JP5694815B2 - 浸透水浄化地盤 - Google Patents

Description

本発明は、浸透水浄化地盤に関する。

過剰な施肥等による高濃度の窒素を含む地盤では、降雨により汚染浸透水が浸透し、地下水が汚染されるおそれがある。
このような汚染物質の拡散を防止する方法として、生物学的脱窒法による浄化層を地中に形成し、汚染浸透水が地下水域に流れ込む前に脱窒して無害化処理する場合がある。

硝酸性窒素の生物学的脱窒を促進させるためには、有機物の供給、嫌気環境の形成が有効である。
例えば、特許文献１には、硝酸性窒素の生物学的窒素を促進させるために、不飽和地盤（地山１０２）中に徐放性有機物１０４を混合させた透水性の低い層（浄化層１０３）を地下水位ＷＬよりも高い位置に設けることで、有機物の供給、嫌気環境の形成、滞留時間の確保を行う浸透水浄化地盤１０１が開示されている。

特開２００９−１１９４７号公報

ところが、前記従来の浸透水浄化地盤１０１は、降雨量が多い場合等、一時的に浸透水量が増加すると、水位が上昇して地表湛水が生じるおそれがある。農耕地区等のように地表が畑等の場合には、地表湛水が根腐れの原因になるため、浸透水浄化地盤１０１の浄化層１０３は、比較的深い位置に形成するのが望ましい。しかしながら、地下水位ＷＬが高い場合には、地表湛水を防止するために必要な深度を確保することができない場合があった。

そのため、本発明は、地下水位等に限定されず採用することが可能で、かつ、効果的に硝酸性窒素汚染水を浄化することを可能とした浸透水浄化地盤を提案することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明は、砂または砂よりも細かい粒径の材料である第一材料により構成された上層と、前記第一材料よりも粗い粒径の材料である第二材料により構成された下層とが地下水位よりも上位において上下に積層された浸透水浄化地盤であって、前記上層の下端部には、前記第一材料に徐放性有機物が混合された浄化部が形成されていて、前記上層と前記下層との境界面に、前記第一材料が前記下層に流出することを防止する透水性シートが介設されていることを特徴としている。

かかる浸透水浄化地盤によれば、粒径の細かい第一材料（砂または砂よりも細かい材料）からなる上層の下に、粒径の粗い第二材料（例えば礫等）により構成された下層を設けているため、上層と下層との間でキャピラリーバリア（上層と下層の毛管力の違いによって形成された遮水層）が形成されるようになり、地表からの浸透水をキャピラリーバリアの浸透抑制機能によって浄化部に保水させることが可能となる。
そして、徐放性有機物が混合された浄化部では、飽和度が高く嫌気環境が形成されやすくなるため、生物学的脱窒が促進する。したがって、地表側から浸透した硝酸性窒素汚染水は、浄化部において浄化され、下層へと排出されるようになる。

また、地表側からの浸透水が浄化部（上層）の保水可能量を上回る場合は、キャピラリーバリアが破過して下方（下層）へと排水されるため、水位が上昇して地表湛水するおそれがない。
なお、本明細書において「砂」とは、土質区分により砂として分類される粒径を有するものとする。

また、前記上層と前記下層との境界面に、前記第一材料が前記下層に流出することを防止する透水性シートが介設されているため、上層の保水能力の低下を防止することができる。つまり、第一材料が下層に流出すると、上層の密度低下が生じ、上層の保水能力が低下してしまう。そのため、透水性シートにより第一材料の流出を防止することで、保水能力の低下を防止する。

前記上層および前記下層からなる積層構造が、複数段積層されていれば、地下水に至るまでに硝酸性窒素汚染水の浄化が複数回実施されるようになるので浄化性能をより向上させることができる。

本発明によれば、硝酸性窒素汚染水を浄化する浸透水浄化地盤を地形形状に限定されず採用することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る浸透水浄化地盤の概要を示す断面図である。 浸透水浄化地盤の保水状況を模式的に示す断面図である。 （ａ）は実施例の試験モデルを模式的に示す断面図、（ｂ）は実施例における定常後の飽和度分布を示すグラフである。 実施例における積算加水量、積算排水量、保水量および砂層空隙体積と時間の関係を示すグラフである。 従来の浸透水浄化地盤の概要を示す断面図である。

