山腹斜面における物質移動現象の 数値シミュレーション · 2009-03-28 ·...

山腹斜面における物質移動現象の数値シミュレーション

Numerical Stimulation of Mass Transfer Phenomenon

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

Numerical Stimulation of Mass Transfer Phenomenonin Mountainside

研究背景

現状・・・山中における不法投棄の増加(発がん性物質多数)

地盤・地下水汚染及び現場から離れた地域の危険性

降雨による地盤内への浸透及び地下水によって下流へ流出

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

汚染物質の移動現象の数値シミュレーション

http:// www.nutsgets.com/gomi_f.html上図：

中図：

下図：

http://www.h5.dion.ne.jp/~aoiumi/huhou.htmhttp://www.8tokenshi.jp/damp/dump.html

研究目的

汚染物質の移動現象の数値シミュレーション

•下流への汚染物質の移動時間及び濃度変動• 地盤内の汚染物質の移動状況

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

土壌汚染、地下水汚染の予測・対策へ活用

⇒設定条件ごとに影響を比較

• 浸透流の基礎方程式

基礎方程式

1 sk k k C Sx x y y z z t

• 移流分散方程式

c c

:

:

k

s

透水係数(cm/sec)

：毛管ポテンシャル(不飽和領域)

圧力水頭(飽和領域)

C:土壌水分量の変化の割合

S 比貯流量

:ijD 分散係数テンソル

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

i iji i j

c cv c D

t x x x

• 水分特性曲線(Van Genuchten, 1980より)

11

mnw re m

r

S SS

S

11m

n

:

:i

c

v i

溶質の濃度

方向への速度

:

:

:

e

r

w

S

S

S

有効飽和度

残留飽和度

飽和度

2次元斜面における数値シミュレーション

■解析領域

不透水層

90ｍ

240ｍ

1ｍ

4ｍ①

②

①汚染源

②最下流点

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

240ｍ

■初期条件，圧力分布

8.1m

Ｚ(m)

Ψ（ｍ）-2

2

飽和領域

不飽和領域 8.110m

圧力分布

地盤物性値

■水分特性曲線パラメータ(2004, 川谷，齋藤ら)

0.01 0.017 0.100 3

0.001 0.010 0.250 3

0.003 0.013 0.178 3

/ seck cm 1cm rS n

■飽和透水係数と降雨条件

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

■飽和透水係数と降雨条件

周期(日) 透水係数(cm/s) 降雨量(mm) 降雨時間(hr)

CASE1 30 0.01 200 48

CASE2 30 0.001 200 48

CASE3 30 0.003 200 480

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2day

(mm/hr)

tr

降雨強度 図tr

地盤物性値

■水分特性曲線パラメータ(2004, 川谷，齋藤ら)

0.01 0.017 0.100 3

0.001 0.010 0.250 3

/ seck cm 1cm rS n

■飽和透水係数と降雨条件

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

■飽和透水係数と降雨条件

周期(日) 透水係数(cm/s) 降雨量(mm) 降雨時間(hr)

CASE1 30 0.01 200 48

CASE2 30 0.001 200 48

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2day

(mm/hr)

tr

降雨強度 図tr

■濃度分布に対する透水係数の影響

解析結果と考察

CASE1(k=0.01) CASE2(k=0.001)

汚染源 汚染源

濃度

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

底を伝う 幅広く流れる

原因は？

地下水位の差

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

CASE1

CASE2

■井戸における濃度cwの変動

cw (k=0.01)

(k=0.001)

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

-0.002

0

0.002

0.004

0 50 100 150 200 250 300 350 400day

CASE3

•移動時間の差

•濃度の絶対値の差

•CASE2において地盤内の飽和化

(k=0.001)

(k=0.003)

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

0.016

CASE1(k=0.01)

CASE2(k=0.001)

■井戸における濃度Cwの変動

Cw

(Cw：井戸からの地下水流量に対する汚染物質量の割合)

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

-0.002

0

0.002

0.004

0 50 100 150 200 250 300 350 400

•移動時間の差

•濃度の絶対値の差

•CASE2において地盤内の飽和化

day

■地盤内の飽和化

飽和度

飽和分布図0

5000100001500020000250003000035000400004500050000

0 50 100 150 200 250 300 350 400day

（L/day/m）降雨浸透量

浸透量減る

斜面への降雨浸透量

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350 400

day

（L/day/m）

物質流出量 降雨時に突発的な上昇

CASE2の斜面全体からの物質流出量

透水係数が低い

⇒斜面途中から物質の流出あり

3次元斜面における数値シミュレーション

■解析領域

60m240m

90m

15mＺ(m)

2不飽和領域 8.1

10m

Va)

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

120m

15m

240m

90m

60m

井戸

8.1m Ψ（ｍ）-2飽和領域

8.1

圧力分布Vb)

地盤物性値

■水分特性曲線パラメータ(2004, 川谷，齋藤ら)

