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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-19
(45)【発行日】2024-01-29
(54)【発明の名称】土壌浄化の解析方法
(51)【国際特許分類】
B09C 1/10 20060101AFI20240122BHJP
G01N 33/24 20060101ALI20240122BHJP
B09C 1/02 20060101ALI20240122BHJP
【ＦＩ】
B09C1/10
G01N33/24 E
G01N33/24 Z
B09C1/02
【請求項の数】
1
(21)【出願番号】P 2020016483
(22)【出願日】2020-02-03
(65)【公開番号】P2021122765
(43)【公開日】2021-08-30
【審査請求日】2022-12-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000003621
【氏名又は名称】株式会社竹中工務店
(74)【代理人】
【識別番号】110001519
【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】稲葉 薫
(72)【発明者】
【氏名】奥田 信康
(72)【発明者】
【氏名】清水 孝昭
(72)【発明者】
【氏名】山▲崎▼ 祐二
(72)【発明者】
【氏名】中島 朋宏
(72)【発明者】
【氏名】古川 靖英
(72)【発明者】
【氏名】舟川 将史
【審査官】岡田 三恵
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－１１６５０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１１９９５１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０６４００２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０１３７８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１８／０４３５０８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／０２３２３４７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０９Ｃ １／１０
Ｇ０１Ｎ ３３／２４
Ｂ０９Ｃ １／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
地盤の内部へ注水すると共に前記地盤の内部から揚水することにより前記地盤の内部の地下水に対する浄化対象物質の濃度を低下させる土壌浄化を評価するにあたり、
前記地盤の土壌間隙率をφ、前記地盤の土壌の土粒子の間隙の体積に対する浄化対象物質の水溶液の体積の割合をＳ w 、地下水の密度（比重）をρ w 、地下水に溶解している浄化対象物質の濃度をＸ w k 、地下土壌の密度（比重）をρ R 、前記土粒子の表面への吸着の効果を表す浄化対象物質についての分配係数Ｋ d をＫ d k 、地下水の流速をｕ w 、分散と拡散の効果を表す分散拡散係数をＤ、地下水中において浄化対象物質が前記土粒子の間隙へ移行する効果を表す物質移動係数をβ k2 、前記土粒子の間隙へ移行する浄化対象物質の質量の限界質量を表す飽和分配係数をＫ d2 k2 、前記土粒子内に吸着している浄化対象物質が前記土粒子の間隙に全て溶出した場合の浄化対象物質の地下水に対する濃度をＸ w k2 、時間を表す変数をｔ、空間を表す変数をｘとしたときに、前記分配係数Ｋ d k 、物質移動係数β k2 および飽和分配係数をＫ d2 k2 を室内試験によって求め、
前記土粒子の表面と地下水との間の浄化対象物質の質量保存則を表す次の（１）式と、
【数1】
…（１）
前記土粒子の間隙と地下水との間における質量保存則を表す次の（２）式と、
【数2】
…（２）
移流分散方程式と、の連立方程式を演算することで、前記地下水における前記浄化対象物質の濃度と浄化時間の関係を演算する土壌浄化の解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、土壌浄化の解析方法に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献１には、予備試験の結果に適合するようにパラメータ値を決定したシミュレーション解析により浄化対象物の濃度及び分解微生物の濃度の経時変化を予測し、これに基づいて土壌・地下水の浄化を行う土壌・地下水の浄化方法及び浄化効果予測方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１２－１８７５４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
