第 6章総合考察土の熱的性質のなかで､比熱とともに､土の熱伝導率が重要な因子となっている 1 3),42) 0 この熱伝導率を実際に測定することなく､簡単な方法で推定できることが望まれており､熱伝導率の実験推定式や理論推定式といったものが数多く提案されている｡しかし､完全な理論式は確立されていない 1 3 ) ｡そこで､現在の推定式の中で最も信頼性があるとされている J o hans e nによる熱伝導率の推定式 1 3 ) I 1 6 ) , 1 7 ) ･ 3 4 ) , 80 ),1 01 )が､石英含量や有機物含有量の異なる北海道の土にどの程度適応するのかを検証するために､非定常測定法による熱伝導率測定値の変化を把握するとともに､J o ha ns e n式の適応性を検討した｡また､粒状物質を使用し､液相における伝導形態についての実験と検討を行った｡熱伝導率の変化と伝導形態の検証､J o ha ns e n式の適応性と推定式の修正について､以下に総合考察を行う.また､今後の検討書果題について整理する. 6 -1 熱伝導率測定値の変化土の熱伝導率は､土の密度､間隙､鉱物､組織､構造 1 3 ) ､塩類濃度 1 ) ･ 6 1 ) , 7 1 ) ､温度 2 9 ) , 6 6 ), 6 7 ) など､多くの要素に影響され変化することが知られている｡このことから､石英含量や有機物含有量の異なる試料に対して､熱伝導率を非定常測定法で測定し､その変化を把握した｡最初に､土の構成物質の中で最も高い熱伝導率を示す石英に着目し 14),74)､石英含量の異なる 5種類の試料に対して熱伝導率を測定した ( 図-6-1 ) ｡その結果､飽和状態においては､凍結および未凍結の両条件下とも､石英含量の増加に伴い熱伝導率が 1 . 4倍程度増加し､絶乾状態においても､熱伝導率がやや増加する傾向が示された 1 8 ) ｡このように､石英含量が熱伝導率に与える影響は､他の土構成物質に比べて非常に大きいことが確認された｡次に､石英含量の異なる 2 2種類の北海道の土に対して熱伝導率を測定した ( 図-6 -2) 0 その結果､石英含量の増加に伴う増加傾向は認められず､飽和状態でも測定したほとんどの試料で､水の熱伝導率 ( ≒0 . 5 7 W･ ml K1) 程度の小さな値となった 9 0 ) , 9 3 ) ｡これは､測定試料の多くが､重要な土壌母材の一つである火山灰土 3 0 ),43 ),73 ), 9 8 ) の性質であることから､多孔質な構造を内部に持つ 5 6 ), 90 ) , 93 )､火山ガラスを主体とする 9 8 ) ､固相率が小さい3 0 ) などの要因により､総じて熱伝導率が低くなったものと考えられる｡最後に､土の熱伝導率を低下させる要因として､土の構成物質のなかで有機物に注目し､有機物含有量の異なる試料に対して熱伝導率を測定した ( 図-6 -3-図-6 -4) ｡その結果､凍結･未凍結の両条件下において､有機物含有量の増加に伴って熱伝導率が減少する傾向を示した｡ -80- ( TNLLE･き) 櫛秒 -I - 飽和 [ -5 o C] -. +-飽和 [ 2 0 ℃] I: =㌻ / 霊芝 . E I 諾: c3 ● . , . . . . . . . - :二二二二 - , 一一一----.... . ‥_ ‥--一一〇 0 5 . 4 1 0 3 0 2 0 4 0 4 5 . 8 石英含量 ( % ) 図6 -1 飽和および絶乾状態における熱伝導率測定値の変化〔石英含量の異なる 5試料での測定値〕水の熱伝導率 ( ≒0 . 