熱水鉱床開発に向けた超音波流速計による懸濁物質濃度および粒径分布の非接触３D計測

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 25820423
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 新井 励 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60508381)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Keywords: 海中音響 / ADCP / 熱水鉱床 / 海洋計測

Outline of Annual Research Achievements

日本周辺海域には海洋資源となりうる未発見の海底熱水鉱床の存在が予想される。また、既知の熱水鉱床周辺海域には熱水由来の特異かつ貴重な化学合成生態系が存在し、今後、これら熱水鉱床の開発を実施するに際し、周辺生態系に対し環境影響評価をすることが不可欠である。そのため、採鉱時にどの程度の濃度の重金属等を含む懸濁物質が発生・拡散・堆積し、周辺海域の生態系に影響を及ぼすか、懸濁物質を計測することで把握する必要がある。しかしながら現在用いられている濁度計は点計測のみであり、懸濁物質の特性や拡散状況を空間的に把握するためのデータ量としては圧倒的に不足しているのが現状である。
上記のような背景を受け本申請課題の目的は、超音波流速計(ADCP)による熱水鉱床の探査および開発時に発生する懸濁物質濃度および粒径分布の非接触三次元計測である。
ADCPの内部基盤は電源電圧の変化や機器内温度により基盤自体の抵抗が変化する。そのためADCPのトランスデューサーに供給される電力量も状況により変化し、トランスデューサーにおける音波の発信強度も変化する。さらに、ADCPには4つのトランスデューサーがあり、個々に送受信感度がことなる。これらの問題に対処するため、本年度は、基盤のインピーダンスと回路内温度、供給電力量を計測し、トランスデューサーに供給される電力量を算出するモデルを構築した。さらに各トランスデューサーの受信感度を、トランスポンダーにより計測し、トランスデューサーに供給される電力量のモデルと統合することでADCP本体の数値モデルを構築した。これにより各トランスデューサーで計測した受信強度から独立して懸濁物質濃度を算出できるため、前年度に開発した音響伝播モデルと統合することで三次元の懸濁物質濃度分布の計測が可能となた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成26年度の目的はADCPに備わった4つのトランスデューサーの受信-出力機構を個々にモデル化による、水平方向の懸濁物質濃度分布の計測の実現である。本研究で対象とするADCPは国内外で最も広く用いられている現有のADCP(RDI社製workhouse-sentinel)とした。ADCPの内部基盤は電源電圧の変化（電池の消耗具合）や機器内温度により基盤自体の抵抗（インピーダンス）が変化する。そのためADCPのトランスデューサーに供給される電力量も状況により変化し、トランスデューサーにおける音波の発信強度も変化する。さらに、ADCPには4つのトランスデューサーがあり、個々に送受信感度がことなる。これらの問題に対処するため、まず、基盤のインピーダンスと回路内温度、供給電力量を計測し、トランスデューサーに供給される電力量を算出するモデルを構築した。さらに各トランスデューサーの受信感度を、トランスポンダー（現有機器、JapanProbe社製CN-10）により計測し、トランスデューサーに供給される電力量のモデルと統合することでADCP本体の数値モデルを構築した。これにより各トランスデューサーで計測した受信強度から独立して懸濁物質濃度を算出できるため、前年度に開発した音響伝播モデルと統合することで水平方向の懸濁物質濃度分布の計測が可能とした。また、本モデルの妥当性の検証のため、実海域においてADCPによる受信強度を計測するとともに、計測対象海域の各水深の懸濁物質濃度と粒径分布を採水分析から定量した。得られた懸濁物質濃度と粒径分布をADCPの数値モデルに組み込み計算した受信強度とADCPで実際に計測された受信強度を比較することでモデルの妥当性を検証した。

Strategy for Future Research Activity

平成27年度の目的は浅海海底熱水域周辺におけるADCP計測データから懸濁物質・粒径分布計測およびその挙動の把握である。沖縄県八重山諸島の竹富島等の浅海海底熱水噴出域において、ADCPの反射強度データを取得する。これらの計測データと前年度に開発したADCPの音響送受信伝播モデルを統合することで当該海域の懸濁物質濃度と粒径分布の空間分布を算出する。具体的にはまず音響送受信伝播モデルで計算し、その計算結果と計測データと「最も当てはまる」懸濁物質濃度と粒径分布（平均値と分散値）を算出する。この「最も当てはまる」値はパーティクルフィルタを用いる予定である。さらにADCPにより計測された3次元流向流速データを用いることで当該海域における懸濁物質の挙動を把握する。これらの研究成果についてはそれまでの成果も含めて春季の国際会議で発表するとともに、秋季の国内講演会で発表する。