令和6年度砂防学会研究発表会概要集

R4-22

山地斜面土層の透水性分布測定に向けた GP 法の改良と適合パラメータの検討
京都大学大学院農学研究科
1. 研究背景○正岡直也・柳井鴻太郎・岩尾健司・小杉賢一朗(a)

山地斜面において水みち（パイプ）のような偏(b)在性の高い水文構造を特定するためには、透水性の空間分布を詳細に把握することが重要である。
土層の任意深度で透水性を迅速かつ非破壊的に測定できる原位置試験法として、定水位井透水計ゲルフパーミアメータを用いた手法（以下 GP 法）が挙げられる。単純な装置と明確な理論により飽
和透水係数 Ks が求められ 1),2)、実用性の高い手法

図１(a)GP 法の概要 (b)数値計算の領域設定として主に農業分野で認知されている。

𝛼 ∗ = 𝐾𝑠 ⁄𝜙𝑚

しかし、森林土壌においては解析式中の土質定2…(3)𝐾𝑠 = 𝐶𝑄/(2𝜋𝐻 + 𝜋𝑎 𝐶 + 2𝜋𝐻/𝛼 ∗ ) …(4)数の値が不明なことや実測上での様々な制限要2となり、α*と C が既知ならば一度の Q の測定から因からこれまで適用事例がなかった。本研究ではKs を算出できる（単水位法）2）。既往研究におい多様な森林土壌を対象とした数値シミュレーシて土質ごとに α*と C の推奨値が示されているが、ョンによる検証を行い、山地斜面の透水性探査に森林土壌に適合する値は示されていない。

GP 法を適用する指針を示すことを目的とした。

2.2 数値シミュレーション
日本国内 10 ヶ所の国有林で採取された 259 個

2. 研究手法の森林土壌サンプルから測定された Ks と pF 曲線

2.1 GP 法の測定原理のパラメータ 4)を利用し、GP 法を再現した数値シ

GP 法に用いる装置の概要を図１a に示す。土層ミュレーションを行った。に掘削された半径 a [cm]のウェル内の水位が、マ

数値シミュレーションには HYDRUS 2D/3D をリオット管の原理によって定水位 H [cm]に保た用いた。GP 法における水分移動の対称性を踏まれたまま外部の不飽和土壌へと水が浸潤していえ、円柱状の三次元領域を半径方向に切断した二く。時間の経過とともに浸潤量は減少して一定になるので、これを定常浸潤量 Q [cm3/sec]とみなす。
この Q について Reynolds らの解析 1)によれば次式が成り立つ。
𝑄 = (2𝜋𝐻 2⁄𝐶 + 𝜋𝑎2 )𝐾𝑠 + (2𝜋𝐻⁄𝐶) 𝜙𝑚…(1)

ここで、Ks [cm/sec]は飽和透水係数、m [cm2/sec]はマトリックフラックスポテンシャルである。Cは形状係数と呼ばれ土質によって異なり、次式のように H/a の関数で表される 3)。
𝐻/𝑎𝐶 = (𝑏 +𝑏 𝐻/𝑎)1𝑏3…(2)2

ここで、b1～b3 は定数である。
式(1)は Ks とm の２つ未知数を含むため、式(3)で定義される土壌パラメータ α* [cm-1]を式(1)に導入して整理すると次元断面を計算領域とした（図１b）。領域の半径100 cm、ウェル深さ 50 cm、ウェル孔底から下端（不透水面）までの距離を S [cm]とした。ウェル半径 a は 1 cm とした。初期条件は十分な乾燥状態を想定し、孔底の圧力水頭 ψ0=-150 cm の静水圧分布を標準の条件とした。境界条件は図１b の通りで、ウェル壁面の湛水域に定常水頭境界を与えて常に一定水深が保たれるように設定した。計算時間は全ケースで最長 86400 sec (24 hour)まで行い、定常水頭境界から計算領域に流入する水分フラックスを計算した。最終時点のフラックスを十分に定常化したとみなし定常浸潤量 Q とした。全土壌サンプルのうち計算が収束した 250 個について解析を行った。

