JPH07244040A

JPH07244040A - 土壌水分測定方法および装置

Info

Publication number: JPH07244040A
Application number: JP3551494A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Yasuno; 雅満安野; Makoto Nakajima; 誠中島; Mayumi Koshio; 真由美小汐
Original assignee: AISIA AIR SURVEY CO Ltd; ASIA KOSOKU KK
Current assignee: AISIA AIR SURVEY CO Ltd; ASIA KOSOKU KK
Priority date: 1994-03-07
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 1995-09-19
Anticipated expiration: 2017-11-11
Also published as: JP3342764B2

Abstract

(57)【要約】【構成】土壌水分測定装置は、土壌中に埋設される多
孔質のポーラスカップを先端に有した導管と、導管に連
通した媒体タンクと、媒体タンクに充填されるプロピレ
ングリコール溶液と、土壌水分張力と平衡状態にあるポ
ーラスカップ内のプロピレングリコール溶液の圧力を検
出する圧力検出手段とを備える。【効果】今まで物理的に不可能であった、低温環境下
におけるテンシオメーターによる土壌水分測定が可能で
ある。これによって通年の土壌水分測定が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土壌水分測定方法およ
び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、農薬、肥料などによる地下水汚染
機構の解明、土壌層（不飽和帯）を考慮した水収支の評
価、建設工事に係る植生などへの影響評価、盛土などを
含めた斜面崩壊のメカニズムの研究、洪水発生予測など
において、不飽和土壌中の水分量や水分挙動の取扱いが
重要となってきている。これらの問題について把握する
ためには、年間を通した土壌水分の挙動を知る必要があ
る。

【０００３】土壌水分の測定方法としては、炉乾燥法、
テンシオメーター法、電気抵抗法、誘電法、熱伝導法、
電磁波法、放射線法（中性子法、γ線法）など数多くの
手法がある。しかし、その多くはまだ研究段階にあり、
キャリブレーションや連続観測の困難さ、測定精度など
の点で問題点を残しているのが現状である。

【０００４】これらの測定方法の中で、テンシオメータ
ー法が農業や斜面水分の分野を中心に実績を挙げてお
り、野外での連続観測にも多く用いられている。このテ
ンシオメーター法は、土壌中に多孔質のポーラスカップ
を埋設し、周辺の土壌の吸引圧（水分張力）と平衡状態
にあるポーラスカップ内の水圧を測定する方法である。
このときの水圧を水柱高に換算することにより、土壌の
水分張力が得られる。ポーラスカップ内の水圧は、テン
シオメーター内に充填された水（脱気水）を媒体として
圧力センサーや水銀マノメーターで測定される。土壌水
分張力から土壌水分量への換算は、ポーラスカップ埋設
時などに採取された土壌試料でｐＦ試験を行って得られ
たｐＦ〜水分特性曲線を用いて行なう。

【０００５】ここで、ｐＦとは、土壌水分の表示法の一
つで、土壌粒子に吸引保持されている水分の強さをその
吸引圧に相当する水柱の高さ（単位cm）の対数で表した
ものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】野外での連続土壌水分
観測には、テンシオメーター法が適しているのである
が、従来は、テンシオメーター法による氷点下での水分
測定の物理的な困難さから、冬期間の土壌水分観測はあ
まり行われていなかった。これは、テンシオメーター内
に充填された脱気水が凍結してしまうからであった。

【０００７】従来行われてきたテンシオメーターの凍結
防止策としては、脱気水の代わりに凝固点の低い溶液を
不凍液として使用した例や、温床線により機器の地上部
を加熱保温した例などがある。現状では、土壌水分観測
が行われているところの大部分が山地流域など商用電源
の無い地域であり、機器を長期間にわたって加熱保温す
ることが困難である。従って、テンシオメーターの凍結
防止対策としては、不凍液を使用する方法の汎用性が高
いと思われる。

【０００８】しかし、不凍液として用いる溶液としてど
のような溶液を用いるのが実用的であるのかは、凝固点
（融点）の低さ、脱気水による場合の測定値との換算の
容易さ、測定範囲の広さ、溶液の取扱いの容易性、植生
や土壌に与える影響（毒性）が小さいこと等、考慮すべ
きことが多く、これまで、冬期間や寒冷地でのテンシオ
メーター法の実用性については問題視されていた。

【０００９】本発明の目的は、前述したような従来技術
の問題点を解消しうるような土壌水分測定方法および装
置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の観点によ
れば、テンシオメーターを用いて土壌水分を測定する方
法において、テンシオメーター内に充填する水に代え
て、プロピレングリコール溶液を使用し、プロピレング
リコール溶液のプロピレングリコール濃度は、測定すべ
き土壌水分状態に応じて変えられる。

