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水力伝導率：なぜ必要なのか

土壌の透水係数、すなわち土壌が水を伝達する能力は、ほとんどすべての土壌施用に影響を与える。透水係数は、完全な水収支を理解する上で非常に重要であり、バドーズゾーンを通じた地下水涵養量の推定にも使用される。水文学者はモデリングに透水係数の値を必要とし、研究者は土壌の健全性を判断したり、異なる現場において土壌中を水がどのように流れるかを予測するために透水係数を使用する。農業の意思決定は、灌漑率を決定したり、浸食や養分溶出を予測するために透水係数に基づいて行われる。また、埋立地の覆土の有効性を判断するためにも使用される。地盤工学エンジニアは、貯留池、路盤、レインガーデンなど、流出水を捕捉するために設計されたあらゆるシステムの設計に、透水係数を必要とします。また、土壌のない基質における植物の利用可能な水分を理解するためにも使用される。基本的に、土壌システム内で水がどのように移動するかを予測したい場合は、透水係数を理解する必要がある。透水係数はどのように測定するのか？この記事では、透水係数の測定方法、透水係数とは何か、一般的な測定方法の長所と短所について説明する。

土壌の透水係数とは？

科学的な用語では、透水係数は、多孔質媒体（例えば土壌）が飽和またはほぼ飽和の条件下で水を伝達する能力として定義される。式1はその意味を示している。iが水の流束（単位時間当たりの単位面積当たりの水の量）を示す場合、これはK（透水係数）に水頭勾配dh/dzを掛けたものに等しい。水頭勾配（または水ポテンシャル勾配）とは、土壌中の水を移動させる力のことである。Kは、その原動力と土壌中の水のフラックスとの間の比例係数である。

水頭（ウォーター・ポテンシャル）は、2つの主要な要素に展開することができる。_mはマトリックヘッド（マトリックポテンシャル）であり、h_gは重力ヘッド（重力ポテンシャル）である。言い換えれば、土壌中を水が移動するためのマトリックな力と、重力の力が存在する。

重力勾配dh_g/当初、土壌に水が供給されると、マトリックヘッ ドは急速に土壌に水を引き込む（下の図2を参照）。しかし、土壌が非常に湿った状態になるまで浸透が長時間続くと、マトリックヘッドは0になる。

つまり、浸透速度が透水係数とほぼ等しくなる時間帯が長くなるのである。このことから、土壌の透水係数が何を意味するかが感じられる。水を長時間散布した場合、水が土壌に浸透する速度は透水係数とほぼ等しくなる。

透水係数に影響を与える要因

透水係数は、土質、粒度分布、粗さ、迷路度、形状、および導水孔の相互連結の程度などの要因に依存する。土質だけを考慮するのであれば、通常、粗い土質は細かい土質よりも透水係数が高くなる。しかし、土壌構造と間隙構造は、土壌の透水能力に大きな影響を与える可能性がある。

構造化された土壌は通常、大きな孔隙を含むが、 構造のない土壌は孔隙が小さい。図1（下図）は、構造の良い粘性土と構造の悪い粘性土の違いと、特に飽和または飽和付近での透水係数に対する構造の重要性を示している。

バイオポア、根管、または動物の巣穴は、水を含んでいれば飽和透水係数を増加させる。それらが地表に達しないために水で満たされな ければ、透水係数は低下する。土壌の圧縮や密度も、土壌の含水量や水ポテンシャルと 同様に、影響を及ぼす要因の1つである。

透水係数曲線：重要な予測ツール

土壌は飽和または不飽和であるため、土壌の透水係数は飽和透水係数（_Ks/Kfs）または不飽和透水係数（K(Ψ)）と呼ばれる。研究者は実験器具(KSATと HYPROPを使用して、飽和／不飽和の異なるレベルにおける特定の土壌の透水係数値をグラフ化した透水係数曲線を作成する。これらの曲線は、異なる水ポテンシャルにおける様々な土壌タイプの水の流れを予測する。

