JP6270769B2 - 土壌の含水比、含水率の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、土壌の含水比、含水率の測定方法の技術分野に関するものである。

一般に、土壌に含まれる水分の割合（含水比、含水率）を知ることは、植生の生育に対する影響、地下水の挙動、盛り土などを含めた斜面崩壊のメカニズムの解析、洪水発生予測等の研究をするにあたり重要な要素の一つであり、そのため日本工業規格としてＪＩＳ Ａ １２０３で「土の含水比試験方法」が規格されている。このものは、土壌の含水比を、採取した土壌の重量とこれを炉内で乾燥した後の重量とをそれぞれ測定することに基づいて求めるようにしている所謂炉乾燥法である。ところが土壌の乾燥には、１１０±５℃に保持した恒温乾燥炉内にて１８〜２４時間もの長時間の乾燥が必要であって作業性が悪いだけでなく、恒温乾燥炉が土壌の採取現場にあることはまずなく、採取した土壌を高温乾燥炉を備えた実験室等に持ち帰って乾燥させなければならず、また実験室まで採取時の含水比を維持したまま持ち込まなければならず、このための特別な技術と操作も必要となり、手間がかかるという問題がある。
これに対し、土壌水分の測定方法として、テンシオメータ法（特許文献１参照）、誘電法（特許文献２参照）、電気抵抗法（特許文献３参照）、熱伝導法（特許文献４参照）、電磁波法（特許文献５参照）等の多くの手法が知られている。

特開平７−２４４０４０号公報 特許第２９１３０２２号公報 特開２００４−７７３５３号公報 特開２００６−１９４８２１号公報 特開２００９−９８０１８号公報

しかしながら前記従来のもののうち、特許文献１、２、５のものは装置自体が大型であるうえ、土壌に埋設しなければならず、作業性が劣る、という問題がある。これに対し特許文献３、４のものはセンサ自体を小型にできる、という利点があるが、予め採取した土壌を乾燥させて該乾燥土壌における電気抵抗値や熱伝導率を測定し、さらに該乾燥土壌に所要量の水分を含浸させたものの幾つかについて電気抵抗値や熱伝導率を測定して検量線を作成する必要があるが、土質が異なった場合に同じ検量線を採用できるとは限らず、そのため土質が異なる測定現場ごとにこれらの検量線をいちいち作成しなければならないこともあって面倒かつ煩雑であるという問題がある。さらに、特許文献１〜５のものは、実験室まで採取時の含水比を維持したまま土壌を持ち込まなければならない点は依然として解決されておらず、ここに本発明の解決すべき課題がある。

本発明は、上記の如き実情に鑑みこれらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、請求項１の発明は、土壌の含水比の測定方法であって、採取した重量Ａグラムの土壌を、ショ糖濃度（重量％濃度）Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液に入れ、撹拌後、濾過して得た溶液の糖度を糖度計または屈折率計により測定し、該測定した糖度Ｄ％に基づき、下記式（１）を用いて前記採取した重量Ａグラムの土壌中の水の重量Ｘグラムを演算し、さらに下記式（２）を用いて土壌の含水比Ｙ％を演算するようにしたことを特徴とする土壌の含水比の測定方法である。
Ｘ＝｛（Ｂ×Ｃ）／Ｄ｝−Ｃ ・・・（１）
Ｙ＝｛Ｘ／（Ａ−Ｘ）｝×１００ ・・・（２）
請求項２の発明は、土壌の含水比の測定方法であって、採取した重量Ａグラムの土壌を、ショ糖濃度（重量％濃度）Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液に入れ、撹拌して得た溶液の糖度を糖度計または屈折率計により測定し、該測定した糖度Ｄ％に基づき、下記式（１）を用いて前記採取した重量Ａグラムの土壌中の水の重量Ｘグラムを演算し、さらに下記式（２）を用いて土壌の含水比Ｙ％を演算するようにしたことを特徴とする土壌の含水比の測定方法である。
Ｘ＝｛（Ｂ×Ｃ）／Ｄ｝−Ｃ ・・・（１）
Ｙ＝｛Ｘ／（Ａ−Ｘ）｝×１００ ・・・（２）
請求項３の発明は、請求項１または２において、糖度計または屈折率計により測定した溶液の糖度を、ショ糖水溶液の作製に使用した水と土壌とを用いたブランクテストにより補正することを特徴とする土壌の含水比の測定方法である。
請求項４の発明は、土壌の含水率の測定方法であって、採取した重量Ａグラムの土壌を、ショ糖濃度（重量％濃度）Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液に入れ、撹拌後、濾過して得た溶液の糖度を糖度計または屈折率計により測定し、該測定した糖度Ｄ％に基づき、下記式（１）を用いて前記採取した重量Ａグラムの土壌中の水の重量Ｘグラムを演算し、さらに下記式（３）を用いて土壌の含水率Ｚ％を演算するようにしたことを特徴とする土壌の含水率の測定方法である。
Ｘ＝｛（Ｂ×Ｃ）／Ｄ｝−Ｃ ・・・（１）
Ｚ＝（Ｘ／Ａ）×１００ ・・・（３）
請求項５の発明は、土壌の含水率の測定方法であって、採取した重量Ａグラムの土壌を、ショ糖濃度（重量％濃度）Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液に入れ、撹拌して得た溶液の糖度を糖度計または屈折率計により測定し、該測定した糖度Ｄ％に基づき、下記式（１）を用いて前記採取した重量Ａグラムの土壌中の水の重量Ｘグラムを演算し、さらに下記式（３）を用いて土壌の含水率Ｚ％を演算するようにしたことを特徴とする土壌の含水率の測定方法である。
Ｘ＝｛（Ｂ×Ｃ）／Ｄ｝−Ｃ ・・・（１）
Ｚ＝（Ｘ／Ａ）×１００ ・・・（３）
請求項６の発明は、請求項４または５において、糖度計または屈折率計により測定した溶液の糖度を、ショ糖水溶液の作製に使用した水と土壌とを用いたブランクテストにより補正することを特徴とする土壌の含水率の測定方法である。

