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山地での地下水の賦存状況

地下水は、人間が生活するために欠くことのできないものです。

地下水は、飲用だけでなく、いろいろの使われ方をしていますが、土木的にみても地盤の性状に大きな影響を与えています。
地下水には、
①不圧地下水
②被圧地下水
があります。
不圧地下水は、自由面地下水とも呼ばれ、その水面が通気帯と直接接し、自由に上下できる地下水面を持つ地下水で、字の通り圧のかからない水です。
平野部の浅層での透水層はこの不圧地下水です。
これに対し、被圧地下水はその上限、下限が不透水性の地層で遮水でされ、地下水面を持たず大気圧以上の圧力を有する地下水です。
被圧地下水は、
・平野部では、不透水性(~難透水性)の粘土層等に覆われている深層の地層水
・岩盤中の裂力水
中に存在しています。
そして、土粒子の場合でも、岩盤の中でも、地下水が有るか無いかでその挙動は全く異なります。
したがって、岩盤力学、土質力学の重要な検討課題となっているだけでなく、構造物の施工時でも、地下水の有無や処理の方法が非常に重要な問題になっています。
地下水が土木に与える影響としては次のようなものがあります。
①荷重増加・・・・荷重増加は土が水を含むことによる単純な重さの増加なので、一般には重さが重くなると,安定に対する必要強度も増してきます。
②強度劣化・・・・強度は水を含むと多くの場合、粘着性または割れ目の摩擦抵抗が少なくなり、強度の劣化につながります。
③間隙水圧の増加・・・・間隙水圧の増加は土粒子間に水が含まれ、これが重力水として働き、間隙水圧が増加するため有効応力に変化を与えます。
④割れ目に対する揚圧力(又は横圧力)の増加・・・・割れ目に水が作用する場合はこれに働く水頭に等しい力が揚圧力(横圧力)として割れ目の面に作用します。
⑤化学変化・・・・化学変化は力学的な現象ではないのですが、土中に水が入ることにより、これと反応のしやすい物質は化学作用を生じ、質的な変化をもたらします。

地下水には、①不圧地下水、②被圧地下水がありますが、土木的な観点からは、両者は区別して考える方がよいと思います。
①不圧地下水
不圧地下水は、主として平野部での地下水であり、近似的には水平に胚胎し、水圧は静水圧的な平衡下にあるとみなすことができます。
したがって、地下水が存在する形態をみても、帯水層と加圧層の水平構造を考えています。
②被圧地下水
被圧地下水は、主として山地部での地下水であり、地下水面は傾斜し、高標高部からの進入と谷部での排出があるため地下水は常に流動し、静水圧的な平衡状態は保たれていません。
つまり、山地を形成しているのは、一般には岩盤などの固結度の高い岩石であり、このような岩石自体は新鮮な場合ははとんど透水性を持っていません。
したがって、山地部での地下水としては
・地表部の風化帯で岩石が土砂化し、これ自体が地下水を含むことができる部分
・岩盤内の割れ目帯など岩盤中の不連続面が開口している部分
・断層や破砕帯など岩石自体の組織が壊されて地下水を通す部分
・岩石の固結度が低く岩石自体が水を含みうる部分(極くまれに地下の空洞)
などに存在し、全地山に一様には存在していません。
したがって、地下水が存在する形態をみても、地表近傍の非固結帯水層中の地下水を除き、大部分は岩盤(非透水性物質)中の割れ目や断層などの裂力水として存在するのみです。
実際に、山地でのボーリング掘削では、掘進と共に徐々に孔内水位は低くなります。
でも、山地では、違う現象もあります。
例えば、斜面の下方部や谷底でのボーリング掘削では、掘進と共に徐々に水位は上昇したり、または自噴してくるといった現象になることもあります。
特に、火山岩等の透水性の大きな地山での調査ではしばしば出会う現象であり、土木的にも与える影響は大きいものです。
したがって、山地部での調査では、地下水に細心の注意を払う必要があります。
また、ボーリング調査は水を使って掘削を行うため、一時的にですが、地山の地下水の賦存状況を大きく乱してしまいます。
ボーリング孔の孔内水位は多くの場合は、人為的なものなので、自然の状態を示していません。
自然状態の地下水環境を知るためには、
・掘削の影響が無くなる十分な時間をとること
・地下水面(自由面地下水位)と箇所ごとのポテンシャル水頭は違うものであること
・孔内水位はこれらの相互関係と人為的な影響で現れる見かけのものであること
このことを充分にわきまえて調査する必要があります。

