JP5646679B2

JP5646679B2 - 現場飽和透水係数測定器

Info

Publication number: JP5646679B2
Application number: JP2013069892A
Authority: JP
Inventors: 奉柱李
Original assignee: Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources KIGAM
Current assignee: Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources KIGAM
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2033-03-28
Also published as: EP2725340A3; US9274039B2; KR101366057B1; JP2014085332A; EP2725340B1; EP2725340A2; US20140116114A1

Description

本発明は、地表水−堆積物界面(water-sediment interface)下の堆積物に挿入されたチャンバーと貯蔵管体間の水頭差を誘発してチャンバー周辺の飽和帯(saturated zone)の水が動力なしでチャンバーの下部から上部に流れるように誘導し、これにより発生したチャンバーの下部と上部の水頭差(hydraulic head difference)およびチャンバーの内部を通過した水の量を測定して地表水−堆積物界面の堆積物の飽和透水係数(hydraulic conductivity)を現場で測定することができるようにした測定器に関する。

地表水と地下水は、互いに連結されて両者の一方における物理的、化学的変化は他方にも影響を及ぼす、すなわち相互作用をする一つの資源として認められている。地表水−地下水の相互作用は、水収支分析、栄養分や汚染物質などの移動経路の把握、および地下水流動システムの解明などの様々な面で必ず解明されるべき事項である。

地表水と地下水の相互作用は帯水層から地表水への排出又は地表水から帯水層への涵養程度を意味するので、その定量的評価のためには地表水−堆積物界面の堆積物の飽和透水係数、地下水と地表水間の動水勾配(hydraulic gradient)、および地下水と地表水の相互交換量の直間接的測定が必須的である。

本発明の測定対象である透水係数は、電気伝導度や熱伝導度のように、帯水層の物質がどれほど水をよく流れるようにするかを示す物理的特性を示す数値であって、多孔性媒質(porous media)だけでなく、多孔性媒質を通過する流体と関数関係を有する。多孔性媒質の透水係数は、Ｄａｒｃｙの法則を用いて求める。Ｄａｒｃｙの法則は、砂層を通過する水の流動に対する実験的研究を介して樹立された地下水の流れに対する関係式であって、多孔性媒質における地下水は水頭(hydraulic head)の高い所から水頭の低い所へ流れ、このときの地下水通過流量は透水係数と動水勾配に比例するという法則である。地下水の水頭は高度水頭(elevation head)と圧力水頭(pressure head)と速度水頭(velocity head)の和で表現されるが、一般に地下水の流れは非常に遅いので、速度水頭は無視される。Ｄａｒｃｙの法則を説明するための実験装置（図１）において、地下水の流れ方向は、砂が充填されたタンクの姿勢とは関係なく、タンクに連結された左右側水槽の水頭差ΔＨによって決定されることが分かる。図１において、ｚ＝０の基準面(datum level)を設定すると、タンクのＡ側水槽の水頭Ｈ_１は、高度水頭Ｚ_１と圧力水頭Ｐ_１の和であって、タンクのＢ側水槽の水頭（Ｈ_２＝Ｚ_２＋Ｐ_２）より高く、これによりタンクの水は、タンクの姿勢とは関係なく、水頭の高いタンクＡ側からＢ側へその流動方向が決定されることを示す。この際、タンクを通過する水の量Ｑは、水頭差（ΔＨ；Ｈ_２−Ｈ_１）、タンクの断面積Ａ及び経過時間ｔに比例し、タンクの長さＬには反比例する（数式１）。

数式１

・・・（１）
比例定数Ｋを導入すると、数式１は数式２で表すことができる。

数式２

・・・（２）
比例定数Ｋは、透水係数であって、多孔性媒質、および多孔性媒質を通過する流体の特性によって左右される。
は動水勾配(hydraulic gradient)を示す。

本発明は、地表水−堆積物界面の堆積物に打設したチャンバーを通過した地下水の流量Ｑ、およびチャンバーの上下部の動水勾配を測定し、地表水−堆積物界面の飽和帯(saturated zone)堆積物の透水係数を測定することが可能な装置に関するものである。飽和帯は多孔性媒質の空隙が地下水で充填されている部分をいい、不飽和帯(unsaturated zone)は地下水面上の空気が通じる通気帯を意味する。