以下に本発明の好適な実施形態について説明する。
本実施形態の浸透水浄化地盤１は、農耕地等において、畑等から溶出した硝酸性窒素分を地下水面に到達する前に浄化するものであって、図１に示すように、不飽和地盤中において、上層２と下層３とが地下水位ＷＬよりも上位において、上下に積層されることにより構成されている。

上層２は、土質区分において砂に分類される材料または砂よりも細かい粒径の材料である第一材料により構成されている。本実施形態では、地山Ｇを掘削することにより発生した掘削土砂を利用している。なお、第一材料を構成する材料には、砂または砂を主体とするいわゆる砂質土を使用する。第一材料は、透水係数が１×１０^−４ｃｍ／ｓｅｃより大きい材料であることが望ましい。
なお、上層２は、搬入された砂等により形成してもよい。

上層２の下端部には、第一材料に徐放性有機物５が混合された浄化部４が形成されている。
浄化部４は、第一材料（上層２）の毛管力による保水能力が高い位置を含むように形成する。浄化部４の層厚は限定されるものではないが、本実施形態では、図２に示すように、上層２において飽和度が８０％以上となる領域を包含し得る層厚となるように浄化部４を形成している。

なお、浄化部４の上面および下面（上層２と下層３との境界面）は、浸透水が浄化部４に沿って流出することがないよう平ら（略水平）に形成されている。

下層３は、第一材料よりも粗い粒径の材料である第二材料により構成されている。本実施形態では、第二材料として砕石を採用するが、第二材料を構成する材料は、第一材料よりも粗い粒径の材料であれば限定されるものではない。例えば、土質区分において礫に分類される材料が望ましい。

本実施形態では、下層３の下面が地下水面に接するように、下層３を地下水位ＷＬの直上に形成するが、下層３の下面の位置は、必ずしも地下水位ＷＬに合わせる必要はなく、地下水位ＷＬから上に離してもよい。また、施工上、第二材料が地下水位ＷＬよりも低い位置に配置された場合であっても、下層３の下面の位置は地下水面（地下水位ＷＬ）と認定する。

図１に示すように、上層２と下層３との境界面には、不織布等からなる透水性シート６が介設されている。なお、透水性シート６を構成する材料は、不織布に限定されるものではなく、上層２を構成する第一材料や徐放性有機物５を通過させることなく水分を通過させることが可能な材料の中から適宜選定して採用すればよい。

浸透水浄化地盤１は、地盤Ｇを掘削した後、下層３、上層２の順に積層することにより形成する。本実施形態では、地盤Ｇの掘削を地下水位ＷＬまで行うが、掘削範囲は限定されるものではない。

下層３は、砕石等を床付面（地盤Ｇの表面）に敷き均すことにより形成する。下層３の厚さは限定されるものではないが、本実施形態では３０ｃｍ程度の厚みとする。

下層３を敷き均したら、下層３の上面を透水性シート６により覆う。

次に、掘削土砂と徐放性有機物とを予め混合した混合土砂を、透水性シート６上に敷き均して浄化部４を形成する。浄化部４の層厚は限定されるものではないが、本実施形態では２０ｃｍ程度の厚みとする。
なお、掘削土砂と徐放性有機物との混合は、地上で行ってもよいし、上層２の上で行ってもよい。

浄化部４を形成したら、掘削土砂を埋め戻して、上層２を完成させる。

浸透水浄化地盤１によれば、図２に示すように、砂等により構成された上層２の下に、砂よりも粒径の粗い砕石（礫）により構成された下層３を設けているため、上層２と下層３との間でキャピラリーバリアが形成されることになる。そのため、キャピラリーバリアの浸透抑制機能により、上層２の下端部では地表からの浸透水ｗ１が保水されて、飽和度ｓが高くなっている。
浄化部４は、嫌気環境である地中のうちの飽和度ｓの高い部分に形成されているため、生物学的脱窒が促進するとともに、キャピラリーバリアの浸透抑制機能により、浸透水ｗ１の滞留時間を確保することが可能となる。そのため、肥料等から溶出した窒素化合物を含む浸透水ｗ１は、浄化部４において脱窒された浄化水ｗ２として下層３へと流出されるため、地下水に汚染水が浸透することが防止される。

また、激しい降雨等により、一時的に地表側からの浸透水ｗ１が上層２（浄化部４）の保水可能量を上回る場合には、キャピラリーバリアが破過して下層３へと排水されるため、上層２内における水位の上昇による地表湛水（ダムアップ）のおそれがない。
すなわち、本実施形態の浸透水浄化地盤１によれば、地表湛水のリスクが低い生物学的脱窒の促進領域を不飽和地盤中に形成することができる。

