JP2001183471A - 地下水流動測定方法とその装置 - Google Patents

地下水流動測定方法とその装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡易な構成で地下水の流速，流向を正確にし
かも短時間に行え、また、必要に応じて繰り返し測定を
行える地下水流測定方法とその装置の提供。 【解決手段】 本発明地下水流測定方法は、地下水Ｗ中
のトレーサーＴを、複数の撮影手段５，６により同時に
かつ所要の時間間隔で複数回撮影し、それら各回毎の撮
影画像に基づいて、トレーサーＴの各回毎の３次元座標
を算出し、それら各３次元座標から地下水Ｗの流速と流
向を求めることを内容としている。また、本発明地下水
流測定装置は、地下水Ｗ中のトレーサーＴを同時に撮影
する複数の撮影手段５，６と、それらの撮影手段５，６
により所要の時間間隔で複数回の撮影を行う撮影制御手
段２９と、それら各回毎の撮影画像に基づいて、上記ト
レーサーＴの３次元座標を求める座標算出手段２９と、
それら算出した３次元座標から地下水Ｗの流速と流向を
算出する流速流向算出手段２９とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばボーリング
孔内における複雑な地下水の流速と流向を測定する地下
水流動測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、地下水の流速と流向を測定する一
般的な方法として、中性子検出法と電位差法がある。中
性子検出法は、地下水の流れに伴って希釈されるホウ素
を、指向性中性子水分計で測定することにより、その地
下水の流速，流向を求めるものである。
【０００３】電位差法は、ガラスビーズを詰めるととも
に蒸留水を飽和させた密閉容器を地盤中で解放して蒸留
水を放出させ、その蒸留水の希釈状態を密閉容器の周辺
に配置した複数の電極で計測し、この計測で得られた出
力曲線から地下水の流速，流向を求めるものである。
【０００４】上記いずれの測定方法においても、地下水
流動の深さ方向での移動距離を測定することが困難であ
ることから、実際には３次元的な地下水流動の流れを単
純化して水平流として仮定し、その流速，流向を算出し
ている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記中性子検
出法や電位差法は、測定のための機材が比較的多く、し
かも測定までの準備が複雑で時間を要するとともに、実
際には３次元的な地下水流動の流れを単純化して水平流
として仮定していたので、正確な地下水の流速，流向を
算出することができない。
【０００６】そこで本発明は、簡易な構成で地下水の流
速，流向を３次元的に正確に測定できるとともに、その
測定を必要に応じて繰り返し行える地下水流動測定方法
とその装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明地下水流動測定方
法は、地下水Ｗ中のトレーサーＴを、複数の撮影手段
５，６により同時にかつ所要の時間間隔で複数回撮影
し、それら各回毎の撮影画像に基づいて、そのトレーサ
ーＴの各回毎の３次元座標を算出し、それら算出した各
３次元座標から地下水Ｗの流速と流向を求めることを内
容としている。
【０００８】本発明地下水流動測定装置は、地下水Ｗ中
のトレーサーＴを同時に撮影する複数の撮影手段５，６
と、それらの撮影手段５，６により所要の時間間隔で複
数回の撮影を行う撮影制御手段２９と、それら各回毎の
撮影画像に基づいて、上記トレーサーＴの３次元座標を
求める座標算出手段２９と、それら算出した３次元座標
から地下水Ｗの流速と流向を算出する流速流向算出手段
２９とを有している。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照して説明する。図１は地下水流動測定装置を示し
ており、これは、岩盤等の地盤Ｇに掘削したボーリング
孔Ｇ１に挿入する測定部体Ａに、地上に配設した昇降駆
動部Ｂ、制御部Ｃ、コンピュータ１及びエアーコンプレ