一般に、地表水−堆積物界面の堆積物の飽和透水係数の測定には、両端が開放されたパイプ（スタンドパイプ(standpipe)）を地表水−堆積物界面の堆積物に挿入し、定水頭(constant head)又は変水頭(falling head)方式の試験法や、浸透計(seepage meter)および地表水−地下水間の透水係数を用いる方法、瞬間水位変化法(slug test)、粒度分析(grain size analysis)などの物理的方法と、追跡子やモデリングなどによる推定方法が用いられている。物理的方法が追跡子またはモデリングによる透水係数推定方法に比べて経済的に効率的であると評価されている。ところが、物理的方法であるスタンドパイプ(standpipe)試験法と浸透計(seepage meter)を用いる方法は測定結果の信頼度が低く、瞬間水位変化法は水平透水係数情報のみを提供し、粒度分析法は経験式を利用するという問題点が報告されている(Landon et al., 2001)。特に、現場で飽和帯堆積物の飽和透水係数を直接測定するスタンドパイプ試験法の場合、透水係数の測定対象である飽和帯堆積物に内設したスタンドパイプの上端に水を供給することにより、水の下向流を誘導して定水頭(constant head)又は変水頭(falling head)方式で透水係数を測定する。

現場で水の上向流を動力又は無動力で誘導して飽和透水係数を測定する装置及び方法は未だ確認されていない。

Matthew K. Landon, David L. Rusy and F. Edwin Harveyz, 2001, Comparison of Instream Methods for Measuring Hydraulic Conductivity in Sandy Streambeds, Ground Water v. 39, No. 6, p. 870-885

本発明は、かかる問題点を解決するためのもので、その目的は、地表水−堆積物界面の堆積物に対する信頼度の高い透水係数を測定することが可能な装置を提供することにある。

本発明の他の目的及び利点は下記に説明されるだろうし、本発明の実施例によって分かる。また、本発明の目的及び利点は特許請求の範囲に示されている手段及びその組み合わせによって実現できる。

本発明は、上述した問題点を解決するための手段として、連結ライン４０を介して互いに連結されているチャンバー１０と貯蔵管体５０とを互いに離隔させて河床に立設する。この際、貯蔵管体５０の流入口５２の水頭をチャンバー１０内の水頭より低くするために、流入口５２の深度が地下水面より低いように貯蔵管体５０を打ち込んで固定する。貯蔵管体５０の流入口５２とチャンバー１０間の水頭差（ΔＨ）は相対的に水頭の高いチャンバー１０から水頭の低い貯蔵管体５０の流入口５２への水の流れを引き起こす。貯蔵管体５０の流入口５２の地下水面下の深度を固定すると、チャンバー１０の上下部間の水頭差Δｈと単位面積、単位時間当たりの通過流量(Darcy flux)も一定になる。このように求めたチャンバー１０の上下部間の水頭差ΔｈとＤａｒｃｙｆｌｕｘを上記数式２に代入することにより、飽和透水係数を現場で算出することができる。

上述したように、本発明は、地表水−堆積物界面の堆積物に対する飽和透水係数を現場で直接測定することができるという効果がある。

また、本発明は、地表水−堆積物界面下の堆積物に挿入されたチャンバーと貯蔵管体間の水頭差を誘発してチャンバー周辺の地下水がチャンバーの下部から上部へ流れるように誘導し、この際、チャンバーを通過する水の量およびチャンバーの上部と下部間の水頭差Δｈを用いてチャンバー内飽和堆積物の飽和透水係数を測定することができるという効果がある。

また、本発明は、チャンバー内の通過流量を段階別に異ならしめて各段階別チャンバーの上下部間の水頭差Δｈを測定することにより各段階別透水係数を求め、その結果を互いに比較し、或いは各段階別に求めたＤａｒｃｙｆｌｕｘと透水係数間の関数関係を確認して、既に測定された飽和透水係数の正確度を重複的に検証することができるようにするという効果がある。

圧力水頭の大きさによって決定されるタンク内部の水の流動方向を示す一実施例の図である。本発明に係る現場飽和透水係数測定器の展開図である。本発明に係る現場飽和透水係数測定器における圧力水頭の変更、これによるチャンバーの上下部における水頭変化、およびＤａｒｃｙｆｌｕｘの変化を示す一実施例の正面図である。本発明に係る現場飽和透水係数測定器を用いて測定した試験段階別通過流量と各段階別チャンバーの上下部間の水頭差Δｈを示すグラフである。本発明に係る現場飽和透水係数測定器を用いて算出した段階別透水係数を比較したグラフ、及び段階別動水勾配とＤａｒｃｙｆｌｕｘ間の関数関係を示すグラフである。

