2019 Fiscal Year Research-status Report
表流水と周辺地盤との間の水分と物質移動に関する研究
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18K04376
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| Research Institution | Oita National College of Technology |
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Principal Investigator |
東野 誠 大分工業高等専門学校, 都市・環境工学科, 准教授 (90311117)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 不飽和地盤 / 凍結防止剤 / 浸透流 / 塩分除去 / 豊浦砂 / 真砂土 / 水分保持曲線 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，不飽和地盤からの降水による塩分の除去について検討を行った．つまり，冬期において凍結防止剤として使用された塩化ナトリウム(NaCl)や塩化カルシウム(CaCl2)等が春~夏期にかけて，降水の浸透によって生起される浸透流により地盤から除去される過程について，実験的検討，およびシミュレーションによる考察を行った．すなわち，透水性材料である豊浦砂，および真砂土で構成された地盤を対象とし，降水による地盤からのNaCl 除去を定量的に表現するためのモデルを構築するとともに，その妥当性を実験結果との比較により検証した．
真砂土は，地盤内部に水がよく浸透する部分と，そうでない部分が形成され，これらが実験結果に大きく影響した可能性が示唆される．実験後の PVC カラムには大きな空隙が確認されたこともこれを裏付けている．よって，モデルが真砂土による実験結果を再現することが容易ではない．次に，豊浦砂は，約400～500秒でNaCl 濃度が急減し，600～800 秒でNaCl 濃度はほぼ 0 に近い値まで低下した．これは豊浦砂がほぼ均一な材料であり， 透水係数が真砂土と比較して 1 オーダ大きいことが要因と考えられる．豊浦砂は実験値が安定しており， 複数回も実験を行ったが，ほぼ同様の結果が得られた． また，シミュレーション結果ともほぼ一致しており，豊浦砂に対しては，モデルの妥当性を示すものといえよう．
実験とシミュレーション結果より，豊浦砂で構成された地盤の塩分除去に要する時間はシミュレーションで概ね推定可能である．一方，真砂土に関しては，地盤の締固めや粒度分布などを考慮して実験を行い，シミュレーション結果と比較する必要がある．また，実際の地盤は粘土，シルト，砂，礫等の混合物であり，地盤毎に水分保持曲線，あるいは当該地盤の特徴を考慮したモデルの構築が必要である．
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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
本研究では，水田や畑地での施肥起因の硝酸性窒素(NO3-N)や寒冷地において冬期に凍結防止剤として道路に散布されたNaClの地盤内での移動や物質変換過程を再現し，滞留時間，および地盤から地下水や表流水中へのこれらの物質の流出過程をシミュレートするためのモデル構築を目的としている．飽和・不飽和浸透流とそれによる物質移動をシミュレートするためのプログラムとして，”Hydrus”が開発され，広く用いられている．しかしながら，①実際に地盤は砂，礫，シルト，有機物質等が複雑に混ざり合って構成されており，Hydrusが想定するものとは大きく異なること，②数か月～1年に亘る水文条件の変化を取り扱う必要がある，③SWMM等の既存の水文・水質モデルと容易にリンクできること，を考慮して独自のモデルを構築する予定である．それにあたっては，研究代表者のこれまでの水・底泥境界面での物質移動，およびHyporheic exchangeに関する基礎研究を拡張して地盤表面から内部での飽和・不飽和浸透流と物質移動過程をモデル化する．次に，このモデルに降水量と期間によって地盤の飽和度と物質移動速度が変化する過程を組み込む．
上述の当初の研究計画に対して，不飽和地盤からの降水による塩分の除去に関しては，既にモデル構築を完了し，その妥当性に関して真砂土，および豊浦砂を用いた実験結果によってモデルの妥当性は実証済である．他方，NO3-Nに関しては，NaClと比較してやや遅れ気味ではあるが，次年度以降，取り組む予定である．今後は，モデルをさらに発展させて，前述のような水文水質モデルとリンクさせる必要があるが，4年の研究期間のうち2年目を終了した時点で，ほぼ当初の予定通り研究が進捗しているといえる．
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| Strategy for Future Research Activity |
構築したモデルの妥当性は，実験によって検証・修正される．研究代表者がこれまで10年以上に亘り，共同で研究を進めてきたミネソタ大学，Stefan教授のご厚意により，同大学，セントアンソニーフォールズ研究所内において実験装置のセットアップが完了し，実験を開始できる状況にある．実験は，研究代表者，Stefan教授らによる理論解析と先行実験結果に基づいて実施される．すなわち，アメリカ合衆国，ミネソタ州，ミネアポリス市内のFree way周辺の複数の地点において，既に幾つかの地盤サンプルを採取し，セントアンソニーフォールズ研究所内において，複数のカラムを用い実験を行う予定である．実験では，これらのカラムに純水，および塩水を浸透させて，カラム流出水の水質を連続的に計測し，モデルによる推定結果と実験値とを比較しつつ，モデルをより精巧なものへと仕上げてゆく予定である．
以上のようにして，地域毎に水文条件と地盤の諸条件(土粒子の粒径，空隙率，透水係数)より，施肥起因のNO3-Nや凍結防止剤として散布されたNaClの地盤内での移動や物質変換を再現し，滞留時間やこれらの物質の地盤から地下水や表流水中への流出をシミュレートするためのモデルを開発する．
本研究では，海外研究協力者であるミネソタ大学，Stefan教授との連携が不可欠であるが，2020年1月頃から世界各地で徐々に深刻化した今回の新型コロナウイルス感染拡大による研究の遅延なども予想されるため，研究計画を柔軟に調整できるよう，研究計画を一部見直す予定である．
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| Causes of Carryover |
当初は、年度末の2020年3月に渡米して、国際共同研究者のミネソタ大学、Stefan教授と研究計画や今後の研究の方向性について打ち合わせを行う計画であったが、2020年1月頃より、世界各地で新型コロナウイルスの問題が顕在化し、これによって渡米を中止するなど、研究計画を見直す必要が生じたため。
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