2015 Fiscal Year Research-status Report
凍結融解にともなう土中の物質移動予測の多次元および非平衡系への進展
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26450338
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| Research Institution | Mie University |
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Principal Investigator |
渡辺 晋生 三重大学, 生物資源学研究科, 准教授 (10335151)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 凍土 / 不凍水 / 透水係数 / 物質移動 / 窒素循環 / 非平衡過程 / カラム実験 / 数値解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では、実際に現場で生じるような非平衡な土の凍結・融解過程や多次元の凍結にともなう物質移動の予測を目指した系統的な実験と数値モデルの検討を目的としている。
27年度は、昨年度中に作成した薄層凍結装置を用いて、黒ボク、シルト質土、砂の凍土の透水係数と不凍水量を測定し、凍土の透水係数－温度関係と未凍土の不飽和透水係数－マトリックポテンシャル関係の相同性を非平衡度に基づきまとめた。また、不飽和凍土についても透水係数の測定を試み、空隙の閉塞と透水性の変化が多次元の凍結にともなう物質移動に及ぼす影響を検討した。次ぎに35 cm長のカラム実験を行い、凍結・融解に伴う水分の再分布過程を調べた。そして土の融解過程には、凍土が凍土下の未凍土から水を吸い上げ再凍結する期間と、凍土の温度が上昇し地表から凍土下の未凍土へ水が流れる期間があることを実験的に明らかにした。飽和凍土についてもカラム実験を行い、風化にともなう凝灰岩の凍上特性や凍結破砕特性の変化をまとめた。また、これらの実験の数値解析から、凍土内の再凍結現象と凍土を介した水分移動を再現するためには融点近傍の不凍水量の非平衡な変化に伴う不凍水圧と透水係数の変化を現行のモデルに加える必要があることを明らかにした。こうした成果は、土木工事や遮水壁に凍土を利用する際の基礎的知見となるだけでなく、自然凍土の不均一な融解過程を考える上でも有用な知見である。さらに、凍結層の下で生じる還元過程や凍土地帯の窒素・炭素循環を考えるため、不飽和水分移動過程にある土中の態の変化をともなう窒素動態を実験と数値解析に基づき検証した。以上の成果を関連学会で発表し、関係各誌に投稿した（一篇が掲載、二篇は投稿中）。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
室内実験については、凍土の透水係数と不凍水量の測定を不飽和凍土へ拡張するとともに、未凍土の不飽和透水係数との比較や非平衡度に基づく検討と、これらの成果の公開が予定通りに行えた。マクロポアを含む土など、多次元的な土の凍結・融解浸潤過程についても、昨年度の結果を論文として投稿できた。一方、多次元凍結の実験結果には未解析な部分も多く、この中から再分布過程の不凍水圧変化や非平衡過程の透水係数の評価など、今後必要な検討課題を明らかにできたのは計画外の成果といえる。これらは次年度に取り組むべき課題としたい。酸化還元電位や態の変化をともなう窒素の循環、凍結にともなう微生物活性の変化については未凍土・凍土から実験・解析が進んでおり計画に即した成果が得られていると言える。27年度は、これらの成果を十数件の学会発表、一篇の論文として公開（二篇は投稿中）したが、更なるとりまとめは次年度の課題である。
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| Strategy for Future Research Activity |
凍土の透水係数については、不飽和凍土の透水機構について検討を進め、数値計算に適用可能な凍土の透水モデルの構築を目指す。マクロポアが凍結・融解浸潤に及ぼす影響や凍結・融解による水分・物質の再分布についても、これまでの成果を論文として公開し、さらに凍結面近傍の不凍水圧分布の変化について、実験・数値解析の両手法からの検討を進める。還元にともなう溶存酸素の減少と脱窒や鉄の遊離化の進行をマイクロセンサを用いたカラム実験により検証する。また、凍土層が融解し好気条件になった際の、窒素の形態変化をともなう挙動についても、現行の実験を進めるとともに、土中の化学変化－物質移動連結数値モデルHP1により、酸化還元電位や溶存酸素の変化と窒素動態の変化を解析する。
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