JP4332290B2

JP4332290B2 - 地中または海中の物理的または化学的特性を計測する方法およびシステム

Info

Publication number: JP4332290B2
Application number: JP2000305344A
Authority: JP
Inventors: 淳押田; 俊夫古田; 弘昭杠葉
Original assignee: KAWASAKI GEOLOGICAL ENGINEERING CO., LTD.
Current assignee: KAWASAKI GEOLOGICAL ENGINEERING CO., LTD.
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2000-10-04
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2020-10-04
Also published as: JP2002116265A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中又は海中の物理的または化学的特性を水平方向にも深さ方向にも同時に多数の地点において計測する方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
地中の何点かにおける電気伝導度を計測し、その計測値を総合的に考察したり計測値の時間的変化を観察することにより地質や地盤の状態を知ることができる。また海中の温度分布やその時間的な変化を観察することにより海中の状態や海事現象の影響を知ることができる。このような地中や海中あるいは淡水、汽水の物理的また化学的特性を調査、探査、診断する技術は環境保全、災害の予知および防止、土木、建設など幅広い分野で活用されている。
【０００３】
一例として、地下水の電気伝導度を計測する方法として、電気伝導度センサを先端に取り付けたケーブル（もしくはワイヤー）を地表からあけた観測孔またはボーリング孔に入れ計測したい深度まで垂下し、計測をする方法が知られている。深さ方向に何点かで計測を行うには、ケーブルを順次孔内に降ろしてセンサを移動させて深度を変化させる方法が採られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この方法の問題点として、
（１）センサを吊下することで計測する媒体である地下水が擾乱を受けてしまい、正確な計測ができない、
（２）深さ方向に何点かのデータを求めるには、ある深度（１点）での計測を終了した後に次の深度までセンサを移動させなければならないので、作業が煩わしく、時間が掛かり、各点同時の計測データが得られない、
（３）計測深度を変化させたり、繰り返し計測を行うために常に作業員を必要とする、
などが挙げられる。
【０００５】
上記（２）、（３）の問題に対しては、何本かのセンサ付きケーブルを束ねて孔に入れ計測したい深度に吊下する方法が提案されているが、センサから導出する信号線が多くなり孔内に入れられるセンサの個数が制約され、同様に地上部に設置される計測装置の数が増加し、計測が複雑になり、孔の径にもよるが実用的にはセンサ数１０個程度が限界である。
【０００６】
本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、センサ数に制約がなく、計測媒体の擾乱による影響を受けることなく、計測作業に携わる作業員が少なく、深さ方向および水平方向に何点かで同時にデータが採れる計測方法およびシステムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために、計測対象領域内の複数のボーリング孔のおのおのにおいて、複数個の特性検出センサを所定の間隔だけ離間させて１本の信号ケーブルに直列的に接続して吊下し、各ボーリング孔における複数個の前記センサに前記信号ケーブルを介して同期して計測指令を与え、各センサが出力する計測データを前記信号ケーブルを介して収集することを特徴とする地中の物理的または化学的特性を計測する方法であって、前記特性検出センサが、複数の電極間の電位差を測定し該電極間の電気伝導度を検出する電気伝導度センサであり、前記ボーリング孔内の地下水の電気伝導度の自然変化を計測する、あるいは、前記ボーリング孔に高電気伝導度媒体を注入し、該注入後の電気伝導度の変化を計測する、こととした。