地盤内の浄化対象物質は土壌表面に吸着すると共に土粒子の間隙内に入り込む。しかしながら、特許文献１に示されるようなシミュレーション解析では、土粒子の間隙に入り込んだ浄化対象物質は考慮されていない。例えば、地盤内に注水することにより土壌浄化する場合、土壌の土粒子の表面に吸着した浄化対象物質は水と共に流されやすいため比較的速やかに浄化されやすい。これに対して、土粒子の間隙に入り込んだ浄化対象物質は浄化されにくい。このため、地下水における浄化対象物質の濃度が一時的に基準値以下になったとしても、土粒子の間隙に入り込んだ浄化対象物質が地下水に流出し、地下水における浄化対象物質の濃度が再び上昇する可能性がある。
【0005】
本発明は上記事実を考慮し、本発明は上記事実を考慮し、土粒子の間隙に入り込んだ浄化対象物質の影響を定量的に評価できる土壌浄化の解析方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
第１態様の土壌浄化の解析方法は、地盤の内部へ注水すると共に前記地盤の内部から揚水することにより前記地盤の内部の地下水に対する浄化対象物質の濃度を低下させる土壌浄化を評価する方法に用いられ、前記地盤の土壌の土粒子の表面に吸着し、前記地下水へ溶出する前記浄化対象物質の第１質量と、前記土粒子の間隙に吸着し、前記地下水へ溶出する前記浄化対象物質の第２質量と、を含めて前記地下水における前記浄化対象物質の濃度と浄化時間の関係を演算する。
【0007】
第１態様の土壌浄化の解析方法によれば、地盤の土壌の土粒子の表面に吸着した浄化対象物質の第１質量と、土粒子の間隙に吸着した浄化対象物質の第２質量を考慮して地下水における浄化対象物質の濃度と浄化時間の関係を演算する。このため、地盤の土壌の土粒子の表面に吸着した浄化対象物質が注水した水で除去され地下水中の浄化対象物質の濃度が下がった時点で浄化終了と判断する従来方法と比較して、土粒子の間隙に吸着した浄化対象物質が地下水へ溶出する第２質量の除去まで考慮することができる。これにより、浄化時間と地下水中の浄化対象物質の濃度との関係が正確に把握できる。
【0008】
第２態様の土壌浄化の解析方法は、第１態様の土壌浄化の解析方法において、前記第１質量は前記地下水に対する前記浄化対象物質の濃度と前記土粒子の表面への吸着の効果を表す第１係数の関数を含む質量保存式により算出されると共に、前記第２質量は前記地下水に対する前記浄化対象物質の濃度と前記土粒子の間隙への吸着の効果を表す第２係数の関数を含む質量保存式により算出され、前記第１係数と前記第２係数は室内試験によって求められる。
【0009】
第２態様の土壌浄化の解析方法によれば、第１質量は、地下水に対する浄化対象物質の濃度と土粒子の表面への吸着の効果を表す第１係数との関数を含む質量保存式から算出される。また、第２質量は、地下水に対する浄化対象物質の濃度と土粒子の間隙への吸着の効果を表す第２係数の関数を含む質量保存式から算出される。さらに、第１係数と第２係数は、室内試験によって求めることができる。このため、浄化対象物質の濃度と浄化時間の関係を精度よく推定することができる。これにより、浄化対象物質が土粒子の間隙から地下水へ溶出して再び土壌を汚染することを抑制できる適切な浄化期間で土壌浄化をすることができる。
【発明の効果】
【0010】
以上説明したように、本発明に係る土壌浄化の解析方法は、土粒子の間隙に入り込んだ浄化対象物質の影響を定量的に評価できるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本実施形態に係る土壌浄化の解析方法を実行するための解析システムのブロック図である。
【図2】本実施形態に係る土壌浄化の効果を評価する対象となる汚染土壌浄化システムであり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図を表す。
【図3】本実施形態に係る地下土壌の間隙に入り込んで吸着する汚染物質の説明図である。
【図4】本実施形態に係る通気試験を行うための通気試験装置の構成図である。
【図5】本実施形態に係る通水試験を行うための通水試験装置の構成図である。
【図6】本実施形態に係る土壌浄化の解析方法により算出された汚染物質の濃度と浄化時間の関係の分析データとの比較例である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
【0013】
図１には、本実施形態に係る土壌浄化の解析方法を実行するための解析システム１０のハードウェア構成を示すブロック図が示されている。解析システム１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit : プロセッサ）１２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１４と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１６と、ストレージ１８と、ユーザインタフェース２０と、を含んで構成されている。各構成は、バス２２を介して相互に通信可能に接続されている。
