超音波パルスによる水底堆積物の物理・化学的特性観測の基礎・応用研究

• 研究課題/領域番号: 20K04762
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分22060:土木環境システム関連
• 研究機関: 豊田工業高等専門学校
• 研究代表者: 松本 嘉孝 豊田工業高等専門学校, 環境都市工学科, 教授 (40413786)
• 研究分担者: 早坂 太一 豊田工業高等専門学校, 情報工学科, 教授 (50314092)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2024-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2022年度)
• 配分額: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円); 2021年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2020年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
• キーワード: 超音波 / 底泥 / 堆積物

研究開始時の研究の概要

本研究は，淡水止水域の水底の堆積物の物理・化学的特性を超音波により，間接的に観測する手法を開発することを最終目的とした研究である。これまで，超音波と堆積物層厚・粒径との基礎的な性状や関係性を把握し，開発への糸口はつかんだ。次段階の目的として，①得られた結果の科学的な根拠の裏付け，②基礎研究から応用研究への橋渡しを設定した。本研究課題を達成することで，効率的かつ簡便に淡水止水域の堆積物理量・化学性状を広域的に観測することが期待できる。そして，用いている広帯域超音波パルスにより，より高い解像度での底泥厚や波長特性が捉えられ，堆積物観測の新デバイスを開発する点では創造的であるといえる。

研究実績の概要

陸水止水域である湖沼へは，土砂以外にも落葉などが分解した微細有機物が流入・堆積し底泥化している。底泥による貧酸素水塊や，重金属・ダイオキシン類の蓄積から，堆積物に関する調査・分析手法が確立している。一方，堆積層厚や粒子径といった物理的空間量や有機物含有量などの化学特性の観測手法は存在するが，堆積量・質の3次元的な全体像を把握するまでには至っていない。上記の課題に対し，2017から2019年の研究結果として，実験室における超音波での堆積 物の層厚・粒径特性の把握が達成されたが，次の研究課題として，1.得られた結果の科学的な根拠の裏付け(1-1パワースぺクトル原因解析，1-2複層超音波原因解析，1-3有機物含有量把握，1-4正確な試料粒子径測定)，2.基礎研究から応用研究への橋渡し(2-1異なる周波数帯で波長特性把握，2-2超音波測定能検討，現場超音波解析，2-3波長解析自動化)が顕在化した。
2020年までの研究成果として，1-1パワースペクトル原因解析において，サンドビーズでガラスビーズと同様単・複層で超音波鉛直照射実験を行い，粒径とP.S.強度との関係性を把握するとともに，その原因を検討した。また，2-2超音波測定能検討，現場超音波観測:湖沼で現場超音波観測を行い，本装置測定解像能を明らかにした。
さらに今年度は，1-2複層超音波原因解析の実施および2-2超音波測定能検討を試みたが，超音波測定装置の故障および，超音波解析ソフトの設定不良などが重なり，実験を試みることがほぼできなかった。

現在までの達成度 (区分)

4: 遅れている

理由

研究開始年度に新型コロナウィルスの感染症の拡大により，当初予定していた学生と実験を行うことが限られてしまった。実験について検証を行うための器材の購入を行うことはできたが，実験を進めることが困難な状況であった。
また，今年度研究遂行に必要な機器および解析装置に不具合があったため，予定通りに研究を進めることができていない。
以上のことから，当初よりも1年半程度後ろ倒しの研究進捗状況となっている。

今後の研究の推進方策

これまでの研究で，1-1パワースペクトル原因解析と2-2現場超音波解析を行うことができた。それぞれ研究を行うことにより，課題が明らかとなったため，その課題についての検討を行う。また，昨年度解析に際して解析ソフトの不具合が見つかったため，その修復を早急に必要であったが，その修復が思うように進めることができなかった。
来年度は，上記1-1，2-2に加えて， 1-2複層超音波原因解析:層厚や粒径などの実験条件を拡張し同様な結果が得られることを確認すると共に，2-2超音波測定能検討，現場超音波観測について，室内と現場実験精度の解析を進めることを考えている。また，2-1異なる周波数帯での波長特性把握:本実験装置を用いて，40kHz付近の低周波，150kHzおよび400kHz付近の中周波，1500kHzの高周波で実験し，それぞれの周波数帯における層厚特性，粒子径特性などの物理特性を把握し，本装置の適用範囲を明確にする。