hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
自己組織的手法によるナノ構造集合薄膜の創製とその力学特性評価

本研究では、自己組織的手法によって形態を制御したナノ構造要素群の作製が可能である動的斜め蒸着法に着目し、力学的自由度の高い構造薄膜作製法の開発、およびその特徴的な変形・強度特性の実験的評価を行った。とくに、ナノ構造に対する独自の評価実験方法を開発し、ナノ要素の非対称構造に起因する力学特性の異方性を定量的に評価するとともに、ナノ要素と基板の界面強度の支配力学を明らかにした。また、先駆的な試みとして、高強度ナノ複合構造の作製を行った。ナノメートルオーダーの3次元構造を有する要素を密集配列したナノ構造集合薄膜は、従来の材料では発現し得ない特異な力学特性を示す。その特性を用いることによって、様々な機能を持つ微小電気機械デバイスを創生することが期待できるが、その実現にはナノ構造集合薄膜の変形と破壊に関する基礎的な理解が不可欠である。本研究は、自己組織的手法によつて任意の材料に対して形態を制御したナノ構造要素群の作製が可能である動的斜め蒸着法に着目し、力学的自由度の高い薄膜作製法の開発、およびその特異な変形と破壊を支配する力学の解明を目的とする。本年度は、電子ビーム蒸着装置と動的基板制御機構を組み合わせた動的斜め蒸着装置を開発・導入し、装置の調整を行うとともに、ナノ構造集合薄膜の試作を行い、基本要素構造を有するナノ構造集合薄膜の最適な作製条件について検討を行った。とくに、酸化タンタル、チタンおよびシリコンを用いて、傾斜コラムおよびらせん構造を有するナノ構造集合薄膜の作製に成功し、構造を制御するための作製条件を明らかにした。さらに、動的斜め蒸着によりチタンおよびシリコンの均一な傾斜コラム構造を有する集合薄膜を作製し、ナノ変形特性評価装置を使用して、力学特性およびその異方性評価実験を実施した。その結果、傾斜コラム構造を有する集合薄膜では、構造の異方性に起因して微小固体との間の接触変形において変形抵抗に異方性が存在することを明らかにした。本研究は、自己組織的手法によって任意の材料に対して形態を制御したナノ構造要素群の作製が可能である動的斜め蒸着法に着目し、力学的自由度の高い薄膜作製法の開発、およびその特異な変形と破壊を支配する力学の解明を目的とする。本年度は、前年度に開発・導入した動的斜め蒸着装置を用いて、金属(チタン)を素材としてシリコン基板上に寸法の異なる傾斜コラム、直立コラム、およびらせん構造を有するナノ構造集合薄膜を作製した。これらのナノ構造要素およびその集合薄膜に対する塑性変形特性および強度の評価実験手法を開発した。ナノ構造を考慮した強度モデルを考案するとともに、有限要素法による変形解析を行い、ナノ要素の形態と変形・強度特性の相関について検討した。一方、構造の異方性に起因する力学特性の異方性に着目し、ナノ構造集合薄膜の摩擦特性評価実験を実施した。その結果、構造に異方性のある傾斜ナノコラム集合薄膜では、コラムの変形モードの相異によって、摩擦抵抗に大きな異方性が発現することを明らかにした。さらに、微小試験片を用いた独自の評価実験手法により、ナノ構造集合薄膜と基板の界面におけるはく離強度評価に着手し、コラムと基板の界面強度の異方性について検討を進めている。とくに、ナノ要素と基板の界面では、界面端部にナノスケールの特異応力場が存在するが、このような微小な特異場が強度に及ぼす影響は明らかになっていない。本年度は、その解明のため、ナノ構造要素を基板と均質層で挟み込んだサンドイッチ構造からなるマイクロ試験片を用いた独自の界面強度評価実験方法を開発した。本手法を用いて、チタン傾斜ナノコラムとシリコン基板の界面強度評価実験を実施した。その結果、ナノ構造を制御することによって巨視的な構造としての界面強度を制御できること、直径が10nmオーダーのナノ構造の界面破壊はnmオーダーの極めて局所的な応力拡大によって支配されることを明らかにした。さらに本年度は、自己組織的手法によって外部構造を付与することによって変形裕度を大幅に向上した自立ナノ薄膜、およびナノ構造集合膜にナノ粒子を集積させたナノ複合構造を創生し、それらの機械的特性を評価した。また、ぜい
高電圧直流絶緑システムの高性能化と寿命評価に関する研究

空間電荷分布計測装置(既存装置および13年度申請備品)を用いて、空間電荷特性および直流絶縁性能に及ぼす影響について定量的検討を行い、高性能な直流固体絶縁材料開発に対する重要な指針を得た。以下に主な成果を列記する。1.高電圧直流電力ケーブル材料として注目されている低密度ポリエチレン(LDPE)とそのブレンドポリマーの空間電荷特性と直流絶縁性能がLDPEのモホロジー,添加剤,ポリプロピレンのブレンド等と密接に関連していることを明らかにした。また,LDPEの密度を変えることにより空間電荷の挙動を制御できることを指摘した。2.LDPEの空間電荷が電極から注入された電荷により支配されており、また半導電層からのキャリヤ注入が容易であることを明らかにした。3.ポリイミド、ポリェチレンテレフタレート、テフロンFEPの空間電荷挙動を明らかにした。特に、ポリイミドでは表面層に吸着した水分によりキャリヤ注入が著しく増大し、ホモ空間電荷が増大することを明らかにした。新たに構築した部分放電(PD)計測システムとスペクトラムアナライザー(13年度申請備品)を組み合わせ絶縁劣化診断システムと,高速ゲートイメージインテンシファイア(14年度申請備品)を用いて以下の成果を得た。4.LDPE中のボイドを模擬した試料について,絶縁劣化診断システムを用いてPDパターンおよびPD電流の周波数スペクトルの経時変化を調べ,密閉ボイドの部分放電劣化のメカニズムを明らかにした。これらよりPDによる高分子絶縁材料の寿命評価が可能であることを明らかにした。5.高分子絶縁材料の寿命と密接に関連する電気トリーの開始・進展のメカニズムを、模擬トリー中の部分放電特性と発光像の経時変化から解明するとともに、PDによる電気トリーの診断法について考察した。これらの成果は、直流絶縁システムの高性能化や寿命評価の信頼性向上に大きな貢献をするものである。1.部分放電計測システムとスペクトラムアナライザー(本年度申請備品)を組合わせた新しい絶縁劣化診断システムを構築し,これを用いてポリエチレン中のボイドを模擬した試料を用いて、部分放電パターンおよび部分放電波形の周波数スペクトルが部分放電劣化の進行とともに変化する様子を調べ、密閉ボイド中の部分放電劣化のメカニズムを明らかにした。また、これらの成果は高電圧絶縁システムの絶縁劣化診断の信頼性向上に対する重要な指針を与えた。2.空間電荷分布計測装置(既存設備および本年度申請備品)を用いて,固体高分子絶縁材料中の空間電荷の挙動を解明するとともに,空間電荷と直流絶縁性能との関連を定量的研究を行った。特に、固体絶縁材料中の空間電荷の挙動が、絶縁材料の種類、印加電界、温度のみならず、電極材料、添加剤、絶縁体/絶縁体界面などに強く依存することを実験的に明らかにし、そのメカニズムを検討した。3.高電圧直流電力ケーブル材料として注目されている低密度ポリエチレンとそのブレンドポリマーの直流絶縁性能と空間電荷を詳細に調べ、ポリエチレンのモフォロジー、添加剤、ポリプロピレンのブレンド等が直流絶縁性能と密接に関連していることを明らかにするとともに、高性能な直流固体絶縁材料開発のための重要な指針を得た。4.これらの成果の一部は学術論文として公表した。平成13年度に引き続き、代表的な高分子絶縁体であるポリエチレンの空間電荷特性に及ぼすポリエチレンの固体構造や電極条件の影響を調べるともに、ポリエチレン以外の高分子絶縁材料(ポリイミド等)の空間電荷特性についても調べた。また、高分子絶縁材料の寿命と密接に関連する電気トリーの開始・進展のメカニズムを部分放電と高速ゲートイメージインテンシファイア(本年度購入備品)を用いた発光観察をもとに検討した。1.ポリエチレンの空間電荷特性がポリエチレンの固体構造と密接に関連すること明らかにするとともに、密度を変えることにより空間電荷の挙動を制御できることを指摘した。2.ポリエチレンの空間電荷が電極から注入された電荷により支配されており、また半導電層からのキャリヤ注入が容易であることを明らかにした。