【0014】
ＣＰＵ１２は、中央演算処理ユニットであり、解析システム１０に格納されているプログラムを実行し、解析システム１０の各構成部分を制御する。具体的には、ＣＰＵ１２は、ＲＯＭ１４又はストレージ１８からプログラムを読み出し、ＲＡＭ１６を作業領域としてプログラムを実行する。また、ＣＰＵ１２は、ＲＯＭ１４又はストレージ１８に格納されているプログラムに従って、解析システム１０の演算処理を行う。本実施形態では、ＲＯＭ１４又はストレージ１８には、土壌浄化の解析を行う解析プログラム（図示省略）が格納されている。
【0015】
ＲＯＭ１４は、解析プログラムおよび各種データを格納する。ＲＡＭ１６は、作業領域として一時的に解析プログラム又はデータを記憶する。ストレージ１８は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）またはＳＳＤ（Solid State Drive）により構成され、オペレーティングシステムを含むプログラム及びデータを格納する。
【0016】
ユーザインタフェース２０は、後述する汚染土壌浄化システム３０（図２参照）に係る地下土壌３２の内部や地下水ＷＧの観測データを入力データすると共に解析結果を出力データとする入出力手段である。ユーザインタフェース２０は、ＣＰＵ１２に接続され、キーボードから汚染土壌浄化システム３０についての入力データを取得し、出力データを保存するためのインターフェイス等を含んで構成されている。また、ユーザインタフェース２０は、ディスプレイやプリンタ等を含んで構成されている。
【0017】
なお、本実施形態では、ストレージ１８は、解析システム１０に内蔵されているとしたが、これに限らず、解析システム１０に外部接続されたものであってもよい。また、ストレージ１８は一台に限らず複数台設けられてもよい。
【0018】
（汚染土壌浄化システム）
図２（Ａ）及び（Ｂ）には、解析システム１０による土壌浄化の評価の対象とされる汚染土壌浄化システム３０が示されている。汚染土壌浄化システム３０とは、地盤としての地下土壌３２内に含まれる浄化対象物質としての汚染物質を分解し、浄化するためのシステムである。汚染土壌浄化システム３０は、地下土壌３２に配設された揚水井戸３４及び注水井戸３６と、注水井戸３６から注水する水を加温する図示しない加温装置を含んで構成されている。なお、以下の説明では、注水井戸３６から注水される水は加温されているとして説明するが、これに限らず、加温されていない水が注水井戸から注水されてもよい。
図２（Ａ）及び（Ｂ）には、解析システム１０による土壌浄化の評価の対象とされる汚染土壌浄化システム３０が示されている。汚染土壌浄化システム３０とは、地盤としての地下土壌３２内に含まれる浄化対象物質としての汚染物質を分解し、浄化するためのシステムである。汚染土壌浄化システム３０は、地下土壌３２に配設された揚水井戸３４及び注水井戸３６と、注水井戸３６から注水する水を加温する図示しない加温装置を含んで構成されている。なお、以下の説明では、注水井戸３６から注水される水は加温されているとして説明するが、これに限らず、加温されていない水が注水井戸から注水されてもよい。
【0019】
（汚染土壌）
地下土壌３２は、地表面ＧＳよりも下方側の土壌であり、砂を含んで形成されると共に地下水ＷＧが流れる帯水層３２Ａと、帯水層３２Ａの下方側（地下側）を形成し、地下水ＷＧが流れない粘土層（不透水層）３２Ｂと、帯水層３２Ａの上方側（地上側）を形成する地層３２Ｃと、を含んで構成されている。地下土壌３２のうち、汚染物質が基準値（例えば、汚染物質の種類毎に規定された値）以上含まれている部分を、汚染土壌Ｅと称する。ここで、「汚染物質」とは、例えば、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、１，２－ジクロロエチレン、クロロエチレン、塩化ビニルモノマー、ベンゼン等の有機物、シアン等の無機化合物、及びガソリンや軽油等の鉱油類を含む概念である。
地下土壌３２は、地表面ＧＳよりも下方側の土壌であり、砂を含んで形成されると共に地下水ＷＧが流れる帯水層３２Ａと、帯水層３２Ａの下方側（地下側）を形成し、地下水ＷＧが流れない粘土層（不透水層）３２Ｂと、帯水層３２Ａの上方側（地上側）を形成する地層３２Ｃと、を含んで構成されている。地下土壌３２のうち、汚染物質が基準値（例えば、汚染物質の種類毎に規定された値）以上含まれている部分を、汚染土壌Ｅと称する。ここで、「汚染物質」とは、例えば、テトラクロロエチレン、トリクロロエチレン、１，２－ジクロロエチレン、クロロエチレン、塩化ビニルモノマー、ベンゼン等の有機物、シアン等の無機化合物、及びガソリンや軽油等の鉱油類を含む概念である。
