JP2020085883A - 波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための原位置試験装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は海洋サンプリング技術分野に属し、特に波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための原位置試験装置及び方法を開示する。【解決手段】試験プラットフォーム上に、電池収納部４と、収集ポッド３と、試験ポッド２とが実装され、試験プラットフォームの頂部に油圧装置１１が実装され、試験ポッドの頂部にシリンダ５が実装され、シリンダが連結ロッドを介してプレッシャープレートと接続され、試験ポッドの内壁に高さの異なる取水孔が設けられ、外壁の中間位置に給水口が設けられ、収集ポッド内に収集管と接続される複数の真空サンプリングボトル６が配置され、試験ポッドと収集ポッドがそれぞれ電池収納部に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は海洋サンプリング技術及び海洋汚染堆積物動力学の分野に属し、特に波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための原位置試験装置及び方法に関する。

海底堆積物には複数種類の汚染物が含まれ、海洋環境を保護するために堆積物中の汚染物の堆積、移行や改質に対する研究は重要である。海底堆積物中の汚染物は、主に都市下水、工業廃水や船の排出物及び不測漏洩等に由来する。沿岸開発の活発化に従って海底堆積物中における汚染物の含有量が増加し、湾岸、港湾や沿海水域においても堆積物中に、汚染物、例えば重金属、トリブチルリン酸エステル、石油系炭化水素、ポリ塩化ビフェニル、害虫忌避剤等が高濃度に含まれている。これらの海底堆積物中の汚染物が海水へ移行し、海水の流れに従い拡散し、沿岸生態環境に対して様々な弊害を引き起こすので、海洋環境を保護するために海底堆積物の汚染物に対する監視・検出が重要である。

従来から、海底堆積物と水の界面の汚染物の流量を自動的にサンプリングして監視する装置（ＣＮ２００８２００７５２７７．６を参照）が提案され、主に堆積物中の汚染物静的拡散に対する研究に用いられている。この装置は、静的条件下で供試海水を収集し、海底堆積物と水の界面領域の汚染物流量を分析・計測するが、海底堆積物中の内部汚染物は主に水力学条件下で堆積物の再度懸濁に起因して堆積物中から放出されるので、完全に密閉された汚染物の流量を自動的にサンプリングして検出する装置では、波条件下での内部汚染物の放出を研究できなくなる。また、海底流量及び堆積物の原位置複合サンプリング装置（ＣＮ２０１４１０１８１９０３．４を参照）が提案され、主に海底放出流量及び原位置サンプリングに用いられている。この装置は、底のないシャーレ状容器を有しており、その挿入深さに限界があるので、海底の表層の堆積物放出流量の研究には用いられるが、堆積物に対する波負荷の外乱試験のシミュレーションに応用できず、かつ自動サンプリング装置では濃度差の影響を考慮していないので、検出供試水と実際のフィールド供試水間の誤差が大きい。また、自然条件下で海底堆積物をフィールド観測する（ＣＮ２０１７１１２７１００９．６を参照）ことも提案されているが、直接サンプリング方式で供試水を収集するので、水力学条件が複雑で一括に制御できないことに起因して、波という単一の変数による水中の汚染物の放出量及び放出パターンに対する研究を実現できなくなる。尚、波の作用における堆積物中の内部汚染物の放出に対する研究については、一般的に室内水槽（ＣＮ２０１１２０１３４４６３．９を参照）によって行われるが、室内試験の堆積物のサンプルでは海洋中の状態が正しく示されず、且つサンプラーで堆積物をサンプリングする過程中及び搬送途中にも、堆積物に不測の影響を与え、収集した堆積物を水槽の底部に敷設する過程中に、堆積物の層構造や理化学的性質が変化するので、堆積物の元構造を維持しにくい。

本発明は、従来技術の欠点を解決するために、構造が合理的で、制御しやすく、検出精度が高い波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための原位置試験装置及び方法を提供している。