「地下水障害」について

地下水は、昭和20~30年代以降、深井戸の掘削技術や、地下水の揚水技術の発展とともに盛んに利用されるようになり、わが国の高度経済成長を支えてきました。
でも、都市への人口の集中や、産業の進展等に伴う過剰な地下水の揚水により、「地下水障害」と呼ばれるものが出てきました。
つまり、無秩序な都市開発や地下水利用などによって地下水の流動が阻害され、
①湧水の枯渇
②地下水位が上昇
③地下水位が低下
④地下水の流れが変わる
など、地下水環境が変化してきました。
このような地下水環境の変化が原因で、「地下水障害」になるのですが、主な影響として、
①地盤沈下
②塩水化
③植物への悪影響
④漏水や浮き上がり
⑤井戸涸れ
⑥液状化危険度増大
⑦凍上
⑧地下水流動阻害
などがあります。
特に、地下水の過剰揚水による地盤沈下については、関東平野南部では明治中期(1890 年代前半)から、大阪平野でも昭和初期(1930 年代中頃)から認められていました。
そして、昭和30 年以降(1955 年以降)は全国各地に拡大しました。
地盤沈下は、地下水の採取規制や表流水への水源転換などの措置を講じることによって、近年沈静化の傾向にあると言われています。
ただし、依然として沈下が続いている地域が多数存在しているところはあります。
そして、いくら過剰揚水をやめようと思っても、渇水時には水不足のために地下水の過剰揚水をしてしまいます。
例えば、松山市では人口密度があまり高くないので、中心地でも上水道の半分を井戸水で賄っています。
つまり、地下水が特に豊富でもない松山平野で、そして渇水になる時も多い松山平野で、毎日大量の地下水を揚水しているのは、地下に影響がないわけはありません。
今後においては、ますます上水道の利用が多くなってくると思います。
だから、地下水の保全や備蓄を各家庭単位で心がけ、持続可能で適切な地下水利用を図っていく必要があると感じています。
また、臨海部では、地下水の過剰採取によって帯水層に海水が浸入して塩水化が生じ、水道用水や工業用水、農作物への被害等が生じている地域もあります。
最近では、工場・事業所等での有害化学物質等の地下浸透が原因で、土壌汚染や地下水汚染も起こっています。
近年では、中国の無秩序ぶりがクローズアップされていますが、日本においても「隣町の火事」みたいに知らん顔しているほどのゆとりはないと思います。
地下水をめぐる諸状況はやはり危機なのです。
「地下水障害」をほうっておくと、近い未来の市民生活や生産活動に大きな影響があると思います。


古い地下水と新しい地下水

地下水にも「新しい水」や「古い水」といった区分があります。

いろいろな本によって、その定義に違いがありますが、一例としては、地下水年代が50~60年程度までが「新しい地下水」で、60年から50,000年までが「古い地下水」、5万年から10万年までが「大変古い地下水」と区分されています。
それでは、地下水が何年前の水か(雨として降ってから何年経っているか)を調べる方法はあるのでしょうか?
地下水の年齢の一般的な測定方法としては、福島原発で、今ではよく知られているトリチウムの濃度を測定することで判断できるそうです。
トリチウムは、知っての通り放射性物質です。
そして、トリチウムは、宇宙線の働きによって大気中で生成する天燃の放射性物質です。
宇宙線(うちゅうせん: Cosmicray)とは、宇宙空間を飛び交う高エネルギーの放射線のことです。
主な成分は陽子であり、アルファ粒子、リチウム、ベリリウム、ホウ素、鉄などの原子核が含まれています。
そして、地球にも常時飛来しています。
このようにして生成したトリチウムは大気中で雨や雪に溶け込み、降水として地上の降り、さらに地下に浸透して地下水になります。
トリチウムの半減期は約13年で、半分が放射能をもたない物質に変化します。
つまり、雨が地上に降って、地下に浸透してから、13年後にはトリチウム濃度が半分になります。
そして、26年後には4分の1になります。
このように、地下水のトリチウム濃度を測定して、現在の雨のトリチウム濃度と比較することにより、地下水の年齢を知ることができます。
ただし、この数10年、100年前から現在まで雨のトリチウム濃度は、過去の原爆実験の影響で一定でありません。
このことが、正確な年齢を出すことを困難にしています。
従って、現実には30年前、40年前といったはっきりとした年齢を出すことはできなくて、「60年より前の古い水」というのようなアバウトな表現になります。
測定は、水に含まれるトリチウムのもつ微弱な放射能であり、測定機関も限られています。
また近年では、トリチウムに代わり大気中のフロン類が地下水の年代を測る指標として利用されています。
フロン類は化学的に極めて安定な化合物であり、かん養された時の濃度が、地下水中でも維持されるために指標として有効です。
しかし1960年ごろから2000年にかけてほぼ直線的に増加してきた大気中のフロン類の濃度は、温暖化効果ガスやオゾン層破壊物質として製造禁止になったため、ゆるやかな減少傾向にあり、現在では指標としての有効性は低下しています。
それだけでなく、地下水の採取後に空気からのフロン類が溶け込み、正確なフロン類の測定にも問題があることも指摘されています。

