浸透性路床上の流れにおける水・土壌汚染物質の輸送と自然浄化機能の強化法の研究

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自然河川路床は砂、礫等の浸透性の材料で形成されており、このような浸透性路床上の流れでは表面流中の水質量は浸透流に浸入、捕捉され、河川における自浄作用の一部を構成する。自浄作用の強化策としてこの質量交換を明確にするために実験データを解析し、以下の研究成果を得た。1.交換層:質量交換の見地からは浸透層は3つの領域に区分され、その最上層では表面流との間の質量交換の最も盛んな領域(交換層セル)が観察される。交換層セルは境界面の約80%程度を占め、その深さybは主ととして浸透層の代表粒経dmに依存し(代表粒経の2〜3倍)、交換層セルの形状を長方形で近似すると厚さ数cm,形状比0.25程度である。その下に約3倍の深さを有する緩慢な交換層があり、それ以下の層では表面流との交換はほとんどない。2.質量交換の特性パラメータ:交換層セル内の表層流と浸透層の質量交換は、交換速度k_<10>あるいは、分散係数D_yによって定量化される。質量交換に関わる物理量として、V_A:表面流の平均流速、K:透水係数h:表面流水深、g:重力加速度、dm、ybを考え、K_<10>およびD_yについて次元解析を行い、これらの物理量間の関係を求めた。3.礫性路床上の流れにおける自浄作用:浸透層内に取り込まれた汚濁物質は礫層内で濃度が減少し、従って表面流における濃度の減衰(反応)速度が増大する。濁度は、不浸透路床上ではほとんど流下方向に変化しないが、礫性路床上の流れでは濁度は流下とともにかなり減衰することが実験的に確認された。濁度の減衰速度定数vbは、砂粒Reynolds数Re.が100以上で、摩擦速度u・、h、dmの関数であって、それらの関係が次元解析により求められた。