土壌に含まれる有機液体の含有率測定方法及び装置

【課題】土壌に含まれる有機液体の含有率を精度良く測定する。
【解決手段】サーモＴＤＲ法により土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbを測定する。測定された土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbと、既知の土壌の粒子の体積熱容量Ｃs，水の体積熱容量Ｃw，有機液体の体積熱容量Ｃo，土壌の粒子の比誘電率εs，空気の比誘電率εa，水の比誘電率εw，有機液体の比誘電率εo，及び土壌の飽和体積含有率θsatから、演算装置が、土壌における有機液体の体積含有率θo及び体積含水率θwを、θo＝ｆ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）及びθw＝ｇ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）により算出する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌に含まれる有機液体の含有率を測定する含有率測定方法及び装置に関する。
【従来の技術】
【０００２】
有機液体などの汚染物質が地下貯蔵タンク等から漏れ出た場合、地下水に達してからの発見では、汚染物質の除去に膨大な時間と経費がかかってしまう。このため、土壌中に有機液体が漏れ出した場合に、これを早期に発見することができるシステムが望まれている。
【０００３】
本発明者等は、サーモ−ＴＤＲ（Thermo-Time Domain Reflectometry）法を用いて、漏洩地点近傍において有機液体の土壌への漏れを検出可能とする方法を提案している（特許文献１）。この方法は、サーモ−ＴＤＲ法により、ほぼ同時測定可能な、土壌水分量（体積含水率）θに対する電気伝導度σ、見かけの比誘電率ε、及び体積熱容量Ｃのそれぞれの相関を有効に利用したものである。この方法は、汚染物質と水の非飽和系においても、少なくとも汚染物質の漏洩を検出でき、更には、汚染物質の濃度をある程度検出可能である。
【０００４】
この方法では、汚染物濃度及び土壌水分量θを変えた複数の標準土壌の試料を作製し、これらの試料の体積熱容量Ｃ、比誘電率ε及び電気伝導度σを、サーボＴＤＲ法によりほぼ同時的に測定する。次に、測定された各特性から、土壌水分量θと体積熱容量Ｃとの相関、土壌水分量θと比誘電率εとの相関、及び土壌水分量θと電気伝導度σとの相関を求める。そして、前記各相関における、汚染物濃度及び土壌水分量の違いに対する、体積熱容量Ｃ、比誘電率ε及び電気伝導度σと土壌水分量θの相関を利用して、水−汚染物質の非飽和系でも、汚染物質の土壌への漏洩の有無だけでなく、土壌水分中の汚染物質のおおよその濃度も測定できるようしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３２９６２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した従来の汚染物検出方法では、土壌水分量θと体積熱容量Ｃとの相関、土壌水分量θと比誘電率εとの相関、及び土壌水分量θと電気伝導度σとの相関の各相関曲線と、測定値とを比較して、測定値に最も近い相関曲線の汚染物濃度を土壌水分中のおおよその濃度としているので、誤差が大きく、特に汚染物濃度をパラメータとする複数の相関曲線間の差が大きくない範囲ではこの傾向が顕著であり、汚染物濃度を信頼性良く求めることは困難であった。
【０００７】
本発明は、上述した問題点に鑑みなされたもので、土壌に含まれる有機液体の含有率を精度良く測定することが可能な土壌に含まれる有機液体の含有率測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者等は、有機液体成分および水分を非飽和状態で含んだ土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbと、前記土壌における有機液体の体積含有率θo及び体積含水率θwとが、ある一定の関数で表されることを見出した。本発明は、この事実に基づくものである。
【０００９】
本発明は、土壌に含まれる有機液体の含有率を測定する方法であって、サーモＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）法により前記土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbを測定する工程と、前記測定された土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbと、既知の前記土壌の粒子の体積熱容量Ｃs，水の体積熱容量Ｃw，前記有機液体の体積熱容量Ｃo，前記土壌の粒子の比誘電率εs，空気の比誘電率εa，水の比誘電率εw，前記有機液体の比誘電率εo，及び前記土壌の飽和体積含有率θsatから、演算装置が、前記土壌における有機液体の体積含有率θo及び体積含水率θwを、
［数１］
θo＝ｆ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）
［数２］
θw＝ｇ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）
により算出する工程とを有することを特徴とする。
【００１０】
前記土壌における有機液体の体積含有率θo及び体積含水率θwを算出する工程は、好ましくは、前記演算装置が、
【００１１】
［数３］

