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。

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)。

課題・留意点など

• 深度数百mのボーリング孔の掘削・調査には多大な費用，時間が必要となります。そのため，地上から掘削されたボーリング孔でのモニタリングは，ボーリング調査のために掘削されたボーリング孔を活用することになると考えられます。モニタリングシステムの構造上，特にピエゾ水頭観測方式のモニタリングシステムの観測区間数はボーリング孔径に依存することから，ボーリング調査段階において，その後のモニタリングを念頭に置いたケーシングプログラムとすることが重要です。
• 長期におよぶモニタリングを継続する上では，モニタリングシステムの経年劣化に対する対策が重要になります。モニタリングシステムの選定にあたっては，モニタリング期間中の計画的なメンテナンスの可否について留意する必要があります。
• モニタリング終了後のボーリング孔の埋め戻し・閉塞方法は研究開発段階にあります（3_2_3を参照）。現時点では，モニタリング終了後のモニタリングシステムの回収事例は少ないことから，モニタリングシステムの回収方法の確立や，モニタリング終了後の回収を前提としたモニタリングシステムの開発が今後の課題です。

(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。

課題・留意点など

• 直接水圧計測方式のモニタリングシステムは，水圧センサーが各深度に設置されるため，溶存ガスの脱ガスによる影響は比較的小さいといえます。しかしながら，システム専用水圧センサー（プローブ）の使用が必要なため水圧センサーのメンテナンスに時間を要する，あるいはパッカーなどのケーシングシステムとセンサーが一体化されている場合はセンサーのみの交換が不可能である，といった欠点があります。このため，長期間のモニタリングを実施するうえでは，故障などに伴う観測データの欠測を未然に防ぐためのメンテナンス計画が重要となります。
• ピエゾ水頭計測方式のモニタリングシステムは，坑道の近傍などで水圧低下が著しい場合，溶存ガスの脱ガスによってピエゾ管内に気体が抑留され，計測結果に大きな影響を及ぼす可能性があります（図6）。したがって，脱ガスの影響が懸念される位置で観測を行う場合には，ピエゾ管内の気体を強制的に排除する方法を確立しておく必要があります。一方で，ピエゾ水頭計測方式のモニタリングシステムの水位計測には汎用性のある水圧センサーが使用可能であるため，センサーの点検・交換が容易であり，水圧センサーの不具合に対処しやすい，といった長所があります。

• 地下水の水圧モニタリングに関しては，季節変動，地球潮汐や大気圧変動，さらに大規模な地震に同期した変動などを含むデータが取得されます。また，地下施設の建設・維持管理期間には坑道掘削や坑道内でのボーリング孔掘削，各種の調査など人為的な作業に伴う水圧変動のデータも取得されます。これらの変動に加え，観測機器のデジタルノイズも取得されます。これらは，地下施設建設前の定常状態の確認や，地下施設の建設・維持管理期間における施設建設に伴う影響を把握する上ではノイズ成分となります。地下施設建設に伴う影響を把握することを目的とする場合には，これらのノイズ成分を除去することが効果的です^{38), 39)}。間隙水圧のノイズ成分分離の例を図7に示します。

• 地下水の採水に関しては，直接水圧計測方式，ピエゾ水頭計測方式とも，ポンプでの揚水により地上で地下水を採取する場合は，大気の接触による酸化や減圧による溶存ガスの脱ガスにより，地下水中の溶存化学成分に変化が生じてしまいます。したがって，溶存ガスの脱ガスや大気との接触の影響を受ける化学成分の分析試料の採取には，圧力変化の少ない原位置（測定深度）でのボトル式バッチ採水が有効となります^{40), 41)}。
• モニタリングシステム設置前のボーリング孔は，孔内に掘削水などの水が滞留しているため，ボーリング孔から地層への孔内水の流入あるいは，地層からボーリング孔への地下水の流入による孔内水と地下水の混合が生じています。したがって，モニタリングシステムによる地下水の採水において採取試料の品質を確保するためには，ボーリング孔内での孔内水と地下水の混合の影響を少しでも防ぐため，ボーリング調査終了後，できるだけ速やかにモニタリングシステムを設置し，一定量ごとの水質分析結果などを指標として，各観測区間で十分な予備排水を行ってから採水を行うことが重要です（図8）。予備排水時の孔内水から地下水への置換状況の把握には，揚水した水の掘削水に添加したトレーサー濃度や物理化学パラメータの確認が有効です（図9，図10）。
• 地上からの地質環境調査の段階で開始する地下水の水圧・水質モニタリングは，地下施設の建設・維持管理・閉鎖時を通じて継続的に実施される可能性があることから，モニタリングシステムの選定にあたっては，観測地点での長期的な地下水の水圧・水質変化を考慮した上で，各モニタリングシステムの特徴を踏まえ，目的に応じた機器の選定が重要です。

