JP7390974B2

JP7390974B2 - 地下水観測装置および地下水観測方法

Info

Publication number: JP7390974B2
Application number: JP2020088391A
Authority: JP
Inventors: 利之穂刈; 光信沖原; 均中島
Original assignee: Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Corp
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-05-20
Publication date: 2023-12-04
Anticipated expiration: 2040-05-20
Also published as: JP2021181965A

Description

本発明は、地下水観測装置および地下水観測方法に関するものである。

従来の地下水調査の例を図４（非特許文献１を参照）に示す。図４（１）は、調査対象深度ごとにボーリング孔を掘削して調査を行うシステムであり、調査対象の数だけボーリング孔を掘削することになる。一方、図４（２）（３）は、複数の調査深度を１本のボーリング孔で調査するシステムである。

それぞれの調査方法にはそれぞれの特徴があるが、一般に、調査深度が浅く調査深度の数がそれ程多くなければ図４（１）の方法の方が経済的である。その一方で、調査深度が深くなり、かつ調査地点が多くなると図４（２）（３）の方法の方が便利である。

図５は、図４（３）の地下水調査システム（ＭＰシステム）の概要を示したものである。このＭＰシステムは、ボーリング孔１にＭＰケーシング２と呼ばれる複数のパッカー３の付いたケーシングパイプを設置したものである。このＭＰシステムは、図５（Ａ）に示すように、ケーブル４に繋がれた圧力計５をＭＰケーシング２内の計測ポートに設置することができる。これにより、各区間の地下水圧を地上のデータロガー６に記録可能である。また、図５（Ｂ）に示すように、ケーブル４に繋がれた採水プローブ７および採水ボトル８を、地上のウインチ９を介してＭＰケーシング２内の計測ポートに設置することができる。これにより、パッカー３で区分けされた各区間の地下水を採水プローブ７を介して採水ボトル８に採水可能である。このＭＰシステムの特徴をまとめると以下のようになる。
（１）１本のボーリング孔で複数の地点の地下水調査が可能である。
（２）孔内の複数の調査地点に圧力計を設置することができ、圧力の観測を行うことができる。
（３）地下水採水用の採水プローブと採水ボトルを組み合わせることで、封圧状態の地下水試料を採取することができる。

竹下裕二："最近の地下水調査方法と計測技術"6.地下水動態の計測 6.1地下水の水位・水圧の計測法，地下水学会誌，第36巻第3号(1994)，293-303.

特開２０１２－２２５００２号公報

上記の従来のＭＰシステムにおいては、１孔の複数の調査地点に圧力計を設置することで継続した圧力の観測を行い、地下水の採取については圧力計７を撤収することでそれを行ってきた。近年、地下水圧力の観測の連続性を維持しながら、地下水採取を行うニーズができてきたが、従来のＭＰシステムにおいてはそのニーズに対応することが難しい。つまり、図５（Ａ）のようにＭＰケーシング２内に圧力計５を設置している状態では、（Ｂ）のようにＭＰケーシング２内に更に採水プローブ７と採水ボトル８を挿入できないのである。従来のＭＰシステムで対応するとすれば、ボーリング孔１を２本掘削し、１本に圧力計５を設置することで常時圧力観測を行い、もう１本で定期的に採水を行うことが考えられる。この場合、ボーリング費用が２倍になるという問題がある。このため、１本のボーリング孔において圧力観測と地下水採取を同時に行うことができるＭＰシステムが求められていた。

そこで、本発明者は、１本のボーリング孔において圧力の連続観測と地下水採取を同時に実施することができる方法を鋭意検討した。そして、圧力観測をしている状態で地下水採水プローブと採水ボトルをＭＰケーシング内に挿入できる必要があることに着目し、圧力観測には従来の圧力計ではなくより径の小さい光ファイバを用いることを考えた。

