JP4714833B2 - 低流速地下水の流向流速計測方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は低流速地下水の流向流速計測方法及び装置に関し、とくに地下深部の低流速の地下水の流向及び流速を正確に計測する方法及び装置に関する。

地下構造物等を構築する場合に、その安全性や周囲への影響を予測・評価するため、周辺の地下水の流向、流速その他の流動特性を把握することが求められる。例えば地下数百〜千ｍ程度の安定した地層（天然バリア）中に高レベル放射性廃棄物の埋設処分場（地層処分場）を構築する場合は、地下水で漏洩した廃棄物の放射能が生物圏に到達する時点で十分低いレベルまで減衰しているか否かという安全性を評価する必要があり、廃棄物を覆う天然バリアを流れる地下水の流動特性を正確に把握することが求められる。

従来から地下水の流動特性を調査する方法として、地中に複数のボーリング孔（観測孔）を穿ち、各ボーリング孔の地下水位と孔間距離とから地下水の流向及び流速を求める方法（多孔法）が行われている。しかし、地下深部の地下水を調査する場合は、経済性や作業性の観点から、単一のボーリング孔によって地下水の流向及び流速を求める方法（単孔法）が有効である。単孔法では一般にボーリング孔内に投入したトレーサの三次元位置を追跡することによって地下水の流向及び流速を検出するが、使用するトレーサの種類・トレーサの追跡方法等が異なる幾つかの方式が開発されている。

例えば特許文献１は、図６に示すように、地盤１の帯水層に穿設したボーリング孔２内のパッカー11、12で仕切られた計測区間に指向性の中性子水分計41を挿入し、注入装置44により中性子水分計41の周辺にトレーサ液（例えば、熱中性子吸収断面積の大きいホウ素化合物を溶解した水溶液）42を注入し、中性子水分計41で検知される熱中性子の方位別の計数率を計測装置45で把握して地下水の流向及び流速を計測する方法を開示する。中性子水分計41で検知される熱中性子の計数率は、トレーサ液41の注入により低下するが、地下水の流動でトレーサ液41が希釈されるに応じて徐々に回復する。計測装置45において、その計数率の回復速度から地下水の流速を求め、方位別の回復速度の相違（平面分布）から地下水の流向を求めることができる。また特許文献２は、トレーサ液42として蒸留水を用い、中性子水分計41に代えて所定間隔の複数の電極群を用い、電極間における電位差（電気的抵抗値差）の変化から地下水の流向及び流速を計測する方法を開示する。トレーサ液42として加熱水や塩水等を用い、熱量や比抵抗の変化から地下水の流向及び流速を計測する方法も開発されている。

ただし特許文献１及び２の方法は、流速が小さい地下水の流動特性の計測には適していない。例えば図６に示すように、ホウ素水溶液等のトレーサ液42はそれ自体が移流・拡散する性質を有するため、地下水の流速が小さくなるとトレーサ液42自体の拡散速度が無視できなくなり、地下水の正確な流向及び流速の計測が難しくなる。ホウ素水溶液・加熱水・蒸留水・塩水等を用いた従来の計測方法の適用範囲は流速10^-7〜10^-3m/s程度と考えられており、それより低速の流速場に適用すると計測誤差が大きくなる。他方、高レベル放射性廃棄物の地層処分場等では、万年オーダーの極めて長期間にわたる安全性評価が求められ、従来の計測範囲外の極めて低流速（10^-10m/s程度）の地下水の流動特性を正確に調査することが要求される。このような極低流速の地下水の流動特性を正確に計測するには、トレーサ液42の拡散等に影響されない計測方法が必要である。