図1は、3つの異なる土壌の透水曲線である。縦軸は0ヘッド（水ポテンシャル）である。右側の値は飽和導電率を示す。左側の値は不飽和の値を示す。構造の悪い粘土質土壌（下の線）は、砂質土壌よりも飽和伝導率がはるかに低い。これは、粘土質土が小さな孔隙で構成されており、流路がより制限されているためである。しかし、もしその粘土質土（点線）が良好な構造（すなわち、骨材を含み、その骨材間に大きな孔があり、それがより良い流路を形成している）であれば、その飽和透水係数は砂の透水係数よりも高くなる可能性がある。

図1の左側では、水頭（水ポテンシャル）が負であるため、土壌は脱飽和し始め、孔が空になっていく。孔隙（特に大きな孔隙）が空になると、透水係数は劇的に低下する。したがって、不飽和の透水係数は常に小さくなり、ほとんどの場合、土壌が飽和しているときよりも桁違いに小さくなる。

構造の悪い粘土質土と構造の良い粘土質土の不飽和透水係数は、最終的に合 致することに注目されたい。これは、ある時点でマクロ孔が流れに寄与しなくなり、土粒子間のメソ孔でのみ流れが発生するためである。また、構造のない砂質土の不飽和透水係数曲線は、最初は粘土質土よりも高いが、土が乾燥するにつれて、不飽和透水係数は粘土質土よりも低くなることに注意。

フィールドの飽和は飽和ではない

飽和透水係数（_Ks）は、現場の飽和透水係数（_Kfs）とは異なる。これは、実験室で飽和透水係数を測定する場合、土壌コアを完全に飽和状態にすることができるからである。しかし、現場では、土壌を完全に飽和させることは難しい。なぜか？通常、上部から浸透させる場合、空気の逃げ場がないため、土壌には空気が閉じ込められた状態になる（図2）。

この結果、完全に飽和していない状態になるため、現場飽和透水係数（_Kfs）と呼ばれる。巻き込まれた空気が水の動きを遅くするため、_Kfsは通常_Ksより低くなる。

透水係数の測定方法

研究者は、多くの異なる実験室および現場技術を用いて、飽和および不飽和土壌の透水係数を測定している。この記事では、最も一般的な方法のいくつかを紹介する。

ラボテクニック：飽和透水係数

フローセル（_Ks）：フローセルの仕組み

フローセルによる測定は通常、ラボに持ち込まれた土壌コアを用いて行われる。乱れのない、または乱れた土壌サンプルを測定するが、サンプルサイズはフローセルの設計に依存する。フローセルでは、定常ヘッドまたは落下ヘッド測定技術のいずれかを使用することができる。

図3は典型的なフローセルの仕組みを示している（他の設計もある）。土壌コアは、フローセルに挿入する前に飽和している。水源からの水が土壌コアの上部を通過し、定常状態の流量が測定される。その値を用いて浸透率が決定される。i（浸透率）からK_s値（圧力頭の影響が 0 の場合の代表値）まで補正する。

フローセルの長所と短所

フローセルの計算が簡単なのは、水が既知の領域を浸透するため、3次元（横方向）の流れが排除されるからである。もう1つの利点は、土壌の地層を分離できることである。異なる土壌層からサンプルを採取して、どの地層が制限要因になり得るかを判断することができる。

フローセルはセットアップが簡単だが、装置の自動化はより複雑である。大型の自動化装置を設置し続ける必要があるため、専用の実験スペースが必要になる。フローセルのもう1つの限界は、膨張性土壌が湿潤すると、閉じ込められた土壌コアの中で膨張し、土壌細孔を圧縮して土壌特性を変化させることである。このため、土壌の透水係数が過小評価される可能性がある。この問題を克服するには、土壌が飽和状態に近いときにサンプリングする。