【0020】
図２には、地下水位Ｈが一点鎖線で示されると共に、地下土壌３２内における地下水ＷＧの流れＷＦの向きが破線の矢印で示されている。ここでの地下水ＷＧの流れＷＦとは、注水井戸３６から地下土壌３２へ注水され、揚水井戸３４から地下水ＷＧを回収（揚水）することにより発生する流れを表す。
【0021】
（遮水壁）
汚染土壌Ｅの外側の地下土壌３２には、汚染土壌Ｅを囲むように下端が粘土層３２Ｂまで根入れされたソイルセメント製の遮水壁３８が配置されている。このため、汚染土壌Ｅは遮水壁３８と粘土層３２Ｂに囲まれることとなり、汚染物質が遮水壁３８の外側の地下土壌３２へ流出することを抑制することができる。具体的には、遮水壁３８の外側の地下土壌３２における地下水ＷＧの流れと汚染土壌Ｅの内部における地下水ＷＧの流れＷＦとを遮断し、地下土壌３２における地下水ＷＧが汚染土壌Ｅの外側の地下土壌３２に影響を及ぼさないように構成されている。
汚染土壌Ｅの外側の地下土壌３２には、汚染土壌Ｅを囲むように下端が粘土層３２Ｂまで根入れされたソイルセメント製の遮水壁３８が配置されている。このため、汚染土壌Ｅは遮水壁３８と粘土層３２Ｂに囲まれることとなり、汚染物質が遮水壁３８の外側の地下土壌３２へ流出することを抑制することができる。具体的には、遮水壁３８の外側の地下土壌３２における地下水ＷＧの流れと汚染土壌Ｅの内部における地下水ＷＧの流れＷＦとを遮断し、地下土壌３２における地下水ＷＧが汚染土壌Ｅの外側の地下土壌３２に影響を及ぼさないように構成されている。
【0022】
（揚水井戸）
汚染土壌Ｅと遮水壁３８との間に、地下土壌３２から地下水ＷＧを揚水する１本又は複数本の揚水井戸３４が配置されている（図２中には１本図示されている）。また、揚水井戸３４は、例えば、塩化ビニール管や鋼管等により構成され、帯水層３２Ａに配置する部位に地下水ＷＧを取水するための孔またはスリットによって形成されたスクリーン（図示省略）を備えており、スクリーンは、浄化対象の帯水層３２Ａに対して設置されている。このため、帯水層３２Ａの地下水ＷＧを揚水井戸３４内に流入させることができる。ここで、揚水井戸３４による揚水の具体的な方法や揚水井戸３４の形状、サイズ等については公知であるため、詳細な説明を省略する。
汚染土壌Ｅと遮水壁３８との間に、地下土壌３２から地下水ＷＧを揚水する１本又は複数本の揚水井戸３４が配置されている（図２中には１本図示されている）。また、揚水井戸３４は、例えば、塩化ビニール管や鋼管等により構成され、帯水層３２Ａに配置する部位に地下水ＷＧを取水するための孔またはスリットによって形成されたスクリーン（図示省略）を備えており、スクリーンは、浄化対象の帯水層３２Ａに対して設置されている。このため、帯水層３２Ａの地下水ＷＧを揚水井戸３４内に流入させることができる。ここで、揚水井戸３４による揚水の具体的な方法や揚水井戸３４の形状、サイズ等については公知であるため、詳細な説明を省略する。
【0023】
揚水井戸３４は、地上ＧＬまで延在され、内部にはポンプ４０が配置されている。このため、揚水井戸３４に貯水された地下水ＷＧは、ポンプ４０により地上ＧＬの浄化装置（図示省略）へ送られる。
【0024】
（注水井戸）
汚染土壌Ｅと揚水井戸３４から離れた側の遮水壁３８との間に、ポンプ４０を用いて揚水された地下水ＷＧ又は水道水、蒸留水、汚染物質の水溶液（以下、水等ＷＴと称する）を地下土壌３２に注水する１本又は複数本の注水井戸３６（図２中には１本図示されている）が配置されている。注水井戸３６は、浄化対象の帯水層３２Ａに到達するように地下土壌３２に埋設されている。また、注水井戸３６は、例えば、塩化ビニール管や鋼管等により構成され、帯水層３２Ａに配置する部位に水等ＷＴを流出させるための孔またはスリットによって形成されたスクリーン（図示省略）を備えている。また、水等ＷＴは、ヒーター等を備えた加温装置により加温された温水ＨＷとして地下土壌３２に注水される。このため、注水井戸３６から帯水層３２Ａへ加温された水等ＷＴ（温水ＨＷ）を流出させることができる。これにより、地下土壌３２内を加温し、汚染物質を生物分解する分解微生物ＭＣの増殖を促進すると共に分解微生物ＭＣの活性を向上することができる。ここで、注水井戸３６の形状、サイズ等については公知であるため、詳細な説明を省略する。なお、加温装置により加温された水等ＷＴには、加温された上で微生物活性剤が添加されてもよい。さらに、水等ＷＴには、栄養剤や蛍光センサーが混合されてもよい。