本発明の様々な実施例を詳細に説明する前に、以下の詳細な説明に記載される或いは図示された構成要素の構成及び配列の詳細にその応用が制限されるものではないことを明らかにする。本発明は、他の実施例に具現及び実施でき、多様な方法で遂行できる。また、装置又は要素の方向（例えば、「前(front)」、「後(back)」、「上(up)」、「下(down)」、「上(top)」、「下(bottom)」、「左(left)」、「右(right)」、「横(lateral)」などの用語について、本明細書に使用された表現及び述語は、本発明の説明を単純化するために使用されるものに過ぎず、関連した装置又は要素が単に特定の方向を持つべきであることを示唆或いは意味しない。

本発明は、上記目的を達成するために、次の特徴を有する。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。これに先立って、本明細書及び請求の範囲に使用された用語又は単語は、通常的かつ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、発明者は自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に基づき、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されるべきである。

したがって、本明細書に記載された実施例及び図面に図示された構成は、本発明の最も好適な一実施例に過ぎないもので、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないから、本出願時点においてこれらを代替することができる様々な均等物と変形例がありうることを理解すべきである。

次に、本発明に係る飽和透水係数の測定過程及び意味について考察する。

連結ライン４０を介して互いに連結されているチャンバー１０と貯蔵管体５０とを互いに離隔させて河床に垂直となるように立設する。チャンバー１０を立設するとき、堆積物が撹乱しないようにチャンバー１０の上端をゆっくり加圧しなければならず、貯蔵管体５０の打設深度は流入口５２が地表水面より低い深度に固定されるように決定されるべきである。

貯蔵管体５０の流入口５２が地表水面より低い深度に位置するように河床に直立打設されると、流入口５２とチャンバー１０間の水頭差が発生し、このような水頭差ΔＨは河床に設置されたチャンバー１０から貯蔵管体５０の流入口５２への水の流れを引き起こす。これはチャンバー１０周辺の地下水がチャンバー１０に流入することを意味し、結果としてチャンバー１０の下部から上部への水の流動及びチャンバーの下部と上部間の水頭差Δｈの発生を引き起こす。貯蔵管体５０の流入口５２の地下水面下の深度を固定すると、チャンバーを通過する水の流量及びチャンバー１０の上下部間の水頭差Δｈは一定に維持されるので、これらを測定してその比を求めると、透水係数が求められる（Ｄａｒｃｙの法則において、透水係数は動水勾配に対するＤａｒｃｙｆｌｕｘの比である）。

また、貯蔵管体５０の流入口５２の地下水面下の深度を段階別に深くすると、チャンバー１０と流入口５２間の水頭差ΔＨも段階別に増加し、これによりチャンバー１０の下部から上部への水の通過流量Ｑ、およびチャンバー１０の下部と上部間の水頭差Δｈも比例的に増加する。貯蔵管体５０の流入口５２の地下水面下の深度を段階別に変化させて求めた各段階別チャンバー１０の上下部間の水頭差Δｈに対するＤａｒｃｙｆｌｕｘの比は各段階の透水係数を示す。測定対象であるチャンバー内部の多孔性媒質の透水係数は固有値であるから、段階別に求めた透水係数の値も同一でなければならない。これは、各段階別に算出された透水係数の相互比較が、本発明に係る現場飽和透水係数測定の正確度を重複検証する手段となることを意味する。

次に、図１〜図５を参照して現場飽和透水係数測定の一実施例を詳細に説明する。

図示の如く、本発明に係る現場飽和透水係数測定器は、人為的に誘導された動水勾配の度合いによって排出されるＤａｒｃｙｆｌｕｘを測定し、動水勾配とＤａｒｃｙｆｌｕｘ間の関係を分析して砂堆積物の飽和透水係数Ｋを測定しようとするもので、チャンバー１０、第１、第２水頭測定ライン２０、３０、連結ライン４０、および貯蔵管体５０を含んでなる。

前記チャンバー１０は、内部が空いており且つ下端部が開口した円筒状のドラム筒からなっており、このような前記チャンバー１０の上端をゆっくり加圧して地表水−堆積物界面の堆積物に立設する。前記チャンバー１０は、開口した下端部を介して飽和帯の砂及び粘土などの媒質が充填される形態となる。また、チャンバー１０の上部には水面の上部にまで延長されて突出する延長管１１を垂直設置し、このような延長管１１の最上端には延長管１１と垂直をなす水平バー１２をさらに設置することにより、チャンバー１０が地表水−堆積物界面に垂直に埋設されているかを前記水平バー１２の水平状態から識別することができるようにする。勿論、このような水平バー１２はチャンバー１０の埋設または撤去の際に取っ手の用途としても使用できる。