フローセル（およびすべての実験技術）の問題点の1つは、実験室での値と現場での値が異なるということである。圃場では閉ざされたマクロ孔が、土壌コアを採取している間に開いてしまう可能性がある。水は開口した間隙をより容易に流れるため、透水係数を過大評価する可能性がある。さらに、小さな土壌コアでは空間的なばらつきを考慮できない。そのため、正確な圃場表現を得るためには、より多くのサンプルが必要となる。

KSAT _(Ks）：仕組み

メーターの KSATはフローセルに似ているが、自動化が装置に組み込まれているため、測定が簡素化され、スピードアップされる点が異なる。

落下式とコンスタントヘッドの両方のテクニックが可能である。KSAT 、小さなソイルコアを使用し、水流をコントロールするビュレット付きの水柱がある（図4）。

水はビュレットの中を流れ、サンプルの底部に入り、サンプルの上部から流出します。KSAT は、水柱からの圧力ヘッドを自動的に測定する圧力センサーを使用しています。コンピュータが圧力変換器からの測定値を受け取り、ソフトウェアが計算を自動化し、異なる温度における水の粘度変化を補正します。落差法を使用する場合、圧力変換器が水柱の変化を測定し、ソフトウェアがそのサンプルの流量と透水係数を計算します。

フローセルと同様、KSATの限界は、表面積が小さいことと、サンプルが限定されていることである。そのため、この装置でサンプリングする際も、同じことを考慮してください。

の大きな利点は、すべてが自動化されていることだ。 KSATの大きな利点は、すべてが自動化されているので時間が節約でき、ラボのスペースがあまり必要ないことだ。さらに HYPROPと組み合わせることで、飽和透水曲線と不飽和透水曲線の両方のポイントを自動的に生成することができます。ビデオをご覧ください。

フィールドテクニックフィールド飽和透水係数

リング浸透流計(_Kfs)

現場技術は、現場で実際に起こっていることをより的確に表現する。リング式浸透流計は、圃場の飽和透水係数を測定するために、特定の深さ（通常5cm程度）まで土壌に挿入された薄肉のオープンエンドシリンダーである。定常水頭法または落下水頭法のいずれかを用いて、水がリングを通して浸透する。これは手動で行われるが、システムを自動化することで、複数の測定を同時に行うこともできる。シングルリングやダブルリング（または同心円）など、さまざまなシリンダー配置があります。

シングルリング浸透流計(_Kfs)

シングルリング浸透流計は、1 本の測定円筒を使用し（図 5）、定揚程法または落下揚程法を用いて円筒内に水を浸透させる。定揚程法を行う場合、リング内の流量と水位を制御するために、マリオットバブラーを備えたリザーバーを使用するのが一般的である。水がリング内を浸透する際、土壌内を垂直方向だけでなく水平方向にも移動するため、3次元的な流れに対して補正を行う必要がある。

シングルリング浸透流計の直径は、10cmから50cmの範囲である。リングの直径が大きいほど、より多くの面積を測定することができ、空間変動をよりよく表現することができる。

二重リング浸透流計(_Kfs)

二重リング（または同心リング）浸透流計は、大きな緩衝円筒の内側に単一の測定円筒が配置されている。緩衝円筒は、分析を簡素化するために、測定円筒からの流れの発散を防ぐことを目的としている。理論的には、測定シリンダーは垂直方向の水の流れのみを測定し、水平方向の流れは測定できません。この方法では、落差法または定揚程法のいずれかを使用し、同じ圧力勾配を得るためには両方のシリンダーで同じ水位を維持する必要があるため、通常、大量の水が必要となる。

リング浸透流計の長所と短所

リング型浸透流計は、リングが大きいため、空間的なばらつきを考慮することができ、実験室での測定よりも現場の状況をよく表すことができる。しかし、測定には大量の水が必要である。浸透速度を毎時約30cmと仮定すると、1時間あたり60～100Lの水が必要であり（伝導率の高い土壌では毎時300L以上の水を使用する可能性がある）、これを運搬するのは困難である。また、測定には時間がかかる。リングの大きさにもよるが、2～3時間かかる。

