湧き水と水みち

　私たちが踏みしめている地面の下には、砂や砂利、泥、岩などが積み重なっています。なかでも水が流れやすいのは、砂や砂利などが多い隙間のある地層で、「帯水層（地下水流動層）」と呼ばれています。
　この帯水層の中に、地下水の通り道である「水みち」があります。上水道や下水道のようにザーザーと流れるのではなく、砂や砂利などの間を縫って水が流れる「みち」です。

　水は地面の下をどのように移動しているのでしょうか。

　水に限らずすべてのものは、重力の働きで高いところから低いところに移動します。ただ土の中では、重力以外の力も水に働きます。

　まず、土は、固相・液相・気相で成り立っています（物質の三態の応用？）。

固相：鉱物などの無機物や有機物の粒子
液相：水
気相：空気

　固相の中の粘土鉱物と腐植（有機物がアルミニウムや鉄などを包み込んだ〈キレート結合〉物質）は、マイナスの電荷を帯びています。
　水分子については、水素側にはプラス、酸素側にはマイナスの電気的な偏り（極性）があります。
　マイナスとプラスは引力となり、固相の物質と水分子がくっつこうとするのです。
出典：農地土壌をめぐる事情｜農林水産省



　次に、水の分子が、食品や生体、木材、鉱物などの成分と、水素結合（水素原子が仲介して、隣接する分子どうしが引き合う結合 ）やファンデルワールス力（分子と分子の間に働く弱い引力）などで結びつくと、自由に動き回れなくなります。このように物質に結合した水を結合水（けつごうすい）といいます。普通の水（自由水）とは違って固体に近い性質を持ち、0℃で凍結せず、100℃で蒸発しません。
　結合水ができやすいのは、粒子のサイズが非常に小さく、表面積が大きい粘土鉱物です。土の粒子の周りの結合水は、粒子同士の隙間を埋めるので、水（自由水）の移動を妨げます。
　
　こうした働きで地下水の流れ、そして水みちは左右されます。地層の中でも流れやすいところに水が集まり、水みちができるわけです。

　集中豪雨で大量の雨水が水みちに集まってくると、地下水の水位が上がります。そして水の勢いで砂などが流れ出し、徐々に空洞が広がっていきます。パイプのような水路になることから、「パイピング」と呼ばれています。

　パイピングと似た言葉で「ボイリング」があります。地下水の上向きの力が土の重さを上回り、砂などと一緒に水が噴き出します。ボコボコと沸騰しているような状態になるため、この名がつきました。

(1)パイピング(Piping)土中を浸透水が流れることによって，浸透水から土粒子に流れの方向に浸透力が作用する。パイピングとは，浸透力が大きくなって土粒子が移動し，地盤内に水孔が生じる現象をいう。Fig.Iに示すように一部分でパイピングが発生すると，その部分で動水勾配が大きくなり浸透力が増大し，さらにパイピングが助長され進行する。パイピングがつながると，チャネリング(Channeling)と呼ばれる現象が生じる。


 

(2)サンドボイル(sandboiI)サンドボイルとはFig.2に示すようにパイピングによって発生した砂と水の混合物が地表に噴出して噴砂を形成する現象をいう。


(6)ボイリング(BoiIing)上昇浸透流のある砂地盤において,大きな水頭差が作用すると,砂地盤はクイックサンド状態となり支持力を喪失する。さらに水頭差が大きくなり浸透力が大きくなると,砂粒子は浮遊状態から沸騰状態となり,砂が地表面上に吹き上がる状態となる。砂地盤が,このような状態になる現象をボイリングと呼ぶ。

浸透水（しんとうすい）：地中へと染み込んで（浸透）移動している水
水頭（すいとう）：水の単位重量当たりの力学的エネルギーを水柱の高さで表すもので単位はメートル（m）
　圧力水頭：圧力エネルギー（水圧の大きさ）を、水柱の高さに換算したもの
　位置水頭：位置エネルギー（高さ）を、水柱の高さに換算したもの
　速度水頭：運動エネルギー（速さ）を、水柱の高さに換算したもの
　ピエゾ水頭：位置水頭と圧力水頭の和
動水勾配（どうすいこうばい）：水が流れるときの単位距離当たりの水頭の差、または管路の摩擦損失水頭の割合


　なお「水みち」という言葉には、いくつかの意味があるようです。Wikipediaには以下の4つが掲載されていました。
地層中の地下水の流れる道。水脈とも言う。
引き潮によって砂浜にできる筋[1]。
コンクリート施工時に余剰水が他の材料との比重差で上昇（ブリーディング）してできる通り道[2]。
コンクリートの施工不良や経年劣化に起因して発生する水（雨水など）の通り道[3]。
Wikipedia

　クラナリでは、湧き水と関係の深い「地層中の地下水の流れる道」の水みちについて調べてみました。

　なお「湧き水」は、土から染み出したり、湧き出したりしている水を総称しています。
　「湧水（ゆうすい）」という言葉には、いろいろと定義しようとする動きが見られたことから、ざっくりとした印象の「湧き水」をクラナリでは使うことにしました（ちなみに、日本地下水学会では「湧水に決まった定義があるわけではありません」と記載）。湧き水には、川底から湧き出している伏流水、そして川からの漏水も含まれています。

　そして「水脈」については、あくまでもニュアンスですが、長い年月にわたり地層の中を流れていて（あるいは流れてきた）、「大雨が降って、短期的に水の通り道ができた」という場合は違うかなと。そこで、水みちという表現を採用しました。

■主な参考資料
地下水の“水みち”とは読んで字のごとく地下水の通りみちと思うが、どのような地下水現象で、水みちがあればどのような問題が生じるのでしょうか？｜応用地質学会

地下水の水質や特徴を調べる際に、ヘキサダイアグラムという言葉をよく目にしますが、どのようなものですか？ ｜応用地質学会

地下水脈とはどのようなものですか？

土質力学Ⅰ及び演習（Ｂ，Ｃ班合同授業：小高担当） 配付資料 No.3 (2004.11.1) 

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