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帯水層とは

帯水層という言葉があります。

(1)帯水層とは
帯水層(たいすいそう、Aquifer)は透水層とも言いますが、地下水が蓄えられている地層のことです。
つまり、地下水によって飽和している地層のことを言います。
通常は、砂や礫からなる多孔質浸透性の地層で、この地層では、地下水が比較的速い流速で流れるので、大量の地下水をくみ上げることができます。
この帯水層ですが、松山平野などの扇状地では何層にも重なっています。
つまり、粘土などの不透水層(水が流れにくい地層)に挟まれている場合が多く、基盤岩までの深度が深ければ深いほど帯水層の層厚は厚く、そして何層にもなるのが通常です。

(2)帯水層のスピード
帯水層の透水性は、透水係数で表しています。
つまり、水が動くスピードを数値で表したものですが、
礫は、速い層では1km/day(1日に1km)程度動きます。
砂は、細砂、中砂、粗砂に細分されますが、1m/day~1km/dayの間です。
一般的には細砂よりは粗砂の方が透水性は高くなります。
ここまでが帯水層と言われています。
水を通さない層としては、微細砂やシルト・粘土の混合物で、0.0001m/day~1m/dayまでです。
つまりほとんど地下水が移動出来ない層で、この層を難透水層(あまり水を透さない層)と呼んでいます。
粘土は0.0001m/day以下なのでこれを不透水層(全く水を透さない層)と呼んでいます。

(3)被圧地下水と不圧地下水
井戸工事で、何層にもなっている帯水層を掘削した際に、その地下水(井戸水)が地表面よりも高くなることがあります。
これを被圧地下水と呼んでおり、これは、地下水を含む地層の上下を難透水層及び不透水層の地層が挟み、間隙水圧がかかっている帯水層中に溜まっている地下水のことで、大気圧より大きな圧力を有し、地上からこの層まで掘削すると、地下水は急激に上昇し、時には地上に噴出(自噴)することがあります。
愛媛県松山市やその周辺では不圧地下水、または自由地下水と呼ばれる水圧のかからない地下水がほとんどですが、同じ愛媛県でも西条市は石鎚山の麓部から市内にかけて先に述べた被圧地下水がよく見られ、ケーシング掘りの井戸工事では、不透水層下の帯水層に当たると200t/ dayくらいの地下水が吹き上げてきてびっくりすることがあります。

土中水について

土中水と言う言葉があります。
これは土の中の水の総称(soil water)です。

地中を観察すると、砂や土の粒子の間隙を縫って水が浸透しています。(下図を参照してください)
地表面より下にある水全体は「地中水」と呼ばれますが、水が完全に満たされていない状態は一般に「土壌水」と呼ばれています。
これは、あくまでも地下水面より浅い場所で、土壌間に水が満たされずに不飽和である場合です。
なお、廃棄物の最終処分場において、その土壌に含まれる水については「土壌水」とは呼ばず、「保有水」と言います。
処分場は構造上、一般環境から隔離されており、その内部にのみ保有されているという意味です。
ただ、「保有水」は、間隙あるいは土粒子の表面に保有されている水のことも言います。
表面張力によって間隙に保管された「毛管水」や、土流水の表面に水膜状に吸着されている「吸着水」や、科学的に結合された「結合水」などです。
そして、河川や湖沼、ため池といった陸上にある水は「表流水」と呼ばれています。

これに対して、粒子の間隙に水が完全に満たされた状態(いわゆる飽和状態)を「地下水」と呼んでいます。
「地下水」があるところとないところの境界線を、「地下水面」と呼んだり「自然水位線」と呼んだりしています。
この「地下水面」は、常に変動しています。
渇水期には当然この「地下水面」は下がります。
また、土質によっては水を透さない層があります。
いわゆる、粘土やシルトと呼んでいる不透水層ですが、この下位にある「地下水」は間隙水圧がかかっていることがあります。
つまり、水圧のかからない「不圧地下水」または「自由地下水」と水圧のかかる「被圧地下水」とに分けられます。
また、「地下水」には、「層状水」「地層水」や「裂か水」「間隙水」もあります。
これを詳しく説明すると、
①「不圧地下水」「自由地下水」
帯水層の構造において、中に賦存している「地下水」の水頭(地下水面)が、その帯水層の上部の不透水層よりも低い状態の帯水層を言っています。
②「被圧地下水」
地下水を含む地層の上下を不透水性の地層が挟み、中に賦存している「地下水」の水頭(地下水面)が、その帯水層の上部の不透水層よりも高い状態の帯水層を言っています。
③「層状水」、または「地層水」
帯水層が粒子状の地層で構成され、その間隙中に「地下水」が賦存している構造の帯水層を言っています。
④「裂か水」
帯水層が難透水岩盤中の割れ目(裂か)で構成され、その割れ目に「地下水」が賦存している構造の帯水層を言います。
⑤「間隙水」
地下の岩石の孔隙内に存在する水を言い、油・ガス層内でも鉱物粒子表面に吸着した形で、10~20%程度存在しています。

