J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 131, p.55 ∼ 57 (2015)

土壌物理から灌漑排水，灌漑排水から土壌物理中村公人 1

国際土壌年に当たってのこの企画に対して，私のよう何のために成層化させ，これが ATES の技術にどのような土壌物理学の世界でなにもなしえていない者が引き受につながっていくのかを全く理解することができずにいけてよかったのだろうか，お断りすべきではなかったろた．ただ，この実験を「おもしろい」と感じ，続けられうかと大いに反省した次第であるが，後戻りもできず，たのは，温度の経時変化が Fig. 1 のような傾向を示した

あるがまま，土壌物理に関わってきた経緯を振り返り，からである．前号の同特集において，溝口勝先生が霜柱

これからのことについて考えてみたい．のできる瞬間の地温変化を示されており（溝口，2015），土壌中の熱 · 水分移動実験

これを少し真似するようで誠に恐縮であるが，興味深い土壌物理の研究との出会いは 4 回生になって，かん変化を示している．つまり，25 ◦ C 一定条件から，上端がい排水学研究室に所属し，卒業論文のテーマを決めた

を 50 ◦ C，下端を 0 ◦ C に設定すると，深さ 3.5 cm の温ときに遡る．教授に何に取り組みたいかを問われ，畑地度は一旦上昇して，その後低下し，その後，再び上昇に灌漑あるいは地下水に関することをしたいと答えたとこ転じるのである．温度勾配が逆の場合は，このような変ろ，当時，「降積雪対策技術の高度化に関する研究」（科化は見られず，ある温度に向かってほぼ単調に変化する学技術庁）の一環として研究室で取り組んでいた「帯水だけである．このような特徴的な温度変化は，温度勾配

層熱エネルギー貯留（Aquifer Thermal Energy Storage：に伴う水分移動，水分移動に伴う熱的特性（熱伝導率やATES）」についての実験を割り当てられた．ATES は地体積熱容量）の変化，それに伴う温度場の変化という複下帯水層がもつ大きな保温効果を利用した蓄熱技術であ雑なメカニズムに影響された結果である．これを何とかる．たとえば夏季に太陽熱や工場，発電所，ごみ焼却場モデル化したいということになった.などの排熱を利用して温めた水を地下の帯水層に貯留しモデル化に向けてておき，冬季にこれを揚水し，融雪，ハウス栽培，家屋

温度勾配下にある土壌中の水分移動，熱移動について暖房などに利用する．さらに，このとき熱交換されて生はすでに多くの研究がなされており，修士課程のときに，み出される冷水を帯水層に注入しておき，これを夏季の冷房熱源として利用することができるという自然エネル

Philip and de Vries（1957），de Vries（1958），Sophocleous（1979），Milly（1982; 1984）を中心に勉強した．徐々にギー利用技術の一つである．東日本大震災に伴う原発事改良が加えられていくことに「おもしろさ」を感じた

故後，地中熱エネルギー利用の一形態として再び注目さことを記憶している．最終的には，以下のような Millyれている．実験系はすでに組み立てられており，高さ 1（1982）が導出した支配方程式を用いて解析を行った．

m，内径 28.6 cm の円筒カラムに土壌を充填し，地下水式（1）が水分移動，式（2）が熱移動を表す．圧力水頭面を設定した上で上下端に温度勾配を与えたときの，土壌中の温度と圧力水頭と熱フラックスの深さごとの経時変化を測定するものであった．
豊浦標準砂のみを充填する場合の実験は先輩がすでに行っており，2 層（豊浦標準砂と相馬硅砂）に成層化させ，この順序を変えて実験を行うことになっていた．4
回生から大学院修士課程にかけて，ひたすら地下の実験室に籠もりながら，成層化条件と温度勾配条件を変え，解体と充填を繰り返し，1 つの実験条件で 400 時間の実験を行う日々を過ごした．しかし，当初は正直なところ，
1 京都大学農学研究科

2015 年 9 月 25 日受稿

2015 年 10 月 2 日受理

Fig. 1 上端 50 ◦ C，下端 0 ◦ C に設定したときの土壌中の温度の経時変化 (下層：豊浦標準砂，上層：相馬硅砂）（筆者の卒業論文より）.