光ファイバによる圧力観測は入力波と反射波の波形の違いを利用するものであるため、精度を損なわないためには光ファイバの継ぎ足しは避けなければならない。したがって、孔口から孔底まで１本であることが望まれるため、ＭＰケーシングとの取り合い、特にパッカーとの取り合いが非常に重要となることを見出して本発明に至った。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、１本のボーリング孔において圧力観測と地下水採取を同時に行うことができる地下水観測装置および地下水観測方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る地下水観測装置は、ボーリング孔に挿入配置されるケーシングパイプと、ケーシングパイプの周囲に対して上下方向に間隔をあけて複数配置される遮水用のパッカーと、パッカーにより区切られた区間の地下水の水圧を計測するためにケーシングパイプの外側に設けられた圧力計と、圧力計における圧力検出のための光を伝送するためにボーリング孔壁とケーシングパイプの間に沿って配置される光ファイバケーブルとを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る他の地下水観測装置は、上述した発明において、光ファイバケーブルは、ボーリング孔壁とパッカーの間の隙間に挿通配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る他の地下水観測装置は、上述した発明において、光ファイバケーブルは、パッカーに設けられた隙間に挿通配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る他の地下水観測装置は、上述した発明において、光ファイバケーブルは、ケーシングパイプのパッカーが配置されない区間においてはケーシングパイプの外側に沿って配置され、パッカーが配置された区間においてはケーシングパイプの内側に沿って配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る地下水観測方法は、上述した地下水観測装置の圧力計を用いて、パッカーにより区切られた区間の地下水の水圧を連続して計測する圧力観測ステップと、地上からケーシングパイプの内部に採水プローブおよび採水ボトルを降ろして、採水プローブをケーシングパイプに設けた採水ポートに接続し、パッカーにより区切られた区間の地下水を採水プローブを介して採水ボトルに採取する地下水採取ステップを同時に実施することを特徴とする。

本発明に係る地下水観測装置によれば、ボーリング孔に挿入配置されるケーシングパイプと、ケーシングパイプの周囲に対して上下方向に間隔をあけて複数配置される遮水用のパッカーと、パッカーにより区切られた区間の地下水の水圧を計測するためにケーシングパイプの外側に設けられた圧力計と、圧力計における圧力検出のための光を伝送するためにボーリング孔壁とケーシングパイプの間に沿って配置される光ファイバケーブルとを備えるので、圧力観測をしている状態で地下水採水プローブと採水ボトルをケーシングパイプ内に挿入可能である。したがって、１本のボーリング孔において圧力観測と地下水採取を同時に行うことができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の地下水観測装置によれば、光ファイバケーブルは、ボーリング孔壁とパッカーの間の隙間に挿通配置されるので、圧力観測をしている状態で地下水採水プローブと採水ボトルをケーシングパイプ内に挿入することができ、１本のボーリング孔において圧力観測と地下水採取を同時に行うことができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の地下水観測装置によれば、光ファイバケーブルは、パッカーに設けられた隙間に挿通配置されるので、圧力観測をしている状態で地下水採水プローブと採水ボトルをケーシングパイプ内に挿入することができ、１本のボーリング孔において圧力観測と地下水採取を同時に行うことができるという効果を奏する。

また、本発明に係る他の地下水観測装置によれば、光ファイバケーブルは、ケーシングパイプのパッカーが配置されない区間においてはケーシングパイプの外側に沿って配置され、パッカーが配置された区間においてはケーシングパイプの内側に沿って配置されるので、圧力観測をしている状態で地下水採水プローブと採水ボトルをケーシングパイプ内に挿入することができ、１本のボーリング孔において圧力観測と地下水採取を同時に行うことができるという効果を奏する。

また、本発明に係る地下水観測方法によれば、上述した地下水観測装置の圧力計を用いて、パッカーにより区切られた区間の地下水の水圧を連続して計測する圧力観測ステップと、地上からケーシングパイプの内部に採水プローブおよび採水ボトルを降ろして、採水プローブをケーシングパイプに設けた採水ポートに接続し、パッカーにより区切られた区間の地下水を採水プローブを介して採水ボトルに採取する地下水採取ステップを同時に実施するので、１本のボーリング孔において圧力の連続観測と地下水採取を同時に行うことができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係る地下水観測装置および地下水観測方法の実施の形態１を示す側断面図である。図２は、本発明に係る地下水観測装置および地下水観測方法の実施の形態２を示す平断面図である。図３は、本発明に係る地下水観測装置および地下水観測方法の実施の形態３を示す側断面図である。図４は、従来の地下水調査の例を示す図である。図５は、従来のＭＰシステムの概要を示す図である。

以下に、本発明に係る地下水観測装置および地下水観測方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１について説明する。
図１に示すように、本実施の形態１に係る地下水観測装置１００は、ボーリング孔１０内に挿入配置されるケーシングパイプ１２と、ケーシングパイプ１２の周囲に対して上下方向に間隔をあけて複数配置される遮水用のパッカー１４と、ボーリング孔壁１０Ａとパッカー１４の間の隙間に挿通配置される光ファイバケーブル１６と、圧力計１８を備える。