本発明は以下のような技術手段によって実現される。

試験プラットフォームを備える原位置試験装置であって、上記試験プラットフォーム上に、電池収納部と、収集ポッドと、内部の中心に位置する試験ポッドとが実装され、試験プラットフォームの頂部に油圧装置が実装され、試験ポッドが油圧装置を介して試験プラットフォームと接続され、試験ポッドが底のない円筒状であり、かつ試験ポッドの頂部にシリンダが実装され、シリンダが連結ロッドを介して試験ポッド内部に位置するプレッシャープレートに接続され、試験ポッドの内壁に高さの異なる複数の取水孔が設けられ、試験ポッドの外壁の中間位置に給水口が設けられ、取水孔及び給水口上にそれぞれ電磁スイッチが実装され、試験ポッドの内壁と外壁との間には（ポッド壁に沿って）取水孔と給水口にそれぞれ接続された複数の収集管が分布しており、収集ポッド内に収集管と接続された複数の真空サンプリングボトルが配置されており、試験ポッドの内壁の内面（本体の内部）に孔圧プローブ及びヘイズプローブが配置され、試験ポッドと収集ポッドがそれぞれ電池収納部に接続されていることを特徴とする波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための原位置試験装置である。

本発明はフィールド原位置試験装置であり、主に波の作用による堆積物の内部放出過程及び放出パターンについての研究に用いられ、堆積物における汚染物の存在位置や状態に外乱を与えずに、海底堆積物の内部放出パターンを提示するので、室内での堆積物サンプリング過程中に堆積物の元構造を維持しにくい問題を解決する。

本発明のより好ましい技術手段としては以下の通りである。

上記試験プラットフォームは四脚の台構造であり、試験プラットフォームの底部脚下に落ち込まないように支持盤が配置され、支持盤の底面に移動を効果的に防止するためにスチールピンが取り付けられ、支持盤上には試験プラットフォームの重量増加及び安定性向上のために鉛ブロックカウンタウェイトが載置されている。

上記試験ポッドの底部が刃先形状であり、試験ポッドの本体の周囲に支持板が取り付けられ、試験プラットフォームの頂部の油圧装置が試験ポッドをより深い堆積物中に挿入するために支持板の挿入深さに応じた圧力を印加し、支持板の下部に挿入深さを制御するためのリミットスイッチが実装され、リミットスイッチが底泥に達した場合に、油圧装置の加圧を停止する。

上記真空サンプリングボトルには、大サンプリングボトルと小サンプリングボトルとがあり、大サンプリングボトルが収集管を介して取水孔に接続され、小サンプリングボトルが収集管を介して給水口に接続され、供試水を収集する場合に、大サンプリングボトル及び小サンプリングボトルを同時に開けて供試水を収集し、濃度を補正するために給水口周りの供試水が小サンプリングボトルに収集される。大サンプリングボトルと小サンプリングボトルはいずれも真空ボトルであり、海水は管路を介して連通した後に圧力差によって吸い込まれる。収集管を介して大サンプリングボトルをポッド内の取水孔と連通させると、ポッド内の海水は大サンプリングボトルに入り、収集管を介して小サンプリングボトルを外部の給水口に連通させると、外部の海水は小サンプリングボトルに入る。同時に大サンプリングボトルをサンプリングした後、試験ポッド内の海水は減少し、圧力差の作用で、外部海水は試験ポッドに補充される。

高さの異なる複数の取水孔が供試水を収集するために用いられ、真空サンプリングボトルで供試水の収集を開始すると、取水孔及び給水口を開けられ、それ以外は常時閉状態になる。水圧バランスを取り、サンプリング過程中に底部隙間からの水補充による干渉を防止するために、給水口が設けられている。

上記プレッシャープレートの形状及び面積が試験ポッドの内部の断面と同じであり、シリンダによってプレッシャープレートの振幅値、周波数等の条件を制御し異なる循環波負荷を出力することによって、異なる自然条件下での負荷状況のシミュレーションを行う。

上記原位置試験装置を使用して波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための試験方法は、
（１）印加される波の負荷のパラメータを設定し、孔圧プローブ、ヘイズプローブの２つの機器を調整し、、収集ポッドを調整して、大、小サンプリングボトルを実装し、支持板の位置を調節してから、試験ポッドを海底の深いところに設置するステップと、
（ここで、波の負荷のパラメータは、異なる波の高さによって計算された波の圧力の大きさに基づいて設定された数値である。孔圧プロープは、底床の堆積物の孔圧の変化をリアルタイムに監視するために用いられるセンサであり、ヘイズプローブは、試験ポッドに配置されており、試験ポッド内における水体の濁度変化をリアルタイムに監視及び記録するセンサである。孔圧プロープ及びヘイズプローブによって測定されたデータは、試験後のデータ分析に用いられる。具体的には、汚染物質濃度の変化と孔隙間の水圧、濁度との間の関係を分析するために使用される。）
（２）船の巻上げ機によって試験プラットフォームを海底へ移動させ、装置が海底に達した後、油圧装置によって試験ポッドを堆積物中に挿入させてから３０分経ったら、試験ポッド内の懸濁堆積物が沈降した後、制御システムによって動力装置を動作させるステップと、
（３）制御システムの制御下で、シリンダによってプレッシャープレートから負荷を印加し、所定時間が経ったら負荷を加えることを停止し、電磁スイッチを制御し、給水口を開けて供試水の収集を始め、供試水の収集が完了すると給水口を自動的に閉じ、同時に給水口から試験ポッドへ補充した水を収集するステップと、
（４）設定時間になり、全ての負荷を印加すること、サンプリング過程が完了すると、試験プラットフォームを水から取り出し、回収して、真空サンプリングボトル中の水を取り出して汚染物検出を行うステップと、を含む。