土壌の物理性56

第 131 号(2015)

ψ と温度 T の 2 つの変数の連立偏微分方程式を解くこ

温度依存性に影響されるが，これらだけでは十分に説明とになる．ここでは，その他の変数の説明は省略させてされていないことを知った．温度勾配下の水蒸気移動に頂きたい．

ついては，塩沢昌先生の農業土木学会土壌物理研究部会の資料（塩沢，1991）にあった間隙内の水蒸気と液状水[(ρv1−ρ( l])∂θn−θ ∂θ∂ψ+∂ψρl ∂ ψ∂tT) Tn−θ ∂θρv ∂ θ∂T+ 1−+ρl ∂ ψρl ∂ ψ∂tψψ[]) ∂ψ∂ (∂T=K + Dψ v+ (DTv + DTa )+K∂z∂z∂zの循環流の考え方に大きく影響された．
実験に対してのモデル化は上記の式（1），（2）を用いたが，なかなか測定値を再現することができず，再現性(1)の向上の過程から得られた，水蒸気拡散係数や不飽和透水係数の扱い方に関する知見を整理する形でまとめていった．
今こうして振り返ると，現象方程式や土壌水分特性，水蒸気拡散係数の温度依存性などについて，さらに突っC + H1[∂ ρv∂Tψ∂θ
+ H2∂T]ψ

込んだ展開ができたのではないかと感じる．

∂T∂t

∂ ρv
∂θ∂ψ
+ H1+ H2∂ψ∂ψ∂tTT[∂∂T=(λ + ρl LDTv )∂z∂z]) ∂ψ(+ρl LDψ v + gT DTa− cl (T − T0 ) qw
∂zHYDRUS との関わりモデルのプログラム作成を行っていた時期であったと思うが，土壌中の水 · 熱 · 溶質移動の汎用ソフトウエア(2)である HYDRUS（Šimůnek et al., 1998）が日本でも積極的に紹介されるようになった．当時のバージョンではまだ水蒸気移動が組み込まれていなかったが，様々な境界条件に対応し，水と熱に加えて物質も扱うことができる使いやすいソフトを見て，このような組織的な取り組みに対して，個人では正直かなわないと感じた．このよう一方，Onsager（1931a; 1931b) の理論に基づいて不なソフトとのつきあい方を考えざるを得なかった．

可逆過程の熱力学を土壌中の移動現象に当てはめよう所属する研究室は灌漑排水分野を対象とし，水文学やとした，Cary and Taylor（1962) や Groenevelt and Bolt

土壌物理学を扱っている．研究室としての当時の流れが（1969)，Jury and Miller（1974)，Prunty（1992) といっ

環境負荷削減型の灌漑排水のあり方になっていったこた研究を難解ながらも勉強した．この理論では系内に不ともあり，土壌中の窒素動態に取り組むこととなった．

可逆過程を引き起こす原因となるもの，たとえば，温度これまで実験畑を歩んできたために，まずは室内実験勾配，濃度勾配，電気勾配などを力（force）Xi と名付を行った．畑地土壌を想定して，とくに硝化過程に着目け，その力によって熱の流れ，物質拡散，電流などの流し，肥料の分施が窒素溶脱に及ぼす影響について調べた．

れ（flow）Ji が引き起こされると考え，多くの場合，1 つ

この解析を行うために用いたのが，先述した HYDRUSの力が同時に多くの流れを引き起こすとして，局所平衡である．アメリカでテロ事件があった年に UC Davis にが存在する場合，流れは次式のような線形現象方程式に1 年間滞在する機会を得たが，このときに，指導教授がよって表される．

HYDRUS の使用を勧めたことが大きな理由である．同Ji = ∑ Li j X j

じ方程式を解くのであれば，一から自分でプログラミン(3)j

グするよりも効率的であり，多くの研究者によって使用されていることよってバグが除かれていることを考える

Li j は現象係数とよばれる．この考え方に基づくと未知と，計算の誤謬のリスクも避けられる．HYDRUS でのの移動機構の存在を予測することもできることになり，疑問点を作者である Šimůnek 教授に直接メールで問う

非常に興味をそそられる考え方であったが，私の能力でことができ，すぐに修正した実行ファイルを作成して頂は，実験結果への適合への展開を見出すことができず，けたことも大きかった．ただし，HYDRUS の使用を選先に示した物理的なメカニズムに基づいた支配方程式を択した時点で，研究のオリジナリティは計算を何に適用解くことにした．

し，何を（どのような水管理や施肥管理などを）提案す

さらに，モデルに入力しなければならない様々なパラるのかということになる．ある意味で，本質的な土壌物メータの性質について整理した．とくに，土壌水分特性

理から灌漑排水分野へ自身のテーマが移行していったとと土壌の熱伝導率の温度依存性や水蒸気拡散係数に着目いえるのかもしれない．これ以降，水田圃場や流域レベした．土壌水分特性（土壌水分特性曲線と不飽和透水係ルでの環境配慮型の水管理の問題にシフトし，もっぱら数）の温度依存性は，水の表面張力，密度，粘性係数の現地において水文 · 水質調査を行うようになった．私に

国際土壌年特集

土粒子：土壌物理から灌漑排水，灌漑排水から土壌物理

57

とって HYDRUS との出会いが研究の内容に与えた影響究を見出していきたいと考えている．このように思えるは小さくない．のは，修士課程においてデータを取りながら，ここで若現在の HYDRUS には，取出伸夫先生を中心とする干紹介した文献を読んで勉強し，純粋に「おもしろそう」方々の成果によって，様々な新しい知見が逐次組み込まと感じることができたおかげであると感じている．