3.ポリエチレン以外に、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、テフロンFEPの空間電荷挙動を明らかにした。特に、ポリイミドでは表面層に吸着した水分によりキャリヤ注入が著しく増大し、ホモ空間電荷が増大することを明らかにした。4.トリーチャンネル中の部分放電特性と高速ゲートイメージインテンシファイア(本年度購入備品)で観察した発光像の経時変化から、電気トリーの開始・進展のメカニズムを解明するとともに、部分放電による電気トリーの診断法について考察した。5.ポリエチレン中のボイド放電のPDパターン、PD電流波形、PDの周波数スペクトルの経時変化を実験的/理論的に明らかにするとともに、これらの変化から高分子絶縁材料の寿命評価が可能であることを明らかにした。これらの成果は、直流絶縁システムの高性能化や寿命評価の信頼性向上に大きな貢献をするものである。
術後回復強化プロトコルを活用した看護ケアガイドラインの構築

高侵襲手術である冠動脈バイパス術(CABG)の患者を対象に、手術記録をもとに術式をOn-pump CABG(ONCAB)とOff-pump CABG (OPCAB)に分けて年齢・性別・手術時間・術中出血量をマンホイットニーのU検定で解析し、関連性を検討した。その結果、年齢や性別に術中出血量や手術時間に有意差は認められなかったが、冠動脈バイパス術における人工心肺の使用の有無と術中出血量には有意差が認められた。今後は、術中出血量を含む周術期の患者情報と看護ケアが必要となる疼痛やせん妄、栄養状態との関連について検証する。平成27年度の研究実績の概要は下記の通りである。1.術後回復プロトコルに関わる看護ケアを明確化するため、複数の本学関連病院看護職従事者との会議を実施した。本研究は、過去の診療記録を分析することを想定しており、各施設で患者に実施された看護ケアに関して記録される文言が大きく異なっていることで、それらの看護ケア項目の分類を統一化する必要があることがわかった。過去の診療記録を活用するために、本学の倫理審査委員会の審査を受け、承認を得た。札幌市内の本学の連携協力施設に依頼し、今後データを収集する予定である。2.先行研究のクリティークによって、術後回復プロトコルに関与すると考える栄養サポートチーム(NST)と看護師との連携は、各施設独自で実施されている状況であることが明らかとなった。また、NSTがアプローチする対象患者のほとんどは消化器系の手術を受ける患者が対象であった。さらに、先行研究ではNSTに関わる看護師の具体的な看護実践も明らかとなっていないことがわかった。3.術後回復プロトコロルでは、患者の栄養状態が重要であるが、近年、ケトン体(β-ヒドロキシ酪酸)によるエネルギー産生が着目されている。ケトン体は主にβ酸化による脂肪酸の代謝によって発生し、クエン酸回路によりエネルギーとして利用される。今までは血中ケトン体血症はケトアシドーシスを引き起こすと考えられてきたが、実際はインスリンの基礎分泌があればケトアシドーシスにはならず、重度の糖尿病などでインスリンがほとんど分泌されない状態でなければ、アシドーシスとなることはないことがわかってきた。本研究では、一連のケトン体によるエネルギー産生に着目し、過去の診療記録で尿中ないし血中ケトン体が記録されている患者を対象として、術後回復の経過との関連を検討する。倫理審査の申請が受理され、診療記録提供施設へも依頼ができており、データ収集を開始する環境が整っている。平成28年度の研究実績の概要は下記の通りである。1.本研究に協力の同意が得られた施設から、循環器外科手術を受けた患者を中心として過去約10年分の診療記録のデータを収集した。得られたデータで有益な知見が得られたため、国際雑誌への論文投稿を予定している。今後は、データ項目に不足があることから、今後追加データの入力・収集を予定している。2.先行研究のクリティークにより、看護師の適時的な対応が必要なバリアンスは、術後せん妄や誤嚥性肺炎、ADL拡大に向けたリハビリテーションであることが推察された。術後せん妄は看護記録としても確実に記載される内容であるため、retrospective studyでも検討可能である。今後は、診療記録が得られた対象の看護記録から、看護師の適時的対応を要するバリアンスに関連した情報を収集する予定である。3.術後回復強化プロトコルでは、患者の栄養状態の改善が重要である。従来、栄養状態はBMIや血中のタンパク質や脂質、血糖値や糖化タンパク質の濃度などで大まかに把握されていた。しかし、分子栄養学で最も重要視されているのは、生化学的知見から得られる、エネルギー代謝機構である。身体でのエネルギーは、各細胞にある解糖系やβ酸化、クエン酸回路で産生されるアデノシン三リン酸(ATP)が共通通貨として代謝されることで得られることが明らかとなっている。大量のエネルギーが産生可能なのは、主に脂肪酸やβヒドロキシ酪酸などのケトン体が原料となる好気的代謝のβ酸化やクエン酸回路における代謝である。エネルギー産生能を明らかにするためには、過去の診療記録だけではデータ項目に不足があるため、本研究では、従来の栄養指標を用いて、分子栄養学的視点で考察し、周手術期における患者の栄養状態の評価と術後合併症や回復強化に寄与する要因を検討する。得られたデータから有益な知見が得られており、論文投稿を予定している。追加データの収集も進行中である。全身麻酔などによる高侵襲手術の術後の合併症を軽減・予防するための方略として術後回復強化(ERAS : Enhanced Recovery After Surgery)プロトコルによるチーム医療が重要であると言われている。患者のベッドサイドで常にアセスメントやケアを実践する看護師のアセスメントは重要であると考えられているが、看護師の役割である早期発見や適時的対応などのケア方法に関連した先行研究は乏しい。本研究では、冠動脈バイパス術などの循環器外科高侵襲手術を受けた患者の周術期関連情報に着目し、合併症やバリアンスと看護師もしくはその他のコメディカルが実施しているケアとの関連性について検討した。先行研究のクリティークにより、心停止下冠動脈バイバス術(ONCAB)と心拍動下動脈バイバス術(OPCAB)では、OPCABの方が人工心肺による侵襲が少ないため予後が良いとされてきたが、周術期合併症の発症率や死亡率では一概にOPCABが良いと判断できていない状況であった。