これに対し特許文献３及び４は、地下水中に投入したトレーサ粒子の三次元位置を超音波センサ又は光学式撮像装置で追跡して地下水の流向及び流速を計測する方法を開示する。例えば図５に示すように、ボーリング孔２内に吊り下げ装置60で吊り下げたパッカー11、12によって計測区間３を形成し、支持部材52によって計測区間３内に整流板53と複数の超音波センサ55又は光学式撮像装置58とが取り付けられた計測部51（同図（Ｂ）参照）を吊り下げ、トレーサ導入管54を介して計測区間３の地下水Ｇ中にその地下水Ｇと略同等の比重を有するトレーサ粒子Ｓを供給する。地下水Ｇの流れに沿って流動するトレーサ粒子Ｓに複数の超音波センサ55から超音波を一定時間毎に送信して反射波（超音波エコー）を検出し、その検出データを信号伝送ユニット61及び伝送ライン63を介して計測装置62へ伝送し、計測装置62において検出データと地下水Ｇ中の音速とからトレーサ粒子Ｓの三次元的な連続移動位置を計測し、その計測結果に基づき地下水Ｇの流向および流速を計測する。整流板53の透明窓59を介して撮影した光学式撮像装置58によるトレーサ粒子Ｓの画像データを計測装置62へ伝送し、その画像データからトレーサ粒子Ｓの三次元的な連続移動位置を計測することも可能である。

トレーサ粒子Ｓとして、特許文献３は牛乳の凝集タンパク質、蛍光塗料を混入したエスレン粒子等を提案している。また特許文献４は、比重が１より小さいポリエチレンやポリプロピレン等からなる粒径100〜数百μｍ程度の内部球体の表面に、比重が１より大きい金属等の蒸着コーティング層を形成した密度可変型の人工トレーサ粒子Ｓを用いることを提案している。このようなトレーサ粒子Ｓの三次元位置を追跡する方法によれば、図６のトレーサ液42において問題となった拡散速度を無視することができ、極めて低流速の地下水の流向及び流速を正確に計測することが期待できる。

特開平６−２７３５３８号公報 特公平２−０４６９０４号公報 特開２００１−１８３４７１号公報 特開２００２−１０７３７０号公報

しかし特許文献３及び４の方法は、トレーサ粒子Ｓの密度を計測区間３の地下水Ｇの密度と厳密に一致させることが難しい問題点がある。トレーサ粒子Ｓの密度が地下水Ｇの密度と相違すると、地下水Ｇ中でトレーサ粒子Ｓが徐々に落下又は浮上し、地下水Ｇの流向及び流速の精確な計測、とくに鉛直方向の流向及び流速の計測ができなくなる。極めて低流速の地下水Ｇの流動特性を計測するには計測期間として２〜３日間程度が必要と考えられ、特許文献３及び４において計測精度を高めるためには、その計測期間中におけるトレーサ粒子Ｓの落下又は浮上距離を小さく抑えることが必要である。

図４は、３日間で３mm落下又は浮上するトレーサ粒子Ｓと地下水Ｇとの密度差（g/cm³）と、トレーサ粒子Ｓの粒径（μｍ）との関係を、ストークスの法則に基づき算出したグラフを示す。同図から分かるように、地下水Ｇ中におけるトレーサ粒子Ｓの落下又は浮上距離を小さく抑えるには、トレーサ粒子Ｓの粒径を小さくすることが有効である。しかし本発明者の実験によれば、トレーサ粒子Ｓの粒径が100μｍ以下になると粒子の帯電が発生し、トレーサ粒子Ｓが相互に反発して計測誤差の原因となるため、トレーサ粒子Ｓの粒径を100μｍ以下とすることは望ましくない。図４に示すように、粒径100〜150μｍ程度のトレーサ粒子Ｓの計測期間中における落下又は浮上距離を３mm以下に抑えるには、トレーサ粒子Ｓと地下水Ｇとの密度差を1.0×10^-6g/cm³程度以下とする必要があるが、このような微細粒子の調製精度を密度1.0×10^-6g/cm³以下の範囲内に抑えることは極めて困難である。

