地下灌漑システム「ＦＯＥＡＳ」の開発
株式会社パディ研究所 ○小野寺恒雄
独立行政法人農業工学研究所 藤森新作、谷本 岳、若杉晃介
１．はじめに
平成 14 年 12 月 3 日に決定された「米政策改革大綱」において、「自然環境の保全など多面的機能の発揮、自給率の向上が図られるよう、田畑輪換を中心とした水田営農、水利用事情などを踏まえた畑地化などの水田の利活用」を推進する必要があるとしている。水田の畑地利用を推進する上で障害となっているのは、「湿害と干ばつ」であり、この対策の一つとして、暗渠施工とこれを利用した地下水位・土壌水分調節がある。 従来の地下灌漑の方法としては、暗渠への圧力水の注水や排水路水位の堰上げなどがある。しかし、前者は地下水位を一定に維持することや注入水量の調節が難しく、また、後者は農区全体が均平な場合は比較的容易に水位調節を行えるが、現実には各水田で高低差があることや排水路の堰上げによる法面崩壊、大雨時等の堰管理などの問題を持っている。
一方、最近では用水側より一定水量を暗渠内に注水し、排水側水閘に水位調節機能を持たせた方法も試みられている。しかし、暗渠の上流側から用水を注水する場合、用水中に含まれる泥やゴミなどが暗渠内部に堆積し、やがては暗渠自体が機能しなくなる恐れがある（写真１）。そこで、①暗渠組織を使用して地下灌漑を行う際に、用水中に含まれる泥などを除去できること、②万一堆積した場合には簡単に洗浄できること、③注水量及び地下水位の調節が容易に行えること、④コストを従来の一般的な暗渠排水施工の場合に近づけること、⑤換地等を伴わず既成水田の整備水準を向上することなどを目的に地下灌漑システムの開発を行った。 写真１ 用水路に堆積した泥及び暗渠管洗浄時の状況
なお、本システムは(独)農業工学研究所と（株）パディ研究所の共同研究によって開発したものであり、特許出願中である。
２．地下灌漑システム「ＦＯＥＡＳ」の概要（１）開水路のパイプライン化
開水路からの用水を 利用して地下灌漑を行う場合に、末端用水路には水路維持用水も含めた一定量を送水し、さらには、地下水位を一定に維持するためには、少量の用水を常に送水する必要がある。しかし、現実には送水量の調節が非常に難しく、相当量の無効放流を生じる恐れがあり、下流水
写真２ 開水路のパイプライン化による農道の拡幅
田まで均一に用水を供給することは不可能に近い。そこで、土水路や老朽化したコンクリート水路の改修と各水田の必要水量を安定的に供給することを目的として、簡易なパイプライン化を考案した。なお、パイプライン化は末端水路において必要とする水量のみが幹線水路から取水されることから、用水不足の解消につながる。さらに、従来の開水路内にパイプを敷設して上に土を盛ることによって、道路の拡幅も実現する（写真２）。しかし、従来のパイプラインは田面よりも低く埋設されていたが、既設の開水路は田面よりも高い位置にあるため、パイプラインの中には常に空気が入り、水の流れを阻害する。そこで、従来よりも大容量でかつ安価な空気弁を開発し、これをパイプラインの最末端及び途中数カ所に設置することで解決した。

（２）ＦＯＥＡＳの特徴
圃場に埋設した有孔管などによる幹線・支線パイプ及び補助孔（弾丸暗渠等）に対して、用水を供給すると共に、田面排水機能を兼ね備えた、用排水ボックスと地下水位を制御する水位制御器及び貯水制御器を独自のレイアウトで配置することにより、暗渠排水と地下水位制御を両立した（図 1）。また、地下灌漑で問題となっていた用水に含まれている泥や砂を特定の管路（幹線パイプ）へ一時堆積 させるとともに、その堆 積 物 の除去が簡単に行える。

