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潮汐による海岸被圧地下水の流動

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Academic year: 2021

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(1)

潮汐による海岸被圧地下水の流動

松原 茂*・武政剛弘*

薦 田 広 章 * ・ 浅 海 英 三 * *

C o a s t a l  A r t e s i a n  G r o u n d w a t e r  F l o w  d u e  t o   T i d e  

by 

S i g e r u  MA  TSUBARA 

( D e p a r t m e n t  o f   C i v i l   E n g i n e e r i n g )  

T a k e h i r o  T  AKEMASA 

(Department o f  C i v i l  E n g i n e e r i n g )  

H i r o a k i  KOMODA 

(Department o f  C i v i l  E n g i n e e r i n g )  

E i z o  ASAMI 

( U n i v .  o f  E a s t  A s i a )  

The p i e z o m e t r i c  head i n   a r t e s i a n  groundwater o s c i l I a t e s  remarkably due  t o   o c e a n i c   t i d e .  

As i s   we l I   known

, 

t h e  e f f e c t  o f  t h e  t i d e   on t h e  p i e z o m e t r i c  head p r e v a i l s  even i n   f a r   i n l a n d .  

The a r t e s i a n  groundwater i s   g e n e r a l I y a  very good s o u r c e  o f  d r i n k i n g  water

, 

b e c a u s e   o f   t h e   p u r i f i c a t i o n   p r o p e r t i e s   o f   t h e   s o i l s ;   i t   i s   a l s o  used f o r  i r r i g a t i o n

, 

and

, 

where  s u r f a c e  water i s   s c a r c e

, 

f o r   i n d u s t r i a l  p u r p o s e s .  

A I

a r g e   q u a n t i t y   o f   d i s c h a r g e   from  an  a q u i f e r   produces  a r e d u c t i o n   i n   water  p r e s s u r e  and t h e r e f o r e ,  a t   t h e  same time ,  an i n c r e a s e   i n   t h e   e f f e c t i v e   s t r e s s   i n   t h e   s o i l   s k e l e t o n  o f  t h e  porous medium. 

The I a t t e r  produces l a n d  s u b s i d e n c e   ( o r  c o n s o l i d a t i o n )   and s e a  water may i n f i l t r a t e   i n t o  a r t e s i a n  g ro un dw at er . 

It 

i s   n e c e s s a r y  t o   s t u d y  t h e  c h a r a c t e r i s t i c s  o f  t h e  l i t t o r a l   a r t e s i a n   groundwater flow  f o r  p r e v e n t i n g  t h e s e  groundwater p o l l u t i o n .  

1n t h i s   paper we wi l I   s o h T e  t h e  d i f f e r e n t i a l  e q u a t i o n   f o r   unsteady  a r t e s i a n   ground‑

water  flow  under  v a r i o u s   boundary  c o n d i t i o n s   t h a t   c o r r e s p o n d   t o   t h e   g e o l o g i c a l   s t r u c t u r e  i n   t h e  l i t t o r a l   zone 

(1)  まえがき

海岸付近の井戸では海洋潮汐の影響をうけてその水 昭和5

6

1 0 月 1日受理

*長崎大学工学部土木工学科 料 東 亜 大 学 工 学 部

位が上下するととは古くから知られている. 自由地下 水層の浅井戸での感潮度は海岸より内陸に向って急減

(2)

66 潮汐による海岸被圧地下水の流動

しており,水位変動が認められるのは海岸のごく近傍 に限られている.それに反して被圧地下水層に達した 掘抜井戸では,海岸潮汐の影響をうけてその水頭は著 しく変化する.しかもその影響はいがいに内陸深くま でおホぶことが知られている.こρ被圧地下水は水質 的にも水量的にも安定しているため飲料水ならびに工 業用水としてさかんに利用されている.そのほか干拓 地の除塩などカンガイ水としての用途も広い.しかし ながら近年都市における水需要の飛躍的な増大による 地下水利用量の急激な伸びは,各地で過剰揚水による 地盤沈下あるいは地下酸欠空気の発生,井戸枯れ,地 下水の塩水化などの地下水公害を惹起し社会問題化し ている.こうした被害を未然に防ぎかつ地下水を有効 に利用するための地下水開発,保全が叫ばれてすでに 数年が経過した.それに対する有効な対策も講じられ ないまま地下水公害は確実に深く静かに進行している.

これらの対策の一歩として被圧地下水層の流れを数量 的に解析し,その実体を知ることがまず要求される.