地下水面を境として、上部(「土壌水」の存在する部分)を「不飽和帯」、下部(「地下水」の存在するところ)を「帯水層」または「飽和帯」と呼んでいます。
さらに「不飽和帯」を二分し、その下部を「毛管水帯」、その上部を「懸垂水帯」と呼ぶこともあります。
そして「帯水層」の厚みや状態、「地下水」自身の流動によって地下水面の高さには凹凸が生じます。

地下水面より下の「地下水」は、面的あるいは空間的に存在しています。
「地下水脈」という概念はありますが、「地下水」を線的なものとして捉えるのは正確ではなく、特に岩盤内に賦存する「地下水」は「ミズミチ」という言い方をしています。
ただし、カルストなどの岩盤中の「地下水」は線的な賦存状況を示す場合もあります。

松山市の平野部では、数10mを超える井戸が多数存在し、揚水を行っています。
また、「地下水」は地層構造により第一帯水層・第二帯水層等の幾層にも分かれて重なっています。
「地下水」の流向は同一平面位置であっても各「帯水層」によって異なる場合が多く、全く逆方向の流向も珍しくありません。

井戸

福島原発の地下水バイパス

東京電力が行おうとしている地下水バイパス工事について私なりに考えてみました。

(1)地下水バイパス工事について
東京電力は4月23日、福島第一原子力発電所1~4号機の高濃度汚染水を減らすため、地下水バイパス施設を建設する方針を明らかにしました。
現在において、原子炉1〜4号機の山側から、最大1日当たり400トン程度の地下水が流れています。
この水を建物に到達する前に海へ流すようにするために、原子炉建屋山側に14本の井戸を掘り、くみ上げた地下水を海に流すバイパス工事です。

(2)福島発電の敷地周辺の地質
まず、福島第1原子力発電所の敷地周辺の地質を調べると、
下位より、
①上部白亜系の双葉層群
②先新第三系の白水層群
③新第三系中新統の湯長谷層群、白土層群、高久層群及び多賀層群
④新第三系中新統最上部~上部鮮新統の仙台層群及び第四系

が分布しています。
ただし、敷地の地質は、
①新第三系鮮新統の富岡層
②第四系更新統の段丘堆積物及び第四系完新統の沖積層

で構成されています。
ここで東京電力が言っている地下水が汚染された層は第四系完新統の沖積層だと思います。
付近のボーリングデータを見ると、
0.00~0.50m粘土質ローム. 0~0.10m草根混じり(表土)。
0.50~0.90m砂質ローム. 砂分多量。
0.90~1.50m礫泥じり中砂 小礫混入。
1.50~2.60m中~粗砂. 2.50~2.60m茶褐色粘土を挟む。
2.60~8.40m砂礫. 礫径φ2~50m/mの亜角~亜円礫。礫種は花崗岩質岩主体ときに玉石混入。
8.40m以深 砂質粘土.腐植土含む。
このような土層になり、ここで透水層として考えられる層(地下水が通ると想定できる層)は地表面より2.60~8.40mまでの砂礫層だと思います。

(3)地下水のスピード
地下水のスピードは一定ではありません。
専門的には透水係数という数字で表しますが、一番早い礫でも1km/day(1日に1km)が限度です。
砂は1m/day~1km/dayの間でありここまでが地下水がある層(透水層または帯水層)と言われています。
微細砂やシルト・粘土の混合物では0.0001m/day~1m/day つまりほとんど地下水が移動出来ない層で、この層を難透水層(あまり水を透さない層)と呼んでいます。
粘土は0.0001m/day以下なのでこれを不透水層(全く水を透さない層)と呼んでいます。
つまり、雨が降って、その雨が地表から河川に流れる水は、ほぼ1日もたたないうちに海に到達しますが、地下に浸透した水は長い長い旅をすることになります。
ここで原子炉建屋の砂礫層の透水係数の推定ですが、松山市が井戸水として使っているところで、地下を流れる砂礫層の平均値では0.53cm/secです。(範囲としては、0.081cm/cec~1.6cm/cecまでです)
つまり、1時間で約20m、1日で約438m動く計算になります。