【００１２】
［数４］

【００１３】
により前記体積含有率θo及び体積含水率θwを算出する工程である。
【００１４】
また、前記土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbの測定に先立ち、サーモＴＤＲ法により含水量が既知で異なる複数種類の土壌の平均体積熱容量Ｃbと平均比誘電率εbとを測定し、前記演算装置が、前記土壌の平均体積熱容量Ｃbの測定結果と既知の水の体積熱容量Ｃw及び含水率θwとから前記土壌の粒子の体積熱容量Ｃsを算出し、前記演算装置が、前記土壌の平均比誘電率εbの測定結果と既知の水の含水率θwとから前記土壌の粒子の比誘電率εs及び定数ａ，ｂを算出することにより、前記土壌の粒子の体積熱容量Ｃs，比誘電率εs及び定数ａ，ｂを予め算出する工程を更に含むようにしても良い。
【００１５】
また、本発明に係る土壌に含まれる有機液体の含有率を測定する装置は、サーモＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）法により前記土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbを測定する測定部と、前記測定された土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbと、既知の前記土壌の粒子の体積熱容量Ｃs，水の体積熱容量Ｃw，前記有機液体の体積熱容量Ｃo，前記土壌の粒子の比誘電率εs，空気の比誘電率εa，水の比誘電率εw，前記有機液体の比誘電率εo，及び前記土壌の飽和体積含有率θsatから、前記土壌における有機液体の体積含有率θo及び体積含水率θwを、
【００１６】
［数５］
θo＝ｆ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）
【００１７】
［数６］
θw＝ｇ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）
【００１８】
により算出する演算装置とを有する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、土壌に含まれる有機液体の含有率を精度良く測定することが可能な含有率測定方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係る土壌中の有機液体の含有率測定装置を示す図である。
【図２】同装置を用いた本発明の一実施形態に係る土壌中の有機液体の含有率測定方法を説明するためのフローチャートである。
【図３】同測定方法により得られた既知の体積含油率θo（ｍ^３／ｍ^３）と推定された体積含油率θo（ｍ^３／ｍ^３）との誤差を示すグラフである。
【図４】同測定方法により得られた既知の体積含水率θw（ｍ^３／ｍ^３）と推定された体積含水率θw（ｍ^３／ｍ^３）との誤差を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態に係る土壌中の有機液体の含有率測定方法について説明する。
【００２２】
図１は、有機液体の含有率測定装置を示す図である。この含有率測定装置は、測定対象となる土壌１に設置されたサーモＴＤＲプローブ２と、このサーモＴＤＲプローブ２と同軸ケーブル３を介して接続されたテスター４と、このテスター４で得られた測定値を演算処理する演算装置５とを備えて構成されている。
【００２３】
サーモＴＤＲプローブ２は、例えば３本のプローブ針２ａ，２ｂ，２ｃからなり、これらプローブ針２ａ〜２ｃの少なくとも２本には双極熱パルス法（Dual−Probe Heat Pulse Method，ＤＰＨＰ法）用の図示しないヒータＨ及び該ヒータによるパルス加熱の際の温度の経時変化を検出する温度測定器、例えば熱電対またはサーミスタが配置され、少なくとも１線には時間域反射法（ＴＤＲ法）用の電磁波による比誘電率εの測定のための同軸ケーブル３に接続された長さＬの電磁波伝達電極が配置されている。
【００２４】
テスター４は、パルス発生器６と波形解析器７とを備えている。パルス発生器６から出力されるパルス信号は、同軸ケーブル３を介してサーモＴＤＲプローブ２に伝搬され、プローブ針２ａ〜２ｃの開放された終端部で反射する。この反射信号は、テスター４の波形解析器７に入力される。波形解析器７は、パルス信号の出力から反射信号の受信までの時間ｔを観測する。演算装置５は、波形解析器７での波形解析結果に基づいて、土壌に含まれる有機液体の含有率を算出するための種々の演算処理を実行する。
【００２５】
サーモＴＤＲ法では、少なくとも２本以上のプローブ針２ａ〜２ｃにＴＤＲ法により比誘電率εbを測定できる機能を持たせると同時に、少なくとも２以上のプローブ針２ａ〜２ｃにＤＰＨＰ法により、体積熱容量Ｃbを測定できる機能を持たせて、小さな時間間隔、換言すればほぼ同時的に前記２つの測定法により、土壌の比誘電率εb及び体積熱容量Ｃbを測定する。
【００２６】
物質の比誘電率εbは、ＴＤＲ法により求めることができる。すなわち、ある物質中を伝搬する電磁波の速度ｖは、真空中の電磁波の速度ｖｏとその物質の比誘電率εとを用いて、次のように表すことができる。
【００２７】
［数７］
ｖ＝ｖo／√ε
【００２８】
ここでプローブ針２ａ〜２ｃの長さをＬ（例えば４０ｍｍ）とすると、
【００２９】
［数８］
２Ｌ＝ｖ・ｔ
【００３０】
Ｌａをプローブ針２ａ〜２ｃの見かけ上の長さとすると、
【００３１】
［数９］
２Ｌａ＝ｖo・ｔ
【００３２】
よって、比誘電率εは、
【００３３】
［数１０］
ε＝（ｖo／ｖ）^２
＝（Ｌａ／Ｌ）^２
＝（ｖo・ｔ／２Ｌ）^２
【００３４】
と求められる。したがって、演算装置５は、波形解析器７の出力からパルス信号の出力から反射信号の受信までの時間ｔを計測することで、比誘電率εを求めることができる。
【００３５】
一方、ＤＰＨＰ法によりプローブ２に内蔵されたヒータに加えられた電力ｑ（Ｗ／ｍ）により熱パルス、例えばｔo＝１５（sec）の熱パルスを加え、所定間隔（例えば７．５ｍｍ）を介して配置されたプローブ２に内蔵された温度測定器により、温度の経時変化を測定し、最高温度Ｔｍ（℃）に達する時間ｔm（sec）を測定する。これらの測定から、次の数１１により、体積熱容量Ｃbを求める。
【００３６】
［数１１］