ここでは種々の状態にある海岸被圧地下水のそれぞれ の状況に応じた不定流被圧地下水に対する微分方程式 を導きそれぞれに対する解を示した.

〔2〕微分方程式の解

 海岸付近では被圧帯水層の傾斜は一般に緩やかであ るから,簡単のために上下の不透水層と被圧帯水層と の境界面は水平であると仮定し,被圧帯水層が海に向 って開ロしているとする.そして上部不高層を貫ぬく 多数の掘抜井戸によって被圧水が地上に噴出している

状況を考える.今Fig.1に示すように座標原点を開

口部にとり,被圧帯水層の下面に海岸線に直角に内陸

にむかってκ軸をとる.そして鉛直上向きに9軸を

とる.このような地下構造に対しては被圧弾性透水層 の理論により非定常被圧地下水の微分方程式として次 のものを得る.今任意の時刻オ,場所り。において被 圧層に加わる外圧をζ,被圧層内の地下水圧の平均状 態よりの増加量をρとすると1)

  ÷(ρ一θζ)一〆纂一6肋

ここにθ=α/{α十(1一λ)γ十λβ}

      K−T/8一た/{α+(1一λ)γ+λβ}

  ヨ

  6=α。/Dρ{α+(1一λ)γ+λβ}

   一6。/Dρ9{α+(1一λ)7+λβ}

  T=(ゐ/μ)ρgD=ゐ1D   8=ρ91D{α+(1一λ)γ+λβ}

で結ばれる.各記号の名称を以下に記す.

 β:被圧水の圧縮率  α:被圧帯水層の垂直圧縮率  ρ:被圧水の密度

 λ:被圧帯水層の間隙率  μ:被圧水の粘性係数  γ:土粒子の圧縮率

D:被圧帯水層の厚さ,

 g:重力加速度

(1)

 ゐ:固有透過度(intrinsic permeability〔L2〕)2)

 ゐ1:透水係数(hyd士aulic conductivity〔L/T〕)

 T:透水量係数(transmissibility)

 8:貯溜係数(coefficient of storage)

そして無数の掘抜井戸のため被圧水が地上へ噴出して

5uて、ace

Artesian weU

        o

9

 じ

V

Sea surface

7

         説ImperviOUS

.測:凱∴・∵・w芯・㍗ゴ∴

黷P:禦1喫aquife「

   O

      z

hmper>ious iayer

(し0)

X

Fig.1Model of artesian groundwater(1)

(3)

いるとき,噴出量を層全体におしなべてこれが平均的 に上部の不透層より単位時間,単位面積当り浸出して いると考え,この量を浸出質量とした時は被圧水圧に,

浸水量とした時は被圧水頭にそれぞれ比例するとして 前者の比例定数をαo,後者を6。とする.この(1)を種

々の状況に応じて境界条件を変えることにより解法を

試みる。

1) 海側開ロ,内陸遠端開放不圧の場合

 この状況は海岸で被圧水層が海に開口し,被圧水は 直接海水と連絡していてそこでの被圧水の圧力は海水 の圧力と等しくなっているとする.そして被圧帯水層 が受ける外圧の変化としては,被圧層上部の自由地下 水位の変動,気圧の変化,海水荷重の変動等が考えら

れるが,この場合は被圧水の圧力変動ρに比してそ

れらは無視できるほど小さいとして

  器・       (2)

とする.したがって(1)は次式のようになる.

  霧一K2纂一の    (3)

この(3)を実際におこりうる境界条件のもとで解く.ま

ず条件として最も一般的なものを考える.これは前述 のようにん一〇で被圧帯水層が海に開口し,その点で の被圧水の圧力は海水の静水圧に等しくすなわち海洋

潮汐があり,被圧帯水層の遠端κ一1はFig.1に示

すような開放不圧状態でありそこでも水位の変動が存 在する場合である.すなわち境界条件を次式でもって

表わす.

:;;1二!:1:瓢β)} (4)

(3)を(4)の条件の下に解いて次の解を得る.