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2.3 検討事項

くなる傾向がみられた。なお C は全 250 サンプル

2.3.1 森林土壌に適したパラメータの中央値を用いた。C/C50 は S/H>2 の範囲でほぼ式(1)に既知の Ks, a, H と数値計算で得られる Q１であり、例えば H=10 cm であれば S=20 cm 以上を代入するとm, CH/a が未知数となる（CH/a は H/aの場合は不透水面の影響を受けないことを示しが或る値のときの C である）
。そこで１つの土壌ている。また S/H=0 のとき C/C50=2.23 であり、基につき Q を H=5, 7.5, 10 cm（a=1 cm）の３通り計

岩面のような不透水面の直上で測定するときは算し、Excel のソルバー機能によりm, C5, C7.5, C10

この係数を式(4)の C に乗じることで Ks を正確にを求めた。式(2)から b1～b3 を、式(3)から α*をそ補正することができる。

れぞれ求め中央値を算出した。

以上のように、GP 法を山地斜面に適用する際2.3.2 初期水分条件の実用面で有用な知見が得られた。本稿では省略

土壌が湿潤なとき不飽和域の吸引圧の低下にしたが、大会発表では適切な注水時間についてもより浸潤量は減少する。孔底の初期圧力水頭 ψ0

議論する予定である。

を-25, -50, -100, -150, -200 cm の５パターン与えて1.1計算し、最も乾燥した ψ0=-200 の時の Q-200 に対す1る Q の割合（Q/Q-200）から、初期水分条件が浸潤0.9
Q/Q-200量に与える影響を検討した。
2.3.3 不透水面の影響

ψ0=-150
ψ0=-100
ψ0=-50ψ0=-250.8

不透水面までの距離 S が短い場合に起こる浸潤0.7

量の減少は形状係数 C の変化で説明でき、また C0.6の変化率は S/H と比例関係にある 5）。
S= 0, 5, 10, 20,0.550 cm の各条件で計算領域を設定して Q を算出し、0.010.1

式(4)から C を求め、S が十分大きい 50 cm のとき

1Q-200[cm3/s]

10100

図２ 初期圧力水頭 ψ0 に対する浸潤量 Q の変化の C50 に対する割合（C/C50）から不透水面の影響を検討した。

2.52C/C50

3. 結果と考察
3.1 森林土壌に適したパラメータ
全 250 の森林土壌から求めた中央値は α*=0.162

1.51cm-1, b1=2.12, b2=0.136, b3=0.811 であった。これは0.5

既往研究 2),3)で示された「粘土からロームまでの00構造性の一般土」における α*や b1～b3 の値に近い

246810S/H値であった。
3.2 初期水分条件

図３ 不透水面距離 S に対する形状係数 C の変化

図２に示す通り、Q が小さいほど初期圧力水頭ψ0 による影響を強く受け、過小評価する傾向があ引用文献った。どの程度の誤差を許容するかによるが、

1). Raynolds et al. (1985). Soil Sci., 139(2), 172-180.
2). Elrick et al. (1989). Groundwater Monitoring andRemediation, 9(3), 184-193.
3). Zhang et al. (1998). Soil and Tillage Research, 49(3),219-221.
4). 真下育久 (1960). 林野土壌調査報告, 11, 1-182.
5). Hayashi and Quinton (2004). Canadian J. Soil Sci.,
84(3), 255-264.
(連絡先：masaoka.naoya.7e@kyoto-u.ac.jp)

ψ0=-25 cm の湿潤条件でも Q/Q-200 は最小 0.7 程度、また ψ0<-100 cm の乾燥条件であれば Q/Q-200 が 0.9以上となることが目安として示された。
3.3 不透水面の影響
図３に示す通り、S/H が小さい（水位に対する不透水面までの距離が短い）ほど形状係数は大き- 220 -