もう1つの問題は、3次元の流れを補正するために、土壌の巨視的毛管長係数（アルファと呼ばれる）を推定する必要があることである。このAlphaパラメータを推定するための表があるが、間違えると透水係数の推定が不正確になる。

また、バッファシリンダーは横方向の流れを止めるのに効果的でないことが多い。このことは、実験室やモデリングによる解析で文献的に示されている。そのため、垂直方向の流れしかないという仮定に基づいて計算すると、過大評価になってしまう可能性がある。

SATURO _(KFS）：仕組み

METERの SATUROは、2つの異なる圧力ヘッドで浸透を測定する、定評のあるデュアルヘッド法を自動化し、測定を合理化し、潜在的な人為的エラーを回避します。

土壌の上に水を溜め、空気圧を利用して2つの圧力ヘッドを作り、ポンプが自動的に正しい水位を維持する。内部プロセッサーが自動的に飽和透水係数を計算するため、データの後処理が不要です。

SATURO 長所と短所

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つのシステムにまとめたものです。一人で持ち運び、セットアップができるように設計されており、適正な水位を自動的に維持するため、絶え間ない測定や調整が不要になる。

測定には多少時間がかかるが、リング式浸透流計に比べればはるかに短時間で、しかも無人で操作できる。複数の機器を同時に作動させることができ、アルファ係数を推定する必要がないため、一般的な誤差の原因をなくすことができる。20リットルの水袋を2つ使用しますが、大きな外輪を必要としないため、ダブルリング浸透流計よりも はるかに少ない水で済みます。

次のウェビナーでは、ゲイロン・S・キャンベル博士が透水係数の基礎と、SATURO 自動デュアルヘッド浸透流計の背後にある科学について説明します。

圧力浸透計（_Kfs）

圧力浸透計はシングルリング浸透計に似ているが、リングの上部にアタッチメントを取り付けることで、リングにかかる圧力ヘッドを制御することができる（図8）。

ユーザーは、ある一定の時間、単一の圧力ヘッドを適用し、次に設定された間隔だけ高い圧力ヘッドに切り替え、次に設定された間隔だけ低い圧力ヘッドに戻す。これを、両方の圧力ヘッドで準定常状態の浸透率が達成されるまで繰り返す。その後、異なる圧力ヘッドでの浸透率を用いて、アルファ値や収率などの値を推定することができる。

圧力浸透計の長所と短所

この技術により、多重ヘッド分析を行うことができ、収率やマトリックフラックスポテンシャルなどの他の測定を行うことができます。さらに、巨視的な毛管長因子（アルファ値）を推定ではなく測定することができ、三次元流動を補正する際の潜在的な誤差の原因を取り除くことができます。

しかし、より複雑な測定装置だ。特に圧力ヘッドを切り替えるには、より自動化が必要です。また、両方の圧力ヘッドで定常状態の浸透率に達するには時間がかかる。

ボアホール透過率(K_FS)

ボアホール浸透計にはいくつかの設計があるが（この記事の範囲を超えている）、ここではその基本を探る。

ボアホール浸透流計は、ボアホールの水の高さをチェックすることによる誤差を避けるため、定揚程法を使用する。ボアホール浸透流計を使用するには、孔を目的の深さまで掘削し、浸透流計を坑井上に取り付け、マリオットバブラーを挿入して孔内の水頭を一定に保つ。次に、流入量を計算し、定常状態になるのを待ち、その値を使って透水係数を計算し、その後、3次元の流れについて補正します。オーガー孔内の水位と圧力水頭を変化させることで、単一水頭解析と複数水頭解析を行うことができます。

透過率の長所と短所

複数池の水頭分析を使用する場合、浸透計を使用すればアルファ値を測定できるため、潜在的な誤差の原因を取り除くことができ、収水率とマトリックフラックスポテンシャルを測定することができる。また、大きな掘削を必要とするリング型浸透流計に対して、小さな穴を掘るだけなので、異なる土層を測定するのも簡単です。