       ノ

ρ=・i・h・翅、1・…。11+…h・解、1,i。・。11   ×〔{sinh吻11 cosη11 sinh初、(1一κ)

  ・cosπ1(1一κ)

   十cosh翅11 sinπ11 cosh〃21(1一κ)

   ●sinη1(1一比)}COS σ1

   十{cosh〃〜11 sinη11 sinh〃z1(1一κ)

   ・COSπ1(1一κ)

   一sinh〃〜11 cosη11 cosh〃11(1一κ)

   ・sinη1(1一κ)}sinσ1オ〕

十      9

 sinh2〃721 cos2η21十cosh2η221 sin2π21

×〔{sinh餌21 cosπ21 sinh魏2κcosη2κ   十cosh〃221 sinπ21 cosh御2κsinπ2κ}

  ・COS(σ2卜β)

 十{cosh〃221 sinπ21 sinh〃22κcosπ2κ   一sinhη〜21 cosη21 cosh〃22κsinπ2κ}

  ・s量n(σ2 一β)〕      (5)

三筋一K(辮1十zη1)一門{辞+穿+解        +》》が+誓一解}

》解+砧K(解2十zη2)一±{ゾ価穿+ド        +》》辱一画

(6)

である.この㈲についての吟味を行なってみる.

(a)地上への噴出量が大きい場合

掘抜井戸が多く存在して地上への噴出量が多いときは 62の値が大きくなり,(6)において64にたいしてσ1,

σ2を無視すると

際一長一ゾ論

  π1=π2=0

となり,⑤は次式のようになる.

     1

轡}(7)

ρ一,i。h解1{!sinh〃2(1一κ)…σ・・.

+・・i・h膿…(・・ 一β)}

(8)

ここでσ1一σ2(一σ)としたときの解は野満隆治氏3)が 示したものに一致し,(8)を次の形で示している.

、ρ一声㎜…説一li畿チ伊C・・σ   一・…(・ 一β)}    (9)

また被圧帯水層が内陸に無限に延びている時は,・1=

。。でg=0として(8)に適用すると次式となる.

  ρイθ 糀劣cosσ、         (1① この式は速水頒一郎氏などの著書に示されている4).

これによると振巾は指数法則にしたがって,内陸に入 るにつれて減少するが位相の遅れはみられない.吉川 恭三氏5)はこの⑳が別府温泉にて適用できることを示

している.

(b)地上への噴出量が小さい場合

上部の不透層からの漏水が非常に少ないときは,(1)の

記号で説明するようにαoが非常に小さいとすると 6がσ1,σ2に比して無視できて(6)より次の関係を得る

ここに

1:1:::::=蒋:1::}

これを㈲に代入して次式を得る.

       ノ

ρ=

α1)

   麦傷㎡÷ゾー垂

訓台恥÷厚

(4)

68 潮汐による海岸被圧地下水の流動

×〔←i・h台τ…÷ゾ亨

  ・舳1ぞゾ㌢・・1ぞ傷

+舳艾鼬b堰E÷吾

・㎞1幕Gi・1ぞ再}

  ●COSσ1

+{一h÷浮i・÷源   ・舳1ぞ蕩鵬1ぞ源「

一曲芫恂Q台車

・舳 F卸量・劉一亨}

  ・si…弓

      9

  十       1         _

   鮮÷ゼ乎㎡÷樗

    ×〔←i・h台紙…台一亨

      ・曲÷彦鵬÷樗       +舳二季i・÷蕩

      ・舳÷溜・i・÷溜}

      ・COS(σ2卜β)

     +{…h台乎i・÷痔

      ・・i・h÷播鵬裁安       台i・h台乎・s台一亨       .・…h÷/穿・i・老V安}

      ・si・(・・卜β)〕   (12

そして被圧帯水層が内陸に無限に延びているときは,

1=。。,g=0とすると(12)は次式のようになる.

ρ一が寿号…@一÷」)(1紛

この式も速水頒一郎氏6)などの著書に示されている.

また働は(3)で62=0とおいたものを解いたものである.

さらに被圧帯水層の垂直圧縮率,土粒子の圧縮率,水

の圧縮率を非常に小さいとして取り扱うとK2は大

きな値になり,α2において以下のような近似計算を行

なうと

働は次式のようになる.

ρ一÷{(1一・)∫…卵9…(…一β)}㈲

そして⑮でσ1=σ2(=σ)としたものが野満氏7)が示し

ている解である.すなわち

1彊、∴筑}㈱

     》1+σ71σ/CD)2

ここに研は遠端1における開放水面の巾である.

II) 海側開口,内陸遠端閉塞

この状況はκ=0のところの条件は(1)の場合と同じ であるが,遠端(κ国1)で閉塞している盲管状被圧地 下水層の場合である.このさいの境界条件は以下のよ

うになる.

((ρ)=∫COSσ置   砂=0

ッ)一・}』1叩

    謬=z

αのを㈲に適用すると解として次式を得る.