【０００８】
また本発明は、計測対象領域内に穿孔した複数のボーリング孔の各々に、複数個の特性検出センサを所定の間隔だけ離間させて１本の信号ケーブルに直列的に接続して吊下げ配置し、各ボーリング孔に配置されたセンサ群に前記信号ケーブルを介して同期して計測指令を与える制御手段と、各センサが出力する計測データを前記信号ケーブルを介して収集するデータ収集手段とを有することを特徴とする地中の物理的または化学的特性を計測するシステムであって、前記特性検出センサが、複数の電極間の電位差を測定し該電極間の電気伝導度を検出する電気伝導度センサであり、前記ボーリング孔内の地下水の電気伝導度の自然変化を計測する、あるいは、前記ボーリング孔に高電気伝導度媒体を注入し、該注入後の電気伝導度の変化を計測する、こととした。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
本実施の形態では一例として、地下水の電気伝導度を計測するシステムを説明する。
【００１１】
図１は本発明による地下水の電気伝導度の計測システムの概念図である。予め定めた計測対象領域R内に複数個（たとえば６個）のデータ計測用ボーリング孔Ｂ１〜Ｂ６を穿孔する。ボーリング孔Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ６は鉛直方向にたとえば約１５０ｍの深さに穿孔されているが、ボーリング孔Ｂ５は水平面に対して傾斜している。ボーリング孔Ｂ７はデータ計測用ではなく、後の分析または評価に都合のよい計測結果を得るために意図的にたとえば高電気伝導度媒体である塩水を流し込むための鉛直に穿孔された孔である。このボーリング孔Ｂ７はたとえばそれに最も近いボーリング孔Ｂ４からたとえば数１０ｍ離れた位置に穿孔されている。
【００１２】
ボーリング孔Ｂ１〜Ｂ６には、２０個のセンサを１ｍ間隔で電気的かつ機械的に結合したケーブル１１、１２、１３、１４、１5を地上から垂直にまたは傾斜させて吊下させる。
【００１３】
図２に電気伝導度センサとケーブルとの接続状態を示す。
【００１４】
最上位の電気伝導度センサＳ１−１はハンガHを介して吊下索６０に結合され、センサどうし（たとえばセンサＳ１−１とＳ２−２）は機械的には２枚のアルミ製吊下板６１で外側において結合され、電気的にはセンサの電極間が１mになる長さのケーブル６２によりセンサの両端においてコネクタ６３により接続されている。コネクタ６３は６ピンで、内部に２重にＯ（オー）リングが配され、ケーブル側のコネクタとセンサ側のコネクタが液密にねじ嵌めされている。ケーブル６２は、電源（直流）供給用の２本のワイヤと、計測したアナログデータ伝送用の２本のワイヤと、計測タイミングを定めるデジタルクロック伝送用の１本のワイヤと、アナログデータを伝送するセンサの切替えを行うキャリヤ信号用の１本のワイヤの合計６導体から成る６芯ケーブルで構成され、全体がウレタン樹脂のような耐蝕性の絶縁材料で被覆されている。最下位のセンサＳ１−２０の下には、２〜３ｋｇのステンレス製の錘Wが吊下板６１に取り付けられている。ケーブルの長さは用途に応じ５ｍ、１０ｍなど予め異なる長さのものが用意される。
【００１５】
電気伝導度センサは、図３に示すように、ウレタン系硬質ゴム製の円筒スリーブ７０の両端にステンレス製のキャップが被せられ、スリーブ７０の内部には、後述するシフトレジスタと、センサアンプと、スイッチを実装した電子回路基板が内蔵され、内部全体が樹脂封止され、スリーブ７０の下端近くにはスリーブ７０をその長手方向軸に直角に貫通する穴７０ａが設けられ、その穴７０ａの内面に４個の電極５３（図４では全体を５３（１）、５３（２）、…５３（２０）として示してある）が露呈するように設けられている。またスリーブ７０の内部には、計測した電気伝導度を標準温度（２５℃）における値に換算するために電極５３の近傍の温度を検出するための温度センサが内蔵されている。センサの外側には、図３に示すように、吊下板６１と９０度ずれた位置にアルミ製のセンタライザ７１が表面からやや離れて取り付けられている。これは吊下板６１と相俟って、センサ群をボーリング孔に入れた際にセンサがボーリング孔のほぼ中央に位置するように機能する。
【００１６】
図示した電気伝導度センサは、媒体中に入れたとき１対の電流電極により発生した媒体中の電場の電位差をもう１対の電極で計測し、この電位の関数として媒体の電気伝導度を求める４電極式のものであるが、その他に電磁誘導式のセンサを利用することもできる。