この問題を解決するため、密度の異なる多数のトレーサ粒子Ｓを用意し、計測区間３の地下水Ｇの密度を測定した上で、地下水Ｇの測定密度に応じてトレーサ粒子Ｓを選択する方法も考えられる。しかし、地下水Ｇの密度は深度毎に温度・圧力等の影響を受けて変化するので、計測区間３の地下水Ｇの密度を測定するには、地下水Ｇを原位置の温度及び圧力状態に保持したまま採水して測定する必要がある。このような原位置の地下水Ｇの密度測定は、作業が面倒であるだけでなく、測定誤差が生じやすい。従って、地下水Ｇの測定密度に応じてトレーサ粒子Ｓを選択する方法では、地下水Ｇの密度とトレーサ粒子Ｓの密度とを厳密に一致させることが難しく、低流速の地下水Ｇの流向及び流速の正確な計測は非常に難しいのが現状である。

そこで本発明の目的は、低流速の地下水の流向及び流速を精度よく且つ簡単に計測できる方法及び装置を提供することにある。

図１の実施例を参照するに、本発明による低流速地下水の流向流速計測方法は、地中ボーリング孔２内の低流速の地下水深度にパッカー対11、12で仕切った計測区間３を形成し、計測区間３内の地下水Ｇを所定密度の液体Ｗで置換したのちその液体Ｗと同じ密度のトレーサ粒子Ｓを計測区間３内へ流入させ、パッカー対11又は12に支持した位置検出センサ30a、30bによりトレーサ粒子Ｓの浮遊三次元位置を継続的に検出し、浮遊三次元位置の検出値の経時的変化から地下水Ｇの流向及び流速を計測してなるものである。

また図２の実施例を参照するに、本発明による低流速地下水の流向流速計測装置は、地中ボーリング孔２内の低流速の地下水深度に隣接深度から仕切られた計測区間３を形成するパッカー対11、12、計測区間３内の一方のパッカー12（又は11）近傍部位から地下水Ｇを吸水する吸水路18、計測区間３内の他方のパッカー11（又は12）近傍部位に所定密度の液体Ｗを送入する送入路17、パッカー対11又は12に支持されて計測区間３内の所定検出部位33（図２（Ｂ）参照）の浮遊物の三次元位置を検出する位置検出センサ30a、30b、計測区間３内の所定検出部位33に液体Ｗと同じ密度のトレーサ粒子Ｓを流入させる流入路21、及び位置検出センサ30a、30bによるトレーサ粒子Ｓの浮遊三次元位置の検出値信号を伝送する伝送装置34を備えてなるものである。

好ましくは、トレーサ粒子Ｓの計測区間３内への流入路21にトレーサ粒子Ｓを液体Ｗと共に貯留する貯留槽20を設け、貯留槽20内に浮遊するトレーサ粒子Ｓを選択的に計測区間３内に流入させる。この場合、貯留槽20と計測空間３との間に計測空間３側の開口が対向する一対の流路21、22を設け、その一方をトレーサ粒子Ｓの流入路21とし、その他方をトレーサ粒子Ｓの回収路22とすることができる。更に好ましくは、計測区間３の温度及び圧力を測定する測定センサ27と、液体Ｗの密度を測定センサ27の測定値により補正し且つ補正後の密度のトレーサ粒子Ｓを流入路21に供給する供給手段７（図１参照）とを設ける。

本発明による低流速地下水の流向流速計測方法及び装置は、地中ボーリング孔２内の計測区間３内の地下水Ｇを所定密度の液体Ｗで置換したのち、その液体Ｗと同じ密度のトレーサ粒子Ｓを計測区間３内へ流入させ、そのトレーサ粒子Ｓの液体Ｗ中における浮遊三次元位置を位置検出センサ30a、30bで継続的に検出することにより地下水Ｇの流向及び流速を計測するので、次の顕著な効果を奏する。

（イ）計測区間を密度既知の液体で置換したうえでトレーサ粒子を流入させるので、計測区間内の液体密度とトレーサ粒子密度とを厳密に一致させることができ、10^-5〜10^-10m/sの低流速の地下水の流動特性を正確に計測することが可能となる。
（ロ）また、計測区間の地下水の密度を厳密に測定する必要がなく、所定密度の液体の送入とトレーサ粒子の流入とからなる簡単な作業によって地下水の正確な流向及び流速を把握することができる。
（ハ）あらゆる深度の地下水の計測に同じ液体及び／又はトレーサ粒子を適用できるが、トレーサ粒子は深度に応じて異なるものを選択してもよい。