       ∫

  1)= cosh2η〜11 cos2η11十sinh2〃zll sin2π11

×〔{…h初・1・・…1…h吻・(1一・)

  ・COSη1(1一κ)

  十sinh彿11 sinη11 sinh物1(1一κ)

  ・si・・1(1一・)}…σ

+{・i・h小i…1…h翅・(1一・)

      ・COSη1(1一κ)

      一cosh初11 cosη11 sinh解1(1一κ)

      ・si…(1一・)}・i・・弓 ⑬

ここに

  K(翅1十zπ1)一》δ2+ゴσ     ⑲

で定義される.この⑬についての吟味を行なってみる.

(a)被圧帯水層及び被圧水の圧縮性を考慮に入れない

 場合

被圧帯水層の垂直圧縮率,土粒子の圧縮率,水の圧縮

率が非常に小さいためう2の値が大きくなる(これは

地上への噴出量が大きい状況と同じ意味をもつ).従

(5)

       7

ってσをう2に比して無視すると(7>と同様に

炉一÷》湯一凄

  η1=0

となり,圏は次式のようになる.

ρ一。。,蓋鯛1…h初(1一・)・・…

}⑳

さらに以上の状況に加えて途中地上への噴出量がほと

んどないときは⑳より初㌶0となり⑳は

  ρ=∫C・Sσ          ⑳

となる.これは野満氏8)の導いた結果で潮汐による水 圧変化はそのまま即座に遠方まで伝わり,振巾の減衰 も位相差もない.これは状況から判断しても当然のこ

とである.

(b)地上への噴出量が小さい場合

途中漏水が非常に少ない状況ゆえα9より⑳を参照して

  K(吻1十zη1)一±修(・+の  (器)

となり,囲はつぎのように変形される.

       ノ

  ρコ

    ・く〔{…h裁τ…薪τ       ・・sh 1吉一要…1吉一葬       +畷/著一・i・麦/一募

      ・舳1吉際・i・1許号}

      ・COSσ

     +{・i・h差回・i・走傷

      ・ h1ぞゾτ鵬1ぞゾ事

     一…h差冴…走〆一三       ・li・h 1ぞ浮i・1ぞ修}

      ・si・・弓    ⑳

ここで被圧帯水層と被圧水の圧縮性を考慮に入れない

臨妄=1涯1:無爵1}⑳

とおくと⑳は⑳と一致する.

(皿)海側閉塞で海水荷重を考慮する場合

被圧水と海水とが直接連絡していないときでも被圧水 の圧力が海洋潮汐に応じて変化する場合が考えられる.

これはFig.2に示すように海側(o<κ<α)の部分 で被圧帯水層への海水荷重の変化によって説明される.

Z Sea surf…壁__』

!mpervious layer

Confined aquiler

0

lmpervious layer

:Fig.2Model of artesian groundwater(2)

  ビとKの値が大きくなり

ためにさらに

(1のと同様ではあるが簡単の

X

海洋潮汐による荷重変化を単振動の形で表わして

。灘ξ:=納麗}  ⑳

また被圧帯水層の先端κ一〇で水の出入はないので境 界条件は

(審乱。一・   (2の

とする。(1)を囲,伽の条件のもとで種々の場合につい

てこれを解く,ただし解法にあたりκ一αにてρ及び

∂ρ/∂κが連続である仮定は認めている.

(a)κ>0の被圧帯水層が半無限の場合

この場合の(1)に対する解は(26},(27)を用いて次式が導か

れる.κ〉αにたいしては

ρ一 戟j{解。一新》が+葬

     一@㌘ゾ4が+穿一伊)

       一伊。一丁ゾ4下穿+伊      ・唖耐量ゾ》研+差一伊)

       +。,書函》伊+穿+伊      曲@r話ゾ》が+≠一が)

(6)

70 潮汐による海岸被圧地下水の流動

一。,κ

V》伊+穿+解

・㎞@肇ゾ鷹一伊)}(28>

   4σ∠霊。θ

ρ=

    π

○。@  1   .

濯。(2・+・)sln (2π+1)π

2

21  α

ここで途中漏水が非常に少ないとして62=0とおけ

ば吉川恭三氏の導いた式になり,地下水圧の潮汐に伴 う周期変化が海洋潮汐に先行して起っていることを示

・している.すなわち(28)で62=0としてK=》耶な

ることを考慮に入れると次式を得る..

ρ一敷・一(一のゾ夢.