(4)汚染水の状態と今後の対策
現在、一日最大400トンの地下水が原子炉建屋の砂礫層に浸透しているとの事です。
ここで関係してくるのは建屋から海までの距離ですが、地図上で調べるとせいぜい400mまでです。
したがって、1日もかからないうちに汚染水が混じった地下水が海に出ていることになります。
地下に浸透している断面積ですが、400トンの流量から逆算すると0.955㎡になります。
松山市で得られた透水係数は、井戸水として使っているので若干値が大きいとは思います。
福島の原子炉建屋の砂礫層はこれよりは小さい値だとは想定できますが、オーバーフローして地表面に地下水が噴出していないと思われるので、山からの浸透はスムーズにいっていると想像できます。
いずれにせよ、原子炉建屋の砂礫層には、今も建屋からの汚染水が浸透しています。
地下水バイパス工事は、これ以上汚染を大きくしないためには有効だとは思います。
ただし、以前のブログで、地中連続壁工法との比較で、原子炉建屋より海側に施工する「原発の地下水汚染には集水井を」の方がより有効だとは思います。

「原発の地下水汚染には集水井を」のブログ
http://ntooffice.blog21.fc2.com/blog-entry-570.html

21世紀の水不足対策

このブログで何回も21世紀における水不足を唱えてきした。
1995年には、当時世界銀行副総裁であったイスマル・セラゲルディンさんが、「20世紀の戦争が石油をめぐって戦われたとすれば、21世紀は水をめぐる争いの世紀になるだろう」と言っています。
それから17年が経ち、今の現状はどうでしょうか。
世界の水不足は深刻になっています。
世界各地での人口増や水質汚染・地球温暖化などが原因で、現在では、アフリカ・アジア・中東の35カ国が水不足国と言われています。
このうち32カ国が穀物の純輸入国になっています。
水不足が原因で穀物を国内で栽培できなくなっているからです。

(1)各国の地下水の枯渇状況
地下水の枯渇状況についての各国の現状として、
①インド
インドの国立環境工学研究所は、地下水資源の過剰使用が国中で起きています。
重要な農業地帯の地下水位が「危険な速度」で低下していると報告しました。
インドの主要穀倉地帯であるパンジャブ州とハリヤナ州では地下水位が1年に0.5~0.7メートル低下しています。
②中国
中国の穀物のおよそ40パーセントを生産する華北平原の大半の地域で、地下水位が1年に1~1.5メートルずつ低下しています。
③アメリカ
アメリカのオガラ帯水層は8つの州にまたがる巨大なもので、地球最大の地下水系です。
この帯水層、特に南端部分は雨水による涵養が少ないため、事実上、汲み上げればそれだけ地下水量は減少していきます。
④北アフリカとアラビア半島
北アフリカとアラビア半島の大部分の地域は「化石帯水層」に依存しています。
この地域の降雨量は極端に少なく、帯水層の涵養はほとんど見込まれません。

(2)世界の水事情と今後の問題
そして実際問題として、水問題は21世紀の国際社会において最も重要な課題の一つとなっています。
世界の水事情について簡単にまとめてみると、
①水が原因で年間500~1000万人が死亡
②12億人が安全な飲料水を確保できない
③2025年には48か国で水が不足する見込みで、2050年には60カ国にまで達し、水不足国の合計人口は、2030年には現在の5億人から70億人に達すると予測される
④水がかかわる病気で子どもたちが8秒に1人ずつ死亡
⑤途上国における病気の80%の原因は汚れた水
⑥界人口の50%に対し下水道などの衛生設備が未整備
⑦淡水魚の20%の種が水の汚染で絶滅の危機
「21世紀は水の世紀」という概念は、水問題への理解と解決なくして世界の平和は訪れないという考えが根底にあります。
水問題は、もはや発展途上国だけの問題ではなく、国際社会全体の問題であるという認識が必要なのです。
そして、その解決に向けて国際的な取り組みをしていかなければなりません。

