土壌水

土壌水についての詳細

土壌水とは、地下水面から浅い位置に存在する水分のことで、土壌の間隙の中に位置しています。この部分の水は不飽和であり、水圧が大気圧よりも低い状態です。土壌は主に土粒子、水、空気で構成されており、土粒子の間には空間（間隙）が存在し、その部分に土壌水が蓄えられています。

土壌の構成と間隙

t土壌は、土粒子以外の空間である間隙を持っています。土壌水帯ではこの間隙が完全に水で満たされるわけではなく、上に水分と空気が混在していることが一般的です。この場合、土壌全体の体積をV、間隙の体積をVvとすると、間隙率nは以下のように求められます。

$$n = \frac{V_v}{V} \times 100(\%)$$

また、土壌中に存在する水の体積をVwとした場合、体積含水比θや飽和度Sはそれぞれ以下の式で表されます。

• - 体積含水比:

$$θ = \frac{V_w}{V} \times 100(\%)$$

• - 飽和度:

$$S = \frac{V_w}{V_v} \times 100(\%)$$

エネルギーポテンシャル

土壌水の動きや挙動を理解する上で、エネルギーポテンシャルが重要です。土壌水のエネルギーポテンシャルは次の式で表現できます。

$$ϕ_t = ϕ_g + ϕ_m + ϕ_o + ϕ_a$$

ここで、各項はそれぞれ以下のように解釈されます。

• - $ϕ_t$: 全ポテンシャル（total potential）
• - $ϕ_g$: 重力ポテンシャル（gravitational potential）
• - $ϕ_m$: マトリックポテンシャル（matric potential）
• - $ϕ_o$: 浸透ポテンシャル（osmotic potential）
• - $ϕ_a$: 空気ポテンシャル（pneumatic potential）

特に、マトリックポテンシャルと空気ポテンシャルを合わせたものを圧力ポテンシャルと呼びます。空気ポテンシャルが無視できる場合、全ポテンシャルは次のように簡略化されます。

$$ϕ_t = ϕ_g + ϕ_p + ϕ_o$$

また、水理ポテンシャルは、圧力ポテンシャルに重力ポテンシャルと圧力水頭を組み合わせた形で考えます。

水分特性曲線

水分特性曲線は、土壌水の含水量と圧力水頭の関係を視覚的に示すものです。この曲線を通じて、異なる土壌の水分動態を理解することができます。水分状態は、土壌の物理的特性や環境要因によって大きく影響されます。

運動方程式

土壌水帯でダルシーの法則が適用される場合、土壌水の運動はリチャーズ式によって記述されます。この式は以下のように表現されます。

$$\frac{\partial θ}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial x}[k(ψ_w)\frac{\partial h}{\partial x}] + \frac{\partial}{\partial y}[k(ψ_w)\frac{\partial h}{\partial y}] + \frac{\partial}{\partial z}[k(ψ_w)\frac{\partial h}{\partial z}]$$

ここで、x、y、zは土壌水帯内の座標、tは時間を表しています。この方程式を用いることで、土壌内の水分の流れや変動を詳細に解析することが可能です。

まとめ

土壌水に関する知識は、農業や環境科学、地質学的研究など、多岐にわたる分野で重要な役割を果たします。その特性を正確に理解し、適切な管理や利用をすることが、持続可能な環境作りに貢献します。

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