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明石工業高等専門学校 専攻科 特別研究
- 1. 海面処分場における遮水構造物の 遮蔽性能評価に関する研究 地球環境学者 環境マネジメント専攻 社会基盤技術論分野 修士課程１年 眞鍋 磨弥 （明石工業高等専門学校 建築・都市システム工学専攻 環境地盤研究室） GRADUATE SCHOOL OF GLOBAL ENVIRONMENTAL STUDIES ENVIRONMENTAL INFRASTRUCTURE ENGINEERING MASTER’S THESES 1ST GRADE MAYA MANABE (NATIONAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY, AKASHI )
- 4. 難透水層 廃棄物層 海域 海域 覆土 遮水構造物の性能基準 遮水構造物の性能基準：透水係数と層厚 層厚 透水係数 5.0m以上 1×10-7 m/s以下 4 層厚を1オーダー小さくする →透水係数も1オーダー小さくする 表．遮水構造物の層厚と透水係数 遮水構造物の層厚の変化
- 5. 有害物質の漏出 移流…圧力勾配により物質が移動する現象 拡散…濃度勾配により物質が広がる現象 分散…物質の移動速度が一律ではなく分布を持つ現象 5 有害物質の漏出は、移流・分散・拡散が相まって生じる。
- 6. 移流…圧力勾配により物質が移動する現象 6 遮水 構造物 海域廃棄物層 覆土 有害物質 水の流れ 移流による漏出のイメージ図 有害物質の漏出は、移流・分散・拡散が相まって生じる。 有害物質の漏出
- 7. 分散…物質の移動速度が一律ではなく分布を持つ現象 7 分散のイメージ図 有害物質の漏出は、移流・分散・拡散が相まって生じる。 有害物質の漏出 ¶c ¶t - D ¶2 c ¶xi 2 = 0拡散・分散の支配方程式 c: 濃度 [g/m3] D: 拡散係数 [m2/s] α: 分散長[m] L:直線流路長[m] Le:実流路長[m] Dm:分子拡散係数[m2/s] D =av+ L Le Dm 拡散・分散係数
- 8. 拡散…濃度勾配により物質が移動する現象 8 拡散のイメージ図 有害物質の漏出は、移流・分散・拡散が相まって生じる。 有害物質の漏出 ¶c ¶t - D ¶2 c ¶xi 2 = 0拡散・分散の支配方程式 c: 濃度 [g/m3] D: 拡散係数 [m2/s] α: 分散長[m] L:直線流路長[m] Le:実流路長[m] Dm:分子拡散係数[m2/s] D =av+ L Le Dm 拡散・分散係数
- 14. ・廃棄物層の有害物質濃度を1と置く ・処分場内外の水位差：2.0m ・解析期間：30年 透水係数 (m/s) 有効 間隙率 (%) 縦分散 長 (m) 横分散 長 (m) 分子拡散 係数 (m2/s) 遅延 係数 遮水工 Parameter 10 0.1 0.01 1.0×10-9 1 粘土層 7.0×10-9 20 0.1 0.01 1.0×10-9 2 廃棄物 層 1.0×10-5 100 0.1 0.01 1.0×10-9 1 海域 1.0×10-2 100 0.1 0.01 1.0×10-9 1 表. 各構成層における解析パラメータ 移流拡散解析 5.0 5.0x 10 10 5.0 単位(m) 海域 廃棄物 層 13 遮水工 粘土(不透水層) 14 鋼製矢板式護岸の解析モデル
- 15. 鋼製矢板式護岸の透水係数・層厚を変化させる。 層厚 (m) 1.0 1.5 0.5 透水係数 (m/s) 1×10-11 ① ④ ⑦ 1×10-10 ② ⑤ ⑧ 1×10- 9 ③ ⑥ ⑨ 表. ケース場合分け ケース⑩：層厚0.5m，透水係数1×10-8 m/s 層厚と透水係数のケース分け 15
- 16. 16 結果 0.000.050.100.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.900.951.00 相対濃度 ⑦ ⑧ ⑨ ⑩ 供用初期 有害物質漏出のコンター図（層厚0.5m) 1×10-11 m/s 1×10-10 m/s 1×10-9 m/s 1×10-8 m/s
- 17. 結果 透水係数 (m/s) 拡散・分散漏出量 (m3) 総和漏出量 (m3) 拡散・分散/総和 1×10-9 0.650151 65.015136 0.01 1×10-10 5.185698 13.745210 0.38 1×10-11 8.469291 10.210265 0.83 増加 表. 透水係数が変動した時の漏出量の算出値 (層厚0.5m) 17 層厚 (m) 拡散・分散漏出量 (m3) 総和漏出量 (m3) 拡散・分散/総和 1.5 3.310498 3.528966 0.94 1.0 4.846768 5.411227 0.89 0.5 8.469291 10.210265 0.83 表. 層厚が変動した時の漏出量の算出値 (透水係数 1×10-11) 増加 減少 増加