(3)大河川でも水不足
世界の地下水資源の年間減少量はおよそ1800億立方メートルと推定されています。
1トンの穀物を生産するのに約1000トンの水を必要としますから、この年間減少量は、1億8千トンの穀物の減少量に匹敵します。
このように灌漑農業の大きな部分が水赤字のもとで行われています。
前のブログの「日本の農業技術と地下水」でも紹介したように、イスラエルのように、ごく少量の水で農業を行っている国もあります。
でも大多数の日本を含めた国は、無駄に水を使っているのが現状です。
世界の四大文明を育んだチグリス・ユーフラテス川、ナイル川・インダス川・黄河いずれも水不足に陥っています。
すべての地域で砂漠化が進んでいて、やがて地球全体に広がって行きます。
水は化石燃料と違って、代替物がないだけに、21世紀の半ばになるとすごく深刻になっているでしょう。

(4)水質汚染の現状
また、水不足に加えて、水質汚染が進んでいます。
人間の活動は知らず知らずのうちに危険な汚染物質を地下水に流し込んでおり、汚染物質は長く残留します。
川の水が平均わずか16日程度でで入れ替わるのに対し、地下水の平均滞留時間は1400年と言われています。
河川と違ってこれらの帯水槽は非常に広大であるばかりでなく、膨大な量の水を貯えていて、浄化は不可能です。
たとえば、土壌に比べて帯水槽は溶存酵素、微生物、有機物をあまり含まず、化学物質が分解されにくいからです。
地下水の豊富な国と言われている日本でも、大震災や津波の影響で福島第一原発の事故がありました。
今でも、大気が放射能により汚染されている状況が続いています。
このような状況が長く続けば続くほど、地下水への影響は深刻になってきます。
作物や表層の土壌だけでなく地下水へも汚染が広がるとなると、もうその土地へは住めなくなってしまいます。
世界各国では、水の汚染が原因で病気にかかり、死んでいく子どもたちが世界には8秒に1人の割合でいます。
アフガニスタンやバングラデッシュなど途上国における病気の原因の8割は、川の水質汚染が原因だといわれています。
その一方、日本などの先進国は尿素を配合した化学肥料を大量に使い穀物の収穫を大幅に延ばしたのと引き換えに、土壌と地下水を汚染しました。
そして、人災とも言える放射能汚染です。
そのため安全に飲める水がどんどん減っています。

(5) 水のありがたみ
私たちは、現在において、世界で問題となっている水問題について、自分達の身近な問題として捉えることが必要だと思います。
日本では、蛇口をひねれば当たり前のように水か出てきます。
それが当たり前の環境に住んでいる私たちにとっては、この水問題というのは、実感がなく、関心の低い問題であるかも知れません。
でも、水は生命の源なのです。
水にはその代用品がないことを、深く再認識する必要があります。
食べることでも、飲むことでも、掃除をすることでも、また洗濯でも、そしてトイレでも必要です。
私たちの仕事の地質調査や井戸工事でも、水がないと掘れません。
仕事をする上では、ほとんどの業種が水を必要としています。
普段の日常生活において、なかなか水のありがたみを感じることができなくなっている分、水に対して敏感になる意識を持たなければなりません。
もし、その水の価値が分かれば、おのずと水の使い方にも気を配ると思います。

(6)地下水を無駄にしないために
日本でさえ、安全な水が不足しています。
大小さまざまなペットボトル水がスーパーに並んでいる事実の中に、それは現れていると思います。
限りある資源である地下水を無駄にしないためには、地球に優しい街づくりを考えなければいけません。
その原点として、まず節水に取り組むことが必要だと思います。

限りある水資源と水質汚染

私たちは井戸を掘ったり、地質を調べたりするのが仕事です。
長年この仕事をしていると、「あそこでは地下水が豊富だ」とか「ここの基盤岩は三波川帯の緑色片岩だ」とか、あらかじめ判断ができます。
そして、地下水については、「この場所では10mで出る」「30m掘っても出ない」とかの目安はわかります。
ただ、日本では少なくとも100mくらい掘れば地下水は出ると思います。
それくらい当たり前に地下水があるものと私たちは思っています。
でも、地下水だって需要と供給のバランスで成り立っているもので、日本は雨がよく降るから地下水に困らないのだと思います。
でも、地球規模で考えると地下水は限りのある資源なのです。
それは何故かというと、地球の水のほとんどが海水なのです。
だから、私たちが使える地下水や湖や河川の水を含めた地球の水資源は、なんと2.5%しかありません。
海水を飲料水にするには、かなりの時間も費用もかかります。
だから、今現在において、豊かな生活を送れるのは、日本にいる私たちだけで、いまだに飲料水にさえも恵まれていない国もたくさんあるのです。

