1_12_8 モニタリング技術
達成目標

地下施設建設前の地下水モニタリングは,地下水の涵養域から流出域までの大局的な地下水流動方向の把握や,水理地質構造モデル,地下水の水質分布モデルの構築,更新に必要な情報を取得することを主な目標とします。なお,地下施設の建設・維持管理時および地下施設の閉鎖時では,地下施設建設前のモニタリング孔も含めて,施設建設などの人為的な行為に伴う地下水環境の変化を把握することを目標とした地下水モニタリングを行うことが必要となります。

方法・ノウハウ

地下施設建設前のモニタリングについては,地上から掘削されたボーリング孔での地下水環境(地下水の水圧・水質)モニタリングを実施しました(1_10_6)。また,地下施設の建設が施設周辺の環境(騒音や振動など)に与える影響について着目した調査・観測も実施しました(2_1_9)これらモニタリングのうち,ここでは地下水環境モニタリングについて紹介します。

(1)モニタリング孔・区間の設定および掘削手順・仕上げの選定

①モニタリング地点の選定

モニタリング地点の選定の考え方は,対象とするスケールの目的により異なります。

ローカルスケール領域でのモニタリングの主な目的は,地下水の涵養域から流出域までの大局的な地下水流動方向の把握や地下水の水質分布モデルの構築に必要な情報を取得することです。したがって,大局的な地下水流動方向に沿って涵養域,中間域,流出域と想定される場所にモニタリング地点を選定することが重要です。また,大規模な不連続構造(断層など)のうち,大局的な地下水流動に直交する方向の不連続構造については,地下水流動に影響を与える可能性が高いと考えられます。このような大規模不連続構造が推定される場合は,断層を境とした水圧分布や水質分布の違いを把握するためのモニタリングが重要となります(1_5_1)。

サイトスケール領域のモニタリングでは,地下施設の建設予定地に着目し,地下施設建設に伴う人為的な擾乱が生じる前の地下水の水圧・水質分布を把握します。さらに,ボーリング孔掘削時の水圧応答から,水理学的な連続性に関する情報を取得します。長期的には,地下施設の建設・維持管理時や地下施設の閉鎖時における地下水の水圧・水質変化の把握も目的になることも想定しておきます。地下施設の建設・維持管理時は,地下水を排水することで施設周辺の水圧・水質分布が変化すると想定されます。したがって,水みちや水理学的な擾乱を緩和するバリアとなるような地質・地質構造を把握することを念頭に置いてモニタリング地点を選定することが重要です(1_10_6)。

②モニタリング区間の設定

モニタリング区間(パッカー位置)の選定は,各段階でのモニタリングの目的に応じて,ボーリング調査や地下水流動解析の結果を基に設定します。この際,複数の異なる水みちが観測区間を通じて連続しないようパッカー位置を決定する必要があります。このためには,水理試験実施時に試験区間内の水圧変化が上下区間に伝播していないかどうかを確認しておくことが必要です。また,地下水の水質モニタリング(採水調査)の観点からは,採取した地下水試料の品質を確保するため,モニタリング区間内に滞留する水を排除する必要があります。モニタリング区間を広く設定した場合には,区間内に滞留する地下水体積が大きくなるため,区間内の水を十分に排除するために時間を要することがあります。したがって,水質モニタリングの対象となるモニタリング区間については,区間の透水性を考慮しつつ,可能な限り区間長を短くすることで効率的な採水調査が可能となります。

③掘削手順や仕上げの選定

対象とするボーリング孔で実施するモニタリング項目を念頭に置いて,適切な掘削手順や仕上げ方を選定する必要があります。例えば,堆積岩が被覆する地域において地下水の水圧・水質をモニタリングする場合,深層ボーリングの場合は,崩壊防止の観点で被覆層の分布深度にケーシングを挿入する事が想定されるため,浅部の地層を対象とした地下水モニタリングは適していません(1_10_1)。また,孔壁の地質調査や地下水の採水を実施する場合は,掘削水に清水を使用することが推奨されますが,対象とする地質に応じて適切に選定する必要があります(1_12_3)。地下水の採水を行う場合は,掘削水の汚染度合いを評価できるよう掘削水にトレーサーを添加すべきですが,トレーサー物質は地下水や地層の性質に応じて選定する必要があります(1_12_7)。

このように,モニタリングはボーリング孔掘削のやり方と密接に関係していることから,ボーリング調査の立案時に異なる分野の専門家の知見を集約しておくことが重要となります。