請求項１、２の発明とすることにより、土壌の含水比を、土壌採取現場においても簡単に求めることができる。
請求項３の発明とすることにより、より正確な含水比を求めることができる。
請求項４、５の発明とすることにより、土壌の含水率を、土壌採取現場においても簡単に求めることができる。
請求項６の発明とすることにより、より正確な含水比を求めることができる。

土壌の含水比、含水率の測定方法を示すフロー図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態では、糖度の測定に糖度計を用いているが、ショ糖水溶液の糖度（Ｂｒｉｘ）と屈折率とは換算表等を用いて簡単に換算することができるため、屈折率計によって屈折率を測定し、該測定した屈折率を糖度に換算することで糖度を測定するようにしても良い。つまり、本発明における糖度の測定は、糖度計により直接糖度を測定した場合だけでなく、屈折率計により屈折率を測定し、該測定した屈折率を糖度に換算した場合も含める。
本発明は、ショ糖水溶液の屈折率を基準値として水溶液の糖度（Ｂｒｉｘ）を測定する糖度計（屈折糖度計）、或いは水溶液の屈折率を測定する屈折率計が広く知られているが、このような糖度計により測定されるショ糖水溶液の糖度、或いは屈折率計により測定される屈折率を糖度に換算して求めたショ糖水溶液の糖度は、該ショ糖水溶液のショ糖濃度（重量％濃度）を示す値であるから、糖度計あるいは屈折率計を用いてショ糖水溶液のショ糖濃度を簡単且つ正確に測定できることを利用して、土壌の含水比、含水率を測定しようとするものである。
この測定に用いるショ糖（シュークロース：ｓｕｃｒｏｓｅ）は、水に対する溶解度が２１１．５ｇ／１００ｍＬ（２０℃）もあって溶解しやすいものであり、土壌中の水分にも容易に溶解する。そのうえショ糖は、人体や自然環境に対して無害であるため、測定後、ショ糖水溶液を測定現場に廃棄しても環境上問題になることがない。
さらに、本実施の形態では、土壌の含水比、含水率を測定するにあたり、糖度計または糖度計により測定された糖度を、ショ糖水溶液の作製に使用した水と土壌とを用いたブランクテストにより補正する。これにより、ショ糖水溶液の作製に使用した水や土壌に糖度の測定値に影響を与える物質が含まれていても、該物質の有無や多少に関わらず、土壌の含水比、含水率を正確に測定することができる。尚、以下の説明において、ショ糖濃度は全て重量％濃度である。

