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_Kfsはなぜ痛いのか

飽和透水係数（土壌が水を吸収する能力）は、伝統的に科学者にとって複雑な測定であった。 現場での飽和透水係数（_Kfs）の測定が不正確なのは、土壌固有のアルファ値の推定誤差や、三次元流の緩衝が不十分なためである。 三次元的な流れとは、水が土壌に三次元的に浸透することを意味する。問題は、飽和透水係数_Kfsが一次元の値であることである。研究者は_Kfsを意思決定の基礎としてモデリングに用いるが、その値を得るためには、まず三次元流の影響を取り除かなければならない。

見積もりは危険な提案

三次元流の影響を除去する伝統的な方法は、アルファ値の表や土壌の巨視的毛管長を見ることである。しかし、アルファ値 は、収着効果、つまり土壌が水をどれだけ横方向に引っ張 るかの推定値に過ぎないため、不正確である危険性が高 い。また、研究者や技術者がアルファ値の選択を誤ると、その推定値が大きく外れる可能性がある。

この問題を回避するために、研究者は二重リング浸透流計（図2）を用いて_Kfsを 測定することがある。二重リング浸透流計は、外側のリングが浸透後の水の横方向の広がりを制限し、三次元的な流れを緩衝することを意図した単純な方法である。しかし、二重リング型浸透流計は、三次元的な流れを完全に緩衝することはできない（Swartzendruber D. and T.C. Olson 1961a）。そのため、研究者が中央のリングで1次元の流れが得られていると仮定して作業を行うと、現場の飽和導電率の値を過大評価する可能性がある。これは、特に透水係数が非常に低くなるように設計された 土壌を扱う場合、悲惨な結果を招く可能性がある。_Kfsが過大評価されると、研究者や技術者は、（例えば）埋立地の覆土が効果がない（_Ksが10-⁵cm s^-1を超える）と誤って判断する可能性がある。

_Kfs解決済み

を採用している。 SATUROは、確立されたデュアルヘッド 法を自動化することで、推定／仮定の問題を解消します。土壌の上に水を溜め、空気圧を利用して2つの異なる圧力ヘッドを作ります。この2つの異なる圧力ヘッドで浸透量を測定することで、アルファ係数を推定する必要がなくなり、研究者は仮定をすることなく現場の飽和透水係数を決定することができる。さらに、SATURO 、ダブルリング浸透計のような大きな外輪を必要としないため、水の使用量が大幅に削減される。この自動化されたアプローチは、時間を節約し、透水係数評価における誤差を減少させる。次の理論編では、なぜこのようなことが可能なのかを詳しく説明します。

SATURO の測定値と二重リング式浸透流計の測定値の比較をご覧ください。

以下のビデオでは、ゲイロン・S・キャンベル博士が水文学の基礎と、SATURO 自動デュアルヘッド浸透流計の背後にある科学を教えています。この30分間のウェビナーでは、以下のことを学びます：

• 透水係数とは？
• 多孔質媒体
• 透水係数を決めるもの
• 透水係数にこだわる理由
• 透水係数はどのように測定するのですか？
• 実験器具
• フィールド機器
• SATURO ：デュアルヘッド・インフィルトロメーター
• 比較：ダブルリング法とSATURO デュアルヘッド法

SATURO:より正確な理由

フィールド飽和透水係数、K_fs(cm/s）は、基本的な土の透水特性であり、現場飽和条件下で流体（通常は水）が間隙や割れ目を移動する際の容易さを表す。原位置でK_fsを原位置で測定する最も古く簡便な方法のひとつは、土壌（d）に少し押し込んだ単一のリング（半径b）内からの浸透量（D）を測定することであった（図 1）。当初の解析では、測定された定常流量Qs（cm3/s）を用い、一次元の鉛直流を仮定してK_fsを求めた。

このアプローチはKを過大評価した。_fsを過大評価した（Bouwer 1986）。これは、不飽和土壌の毛細管現象やリング内の溜まりに起因する流れの横方向への発散が原因である。流れの発散をなくすために、外側リングを追加して内側リングの流れを緩衝する試みが行われた（図2）。しかし、二重リング型浸透計の技術は、内側リングからの横流を防ぐのに効果がなかった（Swartzendruber and Olson 1961a, 1961b）。