汚染土壌Ｅと揚水井戸３４から離れた側の遮水壁３８との間に、ポンプ４０を用いて揚水された地下水ＷＧ又は水道水、蒸留水、汚染物質の水溶液（以下、水等ＷＴと称する）を地下土壌３２に注水する１本又は複数本の注水井戸３６（図２中には１本図示されている）が配置されている。注水井戸３６は、浄化対象の帯水層３２Ａに到達するように地下土壌３２に埋設されている。また、注水井戸３６は、例えば、塩化ビニール管や鋼管等により構成され、帯水層３２Ａに配置する部位に水等ＷＴを流出させるための孔またはスリットによって形成されたスクリーン（図示省略）を備えている。また、水等ＷＴは、ヒーター等を備えた加温装置により加温された温水ＨＷとして地下土壌３２に注水される。このため、注水井戸３６から帯水層３２Ａへ加温された水等ＷＴ（温水ＨＷ）を流出させることができる。これにより、地下土壌３２内を加温し、汚染物質を生物分解する分解微生物ＭＣの増殖を促進すると共に分解微生物ＭＣの活性を向上することができる。ここで、注水井戸３６の形状、サイズ等については公知であるため、詳細な説明を省略する。なお、加温装置により加温された水等ＷＴには、加温された上で微生物活性剤が添加されてもよい。さらに、水等ＷＴには、栄養剤や蛍光センサーが混合されてもよい。
【0025】
（移流分散方程式）
解析システム１０は、例えば、汚染土壌浄化システム３０に基づき設定された初期条件や境界条件（例えば、井戸の配置、注水量及び揚水量等）について移流分散方程式を演算することにより地下土壌３２の内部における汚染物質の地下水ＷＧに対する濃度の時間変化を求める（算出する）。これにより、地下土壌３２の浄化の効果を評価することができる。地下水ＷＧ（溶媒）に溶解している汚染物質（溶質）の挙動は、主に（１）移流、（２）分散、（３）拡散、（４）吸着（遅延）、（５）分解（減衰反応）の組み合わせで表現することができる。
（１）移流：地下水ＷＧの移動により、地下水ＷＧに溶けた汚染物質（化学物質）も一緒に移動する現象である。
（２）分散：地下水ＷＧに溶解した汚染物質が地下土壌３２の内部を移動する際に、地下土壌３２の内部の間隙のミクロな分岐によって地下水ＷＧの流速が不均質になる。このため、例えば、地下水ＷＧが地盤内の異なる地点に到達したり、同じ地点に早く又は遅く到達したりする。これにより、物質の移動速度が地盤内で一律（一様）ではなくなると共に水に溶けた化学物質の濃度も一律でなくなるため地盤内で分布を生じる現象である。
（３）拡散：化学物質の分子のブラウン運動により拡散していくことにより水に溶けている化学物質の濃度が地盤内で分布を生じる現象である。
（４）吸着（遅延）：水に溶けた化学物質の分子が地盤内において土壌の表面あるいは土粒子内部間隙に取り込まれる（吸着する）現象をいう。一旦吸着された化学物質の分子が、再び地下水中に放出される現象は脱離という。化学物質が地下水の流れにのって地盤中を移動する場合、吸着作用があれば、吸着が無い場合よりも化学物質の下流への到達時間は遅くなる。このため、吸着は遅延の効果として現れる。
（５）分解：地盤中において地下水に溶解している化学物質が、例えば、分解微生物ＭＣにより別の物質へ分解されることにより水に溶けた化学物質の濃度が変化する現象(減衰現象)である。
移流、分散、拡散、吸着（遅延）及び分解（減衰反応）の組み合わせにより表現される移流分散方程式は、一般的には次式のように表すことができる。
解析システム１０は、例えば、汚染土壌浄化システム３０に基づき設定された初期条件や境界条件（例えば、井戸の配置、注水量及び揚水量等）について移流分散方程式を演算することにより地下土壌３２の内部における汚染物質の地下水ＷＧに対する濃度の時間変化を求める（算出する）。これにより、地下土壌３２の浄化の効果を評価することができる。地下水ＷＧ（溶媒）に溶解している汚染物質（溶質）の挙動は、主に（１）移流、（２）分散、（３）拡散、（４）吸着（遅延）、（５）分解（減衰反応）の組み合わせで表現することができる。
（１）移流：地下水ＷＧの移動により、地下水ＷＧに溶けた汚染物質（化学物質）も一緒に移動する現象である。
（２）分散：地下水ＷＧに溶解した汚染物質が地下土壌３２の内部を移動する際に、地下土壌３２の内部の間隙のミクロな分岐によって地下水ＷＧの流速が不均質になる。このため、例えば、地下水ＷＧが地盤内の異なる地点に到達したり、同じ地点に早く又は遅く到達したりする。これにより、物質の移動速度が地盤内で一律（一様）ではなくなると共に水に溶けた化学物質の濃度も一律でなくなるため地盤内で分布を生じる現象である。
（３）拡散：化学物質の分子のブラウン運動により拡散していくことにより水に溶けている化学物質の濃度が地盤内で分布を生じる現象である。
（４）吸着（遅延）：水に溶けた化学物質の分子が地盤内において土壌の表面あるいは土粒子内部間隙に取り込まれる（吸着する）現象をいう。一旦吸着された化学物質の分子が、再び地下水中に放出される現象は脱離という。化学物質が地下水の流れにのって地盤中を移動する場合、吸着作用があれば、吸着が無い場合よりも化学物質の下流への到達時間は遅くなる。このため、吸着は遅延の効果として現れる。
（５）分解：地盤中において地下水に溶解している化学物質が、例えば、分解微生物ＭＣにより別の物質へ分解されることにより水に溶けた化学物質の濃度が変化する現象(減衰現象)である。
移流、分散、拡散、吸着（遅延）及び分解（減衰反応）の組み合わせにより表現される移流分散方程式は、一般的には次式のように表すことができる。