【００１１】本発明の第２の観点によれば、土壌中に埋
設される多孔質のポーラスカップを先端に有した導管
と、該導管に連通した媒体タンクと、該媒体タンクに充
填されるプロピレングリコール溶液と、土壌水分張力と
平衡状態にある前記ポーラスカップ内の前記プロピレン
グリコール溶液の圧力を検出する圧力検出手段とを備え
たことを特徴とする土壌水分測定装置が提供され、その
プロピレングリコール溶液のプロピレングリコール濃度
は、測定すべき土壌水分状態に応じて変えられる。

【００１２】

【実施例】次に、添付図面に基づいて、本発明の実施例
について本発明をより詳細に説明する。

【００１３】図１は、本発明において使用するテンシオ
メーターの構造例を概略的に示している。この図１に示
すように、このテンシオメーター１０は、土壌中に埋設
される多孔質のポーラスカップ（水分センサー）１２を
先端に有した導管１１と、この導管１１に連通した媒体
タンク１３と、感圧センサーを収納し媒体タンク１３の
上部に取り付けられるセンサーキャップ１４と備えてい
る。センサーキャップ１４内の感圧センサーは、例え
ば、半導体圧力変換型センサーであり、媒体タンク１３
に充填される脱気水等の媒体と、土壌水分張力と平衡状
態にあるポーラスカップ１２内の媒体の圧力を検出する
ものである。媒体タンク１３には、エアー抜きバルブ１
５が設けられ、センサーキャップ１４には、補給水バル
ブ１６が設けられており、センサーキャップ１４からは
センサーコード１７が引き出されている。

【００１４】本発明者は、このようなテンシオメーター
内に脱気水に代わる実用性の高い不凍液としてどのよう
な溶液が適当かを種々考察する過程において、エチレン
グリコール溶液等に比較して、プロピレングリコール溶
液の方が、そのプロピレングリコール溶液が次のような
物性を有することから、有望であるとの観点に立って種
々実験をしてみた。

【００１５】プロピレングリコールは、主として食品添
加物や不凍液、冷媒などに用いられている物質であり、
水と任意の割合で完全に混和する、人体に対する毒性が
極めて小さいなどの特徴をもつ。プロピレングリコール
溶液は、融点が−７０°Ｃ以下と低く、比重が２０°Ｃ
で、1.０３６から1.０３８と非常に水に近い粘稠性のあ
る液体である。表面張力についてみると、プロピレング
リコールは、２５°Ｃで３６dyne/cm であり、水の１／
２の大きさである。

【００１６】プロピレングリコールは、吸湿性のある物
質でもあり、空気中の水分の状態により平衡となる濃度
が変化する。テンシオメーターで測定可能な土壌水分状
態（圧力水頭で０〜−１０００cmＨ₂Ｏ）にあるときの
土壌中の相対湿度は、９9.９％以上である。このことか
ら土壌中でのプロピレングリコール濃度の平衡値は、４
０％よりも小さな値であると推測される。

【００１７】プロピレングリコール溶液の物性は、プロ
ピレングリコール濃度により異なってくる。プロピレン
グリコール溶液の主な濃度（２５、５０、１００％）に
おける比重、融点、粘度、表面張力を、水（プロピレン
グリコール濃度０％）の物性とともに図３に整理して示
している。以下に、プロピレングリコール溶液の濃度と
比重、融点、粘度、表面張力の各項目の関係について説
明しておく。

【００１８】先ず、プロピレングリコール溶液の比重
は、各温度ともに７５〜８０％の濃度で最も大きく、７
５％以下では濃度が低いほど大きい。しかし、プロピレ
ングリコール溶液の比重は、いずれの温度においても水
の比重の１〜1.０５倍であり、プロピレングリコール溶
液と水との比重の差は、極めて小さい。従って、テンシ
オメーターにプロピレングリコール溶液を使用した土壌
水分測定において、プロピレングリコール溶液と水との
比重の差に起因する測定値への影響はほとんどないと考
えられる。

【００１９】次に、プロピレングリコール溶液の融点
は、濃度が高いほど小さくなる。例えば、プロピレング
リコール２５％溶液の融点は、約−１０°Ｃであり、プ
ロピレングリコール５０％溶液の融点は、約−３２°Ｃ
である。テンシオメーターにプロピレングリコール溶液
を使用して土壌水分測定を行なう場合、融点が測定地点
の最低気温や最低地温よりも低い温度になる範囲でプロ
ピレングリコール溶液の濃度を決定する必要がある。