図１に土壌の含水比Ｙ％或いは含水率Ｚ％を測定する手順をフロー図で示すが、まず、現場で重量Ａグラムの土壌試料を採取する。そして、採取した重量Ａグラムの土壌試料を、ショ糖濃度Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液に入れて、よく撹拌した後に濾過する。この場合、ショ糖水溶液は、作製したものを現場に持参しても良いが、現地調達した水（地下水、井戸水、河川水、湧水、水道水等、土壌採取の現地で調達できる水であって、成分未調整の水）を用いて現場でショ糖水溶液を作製しても良い。該ショ糖水溶液のショ糖濃度Ｂ％は、土壌の湿潤状態を見て適宜（例えば、ショ糖濃度１０％〜６０％）決定する。また、濾過する際のフィルターとしては、水が浸潤しない材料で製造したものが好ましく、例えばガラス製やシリコーン、ポリテトラフルオロエチレンのような合成樹脂製等のものが採用される。
次いで、前記撹拌後に濾過して得られた溶液（該溶液を、以降、試料溶液と称する）の糖度Ｄ％を糖度計により測定する。糖度の測定は、市販されている汎用の糖度計（屈折糖度計）を用いて行うことができる。この場合に、携帯型であれば現場に簡単に持参でき、都合がよい。また、前述したように、糖度計に代えて屈折計により屈折率を測定し、該屈折率から糖度を求めても良い。

そして、該測定した糖度Ｄ％に基づき、下記の式（１）を用いて、前記採取した重量Ａグラムの土壌中の水の重量Ｘグラムを演算する。
Ｘ＝｛（Ｂ×Ｃ）／Ｄ｝−Ｃ ・・・（１）
尚、ショ糖水溶液の作製に用いた水や土壌中に、糖度の測定値に影響を与える物質が含まれていると考えられる場合（例えば、ショ糖水溶液の作製に現地調達した成分未調整の水を用いた場合）には、後述するように、前記糖度計により測定した糖度Ｄ％に代えて補正糖度Ｄｈを用いる。
さらに、前記式（１）で演算された土壌中の水の重量Ｘグラムに基づき、下記式（２）を用いて、採取した土壌の含水比Ｙ％（（土壌中の水の重量／土壌中の乾燥土壌の重量）×１００％）を演算する。或いは、下記の式（３）を用いて、採取した土壌の含水率Ｚ％（（土壌中の水の重量／土壌の重量）×１００％）を演算する。
Ｙ＝｛Ｘ／（Ａ−Ｘ）｝×１００ ・・・（２）
Ｚ＝（Ｘ／Ａ）×１００ ・・・（３）

ここで、上記式（１）、（２）、（３）および後述する式（４）、（５）、(６）において、
Ａ：採取した土壌の重量（グラム）
Ｂ：ショ糖水溶液のショ糖濃度（％）
Ｃ：ショ糖水溶液の重量（グラム）
Ｄ：試料溶液の糖度（％）
Ｅ：ショ糖水溶液中のショ糖の重量（グラム）
Ｆ：試料溶液のショ糖濃度（％）
Ｘ：土壌中の水の重量（グラム）
Ｙ：土壌の含水比（％）
Ｚ：土壌の含水率（％）
である。

具体的には、例えば、５０ｍＬのプラスチック製試験管またはバッグ等の容器に土壌試料１５グラムを入れ、このものに、ショ糖濃度が５０％のショ糖水溶液を１５グラム入れてよく振盪（例えば２分間）し、この溶液を濾過（例えば孔径０．４５μｍのフィルター）して得られた試料溶液の糖度を糖度計により測定し、該測定した糖度Ｄ％に基づき、前記式（１）を用いて採取した土壌中の水の重量Ｘグラムを演算し、さらに前記式（２）或いは（３）を用いて採取した土壌の含水比Ｙ％或いは含水率Ｚ％を演算する。
尚、土壌試料に含まれる粘土分が少ない場合など、ショ糖水溶液と振盪後に得られた溶液の濁度が低い場合には濾過を省略することができ、たいていの土壌試料においては濾過を省略して差し支えない。