5 7 W･ m1K1) 高岡土2 台地土 3 台地土 2 台地土低地土2 低地土火山灰土 6 火山灰土 5 火山灰土 4 火山灰土 3 火山灰土 2 火山灰土洞爺土 2 洞爺土 - 高岡土協和土 2 協和土川端土 2 川端土 - 音更真土 - 音更真土 2 帯広土試料名図6 2 飽和および絶乾状態における熱伝導率測定値の変化〔北海道に分布する 2 2種類の自然土での測定値〕一81- 【火山灰混合土】 ( TNLNLu主) 糠轍 g(感 -1- 飽和一一 . ●-飽和 -1}-絶乾一一〇日絶乾ト5 ℃] [ 2 0 ℃] ト5 ℃] [ 2 0 o C] 1 ＼ 5 0 ､ . ､ . 芋 L ー七 . . .T r -. . . . . ･. ＼ ‥ ‥ 〇一 ` .. 0 5 1 0 =: ゝ l ■ ∼ . ∼ . . . :‥_ _ 日. . . . . . .-. 8 ､ 0. . _ . _ I . . L . I . . I I I . . .- 1 5 2 0 2 5 3 0 4 0 4 8 有機物含有量 ( %) 図6 3 飽和および絶乾状態における熱伝導率測定値の変化〔有機物含有量の異なる試料での測定値 ;火山灰混合土〕 -■ - 飽和ト5 ℃] 一一 . ●-飽和 [ 2 0 ℃] ＼ r iiiii l 一 -0 ･一一ロー絶乾絶乾 [ 2 0 5 ℃] ＼ ● ､ 5 0 ( L . NL.Lu主) 煉榔 g(意【砂混合土】 ■ 0 5 ＼. ヽ ` ＼ . 1 0 1 5 ＼■ ､ .' 一･一一一一 ■ ● ､ . . I . ● 一一一一 ; 一丁 I . . . ● 2 0 2 5 3 0 4 0 4 8 有機物含有量 ( %) 図6 4 飽和および絶乾状態における熱伝導率測定値の変化〔有機物含有量の異なる試料での測定値 ;標準砂混合土〕 - 82 - このように､土の熱伝導率は､石英含量と水分量の増加に伴って増加し､有機物含有量の増加に伴って減少することが示された｡しかし､石英含量の異なる北海道の土における熱伝導率測定値をみると､石英含量の増加に伴う増加傾向は認められず､土によってその値が大きく変化した｡これは､土の構成物質の割合や､土粒子の内部構造の違いに起因するものと考えられる｡また､熱伝導率を測定した全ての試料において､凍結および未凍結の両条件下とも､絶乾状態の熱伝導率は概ね同等の値で推移し､木下 4 8 ) および宮崎 5 9 ) による報告と一致していた｡また､凍結条件の熱伝導率測定値は未凍結条件よりも高い値を示した 4 8 ㍍4 ) , 8 6 ) ｡しかし､氷の発生に起因する極端な熱伝導率の増加傾向はみられなかった 42)｡ 6 2 伝導様式の検証土中での熱の伝導様式については未解決な多くの問題が残されており､特に凍土の特性を把握することが必要とされている｡すなわち､未凍結条件下の伝導様式は土粒子･水･空気の 3系相で示されるが 73)､凍結条件下では土粒子･氷･不凍水･空気の 4系相に変化する 91)こと､微細間隙中の水は様々な条件により氷や不凍水- と相変化することが指摘されていることから 2),13)･30)､凍結条件下における熱伝導のメカニズムをより複雑なものとしている9 2 ) ･ 9 4 ) ｡そこで､粒状物質の熱伝導率と電気比抵抗値を測定し､液相における伝導性の効果を明らかにするための実験と検討を行った｡ 6 5に示す｡実験結果より示された伝導形態の模式図を図未凍結条件は､粒径の違いにより比抵抗値に差がみられたが､熱伝導率に差はみられなかった｡これは､低水分状態では液体よりも固体における熱伝導の割合が大きいことで､水膜が不連続になっても熱伝導率に与える影響が少ないためと考えられる｡また､水分量の増加に伴って固体と液体が結合した伝導形態となるが､液体の伝導効果が小さいことで､飽和状態でも水の熱伝導率程度の小さな値となっていたことが示唆された｡一方､凍結条件では氷と粒子間に存在する不凍水が熱橋 ( 熱的結合)の役割を果たすことで､熱伝導率が増加すると考えられている 30)｡