トリチウムについては、当ブログで、「アルプスで除去できないトリチウム」の中で、福島原発では、放射性物質を含んだ汚染水の処理について苦慮し、その中で、汚染水を除去できると言われている多核種除去設備があることを紹介しています。
この設備は、アルプス(ALPS)と言い、原子炉の冷却に使った水から62種類の放射性物質を除去できるそうですが、そんな性能のいい設備機器であるアルプスでもトリチウムは取り除けないことを紹介しました。
このような判断のもとでは、地下水は「古い水」の方が人体には危険が少ないのかも知れません。

地下水涵養について

地下水涵養について調べてみました。

(1)地下水涵養とは
地下水涵養とは、雨や川の水などが地下に浸透して帯水層に流れ込むことです。
「涵」という文字は、“浸す”や“潤す”を意味しています。
したがって、地下水がジワジワと満たされるようなイメージになります。
地下水が涵養されると次のような効果があります。
①地盤沈下の防止
帯水層のすき間が水で埋まるため地盤が安定し、地盤沈下を防止できます。
②ヒートアイランド現象の緩和
また、地中の水分が蒸発する際にエネルギー(気化熱)を奪って気温を下げるため、都市部の気温上昇(ヒートアイランド現象)の緩和にも役立ちます。

地下水量は、「雨水の浸透量」と「汲み上げ量」によって増減し、雨水が浸透するほど、また利用量が少ないほど涵養されることになります。
ただし、地表の水の場合は、どれくらいの量が地下水に涵養されているかを把握することは、非常に難しいことです。
これは直接測定することができないことにあります。
このため一般的には、地表の水量の時間変化を測定し、その量から蒸発散量を差し引くことで推定しています。

(2)日本の地下水涵養量
降雨による地下水涵養量は、日本で、一年間にどれくらいかを調べた文献がありました。
地下水循環の観点から見ると、降雨によって地下水を涵養した水は、地下水が河川に流れ出る水量(河川の地下水流出量 Rg)にほぼ等しくなると考えられています。
ただし、この値は、地下水が直接、海底へ流れ出る量などを無視しています。
日本では、このRg(河川の地下水流出量)は河川の渇水流量にほぼ等しいと考えられており、地下水ハンドブック(建設産業調査会)によると全国平均値は1.1mm/日とされています。
この数値を用いれば、降雨による地下水涵養量は概ね400mm/年程度と考えられます。
また別の文献(地下水学用語辞典:山本荘毅 古今書院1986 )によれば、地下水涵養量は、その土地の地質条件、地表の被覆状態、補給源となる降雨量や降雪量とも大きく関係しますが「日本では1日に平均約1mmである」とされています。
これらのことから、面積37万8000km2の日本においては年間約400mm、つまり1500億tの水が地下水に涵養されていることになります。