その好ましい技術手段は以下の通りである。

ステップ（１）において、汚染物の埋蔵深さに応じた挿入深さ試験ポッドが設置されるように、支持板の位置を調整する。

ステップ（３）において、大サンプリングボトルによって試験ポッド中の供試水を収集し、小サンプリングボトルによって給水口から補充した海水供試水を収集する。

ステップ（４）において、真空サンプリングボトル中の水をサンプルとするが、その汚染物濃度が水収集タイミングの試験ポッド内の汚染物の現実濃度と同じでは無く、以下のような補正式によって両者の濃度誤差を補正する必要がある。
ただし、（Ｃan）はｎ回目のサンプリングのサンプル補正濃度であり、（Ｃsn）はｎ回目のサンプリングのサンプル試験濃度であり、ｖはサンプリング体積であり、Ｖは試験ポッド体積であり、ｃｉは大サンプリングボトル内の濃度を示し、ｃｊは小サンプリングボトル内の濃度を示す。サンプリングの回数及び時間の間隔は試験要件に応じて予め設定される必要があり、設定完了後システムが試験ポッド内の制御ユニットによって自動的に複数回のサンプリング動作を行う。サンプリングの過程において、外部海水が試験ポッドに補充され続けるため、サンプリングを行うごとに試験ポッド内の汚染物質の濃度が異なる。したがって、異なる時間に収集された供試水の濃度は異なる。ｎは２０以下の整数である。試験終了後、収集ボトル内の供試水を研究室に送り返し、汚染物質(重金属、多環芳香族炭化水素など)のサンプル試験濃度の検出を行う。具体的な測定方法は海洋観測規範（GB17378.4-1998）に従って行われる。
サンプリングの過程において、外部の海水が試験ポッドに補充され続けるため、試験ポッド内汚染物質の濃度は海水によって希釈される。後から研究室で測定された大サンプリングボトル内の供試水の汚染物質の濃度は、水を収集した時点の実際の濃度とは等しくない、二者間には誤差があるため、濃度補正を行う必要がある

本発明は設計が合理的で、柔軟に応用できるので、海底堆積物の原位置試験に用いられ、室内の試験堆積物サンプリング過程中に堆積物の元構造を維持しにくい問題を解決し、プレッシャープレートの振幅値、周波数等の条件を変更して異なる循環波負荷を出力し、異なる自然条件下での負荷状況のシミュレーションを行うことによって、海底堆積物の内部放出パターンを提示する。

本発明の一実施形態に係る原位置試験装置の三次元構造を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る原位置試験装置の平面視構造を示す模式図である。 図１に示す原位置試験装置に含まれる試験ポッドの構造を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。

図面には本発明の具体的な実施例が示される。該実施例では、試験プラットフォーム１を備える原位置試験装置であって、上記試験プラットフォーム１上に、電池収納部４と、収集ポッド３と、内部の中心に位置する試験ポッド２とが実装されている。試験プラットフォーム１の頂部には、油圧装置１１が実装されている。試験ポッド２が油圧装置１１を介して試験プラットフォーム１と接続されている。試験ポッド２は底のない円筒状であり、かつ試験ポッド２の頂部にシリンダ５が実装されている。シリンダ５は、連結ロッド１２を介して試験ポッド２の内部に位置するプレッシャープレート１３に接続されている。試験ポッド２の内壁には、高さの異なる複数の取水孔１４が設けられている。試験ポッド２の外壁の中間位置には、給水口１５が設けられている。取水孔１４及び給水口１５上には、それぞれ電磁スイッチ１６が実装されている。試験ポッド２の内壁と外壁との間には、取水孔１４と給水口１５とにそれぞれ接続された複数の収集管が分布している。収集ポッド３内には、収集管と接続された複数の真空サンプリングボトル６が配置されている。試験ポッド２の内壁の内面に孔圧プローブ９及びヘイズプローブ１０が配置されている。試験ポッド２と収集ポッド３は、それぞれ電池収納部４に接続されている。
なお、孔圧プローブ９は、海底堆積物における間隙の水圧変化を測定するものである。ヘイズプローブ１０は、試験ポッド２内の懸濁液の土砂濃度を測定するものである。