ッサー２を加えてなるものである。
【００１０】測定部体Ａの構成は次の通りである。３
は、図１，２に示すように、上下端面を閉じた円筒形の
密閉した完全防水で高耐圧型のケース体であり、これの
全体を例えば透明なアクリル樹脂等で形成している。ケ
ース体３の下端壁３ａ上面には、図２，３に示すよう
に、地下水Ｗ中の後述するトレーサーＴの移動を定量的
に算出できる間隔の目盛り４ａを刻設した光透過性のス
ケール４が、撮影手段である後述する２台のＣＣＤカメ
ラ５，６の撮影野内に固着されている。
【００１１】ケース体３内には、２台のＣＣＤカメラ
５，６と、図５に示すように、それらのＣＣＤカメラ
５，６を制御するビデオシグナル変調回路７、電源ユニ
ット８及び測定部体Ａの向きを検出する方位計９を内蔵
した内蔵ボックス１０、上記撮影野を照明するための光
源１１及びトレーサー放出装置１２が収納されている。
【００１２】ＣＣＤカメラ５，６は、カメラ本体１３
と、これの下端部に配設したレンズ部１４とからなり、
地下水Ｗ中のトレーサーＴを同時に撮影できるようにし
て、具体的には、ケース体３の中心軸Ｏを挟む両側に互
いに所要の間隔にしてケース体３内に固定されている。
【００１３】トレーサー放出装置１２は、図２，４に示
すように、ケース体３の下端壁３ａ上面に固定されてお
り、それは、その下端壁３ａを貫通して一端を開口した
中空針１５の他端を先端壁１６ａに連設し、かつ、比重
が１．０に近い牛乳の凝集タンパク質等からなるトレー
サーＴを収納したシリンダ本体１６と、このシリンダ本
体１６に入出自在に嵌挿されて、その内部のトレーサー
Ｔを押し出すためのピストン１７と、このピストン１７
をシリンダ本体１６に対して入出させる、モーター等を
組み込んだピストン駆動部１８とからなる。
【００１４】トレーサーＴとしては、上記牛乳の凝集タ
ンパク質の他、蛍光塗料を混入したエスレン粒子、トイ
レットペーパー等の粉砕紙，インク等を使用することが
できる。また、トレーサーとして地下水中の浮遊物等を
使用することができる。なお、ピストン駆動部１８は、
後述するトレーサー投入スイッチ２８の操作により駆動
制御され、任意のタイミングでトレーサーＴを地下水Ｗ
中に放出できるようになっている。
【００１５】３１は、ボーリング孔Ｇ１の内径と同じ直
径にし、かつ、その下面をケース体３の下端壁３ａ下面
と面一にした円板状のゴム等の弾性材からなる整流板で
あり、地下水の流動を乱すことがないようにしている。
【００１６】１９は、ケース体３の周壁３ｂの下方外面
に嵌装配設した、空気等の流体の入出により膨縮するゴ
ム等の弾性材からなる中空円環状のケース固定用パッカ
ーであり、これには圧送ホース２０，２０を通じて前記
エアーコンプレッサー２が連結されている。エアーコン
プレッサー２は、ケース固定用パッカー１９の圧力低下
の検知により、その圧力を一定に保持するように空気を
圧送する機能を有しているものである。
【００１７】エアーコンプレッサー２から空気を圧送す
ると、ケース固定用パッカー１９が膨張してボーリング
孔Ｇ１の内壁に弾圧し、これにより、ケース体３を任意
の深度位置に固定しておくことができる。また、測定部
体Ａをボーリング孔Ｇ１内で昇降させるときには、ケー
ス固定用パッカー１９内の流体を排出して窄ませること
により、ケース体３のボーリング孔Ｇ１内での昇降を自
在にしている。
【００１８】次に昇降駆動部Ｂと制御部Ｃについて説明
する。昇降駆動部Ｂは、図５に示すように、たとえば全
長数百メートルのケーブル２１を巻回するドラム２２
と、このドラム２２を正逆回転駆動するモーターＭと、
このモーターＭを駆動制御する駆動制御回路２３とから
なり、ドラム２２に付設したプーリー２４の正逆方向の
回転数によって、ケーブル２１の一定距離毎の繰り出し
と巻き取りを行い、測定部体Ａを任意の深度に昇降移動
させられるようにしている。
【００１９】制御部Ｃは、測定部体Ａからケーブル２１
を通じて出力されたビデオ信号を復調するビデオシグナ
ル復調回路２５、電源ユニット２６、前記ＣＣＤカメラ
５，５や光源１１をオン／オフさせるための電源ユニッ