また、ダムアップが生じるおそれがないため、地下水位ＷＬが高い地盤であっても、浸透水浄化地盤１を形成することができる。

また、上層２と下層３との境界面に透水性シート６が介設されているため、下層３の空隙に上層２の第一材料が入り込むことが防止される。つまり、第一材料が下層に流出することで上層の密度低下が生じることを防止し、ひいては、上層の保水能力が低下を防止することができる。また、下層３に目詰まりが生じ難くなり、ひいては、下層３の透水性能の低下が防止される。

現地発生土を利用して構築することが可能なため、簡易かつ安価に形成することができる。

浄化部４の上面および下面は平らを呈しているため、浄化部４の表面に沿って浸透水が拡散することはない。そのため、汚染物質を含む浸透水は、浄化部４内において保水されるとともに脱窒処理された後、下層３へと流下する。

本発明は、前述の実施形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変更が可能である。
例えば、浄化部４を含む上層２と下層３とからなる積層構造を、複数段積層することで、複数の浄化部４，４，…を備えた浸透水浄化地盤を構成してもよい。これにより浸透水ｗ１の脱窒を複数回実施することが可能となり、浄化性能がより向上する。

次に、透水浄化地盤１の保水性能に係る実施例を示す。
本実施例では、カラム１０を利用した室内試験により、上層の保水性能の確認を行った。

本試験では、図３（ａ）に示すように、上層２０と下層３０とが積層されたカラム１０に、上方から注水して、カラム１０の下面に形成された排水口１１からの排水量を測定した。また、試験終了後（注水後）、試料を一晩静置して、上層２０の含水比分布を測定した。
一度に加水される注水量は、１回目は３００ｍＬ、２回目以降は２００ｍＬとし、１５分毎に合計５回注水した。

なお、カラム１０には、内径１０．４ｃｍ、高さ２５．０ｃｍの円筒形の塩ビカラムを使用した。
上層２０は第一材料として砂を採用し、高さ１５ｃｍとした。また、下層３０は第二材料として礫を採用し、高さを５ｃｍとした。上層２０と下層３０の境界面には、透水性シートとして不織布を介設した。また、カラム１０の底面には、第二材料の流出を防止するための多孔板１２を配設した。表１にカラム１０内の試料（第一材料および第二材料）の初期条件を示す。

図４に、本試験による積算加水量、積算排水量、保水量（積算加水量と積算排水量の差）および砂層空隙体積を示す。

図４に示すように、初期の段階（加水回数が少ない段階）では、積算加水量と積算排水量の線形に差が生じていたが、加水の回数が増えるにつれて、積算加水量と積算排水量の線形は似た形を示し、保水量が一定値となった。つまり、加水された浸透水は、上層２０により保水能力により保水されるため、加水量と排水量の分布に差が生じる。一方、上層２０に保水量が一定値になると、加水量と排水量の分布は同等となった。

また、試験終了後の上層２０の水分分布（定常後の飽和度分布）を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）には、水分分布の実測値の比較例として、ｖａｎ Ｇｅｎｕｃｈｔｅｎの式による標準砂の水分特性曲線（ＶＧ排水、ＶＧ給水）を示す。図３（ｂ）に示すように、砂層と礫層が積層された透水浄化地盤１での水分特性は、給水過程の分布から１５％程度飽和度が低い曲線となった。
したがって、飽和度１５％程度分の浸透水が上層２０において保水することが可能であると考えられる。また、保水能力以上の浸透水は排水されることが実証された。

１ 浸透水浄化地盤
２ 上層
３ 下層
４ 浄化部
５ 徐放性有機物
６ 透水性シート
Ｇ 地山

Claims (2)

1. 砂または砂よりも細かい粒径の材料である第一材料により構成された上層と、
   前記第一材料よりも粗い粒径の材料である第二材料により構成された下層と、
   が地下水位よりも上位において上下に積層された浸透水浄化地盤であって、
   前記上層の下端部には、前記第一材料に徐放性有機物が混合された浄化部が形成されており、
   前記上層と前記下層との境界面に、前記第一材料が前記下層に流出することを防止する透水性シートが介設されていることを特徴とする、浸透水浄化地盤。
2. 前記上層および前記下層からなる積層構造が、複数段積層されていることを特徴とする、請求項１に記載の浸透水浄化地盤。

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