参考文献

1. 竹下祐二 (2004): 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 36 (3)，pp.293-303.
2. 地盤工学会 (2004): 地盤調査の方法と解説，丸善出版，東京.
3. 核燃料サイクル開発機構 (2005): 高レベル放射性廃棄物の地層処分技術に関する知識基盤の構築－平成17年取りまとめ－　－分冊1　深地層の科学的研究－，核燃料サイクル開発機構，JNC TN1400 2005-014，415p.
4. 毛屋博道，竹内竜史 (2010): 広域地下水流動研究における地下水の間隙水圧長期モニタリング(2005年度-2008年度)データ集，JAEA-Data/Code 2009-031，38p.
5. 狩野智之，毛屋博道，竹内竜史 (2011): 広域地下水流動研究における地下水の水圧長期モニタリング（2009年度），JAEA-Data/Code 2011-001，37p.
6. 狩野智之，竹内竜史 (2012): 広域地下水流動研究における地下水の水圧長期モニタリング（2010年度），JAEA-Data/Code 2012-001，54p.
7. 狩野智之，竹内竜史 (2013): 広域地下水流動研究における地下水の水圧長期モニタリング; 2011年度，JAEA-Data/Code 2013-002，45p.
8. 別府伸治，狩野智之，竹内竜史 (2013): 広域地下水流動研究における地下水の水圧長期モニタリング; 2012年度，JAEA-Data/Code 2013-012，43p.
9. 別府伸治，毛屋博道，竹内竜史 (2018): 広域地下水流動研究における地下水の水圧長期モニタリング; 2013～2014年度，JAEA-Data/Code 2018-010，58p.
10. 毛屋博道，竹内竜史，岩月輝希 (2019): 広域地下水流動研究における地下水の水圧長期モニタリング; 2015～2016年度，JAEA-Data/Code 2018-020，58p.
11. 毛屋博道，尾上博則，竹内竜史 (2019): 広域地下水流動研究における地下水の水圧長期モニタリング; 2017年度，JAEA-Data/Code 2019-001，49p.
12. 尾上博則，竹内竜史 (2019): 広域地下水流動研究における地下水の水圧長期モニタリング(2018年度)，JAEA-Data/Code 2019-010，41p.
13. 尾上博則，竹内竜史 (2020): 広域地下水流動研究における地下水の水圧長期モニタリング(2019年度)，JAEA-Data/Code 2020-008，41p.
14. 毛屋博道，竹内竜史 (2010): 超深地層研究所計画における地下水の間隙水圧長期モニタリング(2005年度-2008年度)データ集，JAEA-Data/Code 2009-030，74p.
15. 狩野智之，毛屋博道，竹内竜史 (2011): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング（2009年度），JAEA-Data/Code 2011-002，62p.
16. 狩野智之，竹内竜史 (2012): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング（2010年度），JAEA-Data/Code 2012-002，110p.
17. 狩野智之，竹内竜史 (2013): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング; 2011年度，JAEA-Data/Code 2013-007，100p.
18. 別府伸治，狩野智之，竹内竜史，尾方伸久 (2014): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング; 2012年度，JAEA-Data/Code 2013-023，94p.
19. 毛屋博道，別府伸治，竹内竜史 (2018): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング; 2013-2014年度，JAEA-Data/Code 2018-011，112p.
20. 毛屋博道，竹内竜史，岩月輝希 (2019): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング; 2015-2016年度，JAEA-Data/Code 2018-019，107p.
21. 尾上博則，竹内竜史 (2020): 超深地層研究所計画における地下水の水圧長期モニタリング(2017-2019年度)，JAEA-Data/Code 2020-010，112p.
22. 齋正貴，萩原大樹，松島博之，野田正利，納多勝，安藤賢一，田中達也，上田正，本田ゆう子，水野崇 (2010): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究 －瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集－（2004年4月～2008年3月），JAEA-Data/Code 2010-010，75p.
23. 齋正貴，新宮信也，萩原大樹，水野崇 (2011): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究 -瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集-（2008年度），JAEA-Data/Code 2011-003，41p.