より最近の研究では、側方流動を補正する新しい方法が提供されている。Reynolds and Elrick (1990)は、単一のリングへの定常的な池状浸透の新しい解析方法を発表した。この解析方法は、土壌の毛細管現象、池状浸透の深さ、リング半径(b)、リング挿入の深さ(d)を考慮し、K_fsマトリックフラックス（φm）、巨視的毛管長（∝）を計算する手段を提供する。この解析は、2ポンディングヘッドアプローチ（Reynolds and Elrick 1990）として知られている。

二池式水頭法は、SATURO で用いられている手法であるが、若干の修正と簡略化が加えられている。この計算のための最も単純な式は、Nimmo et al.彼らはK_fsを計算する。

ここで、i（ cm/s）は定常（最終）浸透速度（体積÷面積）であり、 Fは収率および幾何学的効果を補正する関数である。

Nimmoら(2009)は、Fを式2に示す。

どこ

• Dは池の深さ（cm）
• dは浸透流計の挿入深さ（cm）
• bは浸透流計の半径（cm）
• ∆ は、与えられた浸透流計の形状に対する定数である。₁d+C₂b(cm)
• C₁は0.993である。
• C₂は0.578
• λはガードナー∝の逆数で、土壌と初期含水比（cm）の特性である。

式2において、∆は単純にReynolds and Elrick (1990)の式36にbπを掛けたものであり、これにより図2と式2はReynolds and Elrick (1990)の式37と調和する。

池の深さが2つの場合は、式3を使用する：

右の項の一つを並べ替えて、λを Kの項で解く。_fsに代入し、単純化すると次のようになる。

どこ

• D₁は実際の高圧ヘッド
• D₂は実際の低圧ヘッド
• ∆ は0.993d + 0.578b (cm)
• i₁は高圧ヘッドでの浸透率
• i₂は低圧頭での浸透率である。

については、dは浸透流計の挿入深さ、bは浸透流計の半径である。SATURO 5cmの挿入リングの場合、d= 5cm、b = 7.5cmであるため、∆= 9.3 cmである。10cmの挿入リングの場合、d＝ 10cm、b＝ 7.5cmなので、∆＝ 14.3cmである。

次に、透水係数に最後の圧力サイクルの準定常浸透率の差を乗じ、最後の圧力サイクルからの圧力ヘッドの測定値の差で割る。

式4は、Reynolds and Elrick（1990）の式41と等価であり、 λによって記述される土壌特性と初期含水量への依存性が取り除かれている。

面倒な手作業の時間を節約

自動化と簡素化されたデータ分析を SATUROは、自動化と簡素化されたデータ分析を1つのシステムに統合しています。浸透率や現場飽和透水係数をその場で計算することもできます。SATURO は、現場で_Kfsをより速く、より正確に測定する方法を必要とする人々の生活を少し楽にします。

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当社の科学者は、研究者や生産者が土壌-植物-大気の連続体を測定するのを何十年も支援してきた経験がある。

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参考文献

1. Bouwer H. 1986.吸入率：シリンダー浸透流計。Klute A.編、土壌分析法：Part 1-Physical and Mineralogical Methods.第 2 版。マディソン（ウィスコンシン州）：ASA and SSSA.825-844.(記事リンク)
2. Dane JH and Topp GC, editors.2002.土壌分析法：第 4 部-物理的方法。マディソン（ウィスコンシン州）：米国土壌学会(リンク)
3. ダニエルDE。1989.圧縮粘土の原位置透水試験。J. Geotech.Eng.115(9).(記事リンク)
4. Nimmo JR、Schmidt KM、Perkins KS、Stock JD.2009.広域特性評価のための現場飽和透水係数の迅速測定。Vadose Zone J. 8(1)：142-149.
5. レイノルズWDとエリックDE。1990.単一リングからの池浸透．定常流の解析．Soil Sci. Soc.J. 54(5):1233-1241.(記事リンク)
6. Swartzendruber D and Olson TC.1961.二重リング浸透計における緩衝効果の砂モデルによる研究。Soil Sci. Soc.Proc. 25(1)：5-8.(記事リンク)
7. Swartzendruber D and Olson TC.1961.湿潤深さと粒径に影響される二重リング浸透計のモデル研究。土壌科学 92(4)：219-225.(記事リンク)

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