(2)モニタリング手法

単一の帯水層を対象に地下水の水圧・水質モニタリングを行う場合は,対象となる帯水層にストレーナを設け,対象となる帯水層以外の深度を低透水性の粘土などで埋めて,水位計測・採水を行う方法が一般的です1), 2)。ただし,この方法では1本のボーリング孔につき1区間でしか観測できないため,対象となる帯水層(観測区間)が複数ある場合は,複数のボーリング孔が必要となります。そのため,観測対象となる区間が多数存在する深度数百m級のボーリング孔では,パッカーを用いて1本のボーリング孔に複数の観測区間を設置することができる,マルチパッカーシステムを用いた地下水の水圧・水質モニタリングが実施されます。マルチパッカーシステムには,水圧センサーを用いて観測区間の水圧を直接測定する方式(直接水圧計測方式)と,観測区間から立ち上がるピエゾ管内の水位を測定する方式(ピエゾ水頭計測方式)があります(図1)。

地下水の水質モニタリングについては,モニタリングシステムの各区間から採取された地下水の分析を行います。地下水の採取方法は,モニタリングシステムの各区間からポンプにより揚水された地下水を地上で採取する方法,モニタリングシステムの各区間に採水用プローブと採水ボトルを接続し採取する方法(ボトル式バッチ採水)があります。ポンプにより揚水された地下水を地上で採取する方法では,地上配管に物理化学パラメータを計測可能なセンサーを備えたフローセルを設置することで,大気との接触による影響の少ない状態で物理化学パラメータを測定することができます。ただし,圧力変化に伴う溶存ガスの脱ガスの可能性があり,これに伴う水質の変化に注意する必要があります。

直接水圧計測方式は,各観測区間にプローブを設置して,データロガーからストリングスと呼ばれるケーブルを接続して,プローブで区間内の水圧を直接観測する。ピエゾ水頭計測方式は,各観測区間からチューブ等で構成されたピエゾ管を地表付近まで延長して,ピエゾ管内を上昇した地下水の水位を計測する。
図1 間隙水圧のモニタリング方法3)
東濃地域における実施例

(1)モニタリング孔・区間の設定および掘削手順・仕上げの選定

地上から掘削されたボーリング孔でのモニタリング位置を図1に示します。広域地下水流動研究では,大局的な地下水の流動方向に沿った位置に配置したモニタリング孔で地下水の水圧・水位モニタリングを実施しました4-13)。正馬様用地でのモニタリングでは,透水異方性を有する月吉断層に着目し,同断層を貫通するボーリング孔などで断層近傍での地下水の水圧・水質モニタリングを実施しました14-21)。研究所用地では,研究坑道掘削に伴う地下水環境の擾乱を把握するための地下水の水圧・水質モニタリングを実施しました14-34)

土岐市,瑞浪市にまたがる縦約8km,横約10kmの範囲に広域地下水流動研究用のボーリング孔が10本ある。土岐市側では北から順にDH-8号孔,その約1.3km南方にDH-7号孔,さらに約1.2km南にDH-5号孔がある。DH-5号孔の3km南南東にDH-12号孔がある。瑞浪市側では竜吟湖の約800m北にDH-10号孔,そこから2.8km南西にDH-3号孔があり,DH-3号孔の南東約2.3kmにDH-11号孔がある。DH-11号孔の南南東約2.2kmにDH-15号孔があり,DH-15号孔の西600mほどのところに瑞浪超深地層研究所用地とDH-2号孔がある。また,DH-15号孔の西南西約3.2kmにはDH-12号孔がある。瑞浪超深地層研究所用地ではMSB-1号孔が研究所用地境界の北西の角から南に100m,西側の境界から30mほどに,MSB-2号孔が境界南端から北に80m,東側境界沿いに,MSB-3号孔が研究所用地の南北ほぼ中央,東側の境界線から80mほどに,MSB-4号孔が北の境界から南に10mほど,北西の角から東に70mほどに位置する。さらにMIZ-1号孔がMSB-1号孔の東約120mに,05ME06号孔がMSB-3号孔の南東約50mにあり,これら6本の内MSB-2号孔とMIZ-1号孔が水質観測孔,その他は間隙水圧(水位)観測孔である。また,MIZ-1号孔とMSB-3号孔は傾斜孔である。なお,05ME06号孔は建設工事開始後(2005年度)に観測を開始した。正馬様用地は瑞浪超深地層研究所用地の北西約1.3kmに位置する。正馬様用地には瑞浪超深地層研究所周辺の間隙水圧(水位)を観測するためのボーリング孔が6本存在する。北から順に見て行くと,まずMIU-3号孔は用地の北西端から約115m南南東に位置する。その南東約130mにMIU-2号孔があり,MIU-2号孔から約115m南南東にMIU-1号孔がある。MIU-1号孔から約100m南南東にMIU-4号孔がある。AN-1号孔は正馬様用地南端から約150m北東に位置する。その約40m東にAN-3号孔がある。
図2 モニタリング孔位置図(地上から掘削されたボーリング孔)

