有限要素法を用いた現地埋設型ライシメータの集水特性の解明と設計

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要約

肥料成分の溶脱量を測定するための現地埋設型ライシメータを試作した。人工降雨装置とガラーキン有限要素法を用いた解析により、降雨強度が高いほど、或いはライシメータの円筒部が長いほど集水効率が高まることを明らかにし、ライシメータの基本設計を可能にした。

• 担当:農業研究センター・土壌肥料部・水質保全研究室
• 連絡先:0298-38-8829
• 部会名:生産環境
• 専門:環境保全
• 分類:研究

背景・ねらい

集約畑からの肥料成分の溶脱量を実圃場で簡便かつ高精度にモニタリングできる手法の開発が求められている。そこで、ガラス繊維製のキャピラリーを装着した円筒形の現地埋設型ライシメータを試作して黒ボク土に埋設し、その集水特性を明らかにすることにより、現場に適用するライシメータの設計を可能にすることを目的とする。

成果の内容・特徴

• 人工降雨下における現地埋設型ライシメータの集水効率は、円筒部の長さが短いと極めて低くなった。(図1)
• ガラーキン有限要素法によりリチャーズのマトリックポテンシャル方程式を解いて集水効率の数値シミュレーションをおこなった。その結果、降雨強度が高いほど、或いは円筒部が長いほどライシメータの集水効率は高まることが明らかとなった。また、排水口の排水能力による律速を考慮して、Ksat・A と S ・Rの比を計算したところ,A / S > Rr / 36,000 / Ksat に設計する必要性が認められた。(図1)
• ライシメータ内部のポテンシャル平衡から考察すると、ライシメータでの集水を可能にするためには、ライシメータ上端のマトリックポテンシャルと円筒部の長さによる重力ポテンシャルの和をキャピラリーの有効長さによって作られるマトリックポテンシャルよりも大きく設定する必要がある。(図2)
• 数値シミュレーションにより、円筒部の長さが適当でない場合には、ライシメータ上端の全ポテンシャルの勾配がライシメータの外側の勾配よりも緩やかになるために集水効率が低下することを視覚的に示すことができた。(図2)
• 上述と同じ土壌条件の場合、深さ70cm以下への溶脱量をモニタリングするには、円筒部の長さを40～50cmに設計する必要がある。(図3)

  用いた記号:A:排水口面積(cm2)、 k:不飽和透水係数(cms-1)、Ksat:飽和透水係数(cms-1)、 R:降雨強度(mmh-1)、Rr:最大降雨強度(mmh-1)、S:集水面積(cm2)、z:重力ポテンシャル(cmH2O)、q:体積含水率(m3m-3)、y:マトリックポテンシャル(cmH2O)

成果の活用面・留意点

キャピラリーの装着はライシメータ底部における水の停滞をなくして脱窒などの影響を低減すると同時に、サイフォンによって集水に必要とされる円筒部の長さを短くできる。

具体的データ

その他

• 研究課題名:非特定汚染源からの負荷削減制御技術に関する研究
• 予算区分:資源循環(科振調・生活者基盤研究)
• 研究期間:平成9年度(平成7～9年)