が0と－50になっていることを確認する。選択点を間違えた場合

ճղЎ

図－16

Graphical Editorによる初期条件の設定はEscキーか右クリックでキャンセルできる。範囲を選択すると、Condition Specificationウインドウが立ち上がる（図－17）。ここでのTop valueとBottomvalueは選択範囲の上端と下端の土中の初期水分量を意味する。今回は上端から下端までの全層の初期水分量がマトリックポテンシャルh＝－300cmとなるように、どちらにも「－300」を入力した。Use top value
for bothにチェックを入れると、Top valueに入力し

図－17

Condition Specificationウインドウた値が自動的にBottom valueにも適用される。設定が終わったらOKを押してCondition Specificationウインドウを終了する。
３．１３ЎձЌյ

観測点の挿入引き続きGraphical Editorで操作を行う。
Observation points（観測点）に設定した節点では、

ЋղЋմ

その節点におけるマトリックポテンシャルh、体積含水率θなどの値の時間変化が得られる。フィールドの再現計算を行う場合はセンサーを設置した深度に、シミュレーションの場合は任意の位置に、観測点を挿入すճ

ると良いであろう。左から11番目のアイコン（図－18Ў

①）をクリックすると、Observation Pointsの設定画面に切り替わる。Insertボタン（図－18②）を押すと、

図－18

Graphical Editorによる観測点の設定カーソルが矢印から指に変わる。右下のZの値（図－18③）を確認しながら任意の深度に観測点を設定する。Escキーか右クリックでInsertを完了する。観測点を誤って設定した場合は、Delete（図－18④）ボタンを押して削除したい点を選択する。今回は0、10、20、30、40cm深に観測点を挿入した。設定が完了したら、左から2番目のアイコン（図－18⑤）を押して保存し、右上の×を押してGraphical Editorを終了する。
３．１４

計算条件概要の確認

Pre-ProcessingからSoil Profile - Summaryをダブル
52

図－19

Soil Profile Summaryウインドウ
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クリックすると、Soil Profile Summaryウインドウ

４．２

プロファイル（鉛直分布）（図－19）が開く。ここではGraphical Editorで設定

Profile Informationをダブルクリックすると、Basicした分布が確認できる。今回設定した、全層の初期水Profile Informationウインドウが表示される。ここで分量h＝－300cmが反映されていることがわかる。

は、３．５で設定した出力時間のマトリックポテンシ
ャルh、体積含水率θ、不飽和透水係数Kのプロファイ

４

計算の実行と結果の確認

ルが確認できる。図－23はhのプロファイルである。
①、②、③、④はそれぞれ0.25、0.5、0.75、1日目のここまで設定を終えたらいよいよ計算を行う。メニ値を示している。1日目（図－23④）の地表面（0cmューバーの左から5番目の実行アイコン（図－3②）をク深）は約h＝－20cmまで増加した。最終的に25cm深リックすると、HYDRUS-1D guideウインドウが立ち程度まで水が浸潤したことが見てとれる。Nextを押上がる（図－20）。OKを押すと計算を開始し、Calculation

すとθとKについてのプロファイルも確認できる。

ウインドウが立ち上がる（図－21）。計算が正常に終了すると、「Calculations have finished successfully.
Press Enter to continue」と表示されるので、Enterキーを押してウインドウを閉じる。計算に時間がかかりすぎる場合は（今回のような簡単な計算であれば1分以上）、設定に誤りがある可能性が高い。Escキーで計算を中断し、設定を再度確認いただきたい。
計算が終了すると、設定項目のウインドウ（図－5）の右 列 P o s t P r o c e s s in g 内 の 項 目 が 表 示 さ れ る 。
Observation PointsとProfile Informationの二つが主要な計算結果なので、今回はこれらの確認方法を紹介する。
４．１

観測点における時間変化

Observation Pointsをダブルクリックすると、
Observation Nodesウインドウが表示される。ここで

図－21

Calculationウインドウ

は、３．１２で挿入した観測点のマトリックポテンシ
ャルh、体積含水率θの値の時間変化が確認できる。図－22はhの時間変化である。①は0cm深におけるhの時間変化であり、0.1日（2.4時間）までにh＝－300cmから－80cmまで急激に増加し、その後も緩やかに増加が続いたことが見てとれる。また、0cm深（①）に続いて10、20cm深（それぞれ②、③）の順にhが時間とձ  FP ῝ともに増加したこともわかる。30、40cm深の線が見えないのは、時間経過によらずh＝－300cm（横軸ղ  FP ῝上）で一定だったためであり、降雨による水の浸潤が30cm深まで到達していないことがわかる。Nextを押すとθについても確認できる。hのグラフに戻るにはճ  FP ῝