【００３７】
ここで、αは、数１２で求められる熱拡散係数であり、Ｅｉは指数積分である。
【００３８】
［数１２］

【００３９】
次に、上述したサーモＴＤＲ法を用いた本実施形態に係る土壌に含まれる有機液体の含有率測定方法について説明する。なお、以下の説明において、有機液体は油であるとし、その体積含有率θoを体積含油率θoとする。
【００４０】
（１）校正処理
体積含油率θoを算出するのに先立ち、測定すべき対象土壌の体積熱容量Ｃｓと、対象土壌の粒子の比誘電率εｓと、体積含油率θoの算出に必要な乗数ａ，ｂを算出するための校正処理を行う。図２は、この校正処理の手順を示すフローチャートである。
【００４１】
まず、含水量が異なる複数のサンプル土壌（対象土壌）を準備する（Ｓ１）。例えば風乾と水分飽和土壌及び、風乾と飽和含水量の間に２〜３点の水分量に調整されたサンプル土壌を準備する。
【００４２】
次に、それぞれのサンプル土壌に対し、サーモＴＤＲ法による同時的なＤＰＨＰ測定とＴＤＲ測定とを実行する（Ｓ２，Ｓ４）。
【００４３】
演算装置５は、ＤＰＨＰ法によって各サンプル土壌について測定された水分量に対する土壌平均体積熱容量Ｃb（ＭＪ／ｍ^３／Ｋ）を、下記数１３に示す体積含水率θw（ｍ^３／ｍ^３）の関数として表すために、例えば最小二乗法などによる線形当てはめを実行する。
【００４４】
［数１３］
Ｃb＝Ｃs＋Ｃwθw
【００４５】
そして、演算装置５は、求められた関数から土粒子の体積熱容量Ｃs（ＭＪ／ｍ^３／Ｋ）を決定する（Ｓ３）。なお、数１３においてθwは、水の体積熱容量（＝４．１８ＭＪ／ｍ^３／Ｋ）である。
【００４６】
次に、演算装置５は、ＴＤＲ法によって各サンプル土壌について測定された土壌平均比誘電率εbを、下記数１４に示す体積含水率θw（ｍ^３／ｍ^３）の関数として表すために、例えば最小二乗法などによる非線形当てはめを実行する。
【００４７】
［数１４］

