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[O11-P51] 河川上流域の河岸土壌としての腐葉土の役割について
キーワード：腐葉土、保水性、降雨災害、サイフォンの原理
1.背景と目的
本校付近を流れる宮田川は適切な治水設備により、長期間氾濫していなかった。しかし2023年の線状降水帯により氾濫した。原因は、現在の治水設備の許容量を超えたことにあると考え、新たな治水対策として河岸土壌である腐葉土に注目した1),3)。透水性と保水性に優れた腐葉土2)ならば、大雨が降っても氾濫しないと仮説立てて実験を行なった。しかし、実験方法で加える水量と、水の加え方を実際の雨量と降り方を比較した際、現実離れした量と降り方で実験を行ってしまい、そのような結果にならなかった。そこで本研究ではそれらの実験方法をサイフォンの原理を用いることで改善し(図1)、腐葉土の透水性、保水性を正確に明らかにすることを目的とする。しかし、サイフォンの原理を用いた、水の加え方で実験を行おうとしたところ、水量を測りながら実験を行うことができなかった。そこで、本研究は、サイフォンの原理について、水位差と流量の関係式を本実験によって明らかにし、特定の水位差の時に加えることが出来る水量を、関数として示すことを目的とする。
2.方法
水位変化のない容器、メスシリンダー①、メスシリンダー②を用意し、それらに水を入れ、管中を水で満たしたチューブでつなぐ(図2、3)。チューブ①は、容器とメスシリンダー①をつなぎ、チューブ②は、メスシリンダー①とメスシリンダー②をつなぐ。すなわち、容器、メスシリンダー①、②どれかの水位が変化すると、その水位変化がすべてに反映されるようになる。なお、チューブ①の方が、メスシリンダー①の水位を一定に保ちやすくするため、太さが太いものを用いている。その後、メスシリンダー②の位置を下に下げ、メスシリンダー①との間に水位差を与える。サイフォンの原理により、メスシリンダー①からメスシリンダー②に水が流れるため、その際のメスシリンダー②に40ｍｌ流れる時間を計測し、40mlをその時間で割り、1秒間あたりに流れた水量を調べる。
3.仮説
サイフォンは水位差が大きいほど単位時間あたりに流れる量が大きいことがわかっている。水位差を大きくするほど、流れる水量が大きくなり、水位差が大きくなればなるほど、40mlの流れる時間は、より早くなると考える。すなわち、水位差が大きくなればなるほど、単位時間あたりの流量は大きくなり、水位差と単位時間当たりの流量は比例の関係になると考える。
4.結果
水位差と、40ｍｌの流出時間についてのグラフは図4のとおりである。仮説の通り、水位差が大きくなるにつれて、流出時間が短くなっていることがわかる。
5.考察
流れた流量である、40mlを流出時間で割り、1秒間当たりの流量を求めてグラフにしたものが、図5の通りである。こちらも仮説の通り、水位差が大きくなるにつれて、1秒間当たりの流量が大きくなっていることがわかる。また、グラフの近似直線を求めると、y = 0.0188x + 0.1774（ｘ＝水位差、ｙ＝1秒間当たりの流量）となり、これによって、水位差ｘに対して、1秒間当たりの流量ｙを求めることが出来るようになると考えられる。
６．結論・今後の展望
考察より、サイフォンの原理について、水位差と単位時間当たりの流量を決定する式を導くことが出来た。しかし、実際の実験を行う際本当にこの関数が正確なものかどうかが判断できない為、これからは、実際の実験に近い形で、流量を測り、式の正確性を上げていき、最終的には、その関数によって導き出した流量をもとに腐葉土の保水性・透水性について研究していきたいと考える。
参考文献
1) 駒村 富士弥, ”植生による斜面侵食および崩壊防止の効果”緑化工技術(1977),
5-2,9-13
2) 腐植土とは-地盤調査・地盤改良のサムシング,
https://www.s-thing.co.jp/column/fushokudo/ （2023年6月30日現在）