本研究では、冠動脈バイパス術の患者を対象に、手術記録をもとに年齢・性別・術式・手術時間・術中出血量などの因子を統計的手法で解析し、関連性を検討した。その結果、年齢や性別に術中出血量や手術時間に有意差は認められなかったが、術式と術中出血量には有意差が認められた。この結果について論文投稿を予定している。術中出血量以外のアウトカムに関しては未検証であり、今後は看護師の介入が求められる疼痛やせん妄、栄養状態との関連性について明らかにし、必要なケアについて検証する。高侵襲手術である冠動脈バイパス術(CABG)の患者を対象に、手術記録をもとに術式をOn-pump CABG(ONCAB)とOff-pump CABG (OPCAB)に分けて年齢・性別・手術時間・術中出血量をマンホイットニーのU検定で解析し、関連性を検討した。その結果、年齢や性別に術中出血量や手術時間に有意差は認められなかったが、冠動脈バイパス術における人工心肺の使用の有無と術中出血量には有意差が認められた。今後は、術中出血量を含む周術期の患者情報と看護ケアが必要となる疼痛やせん妄、栄養状態との関連について検証する。術後回復強化のためには、栄養状態の改善が重要であることは既に明確であったが、脂質代謝によってエネルギーを得ているか否か、つまり解糖系ではなくクエン酸回路によってアデノシン三リン酸を産生できているかが、術後回復の経過に影響すると考えられる。本研究では、尿中ないし血中ケトン体と術後回復の関連に着目したデータ分析をする。得られた有益な知見で論文投稿を予定している。追加データが完了次第、データ分析を行う。データ収集施設数の拡大を目指し、本学関連施設に研究協力を依頼する。周術期看護,栄養学当確年度では、診療記録データ入力に対する謝金が発生しなかったため。次年度の謝金の予算として割り当てる予定である。
先進工業国における経済・社会構造の変化と高等教育の課題

国内分析およびOECD国際共同研究グル-プに対するカントリ-・レポ-ト作成を行った第1、2年度に続いて、最終年度にあたる今年度は、国際共同研究の成果をふまえて、研究全体のとりまとめを行った。第一分科会の『非大学高等教育部会』では、OECD共同研究参加9か国の国別報告が出そろうのをまって各国報告の分析を行い、また各国報告のOECD事務局まとめ案に対してコメントを作成し、OECD教育委員会に提出した。これに続いて各国の動向を比較分析し、さらにわが国の短期大学および専修学校に関する政策的な含意を検討した。これをもとに、(1)日本における非大学高等教育機関の現状と問題、(2)各国における非大学高等教育機関の実態と動向、そして(3)日本の非大学高等教育機関の展望と課題、の三点をおもな内容とする分科会報告書を作成した。第二分科家である『高等教育財政部会』でも、OECD共同研究参加10か国からの国別報告を分析し、OECD事務局によるまとめ案に対するコメントを作成した。さらに高等教育財政に関する各国の動向を分析し、そのわが国の高等教育財政政策に対する意味を検討した。これをもとに、(1)日本の高等教育財政の構造とその問題点、(2)各国の高等教育財政の構造とその最近の変化、そして(3)国際的な視点からみた日本の高等教育財政の特質と政策的課題、の三点にわたった分科会報告書を作成した。なお当初、予定されていた産業構造の変化と高等教育に関する分析はOECD共同研究の体制がまだ整わないために、基礎的なデ-タ分析にとどまった。以上の作業をもとに、第1巻(本論)、第2巻(非大学高等教育機関に関する各国報告)、第3巻(高等教育財政に関する各国報告)からなる総合報告書を作成する作業をおこなった。また、非大学高等教育、および高等教育財政のそれぞれのテ-マについて、研究者、行政担当者、高等教育関係者等に広く配布するための出版物を編集した。第二分科会である『高等教育財政部会』でも、OECD共同研究参加10か国からの国別報告を分析し、OECD事務局によるまとめ案に対するコメントを作成した。これをもとに、(1)日本の高等教育財政の構造とその問題点、(2)各国の高等教育財政の構造とその最近の変化、そして(3)国際的な視野からみた日本の高等教育財政の特質と政策的課題、の三点にわたった分科会報告書を作成した。

以上の作業をもとに、第1巻(本論)、第2巻(非大学高等教育機関に関する各国報告)、第3巻(高等教育財政に関する各国報告)からなる総合報告書を作成する作業をおこなった。また、非大学高等教育、および高等教育財政のそれぞれのテ-マについて、研究者、行政担当者、高等教育関係者等に広く配布するための出版物を編集した。
海水ウランの効率的吸着採取プロセスの開発

わが国における原子力発電の電力量は、全電力量の約25%を占めている。原子力発電の燃料であるウラン資源はそのすべてを輸入に依存している。総量約42億トンと計算される海水中の溶存ウランを工業的に採取する技術の確立は、エネルギー政策上極めて重要である。本研究では、これまでの成果をふまえ経済的な海水ウラン採取プロセスの確立をめざした。研究成果として、(1)係留式海流利用海水ウラン採取システムの開発:伊万里湾の外海において、作業船のクレーンからかご型吸着床を吊るして、潮流と波の中で吸着床を上下揺させて海水と吸着剤を接触させる吸着実験をおこなった。40時間の接触で平均76μg-U/gのウランの吸着量が認められた。2ノットの海流中での吸着実験の場合と同程度の吸着量である。このことより、波力を利用した吸着床の上下揺の効果は大きいことがわかった。(2)繊維状吸着剤の係留式採取法への適用:ハネカム内に吸着繊維を充填した吸着床を実海域で係留した場合、平均潮流が約0.2m/sにもかかわらず、吸着床を固定したボートを1m/sの速度で曳航したときに匹敵する吸着量が得られた。(3)球状吸着剤の係留式採取法への適用:高性能アミドキシム型球状樹脂を充填したカラムにポンプを利用して上向に海水を流通させた。(4)中空繊維充填装置ポンプ利用システムの開発:海水温度が吸着速度に及ぼす効果について考察した。ウラン吸着の活性化エネルギーは、約20kcal/molとなった。これは、ウラン吸着速度を支配している移動過程のなかでキレート形成反応が関与していることを示す。(5)循環流動層式吸着装置による海水ウラン採取:多量の海水と吸着剤を高効率で接触させることのできる循環流動層状吸着装置の開発をおこなった。粒状アミドキシム吸着剤を用いることにより、この方法では2割以上装置規模を小さくできることが明らかになった。(6)採取システムの設計と評価:これまでの知見と1990年度よりの海洋での試験データをもとに採取システムの設計と評価をおこなった。係留固定層一海流利用システム(浮体式海水ウラン採取システム)について合わせて比較,評価をおこなった。
反応オートマタ理論に基づく化学反応計算系の基礎的研究