【００２０】また、プロピレングリコール溶液の粘度
は、濃度が高いほど大きくなる。また、水の場合と同様
に、プロピレングリコール溶液の粘度は、温度が低いほ
ど大きくなる。例えば、プロピレングリコール２５％溶
液の粘度は、同じ温度の水の粘度の約２倍であり、プロ
ピレングリコール５０％溶液の粘度は、同じ温度の水の
粘度の約５〜６倍である。テンシオメーターでは、テン
シオメーター内に充填されている溶液がポーラスカップ
の間隙を通して外部に引っ張られるときの張力（土壌水
分張力）を測定しているため、プロピレングリコール溶
液を使用した場合には、その粘度の高さが張力の抵抗と
なり、土壌水分測定値に影響を及ぼす可能性があると考
えられる。

【００２１】さらにまた、プロピレングリコール溶液の
表面張力は、濃度が高いほど小さくなる。例えば、プロ
ピレングリコール２５％溶液の表面張力は、水の表面張
力の約0.７倍であり、プロピレングリコール５０％溶液
の表面張力は、水の表面張力の約0.６倍である。通常、
テンシオメーターに脱気水を使用した場合には、ｐＦ約
2.８〜2.９まで土壌が乾燥した段階でポーラスカップが
空気を吸込み測定限界となる。プロピレングリコール溶
液の表面張力は、水よりも低いため、プロピレングリコ
ール溶液をテンシオメーターに使用した場合には、水の
場合よりも低いｐＦ値でポーラスカップが空気を吸い込
む可能性がある。すなわち、表面張力からみると、プロ
ピレングリコール溶液のテンシオメーターへの使用によ
り、土壌水分の測定範囲が狭くなる可能性がある。

【００２２】以上のことから、プロピレングリコール溶
液と水との粘度、表面張力の違いが、プロピレングリコ
ールをテンシオメーターに使用した場合の土壌水分測定
値や測定範囲への影響の原因になると考えられる。ま
た、プロピレングリコール濃度の平衡値が空気中水分に
よって変化するという性質も、プロピレングリコール溶
液をテンシオメーターに使用した場合の土壌水分測定値
への影響の原因となる可能性があると考えられる。

【００２３】本発明者は、以上のようなプロピレングリ
コール溶液の物性と水の物性との関係を踏まえて、テン
シオメーター内に充填する媒体として脱気水の代わりに
プロピレングリコール溶液を使用する場合の実用性を確
認するために、次のような実験を行った。

【００２４】図２は、その実験に使用した実験装置の概
略構成を示している。図２に示すように、この実験装置
は、内径３8.２cm、厚さ１２mmの塩化ビニールパイプを
加工して作られた高さ１５２cmの鉛直一次元土壌カラム
４の２本（カラムＡ、Ｂ）を備えている。２本のカラム
４内に同じ高さの地下水面ができるようにカラム４の下
端を給排水用の配管で接続している。また、給排水用の
配管には、地下水面を制御する水位調整用タンク６およ
び水位読取用のマノメーター５が接続されており、水位
調整用タンクの上下移動によってカラム内の地下水面の
高さを容易に設定、変更できるようにしている。カラム
４の上部は、断熱材（発泡スチロール）８で囲まれた冷
却室３とされており、冷凍庫からファンによって送り込
まれる冷気により恒温環境が維持されるようになってい
る。また、土壌カラム４内の地温が外気温の変化の影響
を受けないように、カラム４の周囲を断熱材（ベニヤ
板）９で囲み、外気と遮断している。

【００２５】実験用の土壌には、豊浦標準砂を用いた。
土壌カラム４への豊浦標準砂の充填を水締め方式により
行なうことにより、豊浦標準砂７が２本のカラム４内に
均一に充填され、しかも封入空気が残存しないようにし
ている。

【００２６】圧力水頭の測定には、図１に関して前述し
たような構造を有するテンシオメーターを使用すること
にし、直径１８mm、長さ６cmのセラミックス多孔質（孔
径0.１〜１μｍ）からなるポーラスカップと半導体圧力
変換型センサーを組み合わせたテンシオメーター（サン
ケイ理化社製、ＳＫ−５５００型）を２本使用した。テ
ンシオメーター１および２の測定範囲は、０〜±１００
０cmＨ₂Ｏであり、測定精度は、Ｆ．Ｓ．0.５％（５cm
Ｈ₂Ｏ）である。ポーラスカップは、各カラム４内の土
壌表面下２５cmに埋設し、テンシオメーター１をＳ１と
し、テンシオメーター２をＳ２とした。圧力水頭は、１
０分毎に自動測定し、測定データは、データロガー（ユ
ニパルス社製、Ｕ−ＬＯＧＧＥＲＬ８１０Ｂ型）にて
ＩＣカード内に収録した。