しかし､低水分状態では未凍結条件と同様に､液体よりも固体における熱伝導の割合が大きいことで､熱伝導率が少ない値となった｡また､水分量の増加に伴って固体と液体が結合した伝導形態となるが､熱伝導率の変化が不凍水量の割合の増減に影響されることが､測定結果から示された｡また､氷の熱伝導率は水に比べて 4倍程度大きい値を示すことから､凍結土の熱伝導率も比例して大きくなることと考えられるが､実際には極端な増加とはならないことが報告されている 42)｡測定結果からも同様の傾向が示されたが､極端な増加とならない要因として､氷と粒子の間に存在する不凍水の伝導効果が小さいことも考えられた｡ー 83 - 熟の伝導様式土粒子低水分状態液相高水分状態電気の伝導様式低水分状態高水分状態図6 5 土粒子間の伝導模式図また､今回の実験においては､凍結温度条件を人為的に 4段階に設定している｡帯広畜産大学は場における､2000-2003年での冬期間での気温変動をみると､日平均気温で 3-6 ℃程度の温度低下が確認された ( 図-6 -6 ) ｡このように､温度条件のみに着目すると､実験時の設定温度条件は自然条件下でも発生していることから､得られた伝導様式模式も自然条件下において同様の傾向を示すものと推察される｡しかし､自然条件下では日照や風などの影響により微気象が異なり､実験結果とは必ずしも一致するとは限らない. このため､自然条件下での伝導様式についても明らかにする必要がある｡ -8 4- ･ + 最高気温 + 平均気温一七･･ .最低気温図6 6 帯広畜産大学ほ場における冬期間の気温変動〔 2 0 0 0年 1月∼2 0 0 3年 2月において､急激な温度変化のあった期間を抜粋〕 -85- 6 3 熱伝導率推定式の適応性熱伝導率の推定に関しては､実験推定式や理論推定式が､古くから数多く提案されている 1 3 ) .近年では､J o ha ns e nによる熱伝導率推定式 17)･34 ) が､信頼性があるとされ､多く 3 ) ｡この推定法は､熱伝導率の高い構成物質である石英含量を考の国で注目されている 1 慮しており､汎用性も高いことが特徴である 13)｡ J oha ns e n式により求めた推定値と熱伝導率測定値を比較したOその結果､J o ha ns e n式は､石英含量の多い標準砂に対しては一致傾向を示した｡また､絶乾状態においては全ての試料に対して近似する傾向を示した｡しかし､石英含量の少ない試料や高水分状態では､必ずしも有効ではなかった｡ J o ha ns e n式の固体部分の熱伝導率算定式をみると､未凍結条件は ( 6･ 1 )式､凍結条件は ( 6･ 2)式におけるんが石英含量の関数として表現され (( 6･ 3)式) ､他の構成物質の影響を少ないものとして算定している｡しかし､今回の検討結果からは､有機物含有量が熱伝導率にある程度の影響を与えることが示された｡このことから､固体部分での算定を細分化することで､より精度の高い推定式になるものと考えられる｡･未凍結条件･凍結条件･ . ls a t-0 ･ 57nx ls(I-n) ････････--･･------ ･･- ( 6･ 1 ) : ls a t-2 ･ 2nx As(1n)×o･ 269W u ････- ･･--･･･- -- ( 6･ 2) ･石英の関数 ‥As-7. 7qx2. 0( 1 -q)･- - ･･･- - - - - - - - - - ･･･.( 6･ 3 ) また､凍結条件では ( 6･ 2)式に示されるように､不凍水量の影響が少ないものと仮定している｡しかし､固体間の熱橋の役割を果たすと考えられている不凍水量は 30)､凍結温度と粒子の大きさに起因する間隙の大小により､その割合が増減することが確認され､熱伝導率にも影響を与えることが実験結果から示された｡このことから､凍結条件の不凍水量を十分に考慮することが必要となる｡ r s t e n数の修正値を導今回の検討では､熱伝導率の実測値から飽和度の関数である Ke くことで､熱伝導率の推定を試みた｡この修正値は､北海道に広く分布する火山灰土や有機質土などの多くの試料で近似する傾向を示し､熱伝導率の推定が容易となることが示された｡しかし､一部の試料や水分状態によっては適応性が認められなかった｡このことから､熱伝導率を変化させる要因を明らかにするとともに､精度を高めるための計算因子の細分化などを検討することが必要となる｡しかし､算定精度のみを追求 o ha ns e n式の特徴でもある汎用性が失わすると計算因子が限りなく増えることとなり､J れることとなるため､推定式の修正には精度と汎用性･簡便性とのバランスが重要となる｡ -8 6- 6 4 今後の検討課題今回の検討結果から､今後の検討課題について以下に整理する｡ ① 熱伝導率に影響を与える条件として､石英と有機物以外の構成物質についても検討し､その影響度合を明らかにすることが必要である｡ ② J o ha ns e nによる熱伝導率推定式の精度をより高めるために､計算因子の係数を検討し決定することが必要である｡また､式中で用いられる石英含量と不凍水量を､正確かつ容易に測定できる方法の開発が望まれる｡ ③ 4種類の粒状物質 ( ガラスビーズ)を用いることで､凍結および未凍結の両条件下において､試料内の伝導様式をモデル的に説明することができた｡しかし､自然状態での土に適応できるのか検証する必要がある｡また､試料内の伝導に影響を与える他の要因について検討することも必要となる｡ -8 7- 第 7章要約北海道東部は寒冷少雪地帯と位置付けられ､積雪の少ない年には土中深くまで凍結が進行する地域である｡このような地域において､土中の水分および熱移動に関する研究は必要不可欠な分野の一つであり､土の熱伝導率が極めて重要な因子となっている｡土の熱伝導率を比較的簡単な方法で推定できることが望まれているが､完全な理論式は確立されていない｡近年では､ノルウェーの J o ha ns e nによる熱伝導率の推定式が､最も信頼があり､汎用性も高くなっていることが注目されている｡そこで､J oha ns e n式が､石英含量や有機物含有量の異なる北海道の土に適応できるかを検証するために､非定常測定法による熱伝導率測定値の変化を把握するとともに､ J o ha ns e n式の適応性を検討した. また､液相における伝導形態を明らかにするための検討を行った｡ 7 -1 石英含量の違いによる熱伝導率の変化と Johansen式の適応性土の構成物質の中では､鉱物の石英が最も熱伝導率の高い物質であり､他の物質に比べて熱伝導率に与える影響が非常に大きい｡ここでは､石英含量の異なる 5種類の試料について､熱伝導率を非定常測定法により測定し､石英含量と含水比が熱伝導率にどのような影響を与えるのかを検討した｡また､J oha ns e n式による土の熱伝導率推定値と測定値とを比較し､その適応性を検討した｡その結果､土の熱伝導率は凍結および未凍結の両条件下において､石英含量および含水比の増加に伴ってその値が増加することが示された｡しかし､凍結条件下の熱伝導率は､未凍結条件に比べると極端な増加とはならなかった｡ J o ha ns e n式による土の熱伝導率推定値に対して測定値を比較してみると､未凍結条件においては石英含量が 20% と 30%の試料､凍結条件においては石英含量が 30% と 45. 8% の試料に対して最も近似する傾向を示すなど､石英含量の多い試料に対しては適応性が認められた｡しかし､石英含量が 1 0%以下と少ない試料､あるいは未凍結条件で含水量が多い状態では､必ずしも有効ではないことが示された｡ 7 -2 北海道内に分布する自然土における熱伝導率の変化と Johansen式の適応性日本のような火山国では､火山噴出物が広く分布している｡