3) 保安林制度について，https://www.pref.ibaraki.jp/nourinsuisan/ringyo/rinchi/rringyo_hoanrin.html
（2023年5月12日現在）
本校付近を流れる宮田川は適切な治水設備により、長期間氾濫していなかった。しかし2023年の線状降水帯により氾濫した。原因は、現在の治水設備の許容量を超えたことにあると考え、新たな治水対策として河岸土壌である腐葉土に注目した1),3)。透水性と保水性に優れた腐葉土2)ならば、大雨が降っても氾濫しないと仮説立てて実験を行なった。しかし、実験方法で加える水量と、水の加え方を実際の雨量と降り方を比較した際、現実離れした量と降り方で実験を行ってしまい、そのような結果にならなかった。そこで本研究ではそれらの実験方法をサイフォンの原理を用いることで改善し(図1)、腐葉土の透水性、保水性を正確に明らかにすることを目的とする。しかし、サイフォンの原理を用いた、水の加え方で実験を行おうとしたところ、水量を測りながら実験を行うことができなかった。そこで、本研究は、サイフォンの原理について、水位差と流量の関係式を本実験によって明らかにし、特定の水位差の時に加えることが出来る水量を、関数として示すことを目的とする。
2.方法
水位変化のない容器、メスシリンダー①、メスシリンダー②を用意し、それらに水を入れ、管中を水で満たしたチューブでつなぐ(図2、3)。チューブ①は、容器とメスシリンダー①をつなぎ、チューブ②は、メスシリンダー①とメスシリンダー②をつなぐ。すなわち、容器、メスシリンダー①、②どれかの水位が変化すると、その水位変化がすべてに反映されるようになる。なお、チューブ①の方が、メスシリンダー①の水位を一定に保ちやすくするため、太さが太いものを用いている。その後、メスシリンダー②の位置を下に下げ、メスシリンダー①との間に水位差を与える。サイフォンの原理により、メスシリンダー①からメスシリンダー②に水が流れるため、その際のメスシリンダー②に40ｍｌ流れる時間を計測し、40mlをその時間で割り、1秒間あたりに流れた水量を調べる。
3.仮説
サイフォンは水位差が大きいほど単位時間あたりに流れる量が大きいことがわかっている。水位差を大きくするほど、流れる水量が大きくなり、水位差が大きくなればなるほど、40mlの流れる時間は、より早くなると考える。すなわち、水位差が大きくなればなるほど、単位時間あたりの流量は大きくなり、水位差と単位時間当たりの流量は比例の関係になると考える。
4.結果
水位差と、40ｍｌの流出時間についてのグラフは図4のとおりである。仮説の通り、水位差が大きくなるにつれて、流出時間が短くなっていることがわかる。
5.考察
流れた流量である、40mlを流出時間で割り、1秒間当たりの流量を求めてグラフにしたものが、図5の通りである。こちらも仮説の通り、水位差が大きくなるにつれて、1秒間当たりの流量が大きくなっていることがわかる。また、グラフの近似直線を求めると、y = 0.0188x + 0.1774（ｘ＝水位差、ｙ＝1秒間当たりの流量）となり、これによって、水位差ｘに対して、1秒間当たりの流量ｙを求めることが出来るようになると考えられる。
６．結論・今後の展望
考察より、サイフォンの原理について、水位差と単位時間当たりの流量を決定する式を導くことが出来た。しかし、実際の実験を行う際本当にこの関数が正確なものかどうかが判断できない為、これからは、実際の実験に近い形で、流量を測り、式の正確性を上げていき、最終的には、その関数によって導き出した流量をもとに腐葉土の保水性・透水性について研究していきたいと考える。
参考文献
1) 駒村 富士弥, ”植生による斜面侵食および崩壊防止の効果”緑化工技術(1977),
5-2,9-13
2) 腐植土とは-地盤調査・地盤改良のサムシング,
https://www.s-thing.co.jp/column/fushokudo/ （2023年6月30日現在）
3) 保安林制度について，https://www.pref.ibaraki.jp/nourinsuisan/ringyo/rinchi/rringyo_hoanrin.html
（2023年5月12日現在）