【００２７】温度の測定には、銅−コンスタンタン熱電
対（ネッシン社製、ＮＴ−３５０ＴＵＳ3.２−１００−
１０ｍＥＤ型）を用いた。温度計Ｔ１からＴ６の測定範
囲は、０〜３５０°Ｃで、測定精度は、±１°Ｃであ
る。測定は、土壌表面下２５cmの地温２カ所（Ｔ１、Ｔ
２）と、土壌表面直上（Ｔ３、Ｔ４）、土壌表面上約１
４cm（テンシオメーターの圧力センサーの高さ；Ｔ５）
および土壌カラム４周辺部の気温（Ｔ６）の４カ所につ
いて行った。地温および気温は、１０分毎に自動測定
し、測定データは、データロガー（ユニパルス社製、Ｕ
−ＬＯＧＧＥＲＬ８２２型）にてＩＣカード内に収録
した。

【００２８】テンシオメーター２内に充填するプロピレ
ングリコール溶液の濃度測定には、偏光式ブライン濃度
計（アタゴ社製、ＢＲ−１型）を用いた。濃度計の測定
範囲は、０〜７０％で、測定精度は、±１％である。プ
ロピレングリコール濃度の測定は、実験開始前にテンシ
オメーター２に充填するときのプロピレングリコール溶
液と実験終了時にテンシオメーター２内から採取したプ
ロピレングリコール溶液について行った。

【００２９】実験は、脱気水とプロピレングリコール２
５％溶液を使用した比較実験（Exp.１）と、脱気水とプ
ロピレングリコール５０％溶液を使用した比較実験（Ex
p.２）とからなる。Ｓ１のテンシオメーター１には、Ex
p.１、Exp.２ともに脱気水を充填しており、Ｓ２のテン
シオメーター２には、Exp.１では、プロピレングリコー
ル２５％溶液を、Exp.２では、プロピレングリコール５
０％溶液を充填している。各実験では、地下水面の高さ
をｐＦ０〜1.８の任意の水分状態（ｐＦ０、0.５、1.
０、1.３、1.５、1.６、1.７、1.８）になるように変化
させていき、その間の圧力水頭の変化および地温、気温
の変化を測定した。なお、前述の各ｐＦ値の状態では、
それぞれ圧力水頭が平衡に達するまでの地下水面を固定
している。地下水面の移動は、ｐＦ０（地下水面上昇が
Ｇ．Ｌ．−２5.０cm）の状態からスタートし、地下水面
低下過程（排水過程）、地下水面上昇過程（吸水過程）
の順に行っている。冷却室内の温度環境については、気
温の変化による圧力水頭測定値への影響をなくすため、
１５°Ｃ付近で一定に保たれている状態を設定した。

【００３０】テンシオメーター２内のプロピレングリコ
ール溶液の濃度変化については、実験中にテンシオメー
ターからプロピレングリコール溶液を採取することが不
可能なため、テンシオメーター内に充填するときの濃度
と各実験の終了時の濃度を測定した。

【００３１】なお、Exp.１、Exp.２の開始に先立ち、Ｓ
１、Ｓ２の両方に脱気水を充填した場合の比較実験など
を行った結果、Ｓ１とＳ２の測定値の変化特性が同じで
あること、すなわち、カラムＡとカラムＢには、同じ土
壌水分が設定されることを確認している。

【００３２】テンシオメーターの内外はポーラスカップ
の孔隙により連続しているため、プロピレングリコール
溶液の土壌中への流出や、浸透圧によるプロピレングリ
コールの流出が考えられる。プロピレングリコールが土
壌中に流出した場合には、プロピレングリコールと水の
物性の違いに起因して、土壌の水理特性が変化してしま
う可能性がある。そこで、土壌中の水分がプロピレング
リコール溶液であるときの土壌物理特性を把握するた
め、水の代わりに濃度が２５％と５０％の２種類のプロ
ピレングリコール溶液を試験用水に用いて透水試験、ｐ
Ｆ試験を行った。なお、土壌水分中にプロピレングリコ
ール溶液が含まれている状態を考えて物性試験を行って
いるため、ここでは、透水係数、ｐＦ〜水分特性曲線と
いう用語をそのまま用いている。