生命活動は生体化学反応によって維持されている.その生体化学反応における情報処理メカニズムを形式化して理解するために,我々は多重集合をベースとした計算モデルとして反応オートマトン(Reaction Automaton:RA)を提案した.この多重集合はこれまで脇役的な存在であったが,近年になって離散的状態空間における情報処理モデルの研究が盛んになるにつれて,特に化学系・生物系の計算モデルにおいてその重要性が注目されている.従来,化学反応系の研究は常微分方程式系を用いた手法が一般的であった.他方,反応系に関わる分子数と分子種の数が比較的少数である場合,状態空間を離散的な多重集合とみなす計算モデルが有効である.この離散的アプローチでは少分子系の振る舞いに関する構成的な解析が可能となり,反応系の動作機構がアルゴリズムとして理解できる(すなわち,化学反応がプログラミング可能となる)という利点を有する.本研究における目的は,分子レベルでの化学反応系の振る舞いを解析するために,多重集合をベースとする構成的な離散的計算モデルを構築し,そこで得られる計算論的な知見をもとに,最終的に化学反応に基づく反応プログラミング技法を確立する事である.本年度の研究実績は以下のとおりである.CRAモデルはDNAなど生体ナノ高分子による実装の可能性が示されており,現実的な局面において重要である.一方,生体内での高分子による反応物の変化推移プロセスを考えると,CRAモデルを拡張した記号列変換器としての形式システムの導入が有効である.そこで,多重集合の状態遷移による入力受理器である現在のCRAを『与えられた入力列に対してそれをある目的にそって処理して出力する“化学反応による記号列変換システム"』として拡張したChemical Reaction Transducers(CRT)を提案した.この反応変換器CRTはCRAに出力アルファベットΔを付加して,各反応を4項組(a,R,P,b)として定義した.ここで,(R,P)はCRAの反応規則であり,aは入力分子を,bは出力分子を表す.そしてこのモデルに関する計算能力を解析し,以下の結果を得た.(i).CRTを(分子種の個数に関して)より簡単な二つのCRT(TとT')で実現できる場合を考察した.これには,CRTの分解(Decomposition)と分割(Factorization)という2つの概念を導入し,CRTが分解可能であるための十分条件を示した.また,CRTの分割に関しては「CRTは二つのa-transducerと固定された関数とに分割できる」という表現定理を導くことができた.(a-transducerとは有限状態をもつ変換器であり,CRTをより簡単化したものである.)(ii).反応オートマトン理論は,2012年に我々が提案して以来,徐々に学界での知名度を得ているが,さらなる広報活動が必要である.そのため,招国際会議での招待講演や国際誌でのサーベイ論文の発表を行った.当初は成果発表のための海外出張を予定していたが,健康上の事情があり,共著者に代理で出張し発表してもらった.そのため研究計画の進捗はやや遅れ気味である.本研究の最終目的を考慮すると,RA/CRAモデルを拡張した“化学反応による記号列変換システム"が重要な役割を演じると思われる.すなわち,RA Transducer(RAT)や(前述の)CRTを基本とする「化学反応ネットワークによる化学反応プログラム」という概念を提案し,その実現手法である“化学反応プログラミング"を実装する方法を探究する.今後の研究の推進方策としては,1上述した拡張モデルRAT/CRTを基本的な形式モデルとするが,より簡潔なモデルを基本要素とするネットワークによる計算モデルを考察する.また,確率的要素など必要に応じて変形や拡張を行い各々のモデルを補強していく.そして,それらのもつ情報処理能力を解析する.2生体内でおこる基本的な化学反応であるDNA配列のハイブリダイゼーション,mRNAの転写,アミノ酸配列への翻訳などを,RAT/CRTの形式的枠組みを用いてモデル化を試みる.3生体内の化学反応回路の動的平衡状態などを始めとする高度な生体維持機能のメカニズムを解明するために,細胞内の生体分子群を“構造をもつ要素からなる多重集合"として抽象化したモデルを解析する.4上述のモデルの解析結果をもとに,化学反応に基づくプログラミング技法の基礎的考察を行う.生命活動は生体化学反応によって維持されているが,そのような情報処理メカニズムを形式化して理解するために,多重集合をベースとした計算モデルとして反応オートマトン(Reaction Automaton:RA)を提案した.情報科学の理論分野において,この多重集合はこれまで脇役的な存在であったが,近年になって離散的状態空間における情報処理モデルの研究が盛んになるにつれて,特に化学系・生物系の計算モデルにおいてその重要性が注目されている.従来,化学反応系の研究は常微分方程式系を用いた手法が一般的であった.他方,反応系に関わる分子数と分子種の数が比較的少数である場合,状態空間を離散的な多重集合とみなす計算モデルが有効である.この離散的アプローチでは少分子系の振る舞いに関する構成的な解析が可能となり,反応系の動作機構がアルゴリズムとして理解できる(すなわち,化学反応がプログラミング可能となる)という利点を有する.本研究における目的は,分子レベルでの化学反応系の振る舞いを解析するために,多重集合をベースとする構成的な離散的計算モデルを構築し,そこで得られる計算論的な知見をもとに,最終的に化学反応に基づく反応プログラミング技法を確立する事である.本年度の研究実績は以下のとおりである.

