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 ·...
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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