- 18. 結果 透水係数 (m/s) 拡散・分散漏出量 (m3) 総和漏出量 (m3) 拡散・分散/総和 1×10-9 0.650151 65.015136 0.01 1×10-10 5.185698 13.745210 0.38 1×10-11 8.469291 10.210265 0.83 増加 表. 透水係数が変動した時の漏出量の算出値 (層厚0.5m) 18 層厚 (m) 拡散・分散漏出量 (m3) 総和漏出量 (m3) 拡散・分散/総和 1.5 3.310498 3.528966 0.94 1.0 4.846768 5.411227 0.89 0.5 8.469291 10.210265 0.83 表. 層厚が変動した時の漏出量の算出値 (透水係数 1×10-11) 増加 減少 増加 拡散・分散が卓越している。
- 19. 結果 透水係数 (m/s) 拡散・分散漏出量 (m3) 総和漏出量 (m3) 拡散・分散/総和 1×10-9 0.650151 65.015136 0.01 1×10-10 5.185698 13.745210 0.38 1×10-11 8.469291 10.210265 0.83 増加 表. 透水係数が変動した時の漏出量の算出値 (層厚0.5m) 19 層厚 (m) 拡散・分散漏出量 (m3) 総和漏出量 (m3) 拡散・分散/総和 1.5 3.310498 3.528966 0.94 1.0 4.846768 5.411227 0.89 0.5 8.469291 10.210265 0.83 表. 層厚が変動した時の漏出量の算出値 (透水係数 1×10-11) 増加 減少 増加 拡散・分散により増加
- 20. 20 透水係数・層厚の変化 結果 層厚一定の下 透水係数を小さくする →移流漏出量が減少、拡散・分散漏出量が増加 ダルシー則に従った場合 層厚・透水係数を小さくする →移流漏出量が一定、拡散・分散漏出量が増加 層厚・透水係数を大きくする →移流漏出量が一定、拡散・分散漏出量が減少 移流：抑制可 拡散・分散：抑制困難
Editor's Notes
- 海面処分場における遮水工造物の遮蔽性能評価に関する研究について発表させていただきます。AC1416の眞鍋磨弥です。よろしくお願いいたします。
- 本研究でとりあげます、海面処分場とは海域に建設されます廃棄物処分場であり、図のような構造を持ちます。 その特徴としては、
- 廃棄物層および処分場内の保有水に含まれます有害物質が海域に漏出するのを防ぐために、黄色で示されます遮水構造物によって囲まれていることが挙げられます。 遮水構造物とは、遮水シートや鋼製矢板など透水係数の低い材料で構成される構造物のことです。 また、遮水構造物は、陸の処分場と異なり潮汐や波浪などの作用から,から処分場を保護する護岸としての役割も果たしております。
- 遮水構造物の性能は層厚と透水係数によって定められております。具体的には、表に示される通りですが、実際には1-2オーダー透水係数を厳しく設定されていることが多いです。ま また、層厚の増減に伴い、透水係数も設定されており、遮水構造物の性能は層厚と透水係数の比によって定められることが多いと考えられます。 そのため、5.0m以下の層厚であっても透水係数より厳しく設定することでその性能を満足するとしております。
- 有害物質の漏出は、移流・分散・拡散が相まって生じます。 まず、移流とは水の流れに伴い物質が移動する現象であり、ダルシー速にしたがって表すことができます。
- 海面処分場では処分場内の保有水位と海域の水位差によって、遮水構造物内に生じる水の流れによって有害物質が漏出すると考えられております。
- 次に、分散とは物質の移動方向に乱れる現象であり、図に示されるようなイメージで考えられます。 しかし、分散は移流が卓越する環境下では有害物質の漏出にほとんど影響しないと考えられています。
- また、拡散とは濃度勾配によって物質が移動する現象であり、図のようなイメージで考えられます。また、拡散はここに示しますフィックの第２法則にしたがって表すことができます。
- 海面処分場において、有害物質濃度の高い処分場内部から濃度の低い海域に向かって拡散することが考えられます。 拡散は分散と同様に移流が卓越する環境下ではあまり漏出に影響を与えないと考えられております。 また、これまでの遮水構造物の層厚は、基準値にも示されておりますように5m以上と巨大なものが多く、遮水構造物における濃度勾配が小さいと考えられます。 そのため、拡散による有害物質の漏出は考慮されておりません。