透過率計は小さな表面積しか測定できないため、フィールドを表現するためにはより多くの測定が必要となる。また、特に複数のヘッドを分析する場合、測定時間が長くなる。

もう1つの問題は、ボーリング孔の内部でのスメアリングとシルト化である（オーガリングが切削する際に表面を汚すことがある）。これにより孔が閉ざされ、水を通すことができなくなり、過小評価の原因となる。視界がないため、スメアリングやシルト化が起こったかどうかを見分けるのは難しい。しかし、このような問題を軽減するアプローチもある。

ラボテクニック：不飽和透水係数

フローセル（K(Ψ)

フローセルは不飽和透水係数（K(Ψ)）の測定にも用いられるが、飽和透水係数とは異なり、測定にはテンシオメーターが必要となる（図10）。

水は水源からサンプルを通り、土壌コアから流出する。2つのテンシオメーターが水ポテンシャルを監視し、ユーザーは土壌が不飽和状態で水を透過するように低流量から高流量を制御する。両方のテンシオメーターが同じ水ポテンシャル（土壌の吸引力）を読み取るまで、一定の流量が維持される。これらの測定値と流量は、特定のポテンシャルにおける不飽和透水係数を決定するために使用される。保持特性を得るために、ユーザーは土壌コア含水量も測定する。この手順を繰り返して、不飽和透水係数曲線に沿ったさまざまな点を決定する。

フローセルの長所と短所

フローセルにより、不飽和透水係数と保持特性を同時に測定することができ、部分的な土壌水分放出曲線を作成することができます。さらに、同じ土壌カラムで飽和と不飽和の両方の流動パラメータを測定することができます。

しかし、この技術では流量を制御・変更するためのポンプが必要で、操作も複雑である。また、フローセルは研究室にスペースを必要とし、自動化には複雑な装置が必要となる。

蒸発法（K(Ψ)

蒸発法は、1968年にWindによって初めて導入された。これは、異なる深さにテンシオメーターを挿入した土壌コアを必要とする。初期飽和状態のコアは、上部が開き、下部が閉じ、表面からの蒸発のみを許容する。これにより、コア内にマトリックポテンシャル勾配が形成される。時間の経過とともに水が蒸発すると、土壌コアの質量と勾配が測定され、マトリックフラックスポテンシャルまたは不飽和透水係数の計算が可能になる。この手法では、マトリックヘッドと含水比を同時に測定するために一定の蒸発速度が必要であり、これによって不飽和透水係数の測定と土壌水分放出曲線の生成の両方が可能になる。

HYPROP (K(Ψ))

メーターズ HYPROPは、Wind/Schindler蒸発法の簡易版に基づく実験装置です。

HYPROP の内部には、異なる高さの2つのテンシオメーターがあり、表面だけが開いている土壌コアの中にある（図11）。

HYPROP は天秤の上に置かれ、時間の経過とともに蒸発する土壌コアの質量を測定する。これにより、土壌保持特性と不飽和透水係数の両方が生成される。不飽和透水係数は、Darcy方程式（式4）の逆解析を用いて計算される。

HYPROP 長所と短所

フローセルと比較した場合のHYPROP の利点は、全水分範囲にわたって完全に自動化された測定です。HYPROP は、他の作業を行っている間に不飽和透水係数の曲線を自動的に生成するため、時間を節約できます。飽和付近を除き、高分解能（200データポイント以上）で透水特性と保水特性を同時に提供します。飽和曲線端のKSAT 。 WP4C水ポテンシャル測定器（乾燥土壌）と組み合わせて、完全な土壌水分放出曲線を作成することができる。 土壌水分放出曲線の詳細については、以下のビデオをご覧ください。