（ニ）置換する液体の密度は計測区間の温度及び圧力に応じて変化しうるため、必要に応じて計測区間の温度及び圧力を計測して液体密度を補正することができ、その補正密度に応じた最適のトレーサ粒子を選択することができる。
（ホ）トレーサ粒子を液体と共に貯留する貯留槽を設け、貯留槽内に浮遊するトレーサ粒子を選択的に計測区間内へ流入させることにより、計測区間内の液体密度とトレーサ粒子密度とを更に厳密に一致させることができる。
（ヘ）大量のトレーサ粒子を計測区間に投入するとボーリング孔周囲の岩盤亀裂の目詰まり等が懸念されるが、貯留槽から計測空間内に開口が対向する一対の流路を設けることにより、不要なトレーサ粒子を回収することが可能である。

図１は、本発明の流向流速計測装置10を、地盤１に数百〜千ｍ程度の深度で掘削したボーリング孔２内の計測区間３に適用した実施例を示す。本発明は、地下水の流れが非常に遅く、計測区間３内の地下水Ｇが全て入れ替わる日数（以下、入れ替わり期間ということがある）が計測期間より大きい低流速の計測区間３に適用することができる。入れ替わり期間が計測期間より大きければ、計測区間３の地下水Ｇを所定密度の液体Ｗに置換しても、その深度における地下水Ｇの流向及び流速の計測に対する影響を小さく抑えることができる。本発明の計測装置10は、例えば10^-5〜10^-10m/s程度の低流速場に適用することが期待できる。

例えばボーリング孔２内の計測区間３の口径の半径Ｒが50mm（＝0.05ｍ）であり、計測区間３の地下水Ｇが水平方向に流動すると仮定した場合、(3)式により、地下水Ｇの流速ｖが10^-7m/sであると計測区間３内の入れ替わり期間は約5.8日となり、流速ｖが10^-8m/sであると入れ替わり期間は約58日となる。このような計測区間３に本発明を適用した場合、２〜３日以上の計測期間を確保できる。地下水Ｇの流速ｖが10^-7m/sより大きい場合は、ボーリング孔２の口径を大きくすることにより、入れ替わり期間を計測期間より長くすることができる。

［数１］
計測区間の容積Ｑ＝πＲ²Ｈ（ｍ³） ……………………………………………(1)
計測区間の１日で入れ替わる地下水量ｑ
＝計測区間の表面積（ｍ²）×（１／２）×流速ｖ（m/s）
＝πＲＨ×ｖ×（60×60×24） ……………………………(2)
入れ替わり期間＝Ｑ／ｑ＝Ｒ／（ｖ×（60×60×24）） ……………………(3)

図２は、ボーリング孔２内に挿入する本発明の計測装置10の一例を示す。図示例の計測装置10は、ボーリング孔２内に計測区間３を形成するパッカー対11、12と、計測区間３内の一方のパッカー12の近傍部位から地下水Ｇを吸水する吸水路18と、計測区間３内の他方のパッカー11の近傍部位に所定密度の液体Ｗを送入する送入路17と、計測区間３の所定部位33（同図（Ｂ）参照）に液体Ｗと同じ密度のトレーサ粒子Ｓを流入する流入路21とを有する。パッカー対11、12は、結合部材13により所定相互間隔に保持され、地盤１上に設けた吊り下げ装置60（図５参照）及び拡張・収縮を制御するパッカー制御装置43（図６参照）等と接続される。パッカー対11、12の一例は、液体（水等）又は気体（空気等）の注入・回収により拡張・収縮する遮水パッカー又はメカニカルパッカーである。

計測装置10の送入路17及び吸水路18の上端は、それぞれ供給路14及び排出路15を介して地盤１上の供給装置７と接続し（図１参照）、送入路17及び吸水路18の下端は、それぞれ計測区間３内の鉛直方向及び水平方向に離れた部位に開口させる。地下深部の計測区間３は高圧であるが、供給装置７によって吸水路18の下端口を比較的低圧の吸水部とすることにより、吸水路18を介して地下水Ｇを吸水すると同時に送入路17を介して液体Ｗを送入し、計測区間３内の送入路17の下端口と吸水路18の下端口との間の領域の地下水Ｇを所定密度の液体Ｗで置換することができる。液体Ｗの一例は予め密度が測定された水である。