前記式（１）は、以下のようにして導き出される。
まず、ショ糖濃度Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液中のショ糖の重量Ｅグラムは、以下の式（４）で表される。
Ｅ＝Ｂ×Ｃ／１００ ・・・（４）
一方、土壌とショ糖水溶液とを撹拌濾過して得られた試料溶液は、ショ糖水溶液のショ糖濃度が土壌中に含まれていた水分によって希釈された状態であって、そのショ糖濃度Ｆ％は、下記の式（５）によって表される。
Ｆ＝｛Ｅ／（Ｃ＋Ｘ）｝×１００ ・・・（５）
ここで、糖度計により測定される糖度はショ糖濃度を示す値であるから、試料溶液の糖度Ｄ％は試料溶液のショ糖濃度Ｆ％と等しく（Ｆ＝Ｄ）、前記式（５）のＦをＤに置き換えると以下の式（６）が成立する。
Ｄ＝｛Ｅ／（Ｃ＋Ｘ）｝×１００ ・・・（６）
そして、前記式（６）中のＥに式（４）の右辺を代入して整理することにより、前記式（１）が導かれる。
さらに、式（１）により演算されるＸは土壌中の水の重量であり、土壌の重量Ａグラムは測定により判明しているから、前記式（２）、（３）を用いて土壌の含水比Ｙ％、含水率Ｚ％を演算することができる。

ところで、前記式（１）、（２）、（３）を用いて土壌の含水比、含水率を演算するにあたり、式（１）を導くための式（６）が成立するには、糖度計により測定された試料溶液の糖度Ｄ％が試料溶液のショ糖濃度Ｆ％と等しいことが前提となる。このため、ショ糖水溶液の作製に用いた水や土壌中に、糖度の測定値に影響する物質が含まれていない場合、あるいは含まれていても微量であって誤差範囲内である場合には問題ないが、試料溶液の糖度の測定値に影響する物質が微量以上含まれていると、糖度計により測定される試料溶液の糖度が、実際の試料溶液のショ糖濃度よりも大きく測定されてしまい、正確な含水比、含水率を演算できないことがある。そこで、これに対処するため、本実施の形態では、ブランクテストにより糖度計で測定される試料溶液の糖度の値を補正する。

前記ブランクテストにより試料溶液の糖度の値の補正を行う場合には、重量Ａグラムの土壌を、ショ糖濃度Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液の作製に用いた水と同じ水（重量（Ｃ×（１００−Ｂ）／１００）グラム）に入れ、撹拌後、濾過して得た水の糖度を測定し、該測定した糖度Ｅ％をブランクとする。そして、以下の式（７）に示すように、測定した試料溶液の糖度Ｄ％から上記ブランクＥ％を減じ、該減じた値を、試料溶液の補正糖度Ｄｈ％とする。
Ｄｈ＝Ｄ−Ｅ ・・・（７）
そして、以下の式（８）に示すように、前記式（１）における試料溶液の糖度Ｄ％に替えて補正糖度Ｄｈ％を用いて、土壌中の水の重量Ｘグラムを演算する。
Ｘ＝｛（Ｂ×Ｃ）／Ｄｈ｝−Ｃ ・・・（８）
さらに、上記式（８）で演算されたＸの値を用いて、前記式（２）、（３）により土壌中の含水比Ｙ％、含水率Ｚ％を演算する。
ここで、上記式（７）、（８）において、
Ｂ：ショ糖水溶液のショ糖濃度（％）
Ｃ：ショ糖水溶液の重量（グラム）
Ｄ：試料溶液の糖度（％）
Ｄｈ：試料溶液の補正糖度（％）
Ｅ：ブランク（％）
Ｘ：土壌中の水の重量（グラム）
である。
そして、このようにブランクテストにより糖度計で測定された試料溶液の糖度の値を補正することにより、ショ糖水溶液の作製に用いた水や土壌中に試料溶液の糖度の測定値に影響する物質が含まれていても、該物質の有無や多少を気にすることなく、土壌の含水比、含水率を正確に測定することができる。

このように本発明が実施されたものにおいては、採取した重量Ａグラムの土壌を、ショ糖濃度Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液に入れ、撹拌後、濾過して得た溶液の糖度を糖度計または屈折率計により測定し、該測定した糖度Ｄ％に基づき、前記式（１）を用いて前記採取した重量Ａグラムの土壌中の水の重量Ｘグラムを演算し、さらに前記式（２）、（３）を用いて土壌中の含水比Ｙ％、含水率Ｘ％を演算するようにしたものであるから、土壌の採取現場においても土壌中の含水比、含水率を短時間のうちに簡単に求めることができる。而して、実験室まで採取時の含水比、含水率を維持したまま土壌を持ち込む必要がないうえ、従来のような面倒な作業や検量線の作成も不要になって、含水比、含水率の測定作業の効率を大幅に向上させることができる。
尚、この場合に、濾過操作は場合によっては省略することができるのは前述のとおりである。
また、糖度の測定は、糖度計により直接糖度を測定する場合だけでなく、屈折率計により屈折率を測定し、該測定した屈折率を糖度に換算する場合も含めることも、前述のとおりである。
しかもショ糖は人体や自然環境に対して無害であるため、測定後、採取現場に廃棄しても公害等の問題が発生することがなく、グリセリンのように、消防法の適用を受けることもなく、調達や管理が容易である。