第１、第２水頭測定ライン２０、３０は、チャンバー１０の外周縁の上下部にそれぞれ一端が連結され、他端は地表水の水面上に突出させたもので、チャンバー１０の外周縁の上部に連結されたものを第１水頭測定ライン２０とし、チャンバー１０の外周縁の下部（前記チャンバー１０の外周縁において第１水頭測定ライン２０より相対的に低い位置）に連結されたものを第２水頭測定ライン３０とした。第１、第２水頭測定ライン２０、３０は、チャンバー１０の下部から上部への水の上向流によるチャンバー内部の２箇所における水頭損失(head loss)による水頭差Δｈを測定（例：マノメーター１００やハンド真空ポンプ１１０など）するためのものである。チャンバー１０に連結される第１、第２水頭測定ラインの一端にはチャンバー１０に充填された堆積物の流入を防ぐために網処理が施されている。

前記連結ライン４０は、フレキシブルな管であって、一端は前述したチャンバー１０の上端に連通連結され、他端は後述する貯蔵管体５０の外周縁の流入口５２に連通連結されることにより、チャンバー１０を通過した水が連結ライン４０を介して貯蔵管体５０の流入口５２（連結ライン４０に連通させるためのノズルが設置される箇所）へ流入して、前記貯蔵管体５０内に水が充填されるようにするものである。

前記貯蔵管体５０は、上端が開口しており且つ内部が空いている円形断面管体であって、他端には設置の容易性のために下端に向って益々鋭くなる挿入部５１を形成するようにする。このような貯蔵管体５０は、チャンバー１０から所定の間隔離れて水中に直立打設して固定する。鋭い挿入部５１が設けられた他端を介して貯蔵管体５０を河床に打ち込んで固定し、こうして設置された貯蔵管体５０は開口した上端が河川水面の上部に突出するほどの長さを持つようにして、前記貯蔵管体５０の上端を介して内部に地表水が流入しないようにする。貯蔵管体５０の地下水面下の深度調節は外周縁に突設された加圧片５３を加圧手段７０としてのスライドハンマー(slide hammer)で打撃して行われる。

貯蔵管体５０は、断面積が一定な円筒状のパイプであるから、貯蔵管体５０に流入する水の水位変化を測定すると、水の量と水の流入速度が一定であるか否かを確認することができる。貯蔵管体５０への水の流入速度が一定であれば、貯蔵管体５０内における水位変化は直線的に上昇するので、直線的水位変化区間を取り、選択区間における経過時間及び水流入総量を求めると、貯蔵管体５０に流入するＤａｒｃｙｆｌｕｘを測定することができる。貯蔵管体５０内の水位変化は、貯蔵管体５０の内部底部に設置する自動水位測定器６０を用いる。Ｄａｒｃｙｆｌｕｘとチャンバー１０の上下部間の水頭差Δｈは、上記数式２による堆積物の飽和透水係数算出の必須要素である。

貯蔵管体５０の外周縁には流入口５２が設けられており、このような流入口５２に前記連結ライン４０の他端が連通連結されている形態となるようにするが、このような貯蔵管体５０の流入口５２の位置、すなわち連結ライン４０の他端の連通部位位置を変化させることにより、貯蔵管体５０とチャンバー１０との水頭差ΔＨを調節する。連結ライン４０が連結される流入口５２の位置が水中で益々低くなるほど（貯蔵管体５０の他端へ向かうほど）、流入口５２とチャンバー１０間の水頭差ΔＨが増加し、これにより貯蔵管体５０に流入する水の量Ｑも増加する。貯蔵管体５０の流入口５２の深度を段階別に異ならしめて、各段階別にチャンバー１０から貯蔵管体５０に誘導されて貯蔵されるＤａｒｃｙＦｌｕｘとチャンバー１０の上下部間の水頭差Δｈを測定し、各段階別測定対象堆積物の飽和透水係数を算出する。測定対象であるチャンバー１０内の多孔性媒質の透水係数は、媒質毎の固有な定数(constant)であるから、段階別透水係数の測定が正確に行われたならば、段階別に求めた透水係数値は互いに同じでなければならず、各段階別透水係数、単位面積及びＤａｒｃｙｆｌｕｘは一次関数の関係を持たなければならない。すなわち、各段階別に求めた透水係数を単純比較し、或いは各段階別動水勾配とＤａｒｃｙｆｌｕｘが一次関数の関係を持つかを確認し、そしてこれらが成す一次関数の直線勾配が既に確認された透水係数と一致するかを確認して、本発明の測定器を介して求めた透水係数の正確度を重複的に検証することができる。