計測装置10の流入路21の上端は供給路14を介して地盤１上の供給装置７と接続し（図１参照）、流入路21の下端は計測区間３内の送入路17と吸水路18との間の所定部位33に開口させる。同図（Ｂ）に示すように、流入路21の下端を開口させる所定部位33は、後述する位置検出センサ30の焦点範囲（検出部位）と一致させることが望ましい。図示例の計測装置10は、流入路21の下端口と対向する開口を有して計測区間３の所定部位33から液体Ｗを回収する回収路22を設け、回収路22の上端を排出路15経由で供給装置７と接続し、供給装置７により回収路22の下端口を低圧部とすることにより、供給装置７から流入路21を介してトレーサ粒子Ｓを計測区間３の所定部位33に流入させる。ただし、回収路22は本発明に必須のものではなく、回収路22に代えて吸水路18の下端口を低圧部としてトレーサ粒子Ｓを流入させることも可能である。

トレーサ粒子Ｓの一例は、特許文献４の場合と同様に、比重が１より小さい粒径100〜150μｍ程度の樹脂製球体を比重が１より大きい有機系物質で被覆し、液体Ｗと同じ密度（比重）に調製したものである。ただし、液体Ｗと同じ密度の単一材料を用いて調製した粒径100〜150μｍ程度のトレーサ粒子Ｓを用いることも可能である。

図示例の計測装置10は、流入路21と回収路22との交差部位にトレーサ粒子Ｓを液体Ｗと共に貯留する貯留槽20を設け、流入路21により貯留槽20の液相部と計測区間３の所定部位33とを開閉弁V5経由で連通させている（図１参照）。また、回収路22により貯留槽20と計測区間３の所定部位33とを開閉弁V6経由で連通し、貯留槽20と排出路15とを連通路23で接続している（図１参照）。トレーサ粒子Ｓは粒径100〜150μｍ程度の微小粒子であるため、全てを液体Ｗと同じ密度に調製することは難しいが、供給装置７から供給するトレーサ粒子Ｓを液体Ｗと共に貯留槽20へ一旦貯留し、貯留槽20の液相部からトレーサ粒子Ｓを計測区間３内へ流入させることにより、貯留槽20の液相部に浮遊する液体Ｗと同じ密度のトレーサ粒子Ｓのみを選択的に流入させることができる。また、図示例のように計測区間３の近傍の貯留槽20にトレーサ粒子Ｓを液体Ｗと共に貯留することにより、計測区間３の温度及び圧力に応じて変化する液体Ｗの密度に最適のトレーサ粒子を選択することができる。ただし後述するように、本発明では供給装置７において計測区間３の温度及び圧力の測定値に応じてトレーサ粒子Ｓを選択することも可能であり、貯留槽20は本発明に必須のものではない。

なお、図示例では単独の供給路14を流入路21と送入路17とで共用するため、図１に示すように三方弁A1（開閉弁V1及びV2）を介して供給路14と流入路21と送入路17とを接続しているが、複数の供給路14を設ければ三方弁A1を省略できる。また、単独の排出路15を回収路22（連通路23）と吸水路18とで共用するため、三方弁A2（開閉弁V3及びV4）を介して排出路15と回収路22（連通路23）と吸水路18とを接続しているが、上述したように回収路22は省略することができ、三方弁A2も省略可能である。

更に図示例の計測装置10は、計測区間３の所定部位33に流入したトレーサ粒子Ｓの三次元位置を検出する位置検出センサ30a、30bと、位置検出センサ30a、30bによるトレーサ粒子Ｓの三次元位置の検出値信号を信号伝送路16経由で地盤１上の信号処理装置８に伝送する信号伝送装置34とを有する。位置検出センサ30a、30bと信号伝送装置34とは信号ケーブル39で接続されている。位置検出センサ30a、30bの一例は、図２（Ｂ）に示すようにトレーサ粒子Ｓの流入部位33と対向させて相互に直交する向きに配置した複数のアレイ型超音波センサ、又は図５と同様の光学式撮像装置58である。