0.01 0.017 0.100 3

0.001 0.010 0.250 3

/ seck cm 1cm rS n

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

周期（日） 透水係数（cm/s） 降雨量（mm） 降雨時間（hr）

CASE1 30 0.01 200 48

CASE2 30 0.001 200 48

•Va, VbでそれぞれのCASEを行う．

•以後，Va-0.01やVb-0.001などと示す．0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2day

(mm/hr)

tr

降雨強度 図tr

■飽和透水係数と降雨条件

■物質の移動状況Va-0.01) 濃度 飽和度

180日経過

360日経過

解析結果と考察

下流へ移動せず

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

0~30日経過360日経過

Va-0.001)

180日経過

360日経過0~30日経過

Vb-0.01)

濃度 飽和度

360日経過

180日経過

0~30日経過

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

Vb-0.001)

180日経過

360日経過

0~30日経過

0~30日経過

透水係数低

⇒濃度高

飽和度高

時間遅い

0.002

0.0025

0.003

■井戸での物質の濃度Cwに対する汚染源と透水係数の変化による影響

•汚染源が異なる

•透水係数が異なる

移動状況が全く異なる

①

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

-0.0005

0

0.0005

0.001

0.0015

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Va-0.01

Va-0.001

Vb-0.01

Vb-0.001

移動状況が全く異なるCw

day

①Va-0.01が高い濃度を示した

②汚染源の違いで濃度が大きく異なる(0.01)

③汚染源の違いで濃度が大きく異なる(0.001)

② ③

①Va-0.01がVa-0.001より濃度が高い

•物質が井戸より下流に流れないVa-0.01) Va-0.001)

•地盤内の飽和化

(m3)

0.04

0.05

0.06

0.07

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

(m3)

浸透量

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

0

0.01

0.02

0.03

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450day

斜面全体

井戸

⇒井戸からのみ物質が流出する

00 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

day

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

day

(m3)

汚染物質量

汚染物質流出図

降雨浸透量図

汚染物質流出図(斜面全体)

⇒斜面途中から大量に流出

①Va-0.01が井戸において高い濃度を示した理由

(m3)0.07

180日経過 360日経過

移動しない

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450day

斜面全体

井戸

⇒物質が井戸に集中する井戸への影響大

汚染物質流出図

②汚染源の違いで濃度が大きく異なる．Va＞Vb(0.01cm/sec)

Va-0.01) Vb-0.01)

移動経路

井戸

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

物質が井戸に集中井戸は掠める程度

分散し最下流まで移動

斜面真上から見た図

1番谷の部分を流れ続ける 1番谷へは行かずに下流へ移動

汚染源の場所によって物質の影響場所は変化する

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

-0.01

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

③汚染源の違いで濃度が大きく異なる．Va＜Vb(0.001 cm/sec)

• 透水性が低いため比較的濃度が高い ・地盤内の飽和化

しかし，Vaは飽和の影響大きい，Vbは小さい

(m3) (m3)

汚染物質量

汚染物質量

Va-0.001) Vb-0.001)

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

-0.020 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

-0.010 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500

day dayなぜか？最も飽和しているのは一番谷

途中流出小

高濃度のまま移動途中流出大

井戸への影響小 井戸への影響大

飽和度 濃度

④ Vb-0.01がVb-0.001より濃度が高い

•井戸には掠める程度

•井戸より下流へも影響を及ぼす

Vb-0.01) •0.001に比べ薄められやすい

•移動が速い

Vb-0.001) •比較的高濃度で移動

•移動が遅い

•飽和しているが影響は小さい

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

•Vb-0.01⇒井戸及び最下流まで影響が出るのが速い．

•Vb-0.001⇒速度は遅い．移動経路及び下流での受ける影響は大きい．

-0.0005

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0 50 100150200250300350400450

■降雨が止まったら (最後30日間降雨中止、井戸での汚染物質の流出濃度)

-0.00010

0.00010.00020.00030.00040.00050.00060.00070.0008

0 100 200 300 400 500 600

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

0 50 100150200250300350400450

-0.0005

0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

0 100 200 300 400 500 600

-0.0001

0

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006

0.0007

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Va-0.001

Vb-0.001Vb-0.01

Va-0.010 100 200 300 400 500 600

•Va-0.01の検討 井戸

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

Va-0.01の井戸周辺の図(左図 普段の周期、右図30日降雨を止めた周期)

•移動速度 ⇒透水係数が低下→減速（透水係数と比例関係にならない）

•移動過程 ⇒飽和化→斜面途中から流出（透水係数及び移動経路に依存）汚染源地の比較→井戸へ集中or最下流まで移動透水性が低い →高濃度

•下流への影響⇒透水係数の大小だけでは判断しにくい(移動過程を要考察)

結論

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group

•下流への影響⇒透水係数の大小だけでは判断しにくい(移動過程を要考察)

•降雨が止まる⇒物質の流出は続く濃度変化は条件ごとで異なる~井戸周辺の移動状況を詳細に考察

ご清聴ありがとうございました

Geoenvironmental Risk Assessment Research Group