- しかし、処分場の容量を確保するために、層厚の小さな遮水構造物を設置する場合があります。 遮水構造物における濃度勾配が高くなると考えられます。
- そのため、拡散現象が有害物質の漏出に影響する可能性があげられますが、 現状、この場合の有害物質の漏出における拡散の影響度は検討されておりません。
- まとめますと、現在の遮水構造物の性能基準では、拡散による有害物質の漏出を過小評価している可能性があると考えられます。 そのため、本研究では、遮水構造物における遮蔽性能に関して、拡散現象を考慮した検討を行います。
- 具体的には、スライドに示すようなフローに沿って検討を行います。まず、簡易な遮水工モデルにおいて透水係数が極めて低い環境下での有害物質の拡散現象の影響の有無を確認します。 次に、実際の遮水構造物を模したモデルにおいて、有害物質の移流拡散解析を行い、移流および、拡散・分散現象による湯がい物質の漏出量を求めます。 本発表では、構成矢板式護岸にフォーカスし、層厚・透水係数の違いによる有害物質の漏出の違いを比較、検討します。
- 移流拡散解析における解析モデルの概要図および解析パラメーターを次のスライドに示します。 この解析により、廃棄物層から遮水構造物を通過し海域へ漏出する有害物質の総量を求めます。 また、廃棄物層における有害物質濃度を1と置き固定としております、廃棄物層の上端に水頭200cmを与えております。（危険側の評価 また、解析期間は処分場の使用開始から跡地利用開始までの平均的な年数である、30年としております。
- また、遮水構造物の層厚と透水係数は次のスライドに示しますように計10通り設定いたしました。
- 各ケースにおいて解析を行った結果について話させていただきます。 この図は、層厚0.5mにおける有害物質の漏出をコンター図で示したものです。 この図は供用初期の状態を示しており、左に行くほど透水係数が低く設定されております。 これを見ますと、基準の条件では有害物質の漏出が確認されます。 対して最も透水係数の小さなケース７ではほとんど有害物質が漏出していないことがわかります。 すなわち、基準の透水係数では漏出の抑制に不十分であることがわかります。
- また、透水係数別に、拡散による漏出量および全体の漏出量、そして全体の漏出量に対する移流による漏出量の割合を次の表にまとめております。 これを見ると、透水係数を小さくすれば総和漏出量は抑制できるが、拡散漏出量は増加しており、拡散が卓越していることがわかります。 また、拡散が卓越する環境下において層厚別に各漏出量を比較しますと、層厚が小さくなるほど総和漏出量が増加しております。しかし、移流漏出量に比べ拡散漏出量の 増加が顕著であるため、拡散により漏出量が増加することがわかります。また、層厚が大きくなるほど拡散が卓越することがわかります。
- また、透水係数別に、拡散による漏出量および全体の漏出量、そして全体の漏出量に対する移流による漏出量の割合を次の表にまとめております。 これを見ると、透水係数を小さくすれば総和漏出量は抑制できるが、拡散漏出量は増加しており、拡散が卓越していることがわかります。 また、拡散が卓越する環境下において層厚別に各漏出量を比較しますと、層厚が小さくなるほど総和漏出量が増加しております。しかし、移流漏出量に比べ拡散漏出量の 増加が顕著であるため、拡散により漏出量が増加することがわかります。また、層厚が大きくなるほど拡散が卓越することがわかります。
- また、透水係数別に、拡散による漏出量および全体の漏出量、そして全体の漏出量に対する移流による漏出量の割合を次の表にまとめております。 これを見ると、透水係数を小さくすれば総和漏出量は抑制できるが、拡散漏出量は増加しており、拡散が卓越していることがわかります。 また、拡散が卓越する環境下において層厚別に各漏出量を比較しますと、層厚が小さくなるほど総和漏出量が増加しております。しかし、移流漏出量に比べ拡散漏出量の 増加が顕著であるため、拡散により漏出量が増加することがわかります。また、層厚が大きくなるほど拡散が卓越することがわかります。
- したがって、透水係数・層厚を安全側に変化させると拡散による漏出が卓越することがわかります。 また、層厚と透水係数を安全側に設定することで移流は抑制できますが、拡散による有害物質の漏出は抑制できていないこともわかります。
- まとめますと、本研究では、鋼製矢板式護岸における有害物質の漏出を解析しました。 その結果、透水係数、層厚の変更により移流を抑制は可能であるが、拡散は抑制できておらず、 遮蔽性能がとくに高い環境下では、拡散による有害物質の漏出を過小評価している可能性があると考えられます。 そのため、遮水構造物の設計においては拡散を考慮したアプローチを行うべきであると考えられます。 具体的には、遮水工造物の実流路長を増やし、拡散係数を小さくすることなどが考えられます。 以上で発表を終わります。ご静聴ありがとうございました。