ケーシングパイプ１２は、地下水の採水時に、ケーブルを介して地上から降下される採水プローブおよび採水ボトルを採水ポートまで案内するものである（図５（Ｂ）を参照）。採水ポートは、パッカー１４により区切られた各区間のケーシングパイプ１２に設けられる。降下した採水プローブは、地上に配置された制御装置からの制御により、エアジャッキ等で所定の採水ポートに密着できるようになっている。ケーシングパイプ１２の外側の地下水は、採水ポートに密着した採水プローブを介して採水ボトルに採水可能である。

光ファイバケーブル１６は、圧力計１８における圧力検出のための光を伝送するためのものであり、基本的にケーシングパイプ１２の外側に配置される。本実施の形態の光ファイバケーブル１６は、直径５ｍｍ程度を想定しているが、本発明はこれに限るものではない。この光ファイバケーブル１６は、圧力計１８による検出値を光信号によって地上のデータロガーなどに伝送する。伝送された検出値はデータロガーに記録される。なお、圧力の計測精度を損なわないためには光ファイバケーブルの継ぎ足しはない方がよいので、ボーリング孔１０の孔口から孔底まで連続する１本の光ファイバケーブルを使用することが望ましい。

圧力計１８は、パッカー１４により区切られた区間の地下水の水圧を計測するためのものである。本実施の形態では、圧力計１８として光ファイバを用いたＦＢＧ（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ）センサを使用する。ＦＢＧセンサは、光ファイバのコア部の一部に回折格子と呼ばれる屈折率の異なる部分を一定間隔で格子状に並べ、その間隔に比例した特定の波長の光だけを反射することを利用して圧力を計測するセンサである。このＦＢＧセンサは、１本の光ファイバケーブル１６上に直列に複数配置することができる。なお、本発明の圧力計はＦＢＧセンサに限るものではなく、例えばＢＯＴＤＡ、ＢＯＴＤＲなどの他の方式の光ファイバセンサを用いて構成してもよい。圧力計１８は、各区間のボーリング孔壁１０Ａとケーシングパイプ１２の間に配置してもよいし、ケーシングパイプ１２の外周面に固定してもよい。

本実施の形態によれば、圧力計１８で圧力観測をしている状態で地上から採水プローブと採水ボトルをケーシングパイプ１２内に挿入可能である。したがって、１本のボーリング孔１０のＭＰシステムにおいて圧力の連続観測と地下水採取を同時に行うことができる。

また、圧力観測に光ファイバを用いることで、従来の電気式の圧力計測システムとは異なり、水の浸入による性能低下、故障がなくなるため、メンテナンスフリーを実現することができる。また、上記の従来のＭＰシステムで圧力観測と地下水採取に対応しようとすると、ボーリング孔とＭＰシステムが２本必要になり、費用がかかってしまう。しかし、本実施の形態を適用すれば１本のボーリング孔とＭＰシステムで圧力観測と地下水採取を同時に実施可能であることから、従来のＭＰシステムに比べて費用を節約することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２について説明する。
図２に示すように、本実施の形態２に係る地下水観測装置２００は、上記の実施の形態１において、光ファイバケーブル１６をボーリング孔壁１０Ａとパッカー１４の間の隙間に挿通配置する代わりに、パッカー１４の内部に対して上下方向に貫通する隙間２０を設け、この隙間２０に光ファイバケーブル１６を挿通配置したものである。つまり、パッカー１４が配置される区間においては、光ファイバケーブル１６はパッカー１４に巻き込み配置される。このようにしても、上記と同様の作用効果を奏することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３について説明する。
図３に示すように、本実施の形態３に係る地下水観測装置３００は、上記の実施の形態１において、光ファイバケーブル１６をボーリング孔壁１０Ａとパッカー１４の間の隙間に挿通配置する代わりに、パッカー１４が配置される区間のみ、光ファイバケーブル１６がケーシングパイプ１２内を通るようにしたものである。具体的には、光ファイバケーブル１６は、パッカー１４が配置されない区間においてはケーシングパイプ１２の外側に沿って配置され、パッカー１４が配置された区間においてはケーシングパイプ１２の内側に沿って配置される。光ファイバケーブル１６は、パッカー１４の上下の位置に設けた挿通孔２２を介してケーシングパイプ１２に通される。このようにしても、上記と同様の作用効果を奏することができる。