・細胞内で起こる種々の化学反応系をモデル化した離散系システムを導入し,細胞内の化学反応による状態変化の過程を多重集合の変換過程として定式化した計算モデルRAの制限されたモデルCRAの計算能力を解析し,またCRAの受理言語クラスの代数的な特徴付け定理を示した.・CRAにおいて決定性と可逆性がどのようにその計算能力に制約を与えるかを研究し,それらが真に制限となる事を示した.より詳細な説明は【現在までの進捗状況】に譲る.(1)我々が提案した反応オートマトン(RA)は受理計算モデルとしてTuring万能性を有することが解っている.RAの反応規則(R,I,P)のうちでIが空集合である(即ち,inhibitorがない)RAをCRA(Chemical RA)とよぶが,CRAの計算能力は線形有界オートマトンよりも真に劣ることが解っている.このCRAが受理する言語族に対して,以下のような代数的な表現定理が成り立つ事を示した.即ち,任意のCRAが受理する言語Lは,ある準同型写像hと2-局所的言語Rを用いて,L=h(Bn∩R)と表現可能である.ここで,Bnは〝部分Balanced言語"と呼ばれる固定した言語である.これにより,化学反応による計算能力に対する代数的な特徴付けが得られた.(2) CRAモデルはその性質からDNAなど生体ナノ高分子による実装の可能性が(実験室において)示されており,特に、決定性と可逆性をもつCRAは実際的な局面において重要な性質である.この決定性CRAと可逆的CRAの計算能力の解析を行い結果を得た.以上の知見は,反応系による計算メカニズムの本質を解明するひとつの成果であり,本研究の最終目的である〝化学反応プログラミングの設計技法"の構築のための基礎的な知見を与えるものと期待される.(3)本研究において基盤的な概念である〝反応オートマトン"は,2007年にEhrenfeuctとRozenbergによって提案された反応システム(Reaction System:RS)を拡張した計算モデルであり,2012年に我々が初めて導入したものである.が,一般論としてRSとの比較においてまだ世界的な知名度は得ていないと思われる.そのため,RA理論の普及を目的とした活動にも力を注ぐために,国際会議での発表や国際雑誌におけるサーベイ論文などを通して,RA理論の普及を行った.生命活動は生体化学反応によって維持されている.その生体化学反応における情報処理メカニズムを形式化して理解するために,我々は多重集合をベースとした計算モデルとして反応オートマトン(Reaction Automaton:RA)を提案した.この多重集合はこれまで脇役的な存在であったが,近年になって離散的状態空間における情報処理モデルの研究が盛んになるにつれて,特に化学系・生物系の計算モデルにおいてその重要性が注目されている.従来,化学反応系の研究は常微分方程式系を用いた手法が一般的であった.他方,反応系に関わる分子数と分子種の数が比較的少数である場合,状態空間を離散的な多重集合とみなす計算モデルが有効である.
銅酸化物超伝導体の擬ギャップ状態のバックフロー効果によるモンテカルロ法での研究

銅酸化物超伝導体は、ホールドーピング、電子ドーピング双方をすることが出来、ゼロドープの場合には反強磁性絶縁体でありドーピングにより超伝導が発現すると考えられていた。超伝導転移温度Tcが100Kを超えるのはホールドーピングの場合であり、電子ドーピングの場合には最大でもTcは30K程度である。両者で結晶構造は異なるが、共に銅と酸素から成る2次元面上で超伝導が発現していると考えられている。近年、電子ドープ型の銅酸化物超伝導体は、ゼロドープでも絶縁体ではなく超伝導が発現することが報告された。我々は、電子ドープ型銅酸化物超伝導体のゼロドープ超伝導を説明するため銅と酸素の軌道を考慮した3バンドのハバード模型(d-p模型)の基底状態を変分モンテカルロ法により調べた。この模型は銅と酸素のサイト間の一体のポテンシャル差Δが小さく、ゼロドープの場合には基底状態が反強磁性絶縁体にならないと考えられており、そのときに超伝導状態が安定化する可能性を調べた。特に、反強磁性とd波の超伝導の試行波動関数によるエネルギーの比較を行った。d-p模型は軌道自由度を持つ系であるため、試行波動関数に含まれる変分パラメータの数が必然的に増える。我々は100万個以上の変分パラメータを導入し、軌道の自由度を十分に取り込んで計算を行った。ハミルトニアンに含まれるパラメータとしては銅サイトと酸素サイト間の跳び移り積分tpdをエネルギーの単位として、Δ、銅サイト上のクーロン斥力Ud、最近接の酸素間の跳び移り積分t'、ドープ率δを考慮する。結果として、銅酸化物超伝導体で実現していると考えられているパラメータ領域では反強磁性状態の方が超伝導状態に比べてエネルギーが低いことが分かった。つまり、ホールドーピング、電子ドーピング共に実験で超伝導が観測されているドープ率でも反強磁性状態の方がエネルギーが低いという結果になった。27年度が最終年度であるため、記入しない。1.銅酸化物超伝導体は母物質がモット絶縁体であり、2次元ハバード模型が、そのモデルとして長く研究されてきた。この模型は電子密度が1のときで磁性を仮定しないと、相互作用の増大に伴い金属絶縁体転移を起こす。系が金属なのか絶縁体なのかは状態密度が求まっていれば、そのギャップの有無で判定が可能であるが、変分モンテカルロ法のように基底状態のみしか求まらない手法では適用できない。そこで、我々は波動関数の局在長による判定方法を格子模型に対して変分モンテカルロ法により初めて適用した。2.銅酸化物超伝導体は超伝導転移温度よりも高い温度において時間反転対称性などが破れることに伴う擬ギャップが観測されている。擬ギャップの原因としては交替フラックス状態などの候補はあるものの、解明はされていない。銅酸化物超伝導体と同様に、強相関が本質的に超伝導の原因になっていると考えられているκ-ET塩などの有機物超伝導体は三角格子ハバード模型がよいモデルになると考えらている。ChubukovとStarykhが磁場を印加した異方的ハイゼンベルグ模型において交替フラックス状態のスピン版とでもいうべきスピンカレント(SC)状態が発現するという論文を提出した。κ-ET塩においても擬ギャップが現れるが、三角格子であるため銅酸化物超伝導体と同様の交替フラックス状態の実現は難しいと考えられ、SC状態はその候補になりうる。そこで我々は変分モンテカルロ法を用いて、まずは非磁性状態とSC状態のエネルギーを三角格子ハイゼンベルグ模型に対して異方性と磁場の大きさを変化させながら比較した。この結果、ほぼ等方的でかつ磁化m>0.5の領域においてSC状態のほうがエネルギーが低くなった。更に以前よりこの領域で基底状態になると考えられていたV字型のスピン秩序状態とSC状態のエネルギーを比較しV字型スピン秩序状態がこのパラメータ領域においては最安定であるという結果を得た。銅酸化物超伝導体は超伝導転移温度(Tc)より高温の領域において擬ギャップが観測されている。この擬ギャップがTcとどのように関係するのかということは擬ギャップが観測されて以来の問題であり、未だに議論の対象である。スピン偏極中性子散乱の実験では、この領域において並進対称性は破らないが、時間反転対称性が破れているという結果が得られている。このような状態は電気伝導を担う2次元のCuO2面において、銅と最近接の2つの酸素からなる局所的な三角形において電流が流れている状態が実現している可能性がVarmaにより指摘されていた。この局所電流状態はWeberらが銅のd軌道と酸素のp軌道を考慮したd-p模型に対して変分モンテカルロ法(VMC)を適用した計算から頂点酸素を考慮することにより、銅と酸素の一体のポテンシャル差が十分に小さい時に安定化することが報告されている。また、光電子分光の実験では、擬ギャップの領域において2倍周期を示唆するシャドウバンドが観測されている。この結果は銅酸化物超伝導体の最も簡単な模型であるt-J模型に対する理論から、交代電流状態が実現している可能性が指摘されている。我々は、VMCをハバード模型に対して適用する際に、上記の交代電流状態を安定化させるためには電子配置に依存した位相因子が不可欠であることを見出した。電流が流れている状態に対して、この位相因子は重要であると考えられるが、Weberらはこの因子を考慮していなかった。以上のことから、我々は位相因子を導入し、d-p模型に対して頂点酸素を考慮せずに計算を行った。