図２（Ｃ）の位置検出センサ30は、多数の圧電振動子31、32を表面の所定位置に平面状に配置したアレイ型超音波センサの一例である。信号伝送装置34の制御部37からの発信指令に基づき、送信部35で選択した何れかの圧電振動子31に高電圧パルスを印加し、その圧電振動子31から所定部位33に向けて超音波を発信する。発信された超音波はトレーサ粒子Ｓにより反射されるが、受信部36で選択した何れかの圧電振動子32で反射波を受信し、受信信号をデジタル信号に変換して信号処理部38に入力する。信号処理部38において、送信圧電振動子31及び受信圧電振動子32の位置を焦点とし且つ送信及び受信時刻の時間差（超音波の伝播時間）に対応する距離の楕円面を想定し、複数の受信圧電振動子32に応じた楕円面の交差位置としてトレーサ粒子Ｓの三次元位置を検出する。信号処理部38において検出したトレーサ粒子Ｓの三次元位置は、信号伝送路16を介して信号処理装置８に伝送し、例えば画像に構成されて出力装置９に表示される（図１参照）。

図２の計測装置10を用いて地下水Ｇの流向及び流速を計測する場合は、先ず図１に示すように、パッカー11、12が収縮した状態の計測装置10をボーリング孔２内の計測対象の地下水深さまで吊り下げ、パッカー11、12を拡張して計測区間３を形成する。次いて図３（Ａ）に示すように、三方弁A1の開閉弁V1を開放して開閉弁V2を閉鎖することにより供給路14と送入路17とを接続し、三方弁A2の開閉弁V3を開放して開閉弁V4を閉鎖することにより排出路15と吸入路18とを接続する。この状態で供給装置７を駆動して液槽５に貯えた所定密度の液体Ｗを計測区間３に送入し、計測区間３の地下水Ｇを液体Ｗで置換する。液体Ｗの送入は、計測区間３の外乱とならないように、できるだけ緩やかに進めることが望ましい。

計測区間３を液体Ｗで置換したのち、図３（Ｂ）に示すように、開閉弁V1、V5を閉鎖して開閉弁V2を開放することにより供給路14と貯留槽20とを接続し、開閉弁V3、V6を閉鎖して開閉弁V4を開放することにより排出路15と貯留槽20とを接続する。この状態で、供給装置７からトレーサ槽６に貯えたトレーサ粒子Ｓを液体Ｗと共に貯留槽20へ供給し、トレーサ粒子Ｓを液体Ｗと共に貯留槽20へ一旦貯留する。更に図３（Ｃ）に示すように、開閉弁V2を閉鎖して開閉弁V5を開放することにより貯留槽20と流入路21とを接続し、開閉弁V4を閉鎖して開閉弁V6を開放することにより貯留槽20と回収路22とを接続する。この状態で流入装置24を駆動することにより、貯留槽20の液相部に浮遊するトレーサ粒子Ｓを、液体Ｗと共に計測区間３の所定部位33へ流入させる。流入装置24は、例えば回収路22の下端口を低圧部とする適当なピストン又は小型ポンプである。

トレーサ粒子Ｓを計測区間３内へ流入させたのち、位置検出センサ30a、30bによってトレーサ粒子Ｓの三次元位置を継続的に検出し、三次元位置の検出信号を信号処理装置８に伝送し、信号処理装置８においてトレーサ粒子Ｓの三次元位置の経時的変化から地下水Ｇの流向及び流速を計測する。本発明の計測方法によれば、計測区間３内の液体Ｗの密度とトレーサ粒子Ｓの密度とを厳密に一致させることができ、地下水Ｇの流速ｖが極めて低い場合でも、その流速ｖを正確に計測することが可能となる。また、計測区間３の地下水Ｇの密度を測定する必要がなく、液体Ｗと同じ密度のトレーサ粒子Ｓを用意しておけば、液体Ｗの送入とトレーサ粒子Ｓの流入とからなる比較的簡単な作業で様々な深度の地下水Ｇの流向及び流速を把握することができる。

