土に入った水の合計が、時間とともに増え続けています。だから、水のしみこむ速さも増えているのでしょうか。合計の量が増えることと、一分ごとに入る量が増えることは別です。累積量のグラフが右上がりでも、増え方が緩やかになれば、しみこむ速さは小さくなっています。
土の表面から内部へ水が入ることを、ここでは水の浸入と呼びます。植物の膜を通る浸透とは、扱う仕組みが違います。中学入試の地学資料では、地表に降った水、土へ入った水、地表に残ったり流れたりする水を、同じ体積または水深に直して考えます。
水深に直すのは、面積をそろえるため
面積100平方cmから水100立方cmが入った場合、面積で割ると1cmの水の層に相当します。面積が二倍なら、同じ100立方cmでも0.5cm分です。実験容器に入った水の体積だけを比べると、土の露出面積の違いが紛れ込んでしまいます。
水深に直した値は、土がその深さまで全部ぬれたことを意味しません。水は粒のすき間へ入り、もともとの水分も関わります。10mmの水が入ったから、ぬれた土の層が10mmと決まるわけではないのです。水の量を面積で割った表示と、土中でぬれた範囲の深さを分けましょう。
合計の差を、その区間の時間で割る
開始から5分で10mm、10分で16mm、20分で24mmの水が入ったという架空の記録を考えます。最初の5分は10mm、次の5分は6mm、最後の10分は8mmです。区間ごとの量を得るには、累積値を引きます。
それぞれを所要時間で割ると、平均の速さは2、1.2、0.8mm/分になります。最後は8mmと、直前の6mmより多く入っていますが、かけた時間も二倍です。区間の量だけを比べず、時間もそろえてください。
土に水が入る速さは、土の粒やすき間、もとの湿り方、表面の状態などに左右されます。最初の値をそのまま一時間へ延ばすのではなく、測定の途中で速度が変わるかを表から確かめます。以下の数値は読み取り練習のための設定で、特定の土地の実測値ではありません。
例題1：累積量から区間平均を計算する
面積200平方cmの土に、水を供給する模型実験をしました。開始から4分までに240立方cm、10分までに420立方cmが土へ入りました。0〜4分と4〜10分の平均の浸入速度を、それぞれmm/分で求めてください。水は側面へ漏れず、蒸発は無視します。
答え・解説： 最初は3mm/分、後半は1.5mm/分です。最初の水深は240÷200＝1.2cm＝12mmで、12÷4＝3。後半に増えた水は420−240＝180立方cmなので、180÷200＝0.9cm＝9mm。6分間で9mmだから1.5mm/分です。
420をそのまま6分で割ると、最初の4分に入った水まで後半へ含めてしまいます。また、cmのまま答える場合は0.3と0.15cm/分です。単位をmmへ直したのに数値をそのままにしないよう、長さの換算を最後に確認します。
入れる能力と、実際に入った量
土が一時間に30mm分の水を受け入れられる状態でも、雨が一時間に10mmしか降らず、ほかに水の供給がなければ、30mm入ることはできません。実際の量は、水を受け入れる能力と、地表へ供給された量の両方で決まります。
一方、降る速さが受け入れる速さを超えると、入り切らない分が地表にたまったり、斜面を流れたりします。実際にはくぼみへの貯留などもありますが、例題ではそれらを無視する条件を付けて、量の収支を単純化します。
例題2：雨が弱い時間と強い時間
ある地面は、指定した30分間ずっと最大20mm/時の速さで水を受け入れられるものとします。最初の15分は12mm/時、次の15分は32mm/時の雨が降りました。地表に水はたまらず、入らなかった水はすべて外へ流れる模型です。土へ入る水深と、外へ流れる水深の合計を求めてください。
答え・解説： 土へ入るのは8mm、外へ流れるのは3mmです。最初は供給が少ないので12×15/60＝3mm全部が入ります。後半の雨は8mmですが、土へ入れるのは20×15/60＝5mmで、差の3mmが流れます。雨の合計11mmと、入った8mm＋流れた3mmが一致します。
能力の20mm/時を最初の15分にも掛けると、降っていない水を地面へ入れる計算になります。水量の問題では、比例式の前に「その量の水が供給されているか」を確かめることが必要です。
最後に、土へ入った水すべてがすぐ地下水になるとは限らないことも押さえましょう。土中に一時的に保たれる分や植物に使われる分もあります。測定した境界が地表なら、分かったのは地表を通過した量です。その後の行き先まで同じ一つの数字で決めない読み方が役立ちます。
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