【００３３】濃度が２５％と５０％の２種類のプロピレ
ングリコール溶液を試験用水として、変水位法による透
水試験を行った。試験では、プロピレングリコール溶液
で飽和させた土壌試料を使用している。この透水試験結
果によれば、プロピレングリコール溶液の濃度の増加と
ともに、透水係数は小さくなっていることがわかった。
これは、主として、プロピレングリコール溶液の粘度が
濃度の増加とともに大きくなることにより、浸透の抵抗
となるためであると考えられる。

【００３４】濃度が２５％と５０％の２種類のプロピレ
ングリコール溶液を試験用水として砂柱法、加圧板法に
よるｐＦ試験を行い、プロピレングリコール溶液に対す
るｐＦ〜水分特性曲線を求めた。図４に各濃度のプロピ
レングリコール溶液に対するｐＦ〜水分特性曲線を示
す。ｐＦ試験では、プロピレングリコール２５％溶液、
プロピレングリコール５０％溶液ともに、ｐＦ2.０以上
で試料からメスシリンダーへの排水が行われにくくなっ
た。そのため、排水の終了が確認しきれておらず、各ｐ
Ｆ値のときの体積含水率が幾らか多めに出ている可能性
もある。

【００３５】図４で同じ同じ体積含水率に対する各溶液
のｐＦ値を見ると、プロピレングリコール２５％溶液、
プロピレングリコール５０％溶液ともにｐＦ1.７以下で
は脱気水（プロピレングリコール濃度０％）の場合より
も低いｐＦ値（高い圧力水頭）をとっており、ｐＦ2.０
以上では脱気水の場合よりも高いｐＦ値（低い圧力水
頭）をとっている。各ｐＦ値のときの体積含水率の違い
という観点で図４を見た場合には、プロピレングリコー
ル２５％溶液、プロピレングリコール５０％溶液とも
に、ｐＦ1.７以下では同じｐＦ値の脱気水の場合よりも
少ない体積含水率の状態であり、ｐＦ2.０以上では同じ
ｐＦ値の脱気水の場合よりも多い体積含水率の状態であ
る。

【００３６】以上の試験結果から、プロピレングリコー
ルが土壌中に漏出した場合には、透水性が低くなり、ｐ
Ｆ〜水分特性曲線が変化することがわかる。しかし、漏
出したプロピレングリコールが土壌水分中に占める割合
は小さく、希釈されることや土壌中の水分が移動するこ
となどから、実際の野外土壌中ではポーラスカップから
漏出したプロピレングリコールによる影響は、濃度２５
％、５０％のプロピレングリコール溶液による物性試験
結果ほどは大きくないと考えられる。

【００３７】Exp.１では、Ｓ１、Ｓ２のテンシオメータ
ーにそれぞれ脱気水、プロピレングリコール２５％溶液
を充填し、比較実験を行った。排水過程ではｐＦ値の増
加、すなわち、圧力水頭が低下するに従ってＳ１とＳ２
の圧力水頭測定値の差が大きくなった。また、ｐＦ1.８
の水分状態（圧力水頭ψ＝−６3.１cmＨ₂Ｏ）では、Ｓ
２の圧力水頭が平衡に達しなかった。吸水過程では、ｐ
Ｆ1.８の状態から吸水を開始しているが、ｐＦ1.８から
ｐＦ1.６まではＳ２の圧力水頭が平衡に達しなかった。
平衡に達しない場合のＳ２の圧力水頭は、Ｓ１の圧力水
頭よりも４０cmＨ₂Ｏ以上低い値で変化していた。

【００３８】温度測定結果によれば、温度計Ｔ１とＴ２
に差がないこと、温度計Ｔ３とＴ４に差がなかったこと
から、カラムＡとカラムＢの温度環境（地温、気温）が
同じであったことがわかった。

【００３９】テンシオメーター内のプロピレングリコー
ル溶液の濃度は、実験開始時２５％、実験終了時が１６
％であり、濃度の低下が見られた。また、実験中のテン
シオメーター内の脱気水、プロピレングリコール溶液の
体積の減少は見られなかった。

【００４０】Exp.２では、Ｓ１、Ｓ２のテンシオメータ
ーにそれぞれ脱気水、プロピレングリコール５０％溶液
を充填し、比較実験を行った。排水過程では、ｐＦ値の
増加、すなわち圧力水頭が低下するに従ってＳ１とＳ２
の圧力水頭測定値の差が大きくなっている。また、ｐＦ
1.７〜1.８の水分状態（圧力水頭ψ＝−５0.１〜−６3.
１cmＨ₂Ｏ）では、Ｓ２の圧力水頭が平衡に達しなかっ
た。吸水過程では、ｐＦ1.８の状態から吸水を開始して
いるが、ｐＦ1.８からｐＦ1.５まではＳ２の圧力水頭が
平衡に達しなかった。平衡に達しない場合のＳ２の圧力
水頭は、−４０〜−６０cmＨ₂Ｏの間で変化しており、
ｐＦ1.８の状態ではＳ１よりも高い値を示した。