特に､北海道においては､細粒火山灰土とともに粗粒火山灰土が広範囲かつ複雑に分布しており､他の地域とは異なる様相を示している｡ここでは､石英含量の異なる北海道の土に対して熱伝導率を非定常測定法により測定し､構成物質の変化が熱伝導率に与える影響を検討した｡また､ J oha ns e n式による土の熱伝導率推定値と測定値とを比較し､その適応性を確認するとともに､実用化にむけた検討を行った｡その結果､石英含量の増加に伴う熱伝導率の増加傾向は認められず､試料によってその値が大きく変化した｡また､凍結および未凍結の両条件下において､含水比の増加に -88- 伴ってその値が増加すること､凍結条件下の熱伝導率が未凍結条件に比べて極端な増加とならないことが､同様に示された｡ J o ha ns e n式による熱伝導率推定値と､熱伝導率推定式として広く知られている Ke r s t e n 式および deVr i e s式による熱伝導率推定値に対して測定値を比較してみると､低含水比状態を除いてはいずれも測定値よりも高い値を示し､適応性は認められなかった｡しか o hn as e n式に一定の修正値を加味することで､石英含量の比較的少ない土に対してし､J も概ね近似する傾向を示し､熱伝導率の推定が容易にできることが明らかとなった｡ 7-3 有機物含有量の違いによる熱伝導率の変化と Johansen式の適応性土の熱伝導率を減少させる物質として､泥炭土が低い熱伝導率を示すこと､有機物含有量の増加に伴って熱伝導率が低下することが知られている｡しかし､いずれも未凍結条件下での測定事例であり､凍結条件における熱伝導率測定の報告は極めて少ない｡特に､北海道のような寒冷気候条件下では､泥炭土のような高有機質土の熱特性を明らかにすることが重要である｡ここでは､有機物含有量の異なる試料について熱伝導率を非定常測定法により測定し､有機物含有量と含水比が熱伝導率にどのような影響を与える o ha ns e n式による土の熱伝導率推定値と測定値とを比較し､そのかを検討した｡また､J の適応性を検討した｡その結果､土の熱伝導率は凍結および未凍結の両条件下において､有機物含有量の増加に伴ってその値が減少すること､含水比の増加に伴って熱伝導率が増加することが示された｡しかし､凍結条件下の熱伝導率は､未凍結条件に比べると極端な増加とはならなかった｡ J o ha ns e n式による土の熱伝導率推定値に対して測定値を比較してみると､未凍結条件においては有機物含有量が 5% と低い試料に対しては近似する傾向を示した｡しかし､有機物含有量の増加に伴い､低含水比状態を除いて測定値よりも高い値を示し､適応性は認められなかった｡また､凍結条件においては､低含水比状態を除いて測定値よりも高い値を示し､適応性は認められなかった｡また､修正 J oha ns e n式による推定値と測定値とを比較すると､有機物含有量の高い試料に対しても熱伝導率測定値と概ね近似する傾向を示したが､高水分状態では適応性は認められなかった｡ 7 -4 熱伝導率の変化と Johansen式の適応性の総括土の熱伝導率は､石英含量と水分量の増加に伴って増加し､有機物含有量の増加に伴って減少することが示された｡しかし､石英含量の異なる北海道の土における熱伝導率測定値をみると､石英含量の増加に伴う増加傾向は認められず､土によってその値が大きく変化した｡これは､土の構成物質の割合や､土粒子の内部構造の違いに起因することが考えられる｡ oha ns e nによる熱伝導率推定式は､石英含量の多い標準砂には適応する傾向をまた､J 示し､絶乾状態ではほとんどの試料において近似する傾向を示した｡しかし､石英含量 -89- の少ない試料や高水分状態では必ずしも有効ではなかった｡熱伝導率の実測値から求めた修正値は､北海道に広く分布する火山灰土や有機質土などの多くの試料で近似する傾向を示し､熱伝導率の推定が容易となることが示された｡