ト用スイッチ２７、トレーサー放出スイッチ２８及びＣ
ＰＵ２９からなる。
【００２０】ＣＰＵ２９は、次の各手段を有している。 (1) 撮影手段である２台のＣＣＤカメラ５，６により
所要の時間間隔をおいて複数回の撮影を行う撮影制御手
段。
【００２１】(2) ２台のＣＣＤカメラ５，６で同時に
撮影した各回毎のデジタル化されている２つの撮影画像
に基づいて、トレーサーＴの重心の各回毎の３次元座標
を、例えば精密写真測量技術により算出する座標算出手
段。具体的には、例えば所要階調の濃度によって重み付
けしたトレーサーＴの重心のピクセル値を写真座標とし
て取り込むようにしている。
【００２２】ところで、測定部体Ａはボーリング孔Ｇ１
内を昇降している間に水平面内で回動して、座標を算出
する際に基準となる水平面上の座標軸が移動してしまう
ことがあるが、本実施形態においては、ケース体３内に
配設した方位計９により、水平面上の座標軸を常に一定
の方位に一致させた状態で座標を算出している。
【００２３】また、トレーサーＴの移動距離は、ＣＣＤ
カメラ５，６の光学的な倍率等によって異なるため、こ
れを絶対値に換算する基準として、ケース体３のスケー
ル４の目盛り４ａを使用する。すなわち、トレーサーＴ
とともにスケール４の目盛り４ａを撮影することによ
り、その目盛り４ａに基づいてトレーサーＴの絶対的な
移動距離を算出するようにしている。さらに、水中にお
いては、屈折率の関係から、トレーサーＴの見掛け上の
深さ方向の移動距離が３／４倍になっているので、算出
された移動距離を４／３倍することにより、実際の距離
となるように補正している。
【００２４】(3) 算出したトレーサーＴの３次元座標
から地下水Ｗの流速と流向を求める流速流向算出手段。
図６に示すように、ある時刻ｔのトレーサーＴの重心の
３次元座標がｘ０，ｙ０，ｚ０、その時刻ｔから所定時
間後の時刻ｔ１における、そのトレーサーＴの重心の３
次元座標がｘ１，ｙ１，ｚ１とすると、それらの３次元
座標から移動距離を算出するとともに、時刻ｔと時刻ｔ
１の時間差とからトレーサーＴの移動速度、換言すると
地下水Ｗの流速を算出する。また、流向については、座
標軸を一定の方位に一致させているので、上記の３次元
座標と公知の三角関数とから求めることができる。
【００２５】前記制御部Ｃに接続されたコンピュータ１
には、ビデオキャプチャーカード３０を介して、トレー
サーＴの移動前後の画像が転送され、それらがディスプ
レイ１ａ上に表示されるとともに、上記コンピュータ１
内に保存されるようにしている。
【００２６】次に、地下水Ｗの流速，流向を測定する作
業について説明する。まず、ボーリング孔Ｇ１内に測定
部体Ａを吊り下ろし、所定の深度になったときに、ケー
ス固定用パッカー１９に流体を圧送して膨張させ、所要
の深度位置に測定部体Ａを固定し、また、電源ユニット
用スイッチ２７をオン操作して光源１１，ＣＣＤカメラ
５，６を点灯，起動させる。
【００２７】地下水Ｗ中にトレーサーＴとなる浮遊物等
がない場合には、トレーサー放出装置１２を作動させ
て、シリンダ本体１６内のトレーサーＴをゆっくりと地
下水Ｗ中に放出させる。その後、地下水の乱れが無くな
ったのを確認した後、所定の時間をおいて複数回にわた
りトレーサーＴの画像を撮影する。このとき、光源１１
等から発せられる熱により、地下水Ｗに対流を発生させ
るおそれがある場合には、撮影をする時以外は、電源ユ
ニット用スイッチ２７をオフ操作するとよい。
【００２８】次に、ケース固定用パッカー１９内の流体
を排出した状態で、測定部体Ａを順次所定の深度に昇降
移動させて、上記と同様にしてトレーサーＴの画像を撮
影する。
【００２９】それらの撮影画像は、制御部Ｃに転送さ
れ、その制御部Ｃにおいて各深度毎の地下水Ｗの流速と
流向を算出する。
【００３０】コンピュータ１のディスプレイ１ａ上に
は、各深度毎のトレーサーＴの画像が拡大縮小自在にし
て表示されるとともに、その流速，流向が表示される。
【００３１】なお、本発明は前述した実施形態に限るも
のではなく、次のような変形実施が可能である。図７に