図１ ＦＯＥＡＳシステム（３）地 下 埋 設 管 の レ イ ア ウ ト と 用 水 の 流 れ①用 水 を幹 線 パイプを通 じて、水 位 制 御 器 側 まで導 く間 に泥 等 を沈 殿 させることから、支 線 パイプ内 にはきれいな用 水 を供 給 する。 ②支 線 パイプ（有 孔 管 ）に対 して直角 に 1m間 隔 で補 助 孔 を設 けることで、
圃 場 全 体 を均 一 な地 下 水 位 ・土 壌 水 分 とすることができる。 ③支線パイプを浅層（50〜60cm）に水平埋設＊１することで、掘削時間や疎水材が削減できるため、用排水ボックスや水位制御器、補助孔を施工しても、コストは従来の一般的な暗渠施工代と変わらない。 ④排水路への放流位置が従来よりも高いことから、排水路を浅くすることも可能となる。
（４）地下水位のコントロール方法①地下水位が低下している場合（図２）水位制御器の水位設定高よりも地下水 位が低い場合には、用排水ボックス内の給水バルブを開栓し、地下給水孔を通じて、幹線パイプ内に給水する。水位制御器まで到達した用水は、支線パイプに流入した後、設定水位に応じて疎水材内を上昇し、疎水材と連結している補助孔を通じて圃場全体に均一に給水される。

図２ 地下水位が低下している場合の水の流れ

図３ 地下水位が設定水位よりも高い場合の流れ②地下水位が設定水位よりも高い場合（図 ３）
用水が過剰に給水された場合や降雨に伴う浸透水によって、水位制御器の水位設定高よりも地下水位が高くなった場合は、過剰水が補助孔から支線パイプに集水され、水位制御器の上部（水位設定高）から越流して排水される。

図４ 地下灌漑水閘からの越流試験（５）支線パイプ（吸水渠）の管径
暗渠排水の最大排水量である 50mm減水深の場合における 50a区画水田の排水量は 2.9 ㍑／ｓｅｃ（5000 ㎡×50mm/86,400）で地下灌漑水閘の越流水深は50mmとなる（図４・５）。このことから、暗渠排水時の最大動水勾配＊２を 250mm以内としておけば田面下 300mm（大豆など畑作物栽培時において最適と思われる地下水位）の地下灌漑時おいても田面に湛水する恐れはない（図６）。また、地下灌漑時の最大用水供給量は水稲栽培時における普通期の日減水深を採用し、その時の水田内最大水位差（用水枡→幹線パイプ→支線パイプ）を 50mmとする。
排水時と地下灌漑時の双方で検討し、太い方の管径を採用する。

60越流水深（ｍｍ）

504030201000102030405060暗渠排水量（ｍｍ）

図５ ５０ａ区画における排水量と水閘越流水深

図６ φ50mm 管における満流時の導水勾配

吸水管延長 100m、間隔 10m、日排除量 50mm の場合の動水勾配を示す。この場合のマニング式は n=0.012を採用した。また、実測値はポリパイプにおける流量と水位差の関係の実験を行い、その実測値から計算した。
実測値の方が 20％程度水位差が少なくとも流れるが、これは余裕とみればよい。

（６）補助孔の施工間隔①農工研内の関東ローム水田において、地下灌漑を行い、目標とする地下水位を維持するために必要な補助孔の間隔を調査した結果では、1.0〜1.5ｍが望ましいことが明らかとなった（図７）。
②岩手県胆沢南部地区の重粘土土壌の水田において、補助孔の間隔と土壌水分の関係を調査した結果、土層改良の基準ラインから0.5m までの位置が最も地下灌漑に対する反応のよいことが明らかとなった。本暗渠のみの場合には地下灌漑を行っても、その中間地点で
図７ 補助孔間隔と地下水位の関係は土壌水分の増加が見込めない（図８）。
③農工研内の実験水田において、ほ場の傾斜及び土層改良と大豆収量の関係を調査した結果、補助孔間隔 1.0m と 1.5m では平均で380kg/10a となった（表１）。土壌水分を安定的に維持することによって収量増加を期待できることが明らかとなった。
④上記結果を総合的にみて、組み合わせ暗渠による排水性の改善または地下灌漑による地下水位及び土壌水分の調節を図るためには、補助孔間隔を密にする必要があり、その間隔
図８ 補助孔間隔と土壌水分の関係は 1m 程度が望ましいといえる。
（７）新しい土層改良工法
アーム式土層改良工法
表１ 弾丸暗渠間隔と大豆収量の関係
バックホーのブーム先端に取り付けた自（地下灌漑を実施）
kg/10a
在補助孔施設装置によって、掘削長最大5m で予め設定した深さに口径 10cm の管状の間隙とその周囲に多数の亀裂とを形成する(図 9)。従来のトラクタ牽引の弾丸暗渠施工では不可能であった、田面外からの掘削を始めることも可能であり、上部水田や地区外からの湧水処理にも適している。また、施工後の圃場を自機により踏圧を掛けることも無く、良好な透水性を保つ。装置には 1m 間隔で２つの弾丸を取り付けている（図 10）。