【００４８】
そして、演算装置５は、求められた関数から、土粒子の比誘電率εsと、定数ａ，ｂを決定する（Ｓ５）。なお、数１４において、εwは水の比誘電率（＝８０）、εaは空気の比誘電率（＝１）である。また、θaは土壌の空隙率（ｍ^３／ｍ^３）で、下記数１５で表される。
【００４９】
［数１５］
θa＝θsat−θw
ここで、θsatは飽和体積含水率（ｍ^３／ｍ^３）であり、予め求められるものである。
【００５０】
（２）体積含油率θoの推定
油分を含んだ土壌の構成要素に対する比誘電率εと体積熱容量Ｃは、下記表１のように示される。
【００５１】
【表１】

【００５２】
なお、表１には、油分として灯油が掲載されているが、検出する対象を軽油など、他の油分とする場合には、対象とする油分についての既知の比誘電率εo、体積熱容量Ｃoを使用すれば良い。これらは定数として取り扱うことが出来る。
【００５３】
ここで、油分を考慮した土壌の平均体積熱容量Ｃb（ＭＪ／ｍ^３／Ｋ）は、下記数１６のように表すことができる。
【００５４】
［数１６］
Ｃb＝Ｃs＋Ｃwθw＋Ｃoθo
【００５５】
また、油分を考慮した土壌の平均比誘電率εbは、下記数１７のように表すことができる。
【００５６】
［数１７］

【００５７】
数１６および数１７から、体積含油率θo（ｍ^３／ｍ^３）及び体積含水率θw（ｍ^３／ｍ^３）が、下記数１８及び数１９のように導かれる。ここでは、空気の体積含有率θa＝θsat−θw−θoである。
【００５８】
［数１８］