【００１７】
図４は図３に示した電気伝導度センサの電気回路をブロック線図で示す。
【００１８】
各センサは同じ回路構成であるので、センサＳ１−１について説明すると、シフトレジスタ５０（１）と、４個の電極５３のうち１対の電位差検出の電圧を増幅するセンサアンプ５１（１）と、センサアンプ５１（１）の出力端子に接続されたスイッチ５２（１）とから成り、シフトレジスタ５０（１）のクロック端子ＣＬはクロック伝送用ワイヤに接続され、クロック信号が供給され、入力端子ＩＮ（１）にキャリア信号が供給されると、出力端子ＯＵＴ（１）から出力する信号でスイッチ５２（１）がオンするようになっている。スイッチ５２（１）がオンすると、センサアンプ５１（１）からのアナログデータはデータ伝送用のワイヤを介して取り出される。
【００１９】
再び図１を参照すると、地上の各ボーリング孔Ｂ１〜Ｂ６の近辺には、孔内に配置される各センサに計測開始のコマンドとなるクロック信号及びキャリア信号を送信するとともにセンサから出力されるアナログ計測データをデジタル信号に変換して計測センタ１００に設置された信号制御ユニット３０に送信するデータ送信器２１〜２６が設置されている。
【００２０】
計測センタ１００は計測現場の近くに一時的に設置され、そこには、６個のボーリング孔に配置された電気伝導度センサ群による計測動作を制御する信号制御ユニット３０のほかに、作業員が計測条件を設定するためのデータ入力ボード３１と、データ送信器２１〜２６から送信されてくる計測データを記憶する記憶部を有するデータ収録ユニット３２と、計測結果を所望の形式で記録または表示するデータ表示ユニット３３と、計測系およびセンサの電源を供給する電源ユニット３４が設置されている。信号制御ユニット３０とデータ入力ボード３１はパソコンで構成することができ、データ表示ユニット３２はプリンタおよびディスプレイで構成され、計測結果がその場でも確認できる。
【００２１】
図５は計測システム全体の電気回路のブロック線図を示しており、図1と同じ参照番号は同じ構成要素を示す。たとえばボーリング孔Ｂ１に配置される２０個の電気伝導度センサは、Ｓ１−１、Ｓ１−２、Ｓ１−３、… Ｓ１−２０である。ボーリング孔が計測センター１００（図１参照）から離れた位置にある場合は、センサから得られるデータを中継できる中間接続箱を途中に設けることができる。
【００２２】
次に図４、図６を図１とともに参照して本実施の形態における電気伝導度の計測について説明する。
【００２３】
計測に先立ち、作業員が計測センター１００においてデータ入力ボード３１から計測条件（たとえば計測開始指示、計測開始時間、データ取り込み間隔など）を入力する。
【００２４】
データ入力ボード３１から計測開始指令が入力されると、信号制御ユニット３０からは設定間隔で計測開始コマンドが出力され、データ送信器２１〜２６は、一斉に、吊下されたセンサ数のクロック信号とクロック信号の２倍の幅のキャリア信号を１波だけ出力する。理解しやすいように、１系列（たとえばボーリング孔Ｂ１での計測）のセンサ群による計測動作について図４を参照して説明すると、最上位のセンサＳ1−１のシフトレジスタ５０（１）はクロック端子ＣＬにクロック信号を受け、入力端子ＩＮ（１）にキャリア信号を受けると、ＯＵＴ（１）端子から出力するオン信号でスイッチ５２（１）をキャリア信号のパルス幅だけオンし、その時間経過後オフする。スイッチ５２（１）がオンしている間、センサアンプ５１（１）で増幅された電気伝導度のデータがデータ伝送ワイヤを介してデータ送信器２１に吸い上げられる。
【００２５】
シフトレジスタ５０（１）のＯＵＴ（１）端子の出力がオフになったとき、２番目のセンサＳ１−２のシフトレジスタ５０（２）のＯＵＴ（２）端子からオン信号が出力し、スイッチ５２（２）が一定時間だけオンし、その後オフする。従ってこの間第２センサＳ1−２により計測された電気伝導度のデータが吸い上げられる。以下第３番目のセンサ、第４番目のセンサ、…と順次この動作が繰り返され、第２０番目のセンサＳ１−２０まで進み、合計２０個の電気伝導度のデータが順次取り出される。他の５系列についても同様である。
【００２６】
すべての系列について各データ送信器からセンサと同数のクロック信号が送信された時点で、すべてのセンサからの信号（アナログ電圧）が電気的に切り離され、１回の計測が終了する。
【００２７】