そして、非磁性状態に対して交代電流状態の方がエネルギーが小さいパラメータ領域の存在を確認した。しかし、局所電流状態は、エネルギーが下がる領域は現在のところ見つかっていない。銅酸化物超伝導体は、ホールドーピング、電子ドーピング双方をすることが出来、ゼロドープの場合には反強磁性絶縁体でありドーピングにより超伝導が発現すると考えられていた。超伝導転移温度Tcが100Kを超えるのはホールドーピングの場合であり、電子ドーピングの場合には最大でもTcは30K程度である。両者で結晶構造は異なるが、共に銅と酸素から成る2次元面上で超伝導が発現していると考えられている。近年、電子ドープ型の銅酸化物超伝導体は、ゼロドープでも絶縁体ではなく超伝導が発現することが報告された。我々は、電子ドープ型銅酸化物超伝導体のゼロドープ超伝導を説明するため銅と酸素の軌道を考慮した3バンドのハバード模型(d-p模型)の基底状態を変分モンテカルロ法により調べた。この模型は銅と酸素のサイト間の一体のポテンシャル差Δが小さく、ゼロドープの場合には基底状態が反強磁性絶縁体にならないと考えられており、そのときに超伝導状態が安定化する可能性を調べた。特に、反強磁性とd波の超伝導の試行波動関数によるエネルギーの比較を行った。d-p模型は軌道自由度を持つ系であるため、試行波動関数に含まれる変分パラメータの数が必然的に増える。我々は100万個以上の変分パラメータを導入し、軌道の自由度を十分に取り込んで計算を行った。ハミルトニアンに含まれるパラメータとしては銅サイトと酸素サイト間の跳び移り積分tpdをエネルギーの単位として、Δ、銅サイト上のクーロン斥力Ud、最近接の酸素間の跳び移り積分t'、ドープ率δを考慮する。結果として、銅酸化物超伝導体で実現していると考えられているパラメータ領域では反強磁性状態の方が超伝導状態に比べてエネルギーが低いことが分かった。つまり、ホールドーピング、電子ドーピング共に実験で超伝導が観測されているドープ率でも反強磁性状態の方がエネルギーが低いという結果になった。今までは、銅酸化物高温超伝導体の最も簡単な模型であると考えられているハバード模型について計算を行っていたが、現実の物質により近いと考えられるd-p模型について計算を行えるようにプログラムを変更し、また、Umrigarらが報告した多量の変分パラメータを最適化する方法を導入した。そしてd-p模型において擬ギャップ状態の候補の一つと考えられる交代電流状態が非磁性状体よりもエネルギーが下がることを確認した。27年度が最終年度であるため、記入しない。銅酸化物高温超伝導体の良い模型であるd-p模型に対して変分モンテカルロ法を適用した計算では、頂点酸素を考慮しないときにはホールをドープした際に、反強磁性状態が広いドープ領域に渡って安定であるという結果が報告されている。現実の物質ではホールのドープと共に超伝導が発現するため、試行波動関数の改善、又は、頂点酸素まで考慮した模型を計算する必要があると考えられる。しかし、d-p模型はユニットセル内に3つの原子があるため、自由度が大きく、理論計算には計算コストが大きくなるため先行研究は数が少ない。
S/N転移式及びリアクトル式整流器型限流器の最大限流性能の解明

一直流限流素子による三相限流遮断器の限流と遮断特性の働きをするS/N転移素子と高温超伝導コイルの超伝導特性並びに電磁現象を研究して、必要とされるS/N転移素子とコイルの電磁特性を明らかにした。これにより、優れた限流遮断特性を得るためのS/N転移型及びリアクトル式整流器型限流器の限流性能を解明した。また、両方式の限流遮断特性の相異を明確にし三相限流遮断器の方向付けを行った。三相回路における事故電流の限流と遮断について実験とシミュレーションで一直流リアクトル型三相限流遮断器の基本特性を自動遮断とゲート遮断について検証した。6.6kV電力系統に最適な一直流リアクトル型限流器の検討では、損失やコイルに必要なエネルギーなどの点から従来考えられている3リアクトル方式と比較検討をした。更に、Bi-2223からなる高温超伝導バルク体を用いた直流S/N転移型三相限流遮断器について一個の素子で三相回路における事故電流に対し限流と遮断が可能であることを小型モデルによる試験とシミュレーションにより明らかにした。高温超伝導コイルとS/N転移素子を組み合わせたハイブリッド型限流遮断装置の可能性について実験と解析によりその特性を解明し上述の他の方式と比較をした。直流リアクトルについては磁気異方性を考慮してBi系銀シース高温超伝導線を使用したコイル最適化の検討をし最適なコイル断面を示すことができた。高温超伝導体の成型撚線による大電流化と成型撚線導体の相間リアクトルによる均流化を実験と解析でその可能性を示した。以上により一直流限流素子型三相限流遮断器を実現するための指針を明らかにした。一直流限流素子による三相限流遮断器の限流と限流遮断特性の働きをするS/N転移素子と高温超伝導コイルの超伝導特性並びに電磁現象を研究して、必要とされるS/N転移素子とコイルの電磁特性を明らかにする。これにより、優れた限流遮断特性を得るためのS/N転移式及びリアクトル式整流器型限流器の最大限流性能を解明する。また、両方式の限流遮断特性の相異を明確にし三相限流遮断器の方向付けをする。この目的を達成するために以下の研究を行った。リアクトル型では一個の高温超伝導コイルは変圧器の二次側でサイリスタとダイオードからなる変形混合ブリッジに接続されている。この方式では、バイアス電流を用いた自動遮断とサイリスタのゲート信号をオフすることによるゲート遮断が可能である。三相回路における事故電流の限流と遮断について実験とシミュレーションで一直流リアクトル型三相限流遮断器の基本特性を検証した。更に、Bi-2223からなる高温超伝導バルク体を用いた直流S/N転移型三相限流遮断器について一個の素子で三相回路における事故電流に対し限流と遮断するが可能であることを小型モデルによる試験とシミュレーションにより明らかにした。高温超伝導体の成型撚線による大電流化と成型撚線導体の均流化を検討した。高温超電導線材一本の電流容量では不十分なため、線材を多数本束ねて集合導体とする方法が一般的である。しかし、集合導体では各素線間の磁気的結合のアンバランス等により、電流が各素線に均一に流れない偏流現象が発生する。これは超電導体の交流損失を増大させる原因になる。このため偏流防止対策の確立が求められている。