こうして本発明の目的である「低流速の地下水の流向及び流速を精度よく且つ簡単に計測できる方法及び装置」の提供を達成することができる。

なお図３（Ｄ）は、地下水Ｇの流向及び流速の計測が終了したのち、計測区間３に浮遊する不要なトレーサ粒子Ｓを回収する処理を示す。この場合は、開閉弁V1を開放して開閉弁V2を閉鎖することにより供給路14と送入路17とを接続し、開閉弁V3、V5を閉鎖して開閉弁V4、V6を開放することにより排出路15と回収路22とを接続する。この状態で供給装置７を駆動して液槽５に貯えた所定密度の液体Ｗを計測区間３に送入し、不要なトレーサ粒子Ｓを回収路22経由で貯留槽20に回収する。必要に応じて同図（Ａ）のように開閉弁V3を開放して開閉弁V4を閉鎖することにより排出路15と吸入路18とを接続し、吸入路18経由で不要なトレーサ粒子Ｓを計測区間３から排出することも可能である。大量のトレーサ粒子Ｓを計測区間３に投入すると、ボーリング孔２の周囲の岩盤亀裂にトレーサ粒子Ｓが進入して目詰まり等が発生するおそれがあるが、図示例のように不要なトレーサ粒子Ｓを回収することにより、大量のトレーサ粒子Ｓを投入した場合でも目詰まり等を最小限に抑えることができる。

図１及び図２の流向流速計測装置10では、計測区間３の温度及び圧力を測定する測定センサ27を設け、測定センサ27の測定値を信号伝送路16経由で信号処理装置８に伝送し、信号処理装置８において測定センサ27の測定値に基づき計測区間３の液体Ｗの密度を補正し、供給装置７のトレーサ選択手段7aにおいて補正後の密度のトレーサ粒子Ｓを流入路21に選択的に供給している。本発明は、予め密度が既知の液体Ｗを用いるが、液体Ｗの密度は計測区間３の深度、すなわち温度及び圧力等に応じて変化するので、その密度の変化が計測誤差の原因となりうる。しかし、予め液体Ｗの密度と温度及び圧力との関係を校正しておくことにより、温度・圧力測定センサ27の測定値によって計測区間３内の液体Ｗの密度を簡単に補正することができる。従って、密度の異なる複数のトレーサ粒子Ｓを用意し、補正後の密度のトレーサ粒子Ｓを選択して計測区間３へ流入させることにより、液体Ｗの密度変化に起因する計測誤差を比較的容易に回避できる。また、この温度・圧力測定センサ27の測定値によるトレーサ粒子Ｓの選択と、上述した貯留槽20によるトレーサ粒子Ｓの選択とを組み合わせることにより、地下水Ｇの流向及び流速の計測精度を更に高めることが期待できる。

本発明装置の一実施例の構成を示す図式的説明図である。 本発明装置の一実施例の構成を示す斜視図である。 本発明方法の手順を示す説明図である。 異なる粒径のトレーサ粒子が地下水中において３日間で３mm落下（浮上）する場合の地下水密度とトレーサ粒子密度との密度差の関係を示すグラフである。 従来の地下水の流速・流向計測装置の一例の説明図である。 従来の地下水の流速・流向計測装置の他の一例の説明図である。