れ，今では水蒸気移動も考慮されている（ちなみに，支配方程式は式（1），（2）とは異なるものであるため，こ若い研究者への励みとなるようなという意図のこの特集であるが，私の場合，反面教師にして頂ければ幸いでの違いも追求したいと思っているが，すでに検討済みかある．最後に執筆の機会を与えてくださった土壌物理学もしれない）．2 次元，3 次元での計算も可能になった．

会事務局の先生方に感謝申し上げる．

土壌物理の大きな柱である水 · 熱 · 物質移動現象のメカニズムの知見を HYDRUS に集約させていくことは，こ引用文献の分野にとって非常に有用なことであり，同時に，これを用いていろいろな周辺分野（灌漑排水や環境分野など）への適用可能性を示していくことも必要なことであると考えている．
一人の人間が全てのことをできるわけではないため，結局のところ，自身の役割をどこに置くかということになろうが，私自身は HYDRUS との出会いによって，未知のメカニズムの解明とそのモデル化に対しての探求から徐々に離れ，既知のメカニズムの知見を基にした応用分野への適用問題に移行し，現在の自分の役割はここにあるとしているのであろう．
しかし一方で，研究者たる者，できあいのソフトを用いるのではなく，自身でモデル化を構築できるような研究テーマを設定したい，修士課程の頃に感じていた土壌物理本来の「おもしろさ」の中にもう一度身を置いてみたいという思いもある．
今後の私にとっての土壌物理問題解決型の研究が重要視されるようになり，既存の優れたモデルの利用の有効性は増しているように思われる．こうした中，国際的に広く利用されるモデルが定まりつつある．これらの構築や改良に対して，日本が積極的にコミットしていくことも重要であろう．とくに，東アジア，東南アジア地域特有の水田にも対応できるようにするためのアプローチは積極的に発信すべきであると考えられる．土壌物理学での HYDRUS だけではなく，同様のことは，地下水学での MODFLOW，水文学での SWAT（Soil and Water Assessment Tool），気象学での WRF Model（Weather Research and ForecastingModel），物質循環学での DNDC Model（DeNitrificationDeComposition Model）などについてもいえると考えている．
しかし，私としては，今後も灌漑排水に関わる問題に取り組みながら，その中から「おもしろい」土壌物理研

Cary, J.W. and Taylor S.A. (1962): The interaction of the simultaneous diffusions of heat and water vapor. Soil Sci. Soc. Am.
Proc., 26: 413–416.
de Vries, D.A. (1958): Simultaneous transfer of heat and moisturein porous media. Trans. A.G.U., 39(5): 909–916.
Groenevelt, P.H. and Bolt, G.H. (1969): Non-equilibrium thermodynamics of the soil-water system: Review paper. J. Hydrol.,
7: 358–388.
Jury, W.A. and Miller, E.E. (1974): Measurement of the transportcoefficients for coupled flow of heat and moisture in a mediumsand. Soil Sci. Soc. Am. Proc., 38: 551–557.
Milly, P.C.D. (1982): Moisture and heat transport in hysteretic, inhomogeneous porous media: A matric head-based formulation
and a numerical model. Water Resour. Res., 18(3): 489–498.
Milly, P.C.D. (1984): A simulation analysis of thermal effects onevaporation from soil. Water Resour. Res., 20(8): 1087–1098.
Onsager, L. (1931a): Reciprocal relations in irreversible processes. I. Phys. Rev., 37: 405–426.
Onsager, L. (1931b): Reciprocal relations in irreversible processes. II. Phys. Rev., 38: 2265–2279.
Šimůnek, J., Huang, K. and van Genuchten, M.Th. (1998): The
HYDRUS code for simulating the one-dimensional movementof water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. Version 6.0, Research Report No. 144, U.S. Salinity Laboratory, USDA, ARS, Riverside, California, 164pp.
Sophocleous, M. (1979): Analysis of water and heat flowin unsaturated-saturated porous media. Water Resour. Res.,
15(5): 1195–1206.
Philip, J.R. and de Vries, D.A. (1957): Moisture movement inporous materials under temperature gradients. Trans. A.G.U.,
38(2): 222–232.
Prunty, L. (1992): Thermally driven water and octane redistribution in unsaturated, closed soil cells. Soil Sci. Soc. Am. J.,
56(3): 707–714.
塩沢 昌 (1991): 米国での水と熱の移動の研究．農業土木学会
土壌物理研究部会，第 30 回研究集会報告集：1–16．
溝口勝 (2015): 私の土壌物理履歴書．土壌の物理性，130：35–37．