【００５９】
［数１９］

【００６０】
すなわち、体積含油率θo及び体積含水率θwは、共にＣb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsatの関数であるから、
【００６１】
［数２０］
θo＝ｆ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）
【００６２】
［数２１］
θw＝ｇ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）
【００６３】
と表され、Ｃs，Ｃw，Ｃo，εs，εa，εw，εo，θsat，ａ，ｂは既知であるから、土壌の平均体積熱容量Ｃbおよび平均比誘電率εbを測定することにより、体積含油率θo及び体積含水率θwが求められる。
【００６４】
そこで、サーモＴＤＲプローブ２を使用してサーモＴＤＲ法により、土壌１の平均体積熱容量Ｃbおよび平均比誘電率εbを測定し、演算装置５によって、上記数１８及び数１９の式を用いて体積含油率θo及び体積含水率θwを算出する。そして演算装置５は、土壌中の油分体積濃度ｃov（％）を、下記数２２のように求める。
【００６５】
［数２２］
ｃov＝θo／（θo＋θw）×１００
図３は、水と油（灯油）の混合液における油の濃度がそれぞれ２５％、５０％、７５％の溶液について、既知の体積含油率θo（ｍ^３／ｍ^３）と推定された体積含油率θo（ｍ^３／ｍ^３）との誤差を示すグラフである。また、図４は、水と油（灯油）の混合液における油の濃度がそれぞれ２５％、５０％、７５％の溶液について、既知の体積含水率θw（ｍ^３／ｍ^３）と推定された体積含水率θw（ｍ^３／ｍ^３）との誤差を示すグラフである。
【００６６】
これらのグラフから分かるように、本実施形態に係る含有率測定方法によれば、体積含油率θo（ｍ^３／ｍ^３）及び体積含水率θw（ｍ^３／ｍ^３）を精度良く推定することが可能である。
【００６７】
以上のように、本発明によれば、サーモＴＤＲ法を用いて土壌の平均体積熱容量Ｃbおよび平均比誘電率εbを測定することにより、土壌中の油分体積濃度を高精度に算出することができる。
【００６８】
本発明は、ガソリンスタンドの地下タンク、民間空港や軍用空港のジェット燃料用の地下タンク、石油コンビナートのパイプライン付近の土壌に対する有機液体の漏洩の早期発見システムなどに有用である。
【符号の説明】
【００６９】
１…土壌、２…サーモＴＤＲプローブ、３…同軸ケーブル、４…テスター、５…演算装置、６…パルス発生器、７…波形解析器。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
土壌に含まれる有機液体の含有率を測定する方法であって、
サーモＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）法により水分量に対する前記土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbを測定する工程と、
前記測定された土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbと、既知の前記土壌の粒子の体積熱容量Ｃs，水の体積熱容量Ｃw，前記有機液体の体積熱容量Ｃo，前記土壌の粒子の比誘電率εs，空気の比誘電率εa，水の比誘電率εw，前記有機液体の比誘電率εo，及び前記土壌の飽和体積含有率θsatから、演算装置が、前記土壌における有機液体の体積含有率θo及び体積含水率θwを、
［数１］
θo＝ｆ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）
［数２］
θw＝ｇ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）
により算出する工程と
を有することを特徴とする土壌に含まれる有機液体の含有率測定方法。
【請求項２】
前記土壌における有機液体の体積含有率θo及び体積含水率θwを算出する工程は、前記演算装置が、
［数３］

［数４］

により前記体積含有率θo及び体積含水率θwを算出する工程である請求項１記載の含有率測定方法。
【請求項３】
前記土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbの測定に先立ち、
サーモＴＤＲ法により含水量が既知で異なる複数種類の土壌の平均体積熱容量Ｃbと平均比誘電率εbとを測定し、
前記演算装置が、前記土壌の平均体積熱容量Ｃbの測定結果と既知の水の体積熱容量Ｃw及び含水率θwとから前記土壌の粒子の体積熱容量Ｃsを算出し、
前記演算装置が、前記土壌の平均比誘電率εbの測定結果と既知の水の含水率θwとから前記土壌の粒子の比誘電率εs及び定数ａ，ｂを算出する
ことにより、前記土壌の粒子の体積熱容量Ｃs，比誘電率εs及び定数ａ，ｂを予め算出する工程
を更に含む請求項１又は２記載の含有率測定方法。
【請求項４】
土壌に含まれる有機液体の含有率を測定する装置であって、
サーモＴＤＲ（Time Domain Reflectometry）法により前記土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbを測定する測定部と、
前記測定された土壌の平均体積熱容量Ｃb及び平均比誘電率εbと、既知の前記土壌の粒子の体積熱容量Ｃs，水の体積熱容量Ｃw，前記有機液体の体積熱容量Ｃo，前記土壌の粒子の比誘電率εs，空気の比誘電率εa，水の比誘電率εw，前記有機液体の比誘電率εo，及び前記土壌の飽和体積含有率θsatから、前記土壌における有機液体の体積含有率θo及び体積含水率θwを、
［数５］
θo＝ｆ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）
［数６］
θw＝ｇ（Ｃb，Ｃs，Ｃw，Ｃo，εb，εs，εa，εw，εo，θsat）
により算出する演算装置と
を有することを特徴とする土壌に含まれる有機液体の含有率測定装置。

【図１】