符号の説明

１…地盤（岩盤） ２…ボーリング孔
３…計測区間
５…液槽 ６…トレーサ槽
７…供給装置 7a…トレーサ選択手段
８…信号処理装置 ９…出力装置
10…流向流速計測装置 11…上部パッカー
12…下部パッカー 13…結合部材
14…供給路 15…排出路
16…信号伝送路 17…送入路
18…吸水路
20…貯留槽 21…流入路
22…回収路 23…連通路
24…流入装置
27…温度・圧力測定センサ
30…位置検出センサ（超音波センサ）
31…送信圧電振動子 32…受信圧電振動子
33…センサ検出部位（焦点範囲）
34…信号伝送装置 35…送信部
36…受信部 37…制御部
38…信号処理部 39…信号ケーブル
41…中性子水分計 42…トレーサ液（ホウ酸水溶液）
43…パッカー制御装置 44…トレーサ液注入装置
45…計測装置
51…計測部 52…支持部材
53…整流板 54…トレーサ導入管
55…超音波センサ 56…同軸ケーブル
57…基準反射板 58…光学式撮像装置
59…透明窓 60…吊り下げ装置
61…信号伝送ユニット 62…計測装置
63…伝送ライン
Ｇ…地下水 Ｓ…トレーサ粒子
Ｗ…所定密度の液体

Claims (10)

1. 地中ボーリング孔内の低流速の地下水深度にパッカー対で仕切った計測区間を形成し、計測区間内の地下水を所定密度の液体で置換したのち当該液体と同じ密度のトレーサ粒子を計測区間内へ流入させ、前記パッカー対に支持した位置検出センサにより前記トレーサ粒子の浮遊三次元位置を継続的に検出し、前記浮遊三次元位置の検出値の経時的変化から地下水の流向及び流速を計測してなる低流速地下水の流向流速計測方法。
2. 請求項１の計測方法において、前記トレーサ粒子の計測区間内への流入路に当該トレーサ粒子を前記液体と共に貯留する貯留槽を設け、前記貯留槽内に浮遊するトレーサ粒子を選択的に計測区間内に流入させてなる低流速地下水の流向流速計測方法。
3. 請求項２の計測方法において、前記貯留槽と計測空間との間に計測空間側の開口が対向する一対の流路を設け、前記流路の一方から計測区間内へ流入させたトレーサ粒子を前記流路の他方経由で貯留槽に回収してなる低流速地下水の流向流速計測方法。
4. 請求項１から３の何れかの計測方法において、前記計測区間内の温度及び圧力を測定し、前記液体の密度を温度及び圧力の測定値により補正し、前記補正後の密度のトレーサ粒子を流入させてなる低流速地下水の流向流速計測方法。
5. 請求項１から４の何れかの計測方法において、前記地下水の流速を10^-5〜10^-10m/sとしてなる低流速地下水の流向流速計測方法。
6. 地中ボーリング孔内の低流速の地下水深度に隣接深度から仕切られた計測区間を形成するパッカー対、前記計測区間内の一方のパッカー近傍部位から地下水を吸水する吸水路、前記計測区間内の他方のパッカー近傍部位に所定密度の液体を送入する送入路、前記パッカー対に支持されて計測区間内の所定検出部位の浮遊物の三次元位置を検出する位置検出センサ、前記計測区間内の所定検出部位に前記液体と同じ密度のトレーサ粒子を流入させる流入路、及び前記センサによるトレーサ粒子の浮遊三次元位置の検出値信号を伝送する信号伝送装置を備えてなる低流速地下水の流向流速計測装置。
7. 請求項６の計測装置において、前記流入路にトレーサ粒子を前記液体と共に貯留する貯留槽を設け、前記流入路により貯留槽内に浮遊するトレーサ粒子を選択的に計測区間内に流入させてなる低流速地下水の流向流速計測装置。
8. 請求項７の計測装置において、前記貯留槽と計測空間内の所定検出部位との間に計測空間側の開口が対向する一対の流路を設け、前記流路の一方をトレーサ粒子の流入路とし、前記流路の他方をトレーサ粒子の回収路としてなる低流速地下水の流向流速計測装置。
9. 請求項６から８の何れかの計測装置において、前記計測区間の温度及び圧力を測定する測定センサ、及び前記液体の密度を前記測定センサの測定値により補正し且つ補正後の密度のトレーサ粒子を前記流入路に供給する供給手段を設けてなる低流速地下水の流向流速計測装置。
10. 請求項６から９の何れかの計測装置において、前記位置検出センサを、相互に直交する向きに配置した複数のアレイ型超音波センサとしてなる低流速地下水の流向流速計測装置。

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