各素線に流れる電流を均流化する方法として相間リアクトルの適用を考案し実験を行ない、その有効性を確認した。直流リアクトルについて臨界電流、フラックス・フロー損失、磁気異方性を考慮してBi系銀シース高温超伝導線を使用したコイル最適化の検討をした。Bi-2223/Agテープ線の測定によって得られた臨界電流およびn値の近似式に基づいてコイルの特性解析をした。コイルの臨界電流はコイル断面のアスペクト比がおおきくなるにつれて減少することがわかった。これをふまえてコイルのフラックスフロー損失を解析した結果、コイル断面アスペクト比α=3.2の体積最小点で極小になることから、コイルF係数を一定として考えた場合において体積が最小となるコイル形状が磁気異方性を考慮した場合においても、最適な形状であることを明かにした。高温超伝導コイルとS/N転移素子を組合わせたハイブリッド型限流遮断装置の可能性について実験と解析により調べた。直流リアクトル型限流遮断器では限流コイルのコストなどの課題があり、直流S/N転移型限流遮断器では大バルク体の製作性やバルク体の電流遮断後の超電導復帰などの課題がある。その問題の解決を目指して単相回路および三相回路における直流ハイブリッド型限流遮断器について実験およびシミュレーションを行い、自動遮断方式とゲート遮断方式の両方式について、各種事故時における限流遮断動作を確認した。また、6kV-2000A配電系統での検討を行い、直流ハイブリッド型限流遮断器の実用化への可能性を検討した。今までに実施した一直流限流素子型三相限流遮断器におけるS/N転移式整流器型限流器の限流と限流遮断特性の解明、リアクトル式整流器型限流器の限流と限流遮断特性の解明およびしハイブリッド型限流遮断装置の研究をもとにこれらの三方式について下記の主要事項に関し総合検証と比較・評価をした。(1)常時の通電特性、事故時の限流・遮断性能(2)限流遮断装置の事故時における損失(3)事故除去後の復帰特性(6)技術の難易以上により、以下を解明することができた。(1)一直流リアクトル型、S/N転移型、ハイブリッド型三相限流遮断器の限流と遮断特性を実験と解析で検討し、最適な装置を追求した。(2)直流リアクトルについて臨界電流、フラックス・フロー損失、交流損失、磁界配位、磁界変化率の因子を考慮してBi系銀シース高温超伝導線を使用したコイル最適化の検討をした。(3)高温超伝導体の成型撚線による大電流化と成型撚線導体の均流化を図った。(4)S/N転移型及びリアクトル型、ハイブリッド型限流器の限流性能を総合評価、比較した。
特発性肺線維症における炎症細胞アポトーシス誘導因子の臨床応用

特発性肺線維症において気管支肺胞洗浄液中RCAS1濃度は非特異的間質性肺炎を含めたコントロール群と比較して有意に高値であった。抗RCAS1抗体を用いた特発性肺線維症の肺組織に対する免疫染色では,肺胞マクロファージ,II型肺胞上皮細胞,リンパ濾胞のBリンパ球,リンパ濾胞周囲のTリンパ球,線維芽細胞巣の線維芽細胞においてRCAS1陽性であった。特発性肺線維症において血清中RCAS1濃度は健常ボランティアと比較して有意に高値であった。血清中RCAS1濃度は気管支肺胞洗浄液中RCAS1濃度と正の相関を認めた.特発性肺線維症において血清中RCAS1濃度は、%FVCと有意に負の相関を認めた。特発性肺線維症は肺の線維化により進行性の呼吸不全をきたす難治性肺疾患である。特発性肺線維症の病態における重要な特徴は、肺病巣局所においてリンパ球増加がみられないことである。近年我々はリンパ球アポトーシス誘導因子であるReceptor-bindingcancer antigen expressed on SiSo(RCAS1)が特発性肺線維症の肺病巣部に高発現していることを見いだした。特発性肺線維症の病巣においてリンパ球の過剰なアポトーシスが誘導されており、そのためリンパ球からのinterferon-γ(IFN-γ)産生が低下し、過剰な線維芽細胞の活性化・増殖、コラーゲンの沈着、瘢痕形成を引き起こし、肺線維化を促進するものと考えられている。一方、活性化されたリンパ球にはRCAS1のreceptorが存在しており、RCAS1がその受容体を介して活性化されたリンパ球のアポトーシスを誘導し、その増殖を抑制することが明らかになっている。本研究の目的は、特発性肺線維症におけるRCAS1の肺線維化における役割を解明し、最終目標は治療応用へ発展させることである。計画している研究の具体的項目は、1特発性肺線維症の気管支肺胞洗浄液・肺組織中RCAS1, IFN-γ発現の検討、2特発性肺線維症におけるRCAS1産生細胞の同定、3特発性肺線維症でのRCAS1特異的なリンパ球アポトーシスの誘導作用とIFN-γ産生の検討、4ブレオマイシン肺線維症マウスモデルにおけるRCAS1発現亢進・低下による肺線維化の影響の検討、である。近年我々はリンパ球アポトーシス誘導因子であるReceptor-binding cancerantigen expressed on SiSo(RCAS1)が特発性肺線維症の肺病巣部に高発現していることを見いだした。

特発性肺線維症の病巣においてリンパ球の過剰なアポトーシスが誘導されており、そのためリンパ球からのinterferon-γ(IFN-γ)産生が低下し、過剰な線維芽細胞の活性化・増殖、コラーゲンの沈着、瘢痕形成を引き起こし、肺線維化を促進するものと考えられている。一方、活性化されたリンパ球にはRCAS1のreceptorが存在しており、RCAS1がその受容体を介して活性化されたリンパ球のアポトーシスを誘導し、その増殖を抑制することが明らかになっている。本研究の目的は、特発性肺線維症におけるRCAS1の肺線維化における役割を解明し、最終目標は治療応用へ発展させることである。計画している研究の具体的項目は、(1)特発性肺線維症の気管支肺胞洗浄液・肺組織中RCAS1, IFN-γ発現の検討、(2)特発性肺線維症におけるRCAS1産生細胞の同定、(3)特発性肺線維症でのRCAS1特異的なリンパ球アポトーシスの誘導作用とIFN-γ産生の検討、(4)ブレオマイシン肺線維症マウスモデルにおけるRCAS1発現亢進・低下による肺線維化の影響の検討、である。特発性肺線維症でのRCAS1特異的なリンパ球アポトーシスの誘導作用とIFN-γ産生の検討を行っているが、患者サンプルを使用して行う研究であるため頻回のサンプル採取が困難であり、次年度も継続して行う必要がある。(1)特発性肺線維症の気管支肺胞洗浄液・肺組織中RCAS1, IFN-γ発現の検討;特発性肺線維症における気管支肺胞洗浄液中RCAS1濃度は、非特異的間質性肺炎、健常ボランティアと比較して有意に高値であることを見いだした。そのRCAS1濃度は気管支肺胞洗浄液中リンパ球数と有意に負の相関を示しており、RCAS1がリンパ球のアポトーシスに関与している可能性が示唆された。IFN-γ発現の検討に関しては今後行う予定である。(2)特発性肺線維症におけるRCAS1産生細胞の同定;免疫染色では特発性肺線維症の肺組織では、RCAS1はII型肺胞上皮細胞において陽性であり、単位面積当たりの陽性細胞数は非特異的間質性肺炎、肺癌組織の健常部分と比較して有意に高値であった。(3)特発性肺線維症でのRCAS1特異的なリンパ球アポトーシスの誘導作用とIFN-γ産生の検討;この実験に関しては行えていないため、次年度以降に行う予定である。ブレオマイシン肺線維症マウスモデルにおける研究において(1) RCAS1過剰による肺線維化への影響、(2) RCAS1抑制による肺線維化への影響に関して研究を引き続き進行する予定である。特発性肺線維症でのRCAS1特異的なリンパ球アポトーシスの誘導作用とIFN-γ産生の検討も併せて行う予定である。ブレオマイシン肺線維症マウスモデルにおける研究において(1) RCAS1過剰による肺線維化への影響、(2) RCAS1抑制による肺線維化への影響に関して研究を進行する予定である。昨年度遂行できなかった気管支肺胞洗浄液、肺組織中IFN-γ発現の検討、特発性肺線維症でのRCAS1特異的なリンパ球アポトーシスの誘導作用とIFN-γ産生の検討も併せて行う予定である。(1)特発性肺線維症患者サンプルを用いた研究において、細胞培養、Apoptosis同定のための試薬購入が必要である。
社会の文化的多様性を踏まえたセクシュアリティ教育に関する比較教育社会学研究