課題・留意点など

(2)モニタリング手法

図2に示したボーリング孔のうち,間隙水圧(水位)観測孔および水質観測孔では,マルチパッカーシステムを用いた水圧・水質モニタリングシステムによる地下水モニタリングを実施しました例えば35), 36)。この観測は地下施設建設前に開始し,地下施設の建設・維持管理期間中も継続しました。水圧モニタリングの一例を図3,水質モニタリングの一例を図4に示します。地下水の水圧・水質とも,地下施設建設前の安定した状態から,地下施設建設に伴う変化が確認されました37)

使用したモニタリングシステムは,ピエゾ水頭計測方式のシステム(Solexparts社製 SPMPシステム)が2孔(MIZ-1号孔,DH-15号孔),直接水圧計測方式のシステム(Westbay社製 MPシステム)が14孔(MIZ-1号孔,DH-15号孔以外)です(図5)。両者とも,ポンプを使用した連続採水機能を備えています。また,直接水圧計測方式のシステムはシステム専用のプローブを使用することで圧力を保持できるボトル式バッチ採水による地下水採水を行うこともできます。

横軸に日付,縦軸に全水頭をとったグラフ。MSB-1号孔の区間1~5の水圧観測結果が全水頭に換算して表してある。区間1は坑道の掘削開始後も大きな変化はないが,それ以外の区間では全水頭が低下している。区間2と3は土岐夾炭層の砂泥互層より浅部を観測しており,水圧低下が2009年~2010年以降は緩やかになっているが,より深部の区間4や5はその後も低下傾向が続いている。
図3 地下水の水圧モニタリング結果の一例(MSB-1号孔)6)
横軸に日付,縦軸に各溶存イオン濃度をとったグラフ。ナトリウムイオン,カルシウムイオン,溶存無機炭素,硫酸イオン,塩化物イオンの濃度変化が図示されている。MSB-2号孔では,カルシウムイオンや溶存無機炭素が観測を開始した2003年頃から2005年頃にかけて低下し,その後はおおむね横這いになっている。一方,塩化物イオンやナトリウムイオンは,低下する区間と途中から上昇する区間がある。MSB-4号孔では,塩化物イオンやナトリウムイオンは同じく増減する区間があるが,それ以外のイオン濃度は大きく変化していない。
図4 地下水の水質モニタリング結果の一例(MSB-2号孔,MSB-4号孔)6)
(1) MPシステムは,直接水圧計測方式の装置である。MPケーシングとパッカーをボーリング孔内に設置して観測区間を設け,サンプラープローブと採水ボトルを上げ下げすることで任意の区間の地下水を採水可能である。(2) SPMPシステムは,ピエゾ水頭計測方式の装置である。各観測区間からスタンドパイプが接続され,地下水がスタンドパイプを通じて地表付近まで立ち上がる。
図5 モニタリングシステムの概念図5)

課題・留意点など

2019年度の4/1から10/1までの水圧観測結果を全水頭で表したグラフ。半月~1ヵ月おきに全水頭がスパイク状に上昇しているが,これは,脱ガスにより生じた気泡がピエゾ管内の水面を押し上げてしまった結果だと考えられている。
図6 ピエゾ水頭計測方式モニタリングシステムでの脱ガスの影響(MIZ-1号孔No.4区間の例)
横軸に時間,縦軸に圧力をとったグラフが並んでいる。計測値の生データは,全体傾向としては約3ヵ月かけて水圧が低下しているが,値に数kPa程度のブレが継続して認められる。これに,地球潮汐変動,大気圧変動,イレギュラー成分の各ノイズ除去を施すと,スムーズな曲線になる。
図7 間隙水圧のノイズ成分分離の例3)
掘削時は,ボーリング孔が貫く各帯水層に掘削水が混入する。モニタリングシステムを設置して,パッカーで,各帯水層を区切る。各区間から揚水することで,帯水層に溜まった掘削水を排水する。掘削水が除去できたら,各区間から採水を行う。
図8 孔内水などの影響の排除過程(イメージ図)
横軸にトレーサー濃度,縦軸に測定対象とする化学成分濃度をとったグラフ。トレーサー濃度が高いと溶存イオン濃度が高くなっていることから,掘削水に含まれる成分が元の地下水の濃度を変化させていることがわかる。このプロットから作られた近似曲線を使うことで,掘削水が除去しきれていなくても,元の地下水の濃度が推測できる。
図9 揚水量と化学成分濃度の関係40)
横軸に揚水量,縦軸に測定対象とする物理化学パラメータをとったグラフ。揚水を始めたばかりで揚水量が少ないと値が低いが,揚水量が増えると徐々に上昇し,ある程度揚水して以降は値が横ばいになる。物理化学パラメータの場合は,揚水量を増やしていくと元の地下水の値に収束する傾向となる。
図10 揚水量と物理化学パラメータ値の関係40)
参考文献
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