上記試験プラットフォーム１は四脚の台構造であり、試験プラットフォーム１の底部脚下には、支持盤１７が配置されている。支持盤１７の底面には、スチールピン１８が取り付けられている。支持盤１７上には、鉛ブロックカウンタウェイトが載置されている。上記試験ポッド２の底部は、刃先形状となっている。試験ポッド２の本体の周囲には、支持板１９が取り付けられている。支持板１９の下部には、リミットスイッチ２０が実装されている。上記真空サンプリングボトル６には、大サンプリングボトル７と小サンプリングボトル８とがある。大サンプリングボトル７は、収集管を介して取水孔１４に接続されている。小サンプリングボトル８は、収集管を介して給水口１５に接続されている。上記プレッシャープレート１３の形状及び面積は、試験ポッド２の内部断面と同じである。

具体的な試験ステップは、以下の通りである。

（１）汚染物の埋蔵深さに応じた挿入深さに試験ポッドが設置されるよう、リミットスイッチ２０を挿入深さまで調節し、印加波負荷のパラメータを設定し、孔圧プローブ９、ヘイズプローブ１０のパラメータを調整する、
（２）船の巻上げ機によって試験プラットフォーム１を海底へ移動させ、装置が海底に達した後、油圧装置１１によって試験ポッド２を堆積物中に挿入させてから３０分経ったら、試験ポッド２内の懸濁堆積物が沈降した後、制御システムによって動力装置を動作させる、
（３）制御システムによって動力装置を動作させ、シリンダ５によってプレッシャープレート１３から負荷を印加し、所定時間が経ったら圧力印加を停止し、電磁スイッチ１６を制御し給水口１５を開けて供試水の収集を始め、供試水の収集が完了すると給水口１５を自動的に閉じ、同時に給水口１５から試験ポッド２へ補充した水を収集し、
（４）設定時間になり、全ての加圧、サンプリング過程が完了すると、試験プラットフォーム１を水から取り出し、回収して、真空サンプリングボトル６中の水を取り出し、汚染物検出を行う。
真空サンプリングボトル６中の水をサンプルとするが、その汚染物濃度が水収集タイミングの試験ポッド内の汚染物の現実濃度と同じでは無く、以下のような補正式によって両者の濃度誤差を補正する必要がある。
ただし、（Ｃan）はｎ回目のサンプリングのサンプル補正濃度であり、（Ｃsn）はｎ回目のサンプリングのサンプル試験濃度であり、ｖはサンプリング体積であり、Ｖは試験ポッド体積であり、ｃｉは大サンプリングボトル内の濃度を示し、ｃｊは小サンプリングボトル内の濃度を示す。

１ 試験プラットフォーム
２ 試験ポッド
３ 収集ポッド
４ 電池収納部
５ シリンダ
６ 真空サンプリングボトル
７ 大サンプリングボトル
８ 小サンプリングボトル
９ 孔圧プローブ
１０ ヘイズプローブ
１１ 油圧装置
１２ 連結ロッド
１３ プレッシャープレート
１４ 取水孔
１５ 給水口
１６ 電磁スイッチ
１７ 支持盤
１８ スチールピン
１９ 支持板
２０ リミットスイッチ

Claims (9)