（８）コスト

図 9 補助孔の断面表２ 標準的な暗渠排水とＦＯＥＡＳのコスト比較（1 例）

図 10 アーム式土層改良機（補助孔作業機）
従来の暗渠とＦＯＥＡＳの 10アール当たりのコスト比較を行った（表２）。30 アール区画の場合 既設用水パイプラインがある場合のコスト(10aあたりの単価比較)
では、従来の暗渠が 80 千円に基準面積３０ａ
基準面積５０ａ
暗渠排水
ＦＯＥＡＳ
暗渠排水
ＦＯＥＡＳ
対し、ＦＯＥＡＳは 137 千円で 57
金額
備考金額
備考
金額
備考金額
備考千円のアップになる。また、50 ア
暗渠排水工
68,00066,00068,00064,000ール区画の場合では従来の暗2,000 開閉6,000 地下水位設定
水閘工
4,000 開閉10,000 地下水位設定
渠が 78 千円に対しＦＯＥＡＳは 補助孔
8,000 間隔2ｍ
9,000 間隔1ｍ8,000 間隔2ｍ
9,000 間隔1ｍ
115 千円でその差は 37 千円とな
小計① 80,000
85,00078,00079,000る。さらに、用水路の管路化が10,000
6,000
既に図られている場合には、そ 用排ボックス工
洗浄孔
3,000
2,000の差は僅か 8 千円である。ＦＯＥ
小計②
13,0008,000
ＡＳは地下水位制御ができるこ
合計①+② 80,000
98,00078,00087,000と、用水路の管路化による漏水防止と幹線水路からの取水量
コンクリート用水路にパイプラインを布設した場合のコスト(10aあたりの単価比較)削減（用水不足の解消、揚水機基準面積３０ａ
基準面積５０ａ
場運転経費の削減）、道路の拡
暗渠排水
ＦＯＥＡＳ
暗渠排水
ＦＯＥＡＳ
幅（大型農業機械導入への対金額備考
金額
備考
金額
備考
金額
備考
20,000 VU200 40ｍ
25,000 VU200 30ｍ
応）といった付加価値、及び畑 用水ＰＬ工
9,000 低圧弁 1個所
5,000 低圧弁 1個所作の安定多収と品質の向上を 給水栓工
空気弁工1,000 0.18個所/30a
1,000 0.3個所/50a
考えた場合には、従来型の暗渠
盛り土敷砂利4,0003,000施工を計画する際にＦＯＥＡＳの小計③39,00029,000導入についても検討すべきと考合計①+②+③80,000
137,000
78,000116,000
える。
（９）おわりに大豆栽培では、開花時の土 壌水分不足が莢先熟の一因であると考えられており、一般的には畦間灌漑を行っているが、圃場全体に一律 に用水を供給することは難しく、用水側等で湿害が発生することがある。地下水位制御システム「ＦＯＥＡＳ 」は、既存の暗渠に僅かな装置を付加することで、暗渠本来の機能である土壌水分の排除のみならず、 地下水位を自由に制御することができ、畑作物が必要とする地下水位、土壌水分を維持することが可能であ る。 ここで開発した技術によって、水田が多目的に利用され、水田農業が多様に発展すれば幸いである。
参考文献：
＊１

谷本岳・若杉晃介・藤森新作・小野寺恒雄・浅利達朗：弾丸暗渠を組み合わせた無勾配暗渠排水試験（Ⅰ）-降雨時における排水特性- 平成 15 年度農業土木学会大会講演会 講演要旨集 p.702〜703＊２

小野寺恒雄・谷本岳・若杉晃介・藤森新作・浅利達朗：弾丸暗渠を組み合わせた無勾配暗渠排水試験（Ⅱ）-無勾配暗渠の動水勾配- 平成 15 年度農業土木学会大会講演会 講演要旨集 p.704〜705