24. 新宮信也，齋正貴，萩原大樹，水野崇 (2011): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究 -瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集-（2009年度），JAEA-Data/Code 2011-004，49p.
25. 新宮信也，萩原大樹，増田薫，飯塚正俊，乾道春，水野崇 (2012): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究 －瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集－（2010年度），JAEA-Data/Code 2012-003，50p.
26. 大森一秋，新宮 信也，萩原大樹，増田薫，飯塚正俊，乾道春，岩月輝希 (2013): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2011年度)，JAEA-Data/Code 2013-001，330p.
27. 大森一秋，新宮 信也，増田薫，青才大介，乾道春，岩月輝希 (2014): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2012年度)，JAEA-Data/Code 2013-024，284p.
28. 大森一秋，長谷川隆，宗本隆志，増田薫，青才大介，乾道春，岩月輝希 (2014): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2013年度)，JAEA-Data/Code 2014-019，121p.
29. 林田一貴，宗本隆志，青才大介，乾道春，岩月輝希 (2016): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2014年度)，JAEA-Data/Code 2016-001，64p.
30. 林田一貴，加藤利弘，宗本隆志，青才大介，乾道春，久保田満，岩月輝希 (2017): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2015年度)，JAEA-Data/Code 2017-008，52p.
31. 渡辺勇輔，林田一貴，加藤利弘，久保田満，青才大介，熊本義治，岩月輝希 (2018): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2016年度)，JAEA-Data/Code 2018-002，108p.
32. 福田健二，渡辺勇輔，村上裕晃，天野由記，林田一貴，青才大介，熊本義治，岩月輝希 (2019): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2017年度)，JAEA-Data/Code 2018-021，76p.
33. 福田健二，渡辺勇輔，村上裕晃，天野由記，青才大介，熊本義治，岩月輝希 (2020): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2018年度)，JAEA-Data/Code 2019-019，74p.
34. 福田健二，渡辺勇輔，村上裕晃，天野由記，青才大介，原直広 (2020): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究; 瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集(2019年度)，JAEA-Data/Code 2020-012，80p.
35. 毛屋博道，竹内竜史 (2010): 超深地層研究所計画における地下水の間隙水圧長期モニタリング（2005年度～2008年度）データ集，JAEA-Data/Code 2009-030，74p.
36. 齋正貴，萩原大樹，松島博之ほか(2010): 超深地層研究所計画における地下水の地球化学に関する調査研究－瑞浪層群・土岐花崗岩の地下水の地球化学特性データ集－（2004年4月～2008年3月），JAEA-Data/code 2010-010，75p.
37. (編)松岡稔幸，濱克宏 (2019): 超深地層研究所計画における調査研究－必須の課題に関する研究成果報告書－，JAEA-Research 2019-012，pp.134-136.
38. 後藤和幸，升元一彦，向井圭，竹内真司 (2004): 水圧モニタリングデータの地球潮汐・気圧変動成分の分離解析，第33回岩盤力学に関するシンポジウム講演論文集，pp.445-450.
39. 升元一彦，向井圭，竹内真司 (2004): 花崗岩地域における大深度長期間隙水圧モニタリング，第33回岩盤力学に関するシンポジウム講演論文集，pp.277-282.
40. 古江良治，岩月輝希，水野崇，彌榮英樹 (2003): 試錐孔を利用した地下水の地球化学特性調査手法と品質管理，核燃料サイクル開発機構，JNC TN7520 2003-001，74p.
41. 古江良治，岩月輝希，濱克宏 (2005): 深層ボーリング孔を用いた地下水の地球化学調査の課題に対する試み，応用地質，vol.46，no.4，pp.232-236.

PAGE TOP