そして、地球の水資源を考えたとき、これからあと何年先まで水資源があるとは言いきれません。
では、海水から水を得ることはできないのでしょうか?
海水から水を作ることは可能です。
しかし、地球規模で作るには、それだけのコストも時間もかかります。
では、私たち自身は、どうしたらいいのでしょうか?
それは、水質汚染を防止することなのです。
1人でも多くの方が、限りある水資源を守ることが大切なのです。

しかしながら、私たち日本人は、それを危機的に感じていないのも現状です。
私たちの国では、水はきれいです。
飲むためにつくられた飲用水はどこの国よりも1番きれいです。
しかしながら、今住んでいる地球の中では、まだまだ、きれいな水を飲めない国も多いのです。
雨が降らない場所に住んでいる人は、生活排水や工場排水などのような水を飲んでいるのです。

川や湖、海では水質汚染が進んでいます。
水質汚染の原因の60%が、家庭から出ている生活廃水なのです。
海や川の汚れの原因と言えば、ほとんどの人が、工場や事業場の排水を思い浮かべますが、法律などの規制により今ではその水質も大変良くなっています。
現在は、人口の増加や生活水準の向上により、私たちが炊事、洗濯など、毎日の生活の中で出す生活廃水が増加、この生活廃水が川や海を汚している大きな原因となっています。
水質汚染の原因は、私たちの生活に原因があるのです。
しかしながら、私たち自身は水質汚染に対して、理解している人は少ないのが現状です。

水質汚染の原因となるものとして
①一般生活廃水などによる河川の水質汚染・水質汚濁
②工業排水などによる地下水の汚染、河川の水質汚染、海洋の水質汚染
③産業廃棄物や不法投棄などやし尿による河川水質汚染
④海上での船舶から流れ出る油の流出、船舶排水による海洋の水質汚染
⑤雪や雨などといった空気中の大気汚染物質が含まれていることによる水質汚染
⑥農薬による地下水の水質汚染、河川の水質汚染
⑦原発からの放射能汚染

水質汚染の被害と影響水質汚染の影響として、代表的なのが公害です。
水質汚染による被害が起こっていたのは、水俣病・イタイイタイ病などです。
これは、水質汚染によってその汚染された水を飲んでしまったり、体内に吸収してしまうことによって影響が出てしまっている例のひとつでしょう。
多くの工場がある場所では工場排水による水質汚染の影響は高く、川や海が汚染されているのが現状なのです。
現在は、工場排水にはいろいろな規定があることから、このような被害になる可能性はあまり高くはないのですが、これから先も、何か問題が起こらないように、水質汚染するような自体にならないように注意していかなければなりません。
そして去年起こってしまった原発での放射能汚染ですが、当然水質にも悪影響を及ぼします。
これについてはこのブログで切々と述べてきました。
長年において放射能汚染を撒き散らすようだと、福島県民にとって生活廃水の比ではありません。
このように、水質汚染で、命をも脅かす危険性がある場合もあります。
そして、以前に公害を受けた被害者はいまだに苦しんでいるのです。
水質汚染の影響があるのは人間だけではなく、そこに生きる動物や植物も影響を受けているのです。
私たちが食べているものも、もしかすると水質汚染されている場所で育った可能性もあります。
地球上に生きるものすべてを守るためにも、しっかりと対策をしなければならないということになります。

水質汚染防止のためにできること水質汚染防止のために、まず私たちにできることとはどんなことなのかを確認し、生活の中で、一人一人が協力していくことによって私たちの水資源は守られます。
そして、私たちがどんなに協力しても、原発などからの不可抗力による水質汚染は防げません。
当たり前の生活をする上では公害の原因になるものを一つ一つ排除する必要があります。
昔公害の原因を作った企業はだんだん改善されてきました。
でも、東京電力などの国営とも言える巨大企業は、公害の誘因を作り上げて、それが原発の事故に繋がりました。
このままでいくと、第二、第三の福島が出来てしまいます。
まずは「原発は必要ない」と私たち一人一人が訴えることが必要なのです。
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