テンシオメーターは HYPROP学習曲線はありますが、 、テンシオメーターの充填方法を学べば、セットアップは簡単です。一度セットアップすれば、完全に自動化される。なお、HYPROP は蒸発法であるため、脱着（水を失う）特性のみを測定しており、吸着（水を加える）特性とは異なる場合がある。

フィールド技術：不飽和透水係数

テンション・インフィルトメーター（K(Ψ)

張力浸透流計は、不飽和透水係数のみを測定する。多孔質プレートが土壌上に置かれ（図12）、マリオット・バブラーを含むタワーによって制御される吸引力で水が引き出される。

気泡管を水中に深く挿入して負圧吸引を制御し、装置を通して吸引される水と入れ替わるように空気を吸引するのに必要なエネルギーを上げる。この技術により、過渡的または定常的な手法による解析が可能になる。

過渡法：経時的に変化する浸透速度を測定し、定常状態まで外挿する。

定常法：時間の経過とともに浸透率が定常状態に達する。

テンション・インフィルトロメーターは、強制的な吸引力の下で土壌に水を浸透させるので、異なる負の吸引力で浸透速度を測定し、孔径を分別することができる。吸引力が高ければ高いほど、水を引き抜くために必要な孔は小さくなる。また、3次元浸透技術であるため、流れの3次元解析が必要となる。

張力浸透計の長所と短所

張力浸透流計の利点は、吸引を制御することで、特定のマトリックポテンシャルにおける不飽和透水係数の測定が可能になることである。より大きなディスクを使用することで、より多くの空間変動を考慮することができる。しかし、大きな孔は空間変動の主な原因であり、非常に低い吸引力で排水されるため、これは重要ではないかもしれない。張力浸透流計はまた、収着性と撥水性を推定するためにも使用される。これは、森林火災後の状況における疎水性の研究に有用である。

定常法は時間がかかり、過渡法と同様、不正確である可能性がある（特に初期浸透率が高い非常に乾燥した土壌の場合）。そのため、複数回の測定を行うのがよい。この手法では、3次元の流れを補正するためにアルファ値を推定する必要があり、これが潜在的な誤差の原因となる。しかし、全体的には、良い現場技術である。

水力伝導率測定に関する考察

圃場内の同じ土質について、同じ透水係数の値を使用で きると思わないこと。特に、土地の用途や景観の位置が異なれば、これは真実ではない。ある研究者は、同じ土質でも透水特性が劇的に変化することを発見した。彼の圃場は、自生草原、改良牧草地、慣行耕作地と様々であり、3つの圃場すべてにおいて景観の位置が大きく変化していた。

図13は、頂上、バックスロープ、フートスロープにまたがる牧草地と草原の両方で同じ傾向を示している。土壌の透水係数はバックスロープで高く、フットスロープで最も低い値を示した。これは部分的にカティナ効果（山頂からの溶質の溶出と麓斜面での溶質の沈殿による土壌の透水特性と化学的構成の変化）によるものであった。興味深いことに、この傾向は慣行耕作地では見られなかったが、これはこの耕作地が攪乱されていた（定期的に耕作されていた）ためと思われる。

どこで測るべきか？何回測る？

1つの戦略として、圃場全体でバルクECを測定し、実際の空間変動を推定する方法がある。この情報があれば、圃場の空間変動を網羅するために、どこで何回測定すればよいかを決定することができる。図14は、バルクECを測定するためにEM38を使用して作成した圃場のECマップである。

この地図は、研究者がフィールドを区切り、どこで測定を行うかを決めるのに役立った。この場合、研究者たちは、選ばれた各ポイント（白十字）で圃場の飽和透水係数を3回測定することにした。

透水係数の測定方法をさらに深く掘り下げる

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)

土壌水分マスタークラス

6つの短いビデオで、土壌含水量と土壌水ポテンシャルについて知っておくべきこと、そしてなぜそれらを一緒に測定する必要があるのかをすべて学ぶことができます。 さらに、土壌の透水係数の基本もマスターしましょう。

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