【0026】
【0027】
【0028】
ここで、ｃは水に溶けた汚染物質の濃度、Ｒは吸着の効果を表す吸着（遅延）係数、Ｄは分散と拡散の効果を表す分散拡散係数、ｖは土壌内の流速、λは減衰係数、ρｓは土粒子の密度、Ｋｄは分配係数、ｎは有効間隙率を表す。また、ｔは時間を表す変数、ｘは空間を表す変数である。
【0029】
図３には、土粒子ＳＰの内部にある間隙ＧＰが模式的に図示されている。本実施形態に係る汚染土壌浄化システム３０では、地下土壌３２における土粒子ＳＰの表面ＳＦに吸着する浄化対象物質としての汚染物質（溶質ｋ）だけでなく土粒子ＳＰに形成された間隙ＧＰに入り込んで吸着する汚染物質（溶質ｋ）の影響も評価する。このため、土粒子ＳＰの表面ＳＦにおける溶質ｋの質量保存式と土粒子ＳＰの間隙ＧＰにおける溶質ｋの質量保存式を各々定義し、これらの質量保存式と上記（１）式で表される移流分散方程式の連立方程式を演算する。土粒子ＳＰの表面ＳＦにおける溶質ｋの質量保存式を下記の（３）式のように表すことができる。また、土粒子ＳＰの間隙ＧＰにおける溶質ｋの質量保存式を下記の（４）式のように表すことができる。
【0030】
【0031】
【0032】
（３）式は、溶質ｋの土粒子ＳＰの表面ＳＦと地下水ＷＧとの間における質量保存則を表す。ここで、Ｘw
kは地下水ＷＧに溶解している溶質ｋの濃度、Ｘw
k2は土粒子ＳＰ内に吸着している溶質ｋが土粒子ＳＰの間隙ＧＰに全て溶出した場合の溶質ｋの地下水ＷＧに対する濃度、Ｓwは土粒子ＳＰの間隙ＧＰの体積に対する水等ＷＴの体積の割合をそれぞれ表す。また、ρwは地下水ＧＷの密度（比重）、ρRは地下土壌３２の密度（比重）、φは土壌間隙率、Ｋd
kは土粒子ＳＰの表面ＳＦへの吸着の効果を表す溶質ｋについての第１係数として分配係数Ｋd、ｕwは地下水ＷＧの流速、βk2は地下水ＷＧ中において溶質ｋが土粒子ＳＰの間隙ＧＰへ移行する効果を表す第２係数としての物質移動係数を表す。さらに、Ｋd2
k2は土粒子ＳＰの間隙ＧＰへ移行する溶質ｋの質量の限界質量を表す第２係数としての飽和分配係数を表す。
【0033】
（３）式の左辺第１項は地下水ＷＧにおける溶質ｋの質量を表し、左辺第２項は土粒子ＳＰの表面に吸着している第１質量としての溶質ｋの質量を表す。また、（３）式の右辺第１項は地下水ＷＧの流れＷＦ（図２参照）に伴って移流する溶質ｋの質量の変化量（収支）を表し、右辺第２項は拡散によって移動する溶質ｋの質量の収支を表し、右辺第３項は土粒子ＳＰの表面ＳＦや地下水ＷＧと土粒子ＳＰの間隙ＧＰとの間を移動する第２質量としての溶質ｋの質量の収支を表す。右辺第３項のかっこ内は、正の値となる場合は地下水ＷＧ中の溶質ｋが土粒子ＳＰの間隙ＧＰへ入り込んで吸着する状態を表し、負の値となる場合は溶質ｋが土粒子ＳＰの間隙ＧＰから脱離して地下水ＷＧ中へ溶出する状態を表す。
【0034】
（４）式は、溶質ｋの土粒子ＳＰの間隙ＧＰと地下水ＷＧとの間における質量保存則を表す。（４）式の左辺は、土粒子ＳＰの表面ＳＦにおける溶質ｋの質量を表す。（４）式の右辺は、第２質量を土粒子ＳＰの間隙ＧＰの側から表した式であり、（３）式の右辺第３項と正負が逆転している。
【0035】
（分配係数の算出方法）
図４には、浄化対象区域における汚染されていない（汚染物質を含まない）の地下土壌３２に汚染物質を含有するガスＧＧを通気させるための通気試験装置４２が示されている。第１係数としての分配係数Ｋｄは、一定温度に保たれた実験室内（恒温室内）における通気試験に基づいて算出することができる。通気試験では浄化対象区域における汚染されていない（汚染物質を含まない）の地下土壌３２が充填された複数のカラム４４に汚染物質を気化したガスＧＧを数日以上通気する。これにより、汚染土壌Ｅを模擬し、当該汚染土壌Ｅの吸着係数Ｒ（分配係数Ｋｄ）を算出することができる。また、複数の温度条件下で通気試験を行うことにより温度変化が分配係数Ｋｄに及ぼす影響（温度依存性）も評価することができる。
図４には、浄化対象区域における汚染されていない（汚染物質を含まない）の地下土壌３２に汚染物質を含有するガスＧＧを通気させるための通気試験装置４２が示されている。第１係数としての分配係数Ｋｄは、一定温度に保たれた実験室内（恒温室内）における通気試験に基づいて算出することができる。通気試験では浄化対象区域における汚染されていない（汚染物質を含まない）の地下土壌３２が充填された複数のカラム４４に汚染物質を気化したガスＧＧを数日以上通気する。これにより、汚染土壌Ｅを模擬し、当該汚染土壌Ｅの吸着係数Ｒ（分配係数Ｋｄ）を算出することができる。また、複数の温度条件下で通気試験を行うことにより温度変化が分配係数Ｋｄに及ぼす影響（温度依存性）も評価することができる。
【0036】