以上説明したように、本発明に係る地下水観測装置によれば、ボーリング孔に挿入配置されるケーシングパイプと、ケーシングパイプの周囲に対して上下方向に間隔をあけて複数配置される遮水用のパッカーと、パッカーにより区切られた区間の地下水の水圧を計測するためにケーシングパイプの外側に設けられた圧力計と、圧力計における圧力検出のための光を伝送するためにボーリング孔壁とケーシングパイプの間に沿って配置される光ファイバケーブルとを備えるので、圧力観測をしている状態で地下水採水プローブと採水ボトルをケーシングパイプ内に挿入可能である。したがって、１本のボーリング孔において圧力観測と地下水採取を同時に行うことができる。

また、本発明に係る他の地下水観測装置によれば、光ファイバケーブルは、ボーリング孔壁とパッカーの間の隙間に挿通配置されるので、圧力観測をしている状態で地下水採水プローブと採水ボトルをケーシングパイプ内に挿入することができ、１本のボーリング孔において圧力観測と地下水採取を同時に行うことができる。

また、本発明に係る他の地下水観測装置によれば、光ファイバケーブルは、パッカーに設けられた隙間に挿通配置されるので、圧力観測をしている状態で地下水採水プローブと採水ボトルをケーシングパイプ内に挿入することができ、１本のボーリング孔において圧力観測と地下水採取を同時に行うことができる。

また、本発明に係る他の地下水観測装置によれば、光ファイバケーブルは、ケーシングパイプのパッカーが配置されない区間においてはケーシングパイプの外側に沿って配置され、パッカーが配置された区間においてはケーシングパイプの内側に沿って配置されるので、圧力観測をしている状態で地下水採水プローブと採水ボトルをケーシングパイプ内に挿入することができ、１本のボーリング孔において圧力観測と地下水採取を同時に行うことができる。

また、本発明に係る地下水観測方法によれば、上述した地下水観測装置の圧力計を用いて、パッカーにより区切られた区間の地下水の水圧を連続して計測する圧力観測ステップと、地上からケーシングパイプの内部に採水プローブおよび採水ボトルを降ろして、採水プローブをケーシングパイプに設けた採水ポートに接続し、パッカーにより区切られた区間の地下水を採水プローブを介して採水ボトルに採取する地下水採取ステップを同時に実施するので、１本のボーリング孔において圧力の連続観測と地下水採取を同時に行うことができる。

以上のように、本発明に係る地下水観測装置および地下水観測方法は、複数の調査深度を１本のボーリング孔で調査するのに有用であり、特に、圧力観測と地下水採取を同時に行うのに適している。

１０ボーリング孔
１０Ａボーリング孔壁
１２ケーシングパイプ
１４パッカー
１６光ファイバケーブル
１８圧力計
２０隙間
２２挿通孔
１００～３００地下水観測装置

Claims

ボーリング孔に挿入配置されるケーシングパイプと、ケーシングパイプの周囲に対して上下方向に間隔をあけて複数配置される遮水用のパッカーと、パッカーにより区切られた区間の地下水の水圧を計測するためにケーシングパイプの外側に設けられた圧力計と、圧力計における圧力検出のための光を伝送するためにボーリング孔壁とケーシングパイプの間に沿って配置される光ファイバケーブルとを備えることを特徴とする地下水観測装置。
光ファイバケーブルは、ボーリング孔壁とパッカーの間の隙間に挿通配置されることを特徴とする請求項１に記載の地下水観測装置。
光ファイバケーブルは、パッカーに設けられた隙間に挿通配置されることを特徴とする請求項１に記載の地下水観測装置。
光ファイバケーブルは、ケーシングパイプのパッカーが配置されない区間においてはケーシングパイプの外側に沿って配置され、パッカーが配置された区間においてはケーシングパイプの内側に沿って配置されることを特徴とする請求項１に記載の地下水観測装置。
請求項１～４のいずれか一つに記載の地下水観測装置の圧力計を用いて、パッカーにより区切られた区間の地下水の水圧を連続して計測する圧力観測ステップと、地上からケーシングパイプの内部に採水プローブおよび採水ボトルを降ろして、採水プローブをケーシングパイプに設けた採水ポートに接続し、パッカーにより区切られた区間の地下水を採水プローブを介して採水ボトルに採取する地下水採取ステップを同時に実施することを特徴とする地下水観測方法。