測定部体の他例を示す。その測定部体３２は、前述した
ケース体３と同様の構造からなるケース体３′の下側
に、所要長さにした３本の支柱３３…を介し、測定空間
αを区画する区画体３４を配設した構成のものである。
【００３２】支柱３３…は例えばステンレス鋼等の金属
や強化プラスチック等からなるものであり、ケース体
３′の中心軸Ｏを中心として１２０度間隔で配列され
て、それらの上端部をケース体３′の下端壁３ａに螺着
している。なお、支柱は上記３本に限るものではなく４
本以上設けてもよい。また、それら支柱の長さは、測定
しようとする地下水の流動状態を勘案して長短調整すれ
ばよい。
【００３３】区画体３４は、上下端面を閉じた上記ケー
ス体３′と同外径の円筒形のものであり、これの全体を
例えば透明なアクリル樹脂等で形成され、支柱３３…の
下端部に上端壁３４ａを螺着している。
【００３４】区画体３４の周壁３４ｂの上辺縁部には、
ボーリング孔Ｇ１の内径と同じ直径にし、かつ、その上
面を上端壁３４ａ上面と面一にした円板状のゴム等の弾
性材からなる整流板３５が固定されている。
【００３５】この測定部体３２では、ケース体３′の下
端壁３ａ下面と区画体３４の上端壁３４ａ上面との間
に、トレーサーＴを測定するための測定空間αが区画形
成される。これにより、測定空間α内の地下水は、測定
空間α外の例えば上下方向の地下水の流れ等の外乱に影
響を受けることがなく、さらに、正確な地下水の流向，
流速を測定することができる。
【００３６】上記においては、２台のＣＣＤカメラを用
いた構成のものについて説明したが、それらを３台以上
設けた構成にしてもよい。この場合には、トレーサーの
挙動をより正確に測定できる。
【００３７】上記においては、ケース固定用パッカーに
圧入する流体として空気等の気体を例として説明した
が、流体としては空気等の気体の他、水等の液体であっ
てもよい。
【００３８】また、上記においては、１つのトレーサー
Ｔについての３次元座標を算出した例について説明した
が、複数のトレーサーの３次元座標を算出するようして
もよい。この場合には、より精度の高い流速，流向を算
出することができる。
【００３９】
【発明の効果】請求項１〜７記載の発明によれば、地下
水中のトレーサーの３次元座標を算出して、それら算出
した３次元座標に基づき、地下水の流速と流向を求める
ことができるので、その流速と流向を正確に算出でき
る。また、地下水の流速と流向を算出するために、地下
水中のトレーサーを撮影すればよいので、流速と流向を
繰り返し測定することができる。
【００４０】請求項１〜７記載の発明で得られる上記共
通の効果の他、各請求項記載の発明によれば次の各効果
を得ることができる。請求項２記載の発明によれば、撮
影した地下水中のトレーサーの画像に基づいて、地下水
の流速と流向を算出しているので、簡易な構成にするこ
とができる。
【００４１】請求項４記載の発明によれば、ケース体内
に、座標軸の設定の基準となる方位計を配設しているの
で、ボーリング孔内で測定部体が回転しても、正確な３
次元座標を得ることができる。また、測定部体の回転を
阻止するための装備を設ける必要がないので、ケース体
を簡易な構成にし、しかも、小型，軽量化を図ることが
できる。
【００４２】請求項５記載の発明によれば、ケース体内
に、地下水中にトレーサーを放出するトレーサー放出装
置を配設しているので、地下水中にトレーサーとなる浮
遊物等がない場合にも、地下水の流速と流向を算出する
ことができる。
【００４３】請求項６記載の発明によれば、ケース体の
周壁外面に、流体の入出により膨縮する弾性材からなる
ケース固定用パッカーを配設しているので、ボーリング
孔の所望の深度位置に測定部体を容易に固定しておくこ
とができる。また、弾性材から形成しているので、その
構成を簡易にすることができるとともに、軽量化を図る
ことができる。
【００４４】請求項７記載の発明によれば、測定空間内
の地下水が、例えば上下方向の地下水等の外乱によって
乱されることがないので、地下水の流向，流速をより正