  ・si・{・卜(一の》夢.}

・一(瞬癌樋+の藩}〕

      (29)

ここで吉川氏は(29)においてん=αに原点をずらして,

荷重は一αくん〈0の範囲にかかるとしてつぎの式を

導いている9).

ρ一禦〔θ一儒sin(σ 一κκ)一・一・@+加)

・・i・{・・一・(・+2・)}〕

 =Bθノ40 ε一犀のsin(σ置一κκ十δ)

ここに

B一

祉]・+ビ二一%一物…(・一)

        一一2ακ

       sin(2ακ)

(30)

δ一・・n一・k、ε。一一

cos(2ακ)

(31)

×

{K冒(2η+1     412)2π2+6・}…σ・+・・i…

{K一(2η+1     412)2π2+ゐ・}2+・・2

ここに

   (2η+1)π

×COS      21

 4σノ望。θ  Oo    αη    .  (2π十1)π

=・濯。(2・+・)sln 21α

×・i・(・・+δ・)…(2

H1)π・ ㈹

伽一

k・・+{K(2篭去1)2π2+6・}2〕一%2

・・nδ・一 oK冒(2η+1     412)2π2+6・}/・、2

である.

・十三

}図

(c)遠端κ=1にて閉塞の場合

この場合にはκ一〇における条件は前述の(a),(b)と

同様にして,遠端κ茸1において閉塞して盲管状被圧 地下水層をなしている時の境界条件

  (一窺.、一・      (3励

を㈱,⑳に加えて(1)を解くとん〉αにおいては次式を

得る.

    2θ・40σα ゐ2cosσ孟+σsinσ   ρ四 1 ×  ゐ・芋σ・

  2θ∠loσ

π   Kη2π2

毒1÷・i・攣

である.(30)において(一κκ十δ)が正の値をとるとき

は地下水圧の潮汐に伴う周期変化は海洋潮汐に先行し て起ることになるが,吉川氏は愛知県海部郡にてこの 事実を観測している10).このことがらは野満氏が別府 温泉の一部で起ることをすでに指摘している11).また 浅虫温泉の海に極く近い井戸でもこの現象の起こるこ

とを吉川氏は報告している12).さらにアメリカのニュ

ーヨーク州のOyster Bayあたりにやはりこの種の

感高僧があるとVeatchは述べている13).

×

1・+6・j…σ +・・i…

   (K η2π2    十δ2 12)2+・・

(b)遠端κ=1にて不圧状態の場合 この場合にはκ=0

様で,遠端κ=1にて不圧状態なる境界条件

(ρ)認=乙=0

においては前述の(a)の状況と同

(32)

を⑳,27)に加えて(1)を解くと次式のごとくなる.すな

わちκ〉αに対しては

こ・こに

      

×COS「「κ

 2θ・40σα δ2cosσ∫+σsinσ

= 1 ×  う・+σ・

 2∠loθσ

   Oo  αη      ηπα

π Σ7−Sln 1

  π二1

       の

・sin(・ +δ・)… 1

・・一 k・・+(   Kη2π2

+う・j2〕一%

G6)

・・nδ・」 i

   12

  Kη2π2

1・+δ・

j/・

(7)

である.

〔5〕結び

 本論文は海岸被圧地下水の海洋潮汐による変動につ いて,これを支配する微分方程式を総合的に解析した ものである.これらの結果は筆者らの今後の現地観測 資料等の解析に使用されるであろう.

〔4〕参考文献

1)ROGER J. M. DE WIEST:Flow through  Porous Media. P.10〜17 Academic Press

2) 山本荘i毅,枢根勇,建設省水文研究グループ:

 最新地下水学p.358山海堂

3),7),8),11),13)野満隆治:海岸地下水の研

 究(第3報)p.109〜118地球物理

4),6),9)石原藤次郎,本間仁:応用水理学中∬

 P.309〜317丸善

5)吉川恭三:地下水圧の周期的変化に伴う地面の  傾動 陸水学雑誌Vol,17

10),12)吉川恭三:愛知県海部郡に於ける水理学的

 研究 陸水学雑誌Vol.18

14)小平吉男:三角級数の応用p.288〜293p.457  〜460岩波書店

15) 紫崎達雄:地下水開発・保全の基本理念を考え

 る 一地下水研究の80年への課題一 農業土木学  会誌Vol.49 No.1P.23〜29

16) A.」.Raudkivi and R. A. Callander:Analysis  of Groundwater Flow. P.39〜43 Edward Arnold

参照

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