【００４１】温度測定結果によると、温度計Ｔ１とＴ２
に差がないこと、温度計Ｔ３とＴ４に差がないことか
ら、カラムＡとカラムＢの温度環境（地温、気温）が同
じであったことがわかった。

【００４２】テンシオメーター内のプロピレングリコー
ル溶液の濃度は、実験開始時が４６％、実験終了時が３
２％であり、濃度の低下が見られた。また、実験中のテ
ンシオメーター内の脱気水、プロピレングリコール溶液
の体積の減少は見られなかった。

【００４３】本発明者は、このようなExp.１およびExp.
２の実験結果をもとに、テンシオメーターにプロピレン
グリコール溶液を使用した場合の測定値への影響特性に
ついて検討してみた。図５は、Exp.１における平衡状態
でのＳ１（脱気水を使用）とＳ２（プロピレングリコー
ル２５％溶液を使用）の圧力水頭測定値の関係を示して
いる。図６は、Exp.２における平衡状態でのＳ１（脱気
水を使用）とＳ２（プロピレングリコール５０％溶液を
使用）の圧力水頭測定値の関係を示している。また、各
水分状態で平衡となったときのＳ１とＳ２の測定値の差
は、図９の表に示すとおりである。図５および６に於け
る孤立点および図９の表における( ) 内の数値は、Ｓ２
が平衡に達しなかった場合の圧力水頭測定値を示してい
る。

【００４４】Exp.１の排水過程でＳ２の圧力水頭測定値
が平衡に達したのは、図９の表に示されるようにｐＦ０
〜1.７の範囲である。測定値が平衡に達しなかった状態
でのＳ２の圧力水頭測定値は、図５に示されるように、
−１３０〜１００cmＨ₂Ｏの値を示しており、Ｓ１の測
定値の変化に対応した動きは見られない。このことか
ら、圧力水頭測定値が非平衡であるときは、プロピレン
グリコール溶液に膜切れが生じている状態であると考え
られる。

【００４５】Exp.１では、ｐＦ1.８の状態まで排水した
上で吸水過程の実験を開始しているため吸水過程のｐＦ
1.６〜1.８の範囲で非平衡な状態となっているが、排水
過程をｐＦ1.７以下までで終了して吸水過程を開始した
場合には、吸水過程のｐＦ1.６〜1.７の範囲でも平衡に
達するであろうと推測される。従って、プロピレングリ
コール２５％溶液をテンシオメーターに使用する場合の
測定範囲は、豊浦標準砂においてはｐＦ０〜1.７（圧力
水頭で０〜−５0.１cmＨ₂Ｏ）の範囲であると考えられ
る。

【００４６】Exp.２の排水過程でＳ２の圧力水頭測定値
が平衡に達したのは、図９の表に示されるように、ｐＦ
０〜1.６の範囲である。測定値が平衡に達しなかった状
態でのＳ２の圧力水頭測定値は、−６０〜−４０cmＨ₂
Ｏの値を示し、Ｓ１の測定値の変化に対応した動きは見
られない。Exp.２においても、Exp.１と同様に、ｐＦ1.
８の状態まで排水した上で吸水過程の実験を開始してい
るため吸水過程のｐＦ1.５〜1.８の範囲でＳ２の圧力水
頭測定値は非平衡な状態となっているが、排水過程をｐ
Ｆ1.６以下までで終了して吸水過程を開始した場合には
吸水過程のｐＦ1.５〜1.６（圧力水頭で−３1.６〜−３
9.８cmＨ₂Ｏ）の範囲においても平衡に達すると考えら
れる。

【００４７】以上の結果から、テンシオメーターへのプ
ロピレングリコール溶液の使用による影響として、脱気
水を使用した場合よりも土壌水分測定可能範囲が狭くな
ることが挙げられる。

【００４８】プロピレングリコール溶液をテンシオメー
ターに使用して豊浦標準砂の土壌水分測定を行ったと
き、プロピレングリコール溶液を使用して得られた測定
値をもとに脱気水を使用した場合の測定値（真の土壌水
分）を得る必要がある。そこで、Exp.１、Exp.２の実験
結果をもとに、プロピレングリコール溶液の使用による
テンシオメーターの測定値への影響について検討した。
なお、プロピレングリコール溶液に膜切れが生じている
状態でのＳ２の圧力水頭測定値からＳ１の圧力水頭測定
値を推定することが不可能であるため、ここではＳ２が
平衡に達した水分状態についてのみ検討を行った。