ヨーロッパでは近年、セクシュアリティ教育の重要性が改めて認識され、カリキュラムの策定や制度化の動きが進んでいる。社会の構成員の文化的背景の多様化が進む社会においてセクシュアリティ教育を実施するにあたっては、多様な文化的・宗教的価値観をいかに考慮すべきかという問いを避けて通ることはできない。本研究は、世俗的・科学的セクシュアリティ教育が推進されてきたオランダとベルギーのセクシュアリティ教育をめぐるポリティクスを教育政策・実践論の観点と現代移民研究/現代イスラーム社会論の観点から分析することを通じて、社会の文化的・宗教的多様性を踏まえたセクシュアリティ教育の方途を考察することを目的とする。
農地,とくに水田の水収支パターンの地域生態的評価に関する研究

本研究は、農地、とくに水田における水利用・水管理手法が地域生態系に及ぼす影響を評価し、地域保全のための基礎的知見を得ることを目的としたものである。2カ年にわたり、立地条件の異なる農業流域を対象とした調査研究を実施した結果、以下の成果が得られた。1.嘉瀬川水系;低平地水田地帯における灌漑システムの操作と管理は還元流の再利用と排水条件によって特徴づけられる。このシステムに関与する要因を評価するために数量化分析を試みた結果、低平地における灌漑システム操作の特性を合理的、かつ適切に説明することができた。同時に、水質に対する影響が大きいことから、地域生態保全的な水田営農を行うための提言を試みた。2.那珂川水系;タンクモデルによる水収支解析を行い、水系全体の水利用の実態を明らかにするとともに、水利用の特性を示す利水パターン指数の概念を導入して、気象および土地利用条件との関係を検討した。また、農業集水域における水質は、降雨とともに灌漑期と非灌漑期のちがいで大きな影響があらわれる。3.信濃川水系;新潟平野の水田灌漑組織の事例を分析し、長大な開水路地域では上流部で需要に応じて送水しても下流の需要に整合せず、多量の余水を発生させていることを確かめた。これに対して、排水路からの反復利用の導入によって、水資源の有効利用・配分管理の簡素化・排水の水質負荷軽減をはかることができることを実証した。4.石狩川水系;ダム取水により水田水利用を行っている調査対象地域では、取水量に比較的余裕があることから反復利用率は小さいものの、近年その率は高くなってきている。これに伴い、水質面での影響が懸念されるが、調査の結果では水田排水の負荷量は減少していることが確かめられた。本研究は、農村地域での水利用・水管理手法が、地域生態系へおよぼす影響を評価しようとするものである。本年度は、立地条件の異なる農業流域を事例として調査検討を進め、以下の知見を得た。1.嘉瀬川水系;低平地クリ-ク水田地帯の大部分は、平均海水面と同程度の標高である。従って、用水管理は排水条件に大きく影響される。またクリ-クを利用した用水の反復利用は、用水を有効利用する一方で水質の劣化をまねくことにもなるため、可能な限り外部からの取水を増加させることが望ましい。2.那珂川水系;流域の水需要を総合的に分析する「複合タンクモデルによる広域水収支解析」手法では、対象域を単位ブロックに分割することによって河川流量が求められ、土地利用別にタンクを設置することで農地の影響が推定できる。しかし、ブロックの分割方法や灌漑・非灌漑期の別が誤差に影響することが明らかになった。3.信濃川水系;研究対象とした刈谷田川は、その自流量が十分でなく、夏期には殆ど全量を刈谷田川右岸地区で取水している。厳しい水利用のなかでの地域生態系の特質を明らかにするため、水田水管理と反復用水量を検討した。同時に水循環過程での水質変化を追跡調査し、地域環境での水田の位置付けを明らかにした。4.石狩川水系;研究対象とした恵岱別川地区は、恵岱別ダムを水源とする受益地区である。ダムの有効貯水量は大きく、取水量に余裕があることから、計画上反復利用率は小さなものであった。しかし近年、還元量が増大するに伴い反復利用率も高まってきた。これにより、下流での水温上昇効果がある反面、水質面での劣化がみられるなど、地域生態系を保全する水利用・管理の必要性を明らかにした。本研究は、農地、とくに水田における水利用・水管理手法が地域生態系に及ぼす影響を評価し、保全をはかることを目的とするものである。本年度も昨年度に引き続き、立地条件の異なる農業流域を対象として調査検討を進め、以下のような知見を得た。

1.嘉瀬川水系;低平地水田地帯における灌漑システムの操作と管理は、還元流の再利用と排水条件によって特徴づけられる。これらの機構を説明するため、複合タンクモデルを提案し、実際の水収支測定によって検証を行った。そのなかで、用水再利用機構は灌漑用水の節減には効果的であるが、用水の水質に厳しい影響を与えることを確めた。2.那珂川水系;水田水利用の効率性を評価することが可能となる利水パターン指数の概念を導入した。さらに、本水系上流部での地下水涵養の実態を解析し、河川還元水量に与える影響について検討を加えた。また、水田の水管理と水質の関係を解析するには、小さい集水域での精密な調査が必要であることや、灌漑水中のEC成分は水田で浄化されることなどを明らかにした。3.信濃川水系;水田用水の反復利用を組織的に実施している地域では、上流部の取水優位が多量の還元水を発生させて下流部の反復利用水源となり、配分の不均等を補完していることを、また反復利用が地区外への排出水の水質負荷を軽減させていることなどを実証した。4.石狩川水系;ダム取水によって水田用水管理を行っている調査対象地域では、取水量に余裕があることもあって反復利用率は比較的小さい。また、用水の水田利用により水質濃度は上昇するものの、負荷量は減少する傾向を示した。しかし、水田取水の影響で渇水期の河川流量は著しく減少することから、地域(特に不流域)の生態系には少なからぬ影響を及ぼすことが考えられる。