Joint clarification of contaminant plume and hydraulic transmissivity via a geostatistical approach using hydraulic head and contaminant concentration data

地下水位と汚染濃度の測定データを用いた地球統計学的な汚染分布と透水量係数分布の同時推定

高井 静霞 ; 島田 太郎 ; 武田 聖司 ; 小池 克明*

Takai, Shizuka; Shimada, Taro; Takeda, Seiji; Koike, Katsuaki*

事故に伴って生じた地下汚染を適切に除染するためには、汚染分布を精度良く推定することが必要である。汚染分布の推定には、汚染源と水理地質構造の両者の不確かさが伴い、特に汚染の放出時刻歴と透水量係数の不確かさの考慮が重要である。汚染の放出時刻歴は地球統計学的な手法によって推定できるが、従来の評価は水理地質構造を既知とするものであった。また地球統計学的手法では、異なるデータを組み合わせることで(地下水位およびトレーサー試験など)、不均質な透水量係数分布を推定することも可能である。しかし、汚染が生じている地盤での広範囲でのトレーサー試験の実施は、場を擾乱させてしまう。一方汚染濃度の経時データであれば、場を乱さずに広範囲に測定することが可能である。そこで本研究では、地下水位と汚染濃度の両者を用いた、地球統計学的な汚染分布と透水量係数分布の同時推定手法を開発した。本手法の適用可能性を、不均質な帯水層中の汚染(2次元)を想定した、2つの数値実験により確かめた。その結果、透水量係数分布の正確な推定には、汚染濃度を組み合わせることが重要であることが示された。汚染分布の将来予測の精度(真値と推定値の相関係数)は、地下水位のみから推定した場合には0.67程度だったが、汚染濃度を組み合わせた場合には両ケースとも0.97と高い再現性を示した。さらに、初期汚染分布と透水量係数分布の両者の不確かさを考慮することで(条件付き実現値)、汚染分布の将来予測の不確かさを定量的に評価できることを示した。

To enable proper remediation of accidental groundwater contamination, the contaminant plume evolution needs to be accurately estimated. In the estimation, uncertainties in both the contaminant source and hydrogeological structure should be considered, especially the temporal release history and hydraulic transmissivity. Although the release history can be estimated using geostatistical approaches, previous studies use the deterministic hydraulic property field. Geostatistical approaches can also effectively estimate an unknown heterogeneous transmissivity field via the joint data use, such as a combination of hydraulic head and tracer data. However, tracer tests implemented over a contaminated area necessarily disturb the in situ condition of the contamination. Conversely, measurements of the transient concentration data over an area are possible and can preserve the conditions. Accordingly, this study develops a geostatistical method for the joint clarification of contaminant plume and transmissivity distributions using both head and contaminant concentration data. The applicability and effectiveness of the proposed method are demonstrated through two numerical experiments assuming a two-dimensional heterogenous confined aquifer. The use of contaminant concentration data is key to accurate estimation of the transmissivity. The accuracy of the proposed method using both head and concentration data was verified achieving a high linear correlation coefficient of 0.97 between the true and estimated concentrations for both experiments, which was 0.67 or more than the results using only the head data. Furthermore, the uncertainty of the contaminant plume evolution was successfully evaluated by considering the uncertainties of both the initial plume and the transmissivity distributions, based on their conditional realizations.