通気試験では、はじめに、空気精製用のカラム４６を経由してガス発生装置４８に流入した空気と気化した汚染物質をガス発生装置４８において混合することによりガスＧＧを生成する。次に、生成したガスＧＧを純水ＰＷが注入された容器ＣＯ１とガスＧＧの流れを整流するためのガラスビーズ（図示省略）が注入された容器ＣＯ２を経由させてカラム４４に数日以上通気する。カラム４４に通気されたガスＧＧは、排ガス処理用のカラム５０を通過（通気）して処理される。
【0037】
分配係数Ｋｄは、以下のようにして算出することができる。初めに、ガス採取口５２からカラム４４を通過したガスＧＧを採取して平衡気相濃度ＣＧを測定する。平衡気相濃度ＣＧから気液平衡関係を用いて地下土壌３２の土壌間隙水中の平衡水相濃度ＣＷを算出する。平衡気相濃度ＣＧと平衡水相濃度ＣＷの気液平衡関係は、ＣＷ＝ＨＧＷ／ＣＧで表される。ここで、ＨＧＷは、いわゆるヘンリー定数であり、汚染物質毎に設定されている。
【0038】
次に、カラム４４から取り出した地下土壌３２をガスクロマトグラフ質量分析法によって分析し、地下土壌３２中に定着している（残留している）汚染物質の総量Ｍｈを測定する。また、地下土壌３２の乾燥重量Ｗｓdryと湿潤重量Ｗｓを測定し、湿潤重量Ｗｓと乾燥重量Ｗｓdryの差から土壌間隙水体積Ｖｗを算出する。さらに、いわゆる、土壌間隙水の水相と土壌相との物質収支式Ｍｈ＝ＣＷ×Ｖｗ＋ＣＳＷ×Ｗｓdryから、土壌吸着量ＣＳＷを算出する。
【0039】
最後に、平衡水相濃度ＣＷと土壌吸着量ＣＳＷの間にはヘンリー型の吸着等温式に基づく比例関係が成り立つことを前提として吸着平衡定数ＨＳＷ（＝ＣＳ／ＣＳＷ）を算出する。ここで、吸着平衡定数ＨＳＷは分配係数Ｋｄと等価な値となるため吸着平衡定数ＨＳＷを算出することにより分配係数Ｋｄを算出できる。さらに、吸着平衡定数ＨＳＷは温度依存性を有しているため、平衡水相濃度ＣＷと土壌吸着量ＣＳＷを算出し、吸着平衡定数ＨＳＷを算出する工程を複数の温度状態（恒温室の温度を変えた状態）で行うことにより吸着平衡定数ＨＳＷの温度依存性を測定することができる。
【0040】
（物質移動係数と飽和分配係数の算出方法）
図５には、物質移動係数βk2と飽和分配係数Ｋd2 k2の算出するために汚染物質を含む地下土壌３２に水等ＷＴを所定の期間通水するための通水試験装置５６が示されている。通水試験装置５６は、一定温度に保たれた実験室内（恒温室内）に設置されている。通水試験ではカラム５８に充填された地下土壌３２に汚染物質を吸着した上で、カラム５８に汚染物質を含まない水等ＷＴを連続して通水し、カラム５８を通過した水等ＷＴに対する汚染物質の濃度の時間変化から、物質移動係数βk2と飽和分配係数Ｋd2 k2を算出する。
図５には、物質移動係数βk2と飽和分配係数Ｋd2 k2の算出するために汚染物質を含む地下土壌３２に水等ＷＴを所定の期間通水するための通水試験装置５６が示されている。通水試験装置５６は、一定温度に保たれた実験室内（恒温室内）に設置されている。通水試験ではカラム５８に充填された地下土壌３２に汚染物質を吸着した上で、カラム５８に汚染物質を含まない水等ＷＴを連続して通水し、カラム５８を通過した水等ＷＴに対する汚染物質の濃度の時間変化から、物質移動係数βk2と飽和分配係数Ｋd2 k2を算出する。
【0041】
通水試験では、はじめに、複数のカラム５８に浄化対象区域の汚染されていない（汚染物質を含まない）地下土壌３２を充填する。カラム５８の軸方向両端は、両端から各々所定の範囲（例えば、約２ｃｍの範囲）に清流用のガラスビーズ（図示省略）が注入された上でガラス製のポーラスプレートにより蓋がされる。複数のカラム５８は通水管６０を介して直列的に接続され、通水管６０の上流側は、汚染物質を混合した水等ＷＴ（水溶液）を生成し、貯留する貯留槽６２及び貯留槽６２の水等ＷＴをカラム５８へ通水するためのポンプ６４と接続されている。複数のカラム５８の下流側（通水管６０の下流側）は、汚染物質を混合した水等ＷＴを排水するために汚染物質を除去する活性炭カラム６６と接続されている。
【0042】
地下土壌３２が充填された通水試験装置５６の複数のカラム５８には、汚染物質の水溶液ＷＴ（水等ＷＴ）が所定の期間（例えば、１週間）連続して通水される。ここで、汚染物質の濃度は、例えば、１０ｍｇ／Ｌに調製され、通水速度は、例えば、０．２ｍＬ～１．０ｍＬ／Ｍｉｎに設定されている。また、通水中には、例えば、数時間～数日間隔で試料採取口６８から水等ＷＴを採取して水等ＷＴに対する汚染物質の濃度を測定する。通水は、汚染物質の濃度が一定値（平衡状態）となってから、例えば、５０時間以上経過するまで通水を継続する。なお、ここでは、汚染物質が吸着していない地下土壌３２が用いられるとして説明するが、これに限らず、汚染物質が吸着している（汚染されている）地下土壌が通水試験に用いられてもよい。この場合には、汚染物質の水溶液を地下土壌に通水する工程が省略されてもよい。
【0043】