【００４９】Exp.１、Exp.２の各水分状態で測定値が平
衡状態にあるときのＳ１、Ｓ２の圧力水頭測定値は、図
９に示すとおりであり、そのときのＳ２の圧力水頭測定
値とＳ１の圧力水頭測定値の関係は、図７、図８のとお
りである。図７、図８における破線は、それぞれ回帰直
線を示しており、次式で示される。図７の回帰直線Ｓ１＝0.９０×Ｓ２（１）（但し、ｐＦ０≦Ｓ１≦1.７）［ｒ＝0.９９９ｒ：相関係数］図８の回帰直線Ｓ１＝0.９７×Ｓ２＋0.５２（２）（但し、ｐＦ０≦Ｓ１≦1.６）［ｒ＝0.９９９］なお、実際に野外観測された土壌水分の解析において排
水過程と吸水過程を区別することがまれであり、しか
も、図７、図８では、排水過程と吸水過程との特性に違
いが見られないことから、回帰直線は、排水過程と吸水
過程の全データを対象に求めている。

【００５０】圧力水頭が正の値、すなわち飽和状態にお
いては、Ｓ１とＳ２の差がExp.１では0.６cmＨ₂Ｏ以
内、Exp.２では1.２cmＨ₂Ｏ以内であることから、プロ
ピレングリコール溶液の使用による測定値への影響、す
なわち浸透圧による影響はないと考えられる。

【００５１】圧力水頭が負の値、すなわち不飽和状態に
おいては、図７、図８の回帰直線を見てわかるように、
圧力水頭の低下に比例してＳ１とＳ２との圧力水頭の差
が増加する傾向がある。プロピレングリコール２５％溶
液を使用するときの測定可能範囲に上記（１）式を適用
した場合、Ｓ１とＳ２との差は最大で5.６cmＨ₂Ｏであ
り、ｐＦ1.６５〜1.７（圧力水頭が−４５〜−５0.１cm
Ｈ₂Ｏ）の範囲でテンシオメーターの測定精度である５
cmＨ₂Ｏを越える。しかし、一般に、土壌水分挙動解析
では圧力水頭のcmＨ₂Ｏ未満の単位を四捨五入して用い
ることが多いことから、測定可能範囲内のほとんどの土
壌水分状態でＳ１とＳ２の差が測定精度以下の誤差の範
囲にあるということができる。一方、プロピレングリコ
ール５０％溶液を使用するときの測定可能範囲に上記
（２）式を適用した場合には、Ｓ１とＳ２との差の最大
値が0.７cmＨ₂Ｏであり、テンシオメーターの測定精度
である５cmＨ₂Ｏよりかなり小さい。

【００５２】以上のことから、テンシオメーターにプロ
ピレングリコール溶液を使用して豊浦標準砂の土壌水分
を測定する場合、その測定可能範囲内での圧力水頭測定
値は、真の圧力水頭（脱気水を使用したときの圧力水
頭）に等しいと考えられる。

【００５３】前述した豊浦標準砂の結果をもとに、粒度
などが異なる土壌でのテンシオメーターによる土壌水分
測定にプロピレングリコール溶液を使用した場合の測定
範囲および測定値への影響についても検討してみたが、
測定可能範囲内の土壌水分状態においては、土壌の種類
にかかわらず、プロピレングリコール溶液を使用したと
きの圧力水頭測定値は真の圧力水頭を示すことが確認で
きた。

【００５４】Exp.１、Exp.２において、実験に伴うテン
シオメーター内のプロピレングリコール溶液の濃度低下
が測定されている。Exp.１、Exp.２ともに実験開始から
実験終了までに約２４０時間を要しているが、その間に
Exp.１では濃度が４６％から３２％まで低下し、Exp.２
では濃度が２５％から１６％まで低下した。テンシオメ
ーター内のプロピレングリコール溶液の濃度低下は、プ
ロピレングリコールの浸透圧によりポーラスカップから
土壌中の水分へプロピレングリコールが漏出したために
起きていると考えられる。テンシオメーター内のプロピ
レングリコール溶液の濃度が低下する速度は、テンシオ
メーターの埋設管の長さや土壌水分の状態によって違っ
てくるはずである。