(3)地下水涵養の対策
この地下水涵養量ですが、市街化の進行に伴い、涵養機能の高い農地・林地・空地などが宅地や舗装道路に変わり、雨水などによる地下水の涵養が阻害されつつあるのが現状です。
このため、治水対策と地盤沈下の一環として、透水性舗装・浸透枡・浸透トレンチ(浸透ボックス)・浸透側溝・浸透マンホール・涵養井または注入井の設置・休耕田の利用等の普及を図っています。
①透水性舗装
透水性舗装は、道路路面に降った雨水を舗装内の隙間から地中へ還元する機能を持った舗装のことです。
構造としては、透水性舗装材等(表層)の下に浸透層を設けています。
水をそのまま地下に浸透させるため、地下水の涵養の他にも、設計許容量を超えた豪雨時などに起こる下水や河川の氾濫の防止や植生・地中生態の改善等の効果があります。
透水性舗装は歩道、遊歩道、駐車場や公園等で利用しています。
透水性舗装を利用すると降雨時に路盤が洗掘され強度が保てなくなる恐れがあるため、幹線道路等の車道では基本的には使用していません。
透水性舗装によく似た言葉で、排水性舗装があります。
排水性舗装とは、排水を目的にした舗装で、高機能舗装とも呼ばれ高速道路や幹線道路等の車道で採用されています。
構造としては、粗くしたアスファルトや排水性舗装材等(表層)の下に遮水層(不透層)を設けて、路面に滞留する雨水を積極的に道路の両側にある側溝等の排水構造物へ排水する舗装なので、透水性舗装とは全く逆の構造です。
走行車両による水はねや水しぶきの緩和による視認性の向上、ハイドロブレーニング現象の緩和等の効果があります。
また、排水性舗装は空隙が多い舗装であることから、路面とタイヤで発生する走行音が拡散されることによる低騒音効果もあります。
②浸透枡
浸透枡は、住宅地などに降った雨水を地面へと浸透させることのできる枡のことです。
通常の雨水枡(雨どいを伝って下りてきた雨水を集め、排水路や側溝に流すためのもの)とは異なり、底面及び側面に多くの穴が開いている多孔型です。
枡の周囲を砕石で覆って設置することによって土の粒子の空隙を広げ、また透水シートを巻きつけて土の逆流を防ぐなど、浸透効率を高める様々な工夫がなされているます。
コンクリート製だけでなく、ポリプロピレン製・塩ビ製など、種類も多様です。
③浸透トレンチ
浸透トレンチは、雨水浸透施設で、長い溝内に砂利や砕石等を敷き、雨水を濾過浸透させる構造です。
地下水の涵養だけでなく、雨水の急激な流出を抑制することにも役立つ施設です。
浸透トレンチは線状に配設されるので大きな浸透容量を有しています。
浸透トレンチの施工上の注意点としては、地盤の浸透機能を低下させないため、浸透面を締め固めないものとし、掘削後は床付けを行わず、直ちに砕石等の重鎮材を投入します。
④浸透側溝
従来の側溝の「雨水をすみやかに下流に排出する」構造とは異なり、通常のU型側溝の排出機能と貯留部を持ち、側溝底部及び側壁部から雨水を浸透させます。
これは、地下水の涵養の他にも、確定した貯留量を算出できることと、 .雨水の流出抑制効果が大きいこと、それに溜まり水がなく、蚊および悪臭の発生を防止できることなどの効果があります。
そして、比較的地下水の高いところでも、施工が可能です。
⑤浸透マンホール
マンホール直壁部と底版に専用フィルターを取り付けた排水孔を設け排水機能を付加した製品です。
⑥涵養井または注入井の設置
涵養井(かんようせい、Recharge well)または注入井(ちゅうにゅうせい、Injection well) を、供給させたい対象の帯水層に井戸を設置し、直接、水を供給します。
⑦休耕田に水を溜める
休耕田・農閑期・非灌漑期の水田の湛水 涵養される量は土壌の浸透能によって制限されるため、長期間、広い土壌面積に対して水面を形成しておくことが良いとされています。
休耕田に水を溜めることで、自然の降雨と同じように涵養できます。