さらにこのものにおいて、糖度計または屈折率計により測定した溶液の糖度Ｄ％を、ショ糖水溶液の作製に使用した水と土壌とを用いたブランクテストにより補正し、該補正した糖度Ｄｈに基づいて含水比、含水率を演算することにより、ショ糖水溶液の作製に使用した水や土壌中に糖度の測定値に影響する物質が含まれていても、該物質の有無や多少を気にすることなく、土壌の含水比、含水率をより正確に測定することができる。

本発明は、土壌中の含水比、含水率を測定する場合に利用することができる。

Claims (6)

1. 土壌の含水比の測定方法であって、採取した重量Ａグラムの土壌を、ショ糖濃度（重量％濃度）Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液に入れ、撹拌後、濾過して得た溶液の糖度を糖度計または屈折率計により測定し、該測定した糖度Ｄ％に基づき、下記式（１）を用いて前記採取した重量Ａグラムの土壌中の水の重量Ｘグラムを演算し、さらに下記式（２）を用いて土壌の含水比Ｙ％を演算するようにしたことを特徴とする土壌の含水比の測定方法。
   Ｘ＝｛（Ｂ×Ｃ）／Ｄ｝−Ｃ ・・・（１）
   Ｙ＝｛Ｘ／（Ａ−Ｘ）｝×１００ ・・・（２）
2. 土壌の含水比の測定方法であって、採取した重量Ａグラムの土壌を、ショ糖濃度（重量％濃度）Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液に入れ、撹拌して得た溶液の糖度を糖度計または屈折率計により測定し、該測定した糖度Ｄ％に基づき、下記式（１）を用いて前記採取した重量Ａグラムの土壌中の水の重量Ｘグラムを演算し、さらに下記式（２）を用いて土壌の含水比Ｙ％を演算するようにしたことを特徴とする土壌の含水比の測定方法。
   Ｘ＝｛（Ｂ×Ｃ）／Ｄ｝−Ｃ ・・・（１）
   Ｙ＝｛Ｘ／（Ａ−Ｘ）｝×１００ ・・・（２）
3. 請求項１または２において、糖度計または屈折率計により測定した溶液の糖度を、ショ糖水溶液の作製に使用した水と土壌とを用いたブランクテストにより補正することを特徴とする土壌の含水比の測定方法。
4. 土壌の含水率の測定方法であって、採取した重量Ａグラムの土壌を、ショ糖濃度（重量％濃度）Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液に入れ、撹拌後、濾過して得た溶液の糖度を糖度計または屈折率計により測定し、該測定した糖度Ｄ％に基づき、下記式（１）を用いて前記採取した重量Ａグラムの土壌中の水の重量Ｘグラムを演算し、さらに下記式（３）を用いて土壌の含水率Ｚ％を演算するようにしたことを特徴とする土壌の含水率の測定方法。
   Ｘ＝｛（Ｂ×Ｃ）／Ｄ｝−Ｃ ・・・（１）
   Ｚ＝（Ｘ／Ａ）×１００ ・・・（３）
5. 土壌の含水率の測定方法であって、採取した重量Ａグラムの土壌を、ショ糖濃度（重量％濃度）Ｂ％、重量Ｃグラムのショ糖水溶液に入れ、撹拌して得た溶液の糖度を糖度計または屈折率計により測定し、該測定した糖度Ｄ％に基づき、下記式（１）を用いて前記採取した重量Ａグラムの土壌中の水の重量Ｘグラムを演算し、さらに下記式（３）を用いて土壌の含水率Ｚ％を演算するようにしたことを特徴とする土壌の含水率の測定方法。
   Ｘ＝｛（Ｂ×Ｃ）／Ｄ｝−Ｃ ・・・（１）
   Ｚ＝（Ｘ／Ａ）×１００ ・・・（３）
6. 請求項４または５において、糖度計または屈折率計により測定した溶液の糖度を、ショ糖水溶液の作製に使用した水と土壌とを用いたブランクテストにより補正することを特徴とする土壌の含水率の測定方法。

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