【００５５】テンシオメーター内のプロピレングリコー
ル溶液の濃度が低下した場合、プロピレングリコール溶
液の融点が上昇するため、不凍剤としての能力が低下す
ることになる。従って、プロピレングリコール溶液を使
用してテンシオメーターによる土壌水分長期連続測定を
行なう場合には、テンシオメーター内のプロピレングリ
コール溶液の濃度変化に注意することが必要である。

【００５６】以上説明したような豊浦標準砂を実験土壌
に用いた土壌カラム実験、土壌物性試験の結果、確認で
きたことをまとめると以下のようである。

【００５７】（１）プロピレングリコール溶液をテンシ
オメーターに使用して豊浦標準砂の土壌水分を測定する
場合、脱気水を使用した場合よりも土壌水分の測定が可
能な範囲が狭くなり、濃度が２５％の溶液の場合の測定
範囲は、ｐＦ０〜1.７（圧力水頭で０〜−５0.１cmＨ₂
Ｏ）、濃度が５０％の溶液の場合の測定範囲は、ｐＦ０
〜1.６（圧力水頭で０〜−３9.８cmＨ₂Ｏ）である。

【００５８】（２）土壌が飽和した状態においては、プ
ロピレングリコール溶液の使用によるテンシオメーター
の測定値への影響、すなわち浸透圧による影響はないと
考えられる。

【００５９】（３）上記（１）の測定範囲内において
は、プロピレングリコール溶液の使用によるテンシオメ
ーターの測定値への影響は測定精度以下の誤差の範囲に
あるため、無視できる。

【００６０】（４）プロピレングリコール溶液をテンシ
オメーターに使用して各種土壌の土壌水分を測定する場
合、最低でも、各種土壌のｐＦ〜水分特性曲線における
飽和〜空気侵入値の範囲の圧力水頭は測定できると考え
られる。

【００６１】これらの結果から、プロピレングリコール
溶液を使用したテンシオメーターによる冬期土壌水分測
定について、脱気水を使用する場合よりも測定可能な土
壌水分状態の範囲は狭くなるものの、圧力水頭測定値を
そのまま真の圧力水頭として取り扱うことができる。

【００６２】

【発明の効果】今まで物理的に不可能であった、低温環
境下におけるテンシオメーターによる土壌水分測定が可
能である。これによって通年の土壌水分測定が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明において使用するテンシオメーターの構
造例を示す概略図である。

【図２】本発明の開発において使用した実験装置の概略
構造を示す図である。

【図３】本発明において使用するプロピレングリコール
溶液の濃度と物性を示す表を示す図である。

【図４】本発明において使用するプロピレングリコール
溶液の濃度と水分特性曲線を示す図である。

【図５】図２の実験装置での実験１によるカラムＡおよ
びＢの圧力水頭測定値の関係を示す図である。

【図６】図２の実験装置での実験２によるカラムＡおよ
びＢの圧力水頭測定値の関係を示す図である。

【図７】図２の実験装置での実験１によるカラムＡおよ
びＢの圧力水頭測定値の関係と回帰直線とを示す図であ
る。

【図８】図２の実験装置での実験２によるカラムＡおよ
びＢの圧力水頭測定値の関係と回帰直線とを示す図であ
る。

【図９】ｐＦ値における脱気水とプロピレングリコール
溶液の圧力水頭測定値の差等を示す表を示す図である。

【符号の説明】

１テンシオメーター２テンシオメーター３冷却室４土壌カラム５マノメーター６水位調整用タンク７豊浦標準砂８断熱材９断熱材１０テンシオメーター１１導管１２ポーラスカップ１３媒体タンク１４センサーキャップ１５エアー抜きバルブ１６補給水バルブ１７センサーコード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】テンシオメーターを用いて土壌水分を測
定する方法において、テンシオメーター内に充填する水
に代えて、プロピレングリコール溶液を使用することを
特徴とする方法。
【請求項２】前記プロピレングリコール溶液のプロピ
レングリコール濃度は、測定すべき土壌水分状態に応じ
て変えられる請求項１記載の方法。
【請求項３】土壌中に埋設される多孔質のポーラスカ
ップを先端に有した導管と、該導管に連通した媒体タン
クと、該媒体タンクに充填されるプロピレングリコール
溶液と、土壌水分張力と平衡状態にある前記ポーラスカ
ップ内の前記プロピレングリコール溶液の圧力を検出す
る圧力検出手段とを備えたことを特徴とする土壌水分測
定装置。
【請求項４】前記プロピレングリコール溶液のプロピ
レングリコール濃度は、測定すべき土壌水分状態に応じ
て変えられる請求項３記載の土壌水分測定装置。