内水氾濫について

最近はゲリラ豪雨が頻発しています。

(1)外水氾濫と内水氾濫
この豪雨の影響で、街や農地などに水があふれる「氾濫」という状態が発生してしまいます。
この「氾濫」には2種類あります。
一般に思い浮かべる「氾濫」は、川の水が堤防を越えてあふれ出す「外水氾濫」のことで、これは洪水とも言います。
もう1つの「氾濫」は、市街地に降った大雨がマンホールなどから地表にあふれる「内水氾濫」です。
都市部の下水道の多くは、1時間あたり50mmの雨量を基準に設計されています。
でも、最近では、100mm前後の大雨が降ることが多く、都市部の雨水処理能力は想定を超えた対応を迫られていることになります。
都市部では、特に地下鉄や地下街がつきものです。
華やかで、平坦地でもあり、災害とは無縁と思われがちですが、水は低いところに流れるため、このような地下鉄や地下街などの地下建築物があるところでは大きな被害が発生する恐れがあります。
また道路の立体交差での掘り込み場所などにも水が貯まり危険です。
車で入り込んでしまった場合、ある程度の深さで車自体は止まりますが、車外に出ようとしてもドアが水圧で容易には開かず、閉じ込められる危険があります。
都市化が進む前は、山林や水田に、雨水を地中に浸透させたりする機能があったのですが、都市化されると、道路や駐車場などが舗装されて水が浸透しにくなり、「内水氾濫」が起きやすくなっています。
この「内水氾濫」は、都市型水害の典型的なものと考えられます。

(2)内水氾濫が生じやすい地形
「内水氾濫」が生じやすいところは、地下鉄や地下街などの地下建築物がある都市はもちろんですが、地形としては、
①平野の中のより低い個所である後背低地・旧河道・旧沼沢地
②砂州・砂丘によって下流側が塞がれた海岸低地や谷底低地
③昔の潟 (出口が閉ざされた入り海)を起源とする凹状低地
④市街地化の進んだ丘陵・台地内の谷底低地
⑤台地面上の凹地や浅い谷
⑥地盤沈下域
⑦ゼロメートル地帯
⑧干拓地
などがあります。
低湿地にポンプ場や排水路などの施設を設けたとしても、浸水を被りやすい脆弱な土地であることに変わりはありません。
このような「内水氾濫」常襲地は,遊水地として残しておくべきとも言われています。

(3)内水氾濫に対する対策
1)一般的な対策
「内水氾濫」による水の動きは一般には穏やかなので、被害の形態は家屋や家財の浸水になります。
ただし、浸水が長期間に及ぶと、家の建て直しが必要になることもあります。
浸水に対して抵抗性のある建築構造や住み方には、
①建物を氾濫水から遮断する
・敷地や建物の周囲を土手などで取り囲む
・建物外壁を防水壁でつくり開口部は防水扉で遮断する
②建物の位置を高くする
・敷地に盛土する
・基礎・土台を高くする
・高床式やピロティ構造(1階は柱だけ)にする
③浸水は被ってもその被害を軽くすませる
・2階建てにする
・1階に家財などをあまり置かない
・天井に家財持ち上げ用の開口部を設ける
・一階に耐水・非吸水建材を用いる
・家の周囲に樹林を配置して洪水流の衝撃を緩和する
等があります。
市街地が浸水した場合の死者発生原因には、冠水した道路を歩いていて深みにはまったり、側溝・排水路などに転落したりして溺れるのが大半です。
浸水の深さがひざ上までになると歩くのが困難になります。
もっと深くなれば浮力が働いて、足をとられやすくなります。
下水の水圧によってマンホールの蓋がはずれている道路が冠水すると非常に危険となります。
地下空間への浸水も非常に危険です。
地下街への階段、立体交差での路面の掘りこみ個所(アンダーパス)、丘陵斜面を通ずる道路などでは激しい流れが生じて人が押し流されることも起こっています。
2)都市型対策 
都市型水害対策として、
①雨水管や排水機場の整備
②地下空間への浸水の対策
が急がれています。
近年大都市では地下ダム・地下河川の建造に巨額が投入されています。
人が集中するのは平野部で、ここには地下構造物だらけです。
水が集中するのも平野部で、そして、その中でも一番低い地下構造物です。
人造の地下ダム・地下河川が、自然のゲリラ豪雨に勝てるのでしょうか?
ゲリラ豪雨はまだ短時間ですから、100mm前後の大雨も、半日くらいは耐えれるかも知れません。
ただし、このような大雨が1週間も降れば何もかも水浸しになってしまうことは想像できます。
私たちの設計は、例えば下水道では時間雨量が50mmが基準ですが、これが何日も続くとは想定していません。
これを考えると、「どこに住んでいても安全な所はないな」というのが実感です。
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