このように､推定式の精度を高めるためには計算因子の細分化などの検討が必要であるが､精度と汎用性･簡便性とのバランスが重要となる｡ 7 5 凍結･未凍結条件における伝導形態の検討土中での熱の伝導様式については未解決な多くの問題が残されており､特に凍土の特性を把握することが必要とされている｡すなわち､未凍結条件下の伝導様式は土粒子･水･空気の 3系相で示されるが､凍結条件下では土粒子･氷･不凍水･空気の 4系相に変化すること､微細間隙中の水は様々な条件により氷や不凍水- と相変化することが指摘されていることから､凍結条件下における熱伝導のメカニズムをより複雑なものとしている｡そこで､粒状物質の熱伝導率と電気比抵抗値を測定し､液相における伝導性の効果を明らかにするための実験と検討を行った｡その結果､未凍結条件は､粒径の違いにより比抵抗値に差がみられたが､熱伝導率に差はみられなかった｡これは､低水分状態では液体よりも固体における熱伝導の割合が大きいことで､水膜が不連続になっても熱伝導率に与える影響が少ないためと考えられる｡また､水分量の増加に伴って固体と液体が結合した伝導形態となるが､液体の伝導効果が小さいことで､飽和状態でも水の熱伝導率程度の小さな値となっていたことが示唆された｡一方､凍結条件では氷と粒子間に存在する不凍水が熱橋 ( 熱的結合)の役割を果たすことで､熱伝導率が増加すると考えられている｡しかし､低水分状態では未凍結条件と同様に､液体よりも固体における熱伝導の割合が大きいことで､熱伝導率が少ない値となった｡また､水分量の増加に伴って固体と液体が結合した伝導形態となるが､熱伝導率の変化が不凍水量の割合の増減に影響されることが､測定結果から示された｡また､氷の熱伝導率は水に比べて 4倍程度大きい値を示すことから､凍結土の熱伝導率も比例して大きくなることと考えられるが､実際には極端な増加とはならないことが報告されている｡測定結果からも同様の傾向が示されたが､極端な増加とならない要因として､氷と粒子の間に存在する不凍水の伝導効果が小さいことも考えられた｡このように､ガラスビーズを用いることで､試料内の伝導様式をモデル的に説明することができた｡ -90- 謝辞本研究をとりまとめるにあたり､帯広畜産大学教授土谷富士夫博士には､終始懇篤なご指導を賜り､さらにご校閲･ ■ の労を頂いた｡また､山形大学農学部教授粕潮辰昭博士､岩手大学農学部教授古賀潔博士および帯広畜産大学畜産学部助教授辻修博士には､本論文のご校閲と適切なご教示を賜ったO 謹んで､感謝の意を表します｡土谷富士夫教授には､本研究の遂行にあたり､熱伝導プローブの製作指導から解析まで､終始貴重なご指導とご助言を賜った｡粕捌辰昭教授には研究を進めーるにあたり､多大のご指導とご助言を賜った｡辻修助教授には､本研究の遂行にあたり､終始貴重なご指導とご助言を賜った｡帯広畜産大学教授近藤錬三博士には､試料の Ⅹ線回折分析に関して､ご協力とご指導を賜った｡帯広畜産大学教授武田一夫博士には､研究者としての端緒についてご教示を頂き､ご激励を賜った｡帯広畜産大学助手宗岡寿美氏には､研究を進めるにあたり､多大のご指導とご助言を賜った｡財団法人北海道農業近代化技術研究センター藤井忠志理事長をはじめ役職員の皆様には､博士課程在籍期間中､特段のご配慮を頂くとともに､ご協力を頂いた｡その他､多くの方々にご助言とご激励を賜った｡上記の各位に対し､心から感謝の意を表します｡最後に､帯広畜産大学入学時から支えてくれた両親と､博士課程在籍期間中に支えてくれた妻愉未に感謝します｡平成 16年 3月 L L嘩一極禰 -91- 引用文献 1 ) AbuHa mde h, N. 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