確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ボーリング孔内に挿入した測定部体に、昇降駆
動部、制御部、コンピューター及びエアーコンプレッサ
ーを加えてなる本発明地下水流動測定装置の一実施形態
の構成図である。
【図２】同上の測定部体の断面図である。
【図３】その測定部体のケース体の下端壁上面に固定し
たスケールの平面図である。
【図４】その下端壁上面に載置したトレーサー放出装置
の正面図である。
【図５】回路構成を示すブロック図である。
【図６】地下水中で移動するトレーサーの３次元座標の
変化を示すもので、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はその正面
図である。
【図７】測定部体の他例を示すもので、（Ａ）は部分正
面図、（Ｂ）はその斜視図である。
【符号の説明】
３，３′ケース体 ３ｂ ケース体の周壁 ５，６ 撮影手段であるＣＣＤカメラ ９ 方位計 １２ トレーサー放出装置 １９ ケース固定用パッカー ２９ 撮影制御手段、座標算出手段及び流速流向算出
手段を有するＣＰＵ ３４ 区画体 Ｇ 地盤 Ｇ１ ボーリング孔 Ｔ トレーサー Ｗ 地下水 α 測定空間
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中原 博隆 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設株 式会社内 (72)発明者 松元 和伸 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設株 式会社内 (72)発明者 熊谷 幸樹 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設株 式会社内 (72)発明者 筒井 雅行 東京都千代田区三番町２番地 飛島建設株 式会社内 Ｆターム(参考） 2F034 AA05 AC03 AC14 DA01 DA07 DA15 DB01 DB07 DB14

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 地下水中のトレーサーを、複数の撮影手
    段により同時にかつ所要の時間間隔で複数回撮影し、そ
    れら各回毎の撮影画像に基づいて、上記トレーサーの各
    回毎の３次元座標を算出し、それら算出した各３次元座
    標から地下水の流速と流向を求めることを特徴とする地
    下水流動測定方法。
  2. 【請求項２】 地下水中のトレーサーを同時に撮影する
    複数の撮影手段と、それらの撮影手段により所要の時間
    間隔で複数回の撮影を行う撮影制御手段と、それら各回
    毎の撮影画像に基づいて、上記トレーサーの各回毎の３
    次元座標を求める座標算出手段と、それら算出した３次
    元座標から地下水の流速と流向を算出する流速流向算出
    手段とを有していることを特徴とする地下水流動測定装
    置。
  3. 【請求項３】 岩盤等の地盤に掘削したボーリング孔内
    に挿入するケース体内に、上記撮影手段を配設している
    請求項２記載の地下水流動測定装置。
  4. 【請求項４】 ケース体内に、座標軸の設定の基準とな
    る方位計を配設している請求項３記載の地下水流動測定
    装置。
  5. 【請求項５】 ケース体内に、地下水中にトレーサーを
    放出するトレーサー放出装置を配設している請求項３又
    は４記載の地下水流動測定装置。
  6. 【請求項６】 ケース体の周壁外面に、流体の入出によ
    り膨縮する弾性材からなるケース固定用パッカーが配設
    されている請求項３，４又は５記載の地下水流動測定装
    置。
  7. 【請求項７】 ケース体の下側に、トレーサーを測定す
    るための測定空間を区画形成する区画体を配設している
    請求項３，４，５又は６記載の地下水流動測定装置。
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