Vertical Water Movement in Unsaturated Sands during and aeter a Steady Rain

Abstract

This paper is concerned with the changes of vertical water movement procsses in unsaturated sand under nonponding condition during and after a steady rain. In order to reveal the mechanism of vertical water movement, experiments were carried out by , using a large rainfall simulator, which can generate artificial rains with various intensities and durations, and two iron boxes filled with fine and coarse sands, repectively.
Water contents were measured by using a neutron scattering moisture meter, and capillary potentials were obtained simultaneously from eight porous cups buried vertically at different drpths, each one being connected to a tensiometer.
The mechanism of vertical water movement was studied by analyzing the changes of water content and capillary potential at selected depths. This analysis showed that the processes of vertical water movement (infiltration, percolation, redistribution, drainage) can be determined individually with water gradient and total potential gradient, that vertical water movemnt is affected by the presence of entrapped air near the ground surface during a heavy rain, that the early outflow begins as a result of the propagation of the air and water prssures in the suspended water and the upward transition zones before the wetting front reaches an upward infiltration zone, and that water and total potential profiles of water gradient G-≈0 and total potential gradient G°≈1 (coarse sand) andC°≈0. 75 (fine sand) move paralle to each initial profile with time during drainage, respectively. *本 ,昭 和53年 度秋季および昭和54年 度春季 日本地下水学会講演会にて発表 した内容に加筆e修 正を し た ものである. **筑 波大学大学院地球科学研究科 The University of Tsukuba, Graduate School, Institute of Geoscience 1序 論 地下水の癌養機構に関する研究は,純 然た る学問的見地のみならず,酒 養量の把握 とい う立場か ら も実用上非常に重要である.従 来,こ の方面における研究は少な く,し か もそれらの大半は野外調査 を中心に した ものである.ま た,土 壌物理学の分野においては,直 接地下水の洒養機構を扱 ってはい ないが,微 視的な土壌水分移動機構(水 分子 と媒体粒子の相互作用)の 解 明にまで研究が進められて いる.し か し,こ れらは・一般に不飽和土中での水分状態のみを扱 ってお り・不飽和土中の水分移動を 降雨か ら地下水 までの連続系におけ る問題 としては捉 えていない◎そのため,水 文学の立場か ら現実 の現象を解 く場合,水 収支計算等ド問題を生 じ易い◎ さて,地 下水洒養の立場か ら不飽和土中の水分移動機構を微視的に解 明することは・測器の精度等 の問題から困難である.従 って,地 下水の洒養機構の解明のためには・今のところ巨視的な立場か ら 実験を重ねるしかない と思われ る.特 に,本 研究 のように降雨を も重要視 した場合なこは・不飽和土中 の微視的な水分挙動 とい うよりもむ しろ,まず降雨を考慮 した巨視的な問 題を解 くことが先決である. そこで本研究では,降 雨の影響をつかみ易 くす るために大型人工降雨装置(科 学技術庁 醸国立防災 科学技術 セソター)を,不 飽和土中の水分移動を野外 と同じように捉えるために大型砂箱模型を使用 して大型模型実験を行な った◎ 本研究は,こ の大型模型実験を中心 として,1降 雨に よって もた らされ る雨水の非湛水条件下での不 飽和土中の鉛直水分移動機構の一般的解 明を 目指 している.今 回はその第一報 として・実験結果か ら 雨水の地表面か ら地下水面 までの水分移動を一連の連続的な物理変化 として捉え・各移動過程を物理 的に検討 し,水 分移動機構に若干の考察を加えた結果を報告す る◎. 尚,本 実験は科学技術庁促進調整費に よる 「地下水の水収支ρ解析手法に関する総合研究」レの一環 として,国 立防災科学技術 センター第3研 廃部が担当 しtc「水理模型実験に よる地下水 の基本特性に 関ナる研究」の実験を共 同で行なったものであり,本 研究はこの実験の結果を独 自に解析 した もので あ る.