Previousを押せば良い。

図－20
寒地土木研究所月報

HYDRUS-1D guideウインドウ№823

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図－22

Observation Nodesウインドウ

53

４．３

Excelによる結果の確認

ここまでで、グラフによる大まかな結果の確認ができるようになった。しかしながら、細かい数値を確認したい、データを自分で加工したい、などのニーズもձ  ᪥┠あると考えられる。この節ではMicrosoft Excelを利用した結果の確認方法について記す。
HYDRUSのグラフ上で右クリックし、Copyを選択する。Excelでワークシートを新規作成し、A1セルを選択ղ  ᪥┠ճ  ᪥┠

した上で右クリックし、貼り付けを選択する。図－24、մ  ᪥┠

25のような画面になれば成功である。Observation
Nodesからコピーした場合、C1、C3、C5、C7、C9は経過時間（図－22横軸）を、C2、C4、C6、C8、C10はそれぞれ0、10、20、30、40cmの値（図－22縦軸）を表している（図－24）。これらは３．１２で挿入した観測点に対応している。Profile Informationからコピーした場合、C1、C3、C5、C7、C9はそれぞれ0、0.25、0.5、0.75、1日目の値（図－23横軸）を、C2、図－23

C4、C6、C8、C10は深さ（図－23縦軸）を表してい

Profile Informationウインドウ⤒㐣᫬㛫 FP ࡢ್ ⤒㐣᫬㛫 FP ࡢ್㸦K㸧ЎЎ㸦K㸧Ў Ў

る（図－25）。

'D\ ５．まとめFP 'D\ FP 

本稿では1次元土中水分移動シミュレーションソフトHYDRUS-1Dの使い方を、例題を用いて解説した。
次のステップとして、以下の①土性、②初期条件、③図－24

境界条件をそれぞれ変化させた浸潤シミュレーション

Observation Nodesの結果をExcel上で確認 ᪥┠ࡢ್㸦K㸧Ўにぜひ挑戦していただきたい。計算条件を変更するコツは、一度に色々変えず一つずつ変えることである。
そして、変更前後でどのように結果が変わったかをじFP  ᪥┠ࡢ್㸦K㸧 ῝ࡉЎЎ῝ࡉЎFP FP FP っくり見比べることが大切である。
①土性をSiltからSandy Loamに変更する（３．
８）。Observation Nodesで10cm深のマトリックポテンシャルhの変化の様子を比べ、どのような違いがあるかを観察する。

図－25

Profile Informationの結果をExcel上で確認②初期条件をh＝－300cmからh＝－100cmやh＝－1000cmに変更する（３．１２）。Profile Information（文責：奥田涼太）

で0.5日目のマトリックポテンシャルhの分布を比較する。

参考文献③上端の境界条件（Upper Boundary Fluxの値）を－2.4cm/dayから－4.8cm/dayに変更する（３．１０）。

1） Šimůnek, J., van Genuchten, M.Th. and Sejna M.:－2.4cm/dayの1日目と－4.8cm/dayの0.5日目は積算降

The HYDRUS-1D software package for

雨量が同じだが、この時の体積含水率θの分布がどのsimulating the movement of water, heat, andように違うかを観察する。

multiple solutes in variably saturated media.
Version 3.0. HYDRUS Software Series 1, Dep. ofEnvironmental Sciences, Univ. of California

54

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Riverside, Riverside, CA. 2005.

4） 中川啓、齋藤雅彦、籾井和朗：同じ流域内の22） 土木研究所寒地土木研究所資源保全チーム：積雪

つのシラス台地における地下水汚染機構について

寒冷地における疎水材型暗渠工の機能と耐久性にの数値計算、土木学会論文集B1（水工学）、関する研究、2015.

Vol.67、No.4、I_583-I_588、2011.

https://www.pwri.go.jp/jpn/results/report/

5） 土壌物理研究部会HYDRUSグループ：HYDRUS-

report-seika/2015/pdf/ki-39.pdf（2021年7月5日確

1D（Ver.4）による浸潤過程の計算、2006.

認）https://soilphys.bio.mie-u.ac.jp/hydrus/arch/1D-3） 亀山幸司、岩田幸良、宮本輝仁、佐々木康一：
HYDRUS-1Dを用いた砂丘未熟土畑における潅水

Infiltration.pdf（2021年7月21日確認）
6） 坂井勝、取出伸夫：水分保持曲線と不飽和透水操作方法の検討、土壌の物理性、139号、pp.3-

係数の水分移動特性モデル、土壌の物理性、111

12、2018.

号、pp.61-73、2007.

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