各系列において得られたデータはデータ送信器２１〜２６によりデジタル信号に変換され、規格ＲＳ−４２２の伝送方式により信号制御ユニット３０に送信される。ＲＳ−４２２によるデータ伝送方式を採用すれば、数ｋｍ以上離れた地点からのデータ伝送も可能である。信号制御ユニット３０はこうして得られた６系列の電気伝導度データを所定の形式にまとめ、規格ＲＳ―２３２Ｃの伝送方式でデータ収録ユニット３２に送信する。データ収録ユニット３２ではデータはメモリに格納され保存される。
【００２８】
収録されたデータは温度補正を含む必要な処理が行われ、別のメモリに記録されるとともにデータ入力ボード３１からの設定によりまたは事前の設定により所望の形態でデータ表示ユニット３３に表示することができる。この表示は手動操作によりまたは自動的に切替え可能であり、必要に応じてプリントもできる。
【００２９】
本実施の形態では、すべての計測動作およびデータを計測センターに設けられた制御ユニットおよびデータ収録ユニットで管理できるという利便性がある。
【００３０】
図７はある1つのボーリング孔に吊下された２０個のセンサについて、電気伝導度の時間的変化を１０秒ごとに記録した約９０秒間のチャートである（１ｃｈ、２ｃｈ、３ｃｈ、…はボーリング孔の上から１番目、２番目、３番目、… のセンサのことである）。図の縦軸はセンサ１ｃｈ〜２０ｃｈを示し、横軸は経過時間（単位：秒）を示す。
【００３１】
図からわかるように、９０秒前（図において最も右側）にはすべてのセンサの出力はほとんど同じであるが、約７０秒前あたりから徐々に１２ｃｈ〜１６ｃｈのセンサの出力がその他のセンサの出力より大きくなり始め、その傾向が３０〜４０秒続き、３０秒前当たりになるとその差が益々大きくなり、約１０秒前になると１５ｃｈ、１６ｃｈのセンサの出力が顕著に突出し、現時点（横軸の０）ではその傾向が少し異なったものに変わってくる様子がよく分かる。
【００３２】
図８はやはり１つのボーリング孔のセンサ（この場合は結果が重なって見にくくなるのを避けるために１０個のセンサ１ｃｈ〜１０ｃｈを対象としている）で検出した電気伝導度の時間的変化をプロットして作成したグラフである。グラフの縦軸は電気伝導度（相対）、横軸は経過時間（単位：時間）を示す。
【００３３】
計測が開始し、ある時間（たとえば１０時間）経過したとき、高電気伝導度媒体である塩水をボーリング孔Ｂ７から注入し、電気伝導度の変化を観測する。
【００３４】
同図はボーリング孔Ｂ７に塩水を注入してからの電気伝導度の変化を示したもので、塩水の拡散状況がとてもよくわかる。同図においては、９ｃｈと１０ｃｈのセンサがその他のセンサより電気伝導度の変化が小さいことから、９ｃｈと１０ｃｈのセンサが配置された深さに存在する地質が他の場所と異なる水理状況にあることが推測できる。
【００３５】
本実施の形態において、計測に要求される計測精度および計測範囲は次のとおりである。
（１）計測のために要求される計測精度
本装置の電気伝導度センサの測定分解能は１μＳ／ｃｍ（マイクロジーメンス）である。参考までに自然地下水の電気伝導度自然変化は数１０μＳ／ｃｍから数１００μＳ／ｃｍである。
（２）計測のために要求される計測範囲
本装置の電気伝導度センサー計測範囲は１μＳ／ｃｍから５００００μＳ／ｃｍである。参考までに自然地下水の電気伝導度自然変化は数１０μＳ／ｃｍから数１００μＳ／ｃｍであり、平均海水の電気伝導度は３２０００μＳ／ｃｍである。
【００３６】
本発明で用いられるセンサの数は原理的にはケーブル数に制限されないが、センサから出力されるアナログ電圧の変動や計測時間の制約等を考慮してシステムに応じたセンサ数が決められる。
【００３７】
上記実施の形態では、本発明を地下水の電気伝導度の計測に適用した場合を例にとって説明したが、本発明は地中における特定のガスや化学物質の有無やその濃度の計測、地下の岩盤の状況調査、海中の水温の計測や油や特定成分の有無や濃度の調査、その他の物理的、化学的特性の調査やその結果を用いての評価などに適用することができる。センサとしてカメラやＣＣＤで構成したセンサを用いることもできる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明による計測では、計測対象領域の複数地点において長期間にわたり計測環境を乱すことなく地中または海中の深さ方向に安定して高精度の計測ができる。地下水の計測について言えば、自然地下水の変化（雨水の地下水への浸透等）を広範囲にわたって高精度に計測できる。また高電気伝導度媒体の注入にも対応できる広範囲の電気伝導度変動の計測をも可能にしているため、高電気伝導度媒体の流動形態や拡散を計測することによって、地下水変動を時系列的にかつ水平展開による空間変動を計測できるので実用価値は極めて高い。