図４及び図５は実際河川の河床堆積物を対象として実施した飽和透水係数測定結果を示す。河床堆積物に立設されたチャンバー１０の内径は１０．８ｃｍ、長さは２５．０ｃｍであり、チャンバー１０に連結される第１、第２水頭測定ライン間の離隔距離は１５．０ｃｍであり、それぞれはチャンバーの上下端から５．０ｃｍ離れたところに位置する。貯蔵管体５０（内径４．８ｃｍ）の流入口５２の深度を地下水面下の深度１０ｃｍに固定して透水係数を測定した後、貯蔵管体５０の流入口５２の深度を３ｃｍの間隔で増加させ、最終深度である地表水面下２５ｃｍまで６段階に分けて各段階別透水係数を測定した。

図４の（Ａ）は、各段階別貯蔵管体５０に流入する水の水位変化を示すもので、各段階別水位変化が殆ど直線的に行われていることを示し、地下水面下の深度が増加するほど水位上昇速度が大きくなることを示す。直線的な水位変化様相は貯蔵管体５０への単位時間当たり水の流入量が一定であることを意味し、地下水面下の深度が増加するほど水位上昇速度が大きくなっていることはチャンバー１０と貯蔵管体５０間の水頭差ΔＨの増加による貯蔵管体５０への水の流入量増加にその原因がある。図４の（Ｂ）は、各段階別透水係数の測定の際に、時間経過によるチャンバー１０の下部と上部の水頭差Δｈを測定したもので、各段階別チャンバー１０の上下部の水頭差Δｈは時間が経過してもほぼ一定に維持されており、貯蔵管体５０の流入口５２の地下水面下の深度が増加するほど段階別チャンバー１０の上下部の水頭差Δｈが増加していることを示す。このような結果はチャンバー１０を通過する各段階別水の流れが安定的であることを示す。

図５の（Ａ）は各段階別Ｄａｒｃｙｆｌｕｘとチャンバー１０の上下部の水頭差Δｈを用いて求めた透水係数であって、段階に関係なくほぼ同一の値（０．０６ｃｍ／ｓｅｃ）を示し、図５の（Ｂ）は各段階別に求めたＤａｒｃｙｆｌｕｘと透水係数が直線的に対応する一次関数関係にあることを示す。Ｄａｒｃｙの法則における前記一次関数の勾配は透水係数を意味し、その値は０．０６ｃｍ／ｓｅｃであって、段階別透水係数を比較して求めた値と同一である。このような結果は本発明に係る飽和透水係数の測定結果が正確であり、その正確度を自体的に検証することができることを示す。

以上、本発明はたとえ限定された実施例と図面によって説明されたが、本発明は、これに限定されず、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変更を加え得るのは勿論のことである。

１０チャンバー
１１延長管
１２水平バー
２０第１水頭測定ライン
３０第２水頭測定ライン
４０連結ライン
５０貯蔵管体
５１挿入部
５２流入口
５３加圧片
６０自動水位測定器
７０加圧手段

Claims

河床に固定設置され、内部に媒質が充填されるチャンバーと、
前記チャンバーの外周縁の上下端にそれぞれ連通連結され、チャンバー内の水頭差を測定することができるようにする第１、第２水頭測定ラインと、
前記チャンバーに一端が連通連結される連結ラインと、
河床に一端が固定されてチャンバーから離隔して設置され、前記連結ラインの他端が連通連結され、前記チャンバーとの水頭差の調節と、河床のチャンバーから流入する水の量及び流入速度の測定に用いられる貯蔵管体とを含んでなることを特徴とする、現場飽和透水係数測定器。
測定対象の河川現場で前記貯蔵管体の地下水面下の深度を調節して発生する前記チャンバーと前記貯蔵管体間の水頭差を用いて、前記チャンバーの下部から上部へ且つ前記チャンバーから前記貯蔵管体へ流動する水の流れを動力なしで誘導することを特徴とする、請求項１に記載の現場飽和透水係数測定器。
１）前記貯蔵管体の流入口を地表水面下の深度を多段階に変化させて測定した各段階別透水係数を比較し、
２）各段階別動水勾配とＤａｒｃｙｆｌｕｘが一次関数の関係を持つかを確認し、及び
３）各段階別動水勾配とＤａｒｃｙｆｌｕｘが成す一次関数の直線勾配が、前記１）、２）段階で確認された透水係数と一致するか否かを確認して、透水係数測定結果の正確度を重複的に検証することができるようにすることを特徴とする、請求項１に記載の現場飽和透水係数測定器。