Measuring and modeling solute transport in Ryukyu limestone

Research Project

Project/Area Number	22K20602
Research Category	Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	0604:Agricultural economics and rural sociology, agricultural engineering, and related fields
Research Institution	Ehime University
Principal Investigator	倉澤智樹愛媛大学, 農学研究科, 助教 (90961201)
Project Period (FY)	2022-08-31 – 2024-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000) Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	琉球石灰岩 / X線CTスキャン / 移流分散モデル / 流体シミュレーション / 地下ダム
Outline of Research at the Start	島嶼農業の要を担う水利施設である地下ダムでは，貯水域の水質汚染が顕在化しつつあり，汚染の実態解明や将来予測手法の開発が急がれる．一方，貯水域に分布する琉球石灰岩は不均質性の高いユニークな地盤材料であり，内部の物質輸送シミュレーションには一般材料に適用される移流分散モデルを適用できない可能性があるものの，十分な議論なしに適用され続けている．そこで本研究では，ラボ・フィールド試験，X線CTスキャン，流体解析を駆使し，琉球石灰岩内部の物質輸送現象に対して，移流分散モデルが適用性できるのか，を詳細に評価する．
Outline of Annual Research Achievements	本年度は，琉球石灰岩内部の3次元間隙構造モデルを取得するためのプログラム開発と間隙構造分析に注力した．開発したコードを利用することで，直径50mmの琉球石灰岩ボーリングコアのCT画像を解析したところ，間隙率（全体積中における間隙体積の比率）が約0.2と推定された．この値は，先行研究にて実験的に推定された結果と一致しており，開発コードによる解析の妥当性を示している．また，石灰岩内部の間隙構造に目を向けると，内部の間隙は連続的なものと，独立して存在している小さなものが共存しており，間隙クラスターの体積のヒストグラムは3オーダーを超えた幅広い分布を示した．これは，琉球石灰岩内部における地下水の通過する流路幅が多様であり，時間スケールの大幅に異なる地下水流動と特異な物質輸送特性を有している可能性を示唆する．このような時間スケールの大幅な違いが存在する条件下での物質輸送の基礎的な知見を取得するため，高透水部（時間スケールが小さい）中に低透水部（時間スケールが大きい）を有するシンプルな地盤モデルを対象に，ラボでのカラム実験を実施した．結果的に，物質濃度が長時間に渡ってゼロに到達しないテーリング現象の発現を確認した．さらに，取得した3次元間隙構造モデルの内部において，Navier-Stokes方程式と移流拡散方程式を数値的に解くことで，複雑な間隙構造における水溶性物質の遷移状況の捕捉にも成功した．また，フィールド試験としては，沖縄県にあるギーザ地下ダムの帯水層を対象として単孔式希釈試験を実施し，琉球石灰岩における物質輸送特性を現地調査した．結果的に，流速が地表面からの深さに応じて大幅に変動する状況を補足した．これは琉球石灰岩が空間的に大きな不均一性を有していることを示唆する．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 琉球石灰岩内部の3次元間隙構造モデルを取得するためのプログラム開発と間隙構造分析を遂行し，石灰岩内部の間隙構造を評価することができた．また，取得した3次元間隙モデルにおいてNavier-Stokes方程式と移流拡散方程式を数値的に解くことで，複雑な間隙構造における水溶性物質の遷移状況の捕捉にも成功した．また，ギーザ地下ダムでのフィールド試験にも着手し，流速が地表面からの深さに応じて大幅に変動する点を確認することができた．この結果は，琉球石灰岩の帯水層が空間的に大きな不均一性を有していることを示唆し，地下水質管理にとって重要な知見といえる．以上から，「おおむね順調に進展している」と自己評価した．
Strategy for Future Research Activity	次年度は，琉球石灰岩中の物質輸送現象のデータを高精度に計測するため，ラボレベルでの物質輸送実験を計画している．ラボ実験では，琉球石灰岩コアをアクリル製カラムにセットし，模擬的に上から下へ地下水流れを導入する．その後，上部より物質トレーサとしてNaCl水溶液をパルス状に投入し，下部の観測点で経時的に濃度を計測する．このとき取得した時系列濃度データに移流分散モデルやその他モデル（MIM，CLT，FADE，CTRWモデルなど）をフィッテングし，各モデルの再現能力を評価し，最適なモデルを調査する．また，各モデルがなぜ合うのか？あるいは合わないのか？，をエビデンスに基づいて考究するため，X線CTから取得した3次元間隙モデル内部で物質輸送をシミュレートし，原因を究明する．