1. 試験プラットフォーム（１）を備える原位置試験装置であって、
   前記試験プラットフォーム（１）上に、電池収納部（４）と、収集ポッド（３）と、内部の中心に位置する試験ポッド（２）とが実装され、
   前記試験プラットフォーム（１）の頂部に油圧装置（１１）が実装され、前記試験ポッド（２）が前記油圧装置（１１）を介して試験プラットフォーム（１）と接続され、前記試験ポッド（２）が底のない円筒状であり、かつ前記試験ポッド（２）の頂部にシリンダ（５）が実装され、前記シリンダ（５）が連結ロッド（１２）を介して前記試験ポッド（２）の内部に位置するプレッシャープレート（１３）に接続され、
   前記試験ポッド（２）の内壁に高さの異なる複数の取水孔（１４）が設けられ、前記試験ポッド（２）の外壁の中間位置に給水口（１５）が設けられ、前記取水孔（１４）及び前記給水口（１５）上にそれぞれ電磁スイッチ（１６）が実装され、前記試験ポッド（２）の内壁と外壁との間には、前記取水孔（１４）と前記給水口（１５）にそれぞれ接続された複数の収集管が分布しており、前記収集ポッド（３）内に前記収集管と接続された複数の真空サンプリングボトル（６）が配置されており、
   前記試験ポッド（２）の内壁の内面に孔圧プローブ（９）及びヘイズプローブ（１０）が配置され、前記試験ポッド（２）と前記収集ポッド（３）がそれぞれ前記電池収納部（４）に接続されていることを特徴とする波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための原位置試験装置。
2. 前記試験プラットフォーム（１）は四脚の台構造であり、前記試験プラットフォーム（１）の底部脚下に支持盤（１７）が配置され、前記支持盤（１７）の底面にスチールピン（１８）が取り付けられ、前記支持盤（１７）上には鉛ブロックカウンタウェイトが載置されていることを特徴とする請求項１に記載の波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための原位置試験装置。
3. 前記試験ポッド（２）の底部が刃先形状であり、前記試験ポッド（２）の本体の周囲に支持板（１９）が取り付けられ、前記支持板（１９）の下部にリミットスイッチ（２０）が実装されていることを特徴とする請求項１に記載の波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための原位置試験装置。
4. 前記真空サンプリングボトル（６）には、大サンプリングボトル（７）と小サンプリングボトル（８）とがあり、前記大サンプリングボトル（７）が前記収集管を介して前記取水孔（１４）に接続され、前記小サンプリングボトル（８）が前記収集管を介して前記給水口（１５）に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための原位置試験装置。
5. 前記プレッシャープレート（１３）の形状及び面積が前記試験ポッド（２）の内部断面と同じであることを特徴とする請求項１に記載の波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための原位置試験装置。
6. 請求項１に記載の前記原位置試験装置を使用して波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための試験方法であって、
   （１）印加される波の負荷のパラメータを設定し、孔圧プローブ、ヘイズプローブの２つの機器を調整するステップと、
   （２）試験プラットフォームを水中へ置き、油圧装置によって試験ポッドを堆積物中に挿入させるステップと、
   （３）所定時間に基づいて、シリンダによってプレッシャープレートから負荷を印加し、所定時間が経ったら圧力印加を停止し、電磁スイッチ（１６）を制御し、前記取水孔（１４）及び前記給水口（１５）を開け、前記取水孔（１４）及び前記給水口（１５）を介して供試水の収集を始め、供試水の収集が完了したら給水口を自動的に閉じ、同時に給水口から試験ポッドへ補充した水を収集するステップと、
   （４）設定時間になり、全ての過程が完了すると、試験プラットフォームを水から取り出し、真空サンプリングボトル中の水を取り出し汚染物検出を行うステップとを含む、ことを特徴とする波作用をシミュレーションすることによって海底堆積物中の内部汚染物の放出量を検出するための試験方法。
7. 前記ステップ（１）において、汚染物の埋蔵深さに応じた挿入深さに前記試験ポッドが設置されるように、支持板の位置を調整することを特徴とする請求項６に記載の試験方法。
8. 前記ステップ（３）において、大サンプリングボトルによって試験ポッド中の供試水を収集し、小サンプリングボトルによって給水口から補充した海水供試水を収集することを特徴とする請求項６に記載の試験方法。
9. 前記ステップ（４）において、真空サンプリングボトル中の水をサンプルとするが、その汚染物濃度が水収集タイミングの試験ポッド内の汚染物の現実濃度と同じでは無く、以下のような補正式によって両者の濃度誤差を補正することを特徴とする請求項６に記載の試験方法。
   （ただし、（Ｃan）はｎ回目のサンプリングのサンプル補正濃度であり、（Ｃsn）はｎ回目のサンプリングのサンプル試験濃度であり、ｖはサンプリング体積であり、Ｖは試験ポッド体積であり、ｃｉは大サンプリングボトル内の濃度を示し、ｃｊは小サンプリングボトル内の濃度を示す）