2015 Fiscal Year Annual Research Report
六フッ化硫黄を用いた若い地下水の滞留時間推定に関する研究
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15J00384
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| Research Institution | University of Tsukuba |
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Principal Investigator |
榊原 厚一 筑波大学, 生命環境科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2015-04-24 – 2018-03-31
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| Keywords | 六フッ化硫黄 / 降雨流出 / 平均滞留時間 / 山体地下水 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
山地の卓越するわが国において、山体地下水の降雨流出現象を含めた地下水流動系を把握する事は、水資源の保全や土砂災害の予測には欠かせない。しかしながら、降雨に対して山体地下水がどのように応答するのかは、未解明な部分が多い。本研究では、地下水の滞留時間に着目をし、降雨時における山体地下水流動の変化とその要因を明らかにする。
我が国における山体地下水の平均滞留時間は、数年から数十年程度と言われている。欧米において、若い地下水の滞留時間推定には、六フッ化硫黄(SF6)をトレーサーとして用いる手法が提案されているが国内において、適用例は数える程度しかない。そのため、独自に地下水中からSF6を分離抽出するシステムを作成した。
研究対象地域は、福島県川俣町の森林小流域である。現場において、流出量・降水量・地下水位を10分間隔で観測を行っている。対象流域での調査は本年度11回実施した。内6回はSF6分析用採水を実施した。残りの5回は機器のメンテナンスや流量・地下水位の実測、水質分析用の採水を行った。降雨イベント時の集中観測は2015年7月に実施した。
以下のことが明らかとなった。無降雨時において、流出水(湧水)の平均滞留時間は、2.5-6.5年であり、全体的に夏から冬にかけて地下水平均滞留時間は短くなる。一方、降雨時に着目をしてみると、流出水の平均滞留時間は、0-13年の範囲で短期間に大きく変動していることがわかった。年間を通した平均滞留時間の変動と比べ降雨時平均滞留時間の変動幅は極めて大きいことから、降雨時の地下水流動系は短時間かつダイナミックに変動していることが分かった。また、降雨時の連続採水から、ピーク流出以前は、降水・土壌水・浅い地下水が流出に大きく寄与しているが、流出ピーク後は流出水の平均滞留時間が無降雨時と比べ長くなり、山体深部に貯留されていた水が流出に寄与している可能性が示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度の研究課題達成目標は、1)六フッ化硫黄(SF6)分析前処理器の完成、2)水サンプル中の低濃度SF6分析スキームの確立、3)現場への適用、4)降雨時、SF6用地下水連続サンプリングの実施であった。総評すれば、4)の降雨時サンプリングが7月の降雨イベント1度のみの成功に留まったが、1),2),3)の目標だけでなく、来年度、再来年度の目標でもある地下水流動モデルの構築の初期段階まで、研究を進展させることができた。
具体的には、年度前半までに、作成したSF6分析前処理器の分析誤差を1.5%、かつ、地下水・湧水の滞留時間推定誤差を0.7年とすることができた。このことから本装置におけるバルブ操作のタイミング等を含めた分析スキームの確立は達成された。現場適用については、当初は筑波山湧水のみの計画であったが、フロン類等データが蓄積されている富士山麓湧水への試験的SF6適用を筑波山に加えて行った。筑波山では、1.5年程度、富士山麓は60年より長い滞留時間をSF6データは示し、他のトレーサーから算出された滞留時間と整合的であった。以上から、本研究において開発したSF6分析前処理器を使用した地下水滞留時間推定は十分実用できると判断される。
研究対象地域(福島県川俣町)の森林小流域における降雨時連続採水は、2015年7月に成功している。降雨前、降雨中(2時間ごと)、降雨後に採水を行った。データは良好であったが、本年度は1度のみの降雨時採水であったため、来年度はより多くの降雨時データ採取を行う必要がある。しかしながら、無降雨時の地下水、湧水滞留時間推定が達成できていることから、本年度の進捗状況は良好であると考えられる。
最後に、今後の目標であった、3D地下水流動モデルの構築に取りかかることが出来たこと、降雨イベント中の地下水滞留時間変動についての成果を国際学会(2016年4月)において発表できたことから、当初の計画以上の進展があったといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
27年度の研究実施状況を総括すれば、分析前処理器の完成、SF6を用いた滞留時間推定の現場適用、地下水流動モデル構築の土台の完成といった、本研究を遂行する一連の流れが達成できたと思われる。その意味で、充実した年度であった。しかしながら、現在は、まだ研究の初期段階であり、28年度は、実測データの蓄積、蓄積された実測データを用いることにより、再現性の高いモデルの構築を目指す。とりわけ、降雨イベント中の高時間分解能での地下水・湧水中SF6濃度観測の実施は、重要な課題である。本研究のオリジナリティーである、降雨イベント中の地下水流動系を実測滞留時間を用いてモデル化する取り組みに邁進する年度が28年度である。
27年度において、降雨時の流出水平均滞留時間は、SF6を用いて、0-13年の間で劇的に変化することが観測された。その原因は、滞留時間が異なる降水・土壌水・浅層地下水・深層地下水のそれぞれの成分が流出へ複雑かつ迅速に寄与しているためであると考えられる。迅速な応答が示唆されていることから、27年度の採水間隔以上の時間分解能で降雨流出水の採水が必要である。
しかしながら、特殊な採水手法を用いているため実現可能なSF6用採水間隔は、1時間である。観測の限界は地下水流動モデルを用いた、シミュレーションで補うことが有効であると考えられる。実際の地下水流動を正確に再現するためには、実測データを用いたモデルの校正と妥当性の評価を行わなければならない。そこで、降雨時1時間ごとの実測滞留時間データを用い、モデルの校正を行い、実測では難しい、更に細かい時間分解能での地下水流動系の変化を明らかにする。
また、27年度において、降雨イベント中の滞留時間推定かつ無降雨時の季節的滞留時間変化の知見が得られたことから、28年度は、学術雑誌への論文投稿を行う。
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