【００３９】
本発明によれば、従来のように特性検出用センサを移動させることなしに、ボーリング孔内で所定の深度付近に静止させたまま計測が可能になり、長時間に亘る計測も可能になる。したがって、特性の時間的変化や空間的変化の監視に非常に有効である。本発明に適した実施例としては、降雨等の表面水の地下水への流入状況の監視、海岸部における塩水の地下への流入状況の監視、他のボーリング孔からの塩水や温水の注入による地層中の流体の拡散状況推定等があげられる。
【００４０】
本発明では２０個以上のセンサを地上から１本の信号ケーブルで吊下して計測できる。また計測の同時性を確保するために、地上の制御部から電気的に計測指示を与え、１２０個以上のセンサによる計測を数秒間以内にすべて行うことが可能である。また計測間隔や計測開始時刻も任意に設定でき、短期間から長期間にわたる計測に対応できる。本発明ではコンピュータによる自動計測が行われるため、従来の技術に比べて測定にかかわる手間や測定にかかわる人員が大幅に削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による計測システムの概念図を示す。
【図２】電気伝導度センサとケーブルとの接続状態を示す。
【図３】本実施の形態で用いる電気伝導度センサの斜視図である。
【図４】電気伝導度センサの電気回路のブロック線図を示す。
【図５】図１に示した本発明による計測システム全体の電気回路のブロック線図を示す。
【図６】計測信号の種類とそのタイミングチャートを示す。
【図７】本実施の形態で得られた計測結果を示す実時間チャートを示す。
【図８】本実施の形態で得られた計測結果としての電気伝導度のグラフを示す。
【符号の説明】
１１、１２、１３、１４、１５ケーブル
２１〜２６データ送信器
３０信号制御ユニット
３１データ入力ボード
３２データ収録ユニット
３３データ表示ユニット
３４電源ユニット
５０（１）、５０（２）、５０（２０）シフトレジスタ
５１（１）、５１（２）センサアンプ
５２（１）、５２（２）、５２（２０）スイッチ
５３、５３（１）、５３（２）、…５３（２０）電極
６０吊下索
６１吊下板
６２ケーブル
６３コネクタ
７０円筒スリーブ
７１センタライザ
１００計測センター

Claims

計測対象領域内の複数のボーリング孔のおのおのにおいて、複数個の特性検出センサを所定の間隔だけ離間させて１本の信号ケーブルに直列的に接続して吊下し、各ボーリング孔における複数個の前記センサに前記信号ケーブルを介して同期して計測指令を与え、各センサが出力する計測データを前記信号ケーブルを介して収集することを特徴とする地中の物理的または化学的特性を計測する方法であって、
前記特性検出センサが、複数の電極間の電位差を測定し該電極間の電気伝導度を検出する電気伝導度センサであり、前記ボーリング孔内の地下水の電気伝導度の自然変化を計測する、あるいは、前記ボーリング孔に高電気伝導度媒体を注入し、該注入後の電気伝導度の変化を計測する、
ことを特徴とする計測方法。
計測対象領域内に穿孔した複数のボーリング孔の各々に、複数個の特性検出センサを所定の間隔だけ離間させて１本の信号ケーブルに直列的に接続して吊下げ配置し、各ボーリング孔に配置されたセンサ群に前記信号ケーブルを介して同期して計測指令を与える制御手段と、各センサが出力する計測データを前記信号ケーブルを介して収集するデータ収集手段とを有することを特徴とする地中の物理的または化学的特性を計測するシステムであって、
前記特性検出センサが、複数の電極間の電位差を測定し該電極間の電気伝導度を検出する電気伝導度センサであり、前記ボーリング孔内の地下水の電気伝導度の自然変化を計測する、あるいは、前記ボーリング孔に高電気伝導度媒体を注入し、該注入後の電気伝導度の変化を計測する、
ことを特徴とする計測システム。
前記特性検出センサがさらに温度センサを含む請求項１に記載の計測方法。
１本の信号ケーブルに接続される特性検出センサが２０個以上である請求項２に記載の計測システム。
前記複数のボーリング孔に加えて、計測すべき特性を人為的に変化させるのに用いられるボーリング孔が穿孔される請求項２に記載の計測システム。