汚染物質が吸着したカラム５８中の地下土壌３２には、汚染物質を含まない水等ＷＴが所定の期間（例えば、少なくとも６０時間以上で３週間～１か月程度）連続して通水される。カラム５８を通過した水等ＷＴをカラム５８の最下流の試料採取口６８Ａから採取し、水等ＷＴに対する汚染物質の濃度を測定する。これにより、水等ＷＴに対する汚染物質の濃度の時間変化（経時変化）が得られる。通水試験は恒温室内の温度を変化して、複数の温度条件下で実施する。
【0044】
最後に、水等ＷＴに対する汚染物質の濃度の経時変化と対比するための数値解析（シミュレーション）を行う。シミュレーションは、初期条件、境界条件及び環境条件等の諸条件を通水試験と一致させて行われる。このシミュレーションを用いた逆解析やシミュレーションの結果と通水試験の測定結果が一致するまで物質移動係数βk2と飽和分配係数Ｋd2
k2を変化する繰り返し計算等により、物質移動係数βk2と飽和分配係数Ｋd2
k2を同定（算出）することができる。
【0045】
（作用並びに効果）
次に、本実施形態に係る土壌浄化の解析方法を適用した解析システム１０の作用並びに効果について説明する。
次に、本実施形態に係る土壌浄化の解析方法を適用した解析システム１０の作用並びに効果について説明する。
【0046】
本実施形態に係る解析システム１０によれば、図６に示されるように、汚染土壌Ｅに水等ＷＴを通水することによる汚染物質の濃度ＤＳ（図中の実線）の時間変化を算出することができる。図６は、縦軸が濃度ＤＳ、横軸が時間（期間）を表す時系列データである。また、図６には、採水した地下水ＷＧを分析した濃度ＤＳの分析データ（図中の黒丸印）と対比例（従来方法）の解析として土粒子ＳＰの間隙ＧＰへの汚染物質の吸着を考慮しない解析（移流分散方程式だけを解析）した場合の濃度ＤＳ（図中の点線）が同じく図示されている。対比例の解析では、地下土壌３２の土粒子ＳＰの表面ＳＦに吸着した汚染物質が注水した水により除去される効果だけが考慮されるため短時間で急激に濃度が低下しており、分析データを説明できていない。これに対して、本実施形態に係る解析システム１０による解析では、土粒子ＳＰの間隙ＧＰに吸着した汚染物質の質量を考慮することにより分析データをよく説明できていることがわかる。
【0047】
本実施形態に係る解析システム１０によれば、地下土壌３２の土粒子ＳＰの表面ＳＦに吸着した汚染物質の質量（第１質量）と、土粒子ＳＰの間隙ＧＰに吸着した汚染物質の質量（第２質量）を考慮して地下水ＷＧにおける汚染物質の濃度と浄化時間の関係を演算することができる。このため、地下土壌３２の土粒子ＳＰの表面ＳＦに吸着した汚染物質が浄化された時点で浄化終了と判断する従来方法と比較して、土粒子ＳＰの間隙ＧＰに吸着した汚染物質が地下水ＷＧへ溶出する第２質量の除去まで考慮することができる。これにより、浄化時間と地下水ＷＧ中の汚染物質の濃度との関係が正確に把握できる。
【0048】
また、本実施形態に係る解析システム１０によれば、土粒子ＳＰの表面ＳＦに吸着した汚染物質の質量は、地下水ＷＧに対する汚染物質の濃度と土粒子ＳＰの表面ＳＰへの吸着の効果を表す分配係数Ｋｄとの関数を含む質量保存式から算出される。また、土粒子ＳＰの間隙ＧＰに吸着した汚染物質の質量は、地下水ＷＧに対する汚染物質の濃度と土粒子ＳＰの間隙ＧＰへの吸着の効果を表す物質移動係数βk2及び飽和分配係数Ｋd2
k2の関数を含む質量保存式から算出される。さらに、分配係数Ｋｄは通気試験により、物質移動係数βk2及び飽和分配係数Ｋd2
k2は通水試験により各々求めることができる。このため、汚染物質の濃度と浄化時間の関係を精度よく推定することができる。これにより、汚染物質が土粒子ＳＰの間隙ＧＰから地下水ＷＧへ溶出して再び地下土壌３２を汚染することを抑制できる適切な浄化期間で土壌浄化をすることができる。
【0049】
以上説明したように、本実施形態に係る土壌浄化の解析方法を適用した解析システム１０は、土粒子ＳＰの間隙ＧＰに入り込んだ浄化対象物質の影響を定量的に評価することができる。
【0050】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において実施し得ることは勿論である。
【0051】
なお、本実施形態では、土壌浄化の解析は、質量保存式と移流分散方程式の連立方程式を解析するとして説明したが、これに限らず、例えば、注水に分解微生物を添加することによる影響や水を加温することによる影響等を表した項が移流分散方程式に付加された上で解析されてもよい。
【符号の説明】
【0052】
１０ 解析システム（土壌浄化の解析方法）
３２ 地下土壌（地盤）
ＧＰ 間隙
ｋ 溶質（浄化対象物質）
Ｋｄ 分配係数（第１係数）
Ｋd2 k2 飽和分配係数（第２係数）
ＳＦ 表面
ＳＰ 土粒子
ＷＧ 地下水
βk2 物質移動係数（第２係数）
３２ 地下土壌（地盤）
ＧＰ 間隙
ｋ 溶質（浄化対象物質）
Ｋｄ 分配係数（第１係数）
Ｋd2 k2 飽和分配係数（第２係数）
ＳＦ 表面
ＳＰ 土粒子
ＷＧ 地下水
βk2 物質移動係数（第２係数）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
