Heat Exchange of Storage Type through Underground Strata by Artificial Recharge

Abstract

In the heavy snow fall area, Yonezawa, Nagaoka, etc. , they have taken a good use of snow melting pipes. But these are not sufficiently familiar to that district, for the water supply is poor. And so we have had an idea of a use of a stratum for a regenerator by artificial recharge and a reuse of repumped water for snow melting pipes. Injecting cooling waste water has been investigated since before, but water surface up-lift effects when restoration of injection and quantitative analysis for heat storage are not successfully studied.
We have injected at rate of 0. 7m⁸/min for a month, and examined ( i ) the reason why we could inject, (ii) the up-lift effect near wells, and (iii) the regenerating effect, from isotrapy of the peameable, comparing the experimental piezometric surface with the ideal, and water quality and temperature change.
The experimental field is situated in a southern part in Yarnagata basin. The aquifers are 40m and 80m in depth. The injection, the observation and the discharge wells are drilled at the corners of the 22. 4m equilateral triangle. In isotrapic confined aquiefers if the flow is subject to Darcy's law and the deficiency of the boreholes is negligible, thg steady state piezometric surface is given by equation ( 4 ) s — Q0/ 471-71 • In (r2/r2) = Q0/4r T. InC((x — a) 2 +y9/( (x+ a) 2 -+-y2)) . ........ .................. ( 4 ) where Q0 is the rate of both recharge and discharge, T is the coefficient of transmissibity, and 2a is a distance betweer the injection well and the discharge one, and a is 11. 2m. As the results, we have reached the following conclusions. ( i ) The effective path between the injection well and the discharge well cannot be formed, because transmisibities near the wells are almost uniform during 20 days of successful pumping test. So we may say that water was injected in natural state. (i i) The total amount of injected water in a month is 2. 4 x 104m8, nevertheless we observed *山 形大学工学部 **日 本地下水開発株式会社 (昭和49年11月18日 受理.昭 和50年3月9日 再受理) onlytheslighttrans至entde{iclencyoftheboreho1esbyprec圭pitationo{lron.Thenatthe injectionweU,theobservedplezomenticsurface圭shigherthanthetheoretica藍va茎ue,butat theotherweUstheobservedandthetheoretica霊valuesarenear董yequaLSimiarly,judging fromthechangeofwaterquahtyit圭struethattheequat董on(4)canshowthepiezometric surface圭nthecaseofs量multaneousrechargeanddischarge. (111)Thoughwe1nject2.4×10`m3waterat3.C,thed董schargetemperature気snotlower thanlloC.Itisrevealedthattheabove賛mentionedsystemcanbesufficiendyapPliedtothe snowmelt薫ngPlpedroadof6minwidthand100min三engththroughwinter. 1.緒 論 東北,北 陸地方 の豪雪地帯で は表流水 お よび地 下水利用 の消雪 パ イプが冬期交通確保に活躍 してい る.し か し,都 市化 に伴 な う水需要増大 のため,表 流水 は減少 し地下水位は低下 して,消 雪 パ イプの 普 及が困難 となっている. 水不足は む しろ全 国的 な ものであ り,特 に工 業地帯 においては,過 剰揚水に ともな う塩水化お よび 地盤沈下が広範 囲にわ た って発生 してい る.し たが って,こ れ ら工業用 水の節約 を 計 る た め,再 使 用(1)や造水(2).(3)および帯 水層での還元再使用く4)一(8)が研究.実 施 され て きた.こ れ ら深 層地下水は, 短期間では涌養 され ないため,揚 水を抑 え るか何 らか の方法 で洒養す る必要 があ るが,実 行 され てい る例9は少 ない.注 入井 に よる人工 洒養 については,多 くの研究成果 が得 られ たが,注 入 に よる還元 効果 の定量的把握 お よび予 想につい ては まだ不十分 であ る.地 下水利用 の利点は安価で ある こと,汚 染 され てないこ と,お よび地表 との温度差が大 きい ことな どが挙げ られ る.し たが って,人 工 涌養 に よ り過 剰揚 水に ともな う諸 弊害を回避す ると同時に,熱 お よび化学汚染 につい ても注意せねば な らな い◎蓄熱 効果 につい ては これ まで も研究(9).(10)され,最 近 では秋林(11)が電算機 で シ ミュ レー.トを行 っ た.し か しなが ら,理 論 と実験 との比較検討は今後に残 された課 題であ り,化 学汚染 と同様 さらに追 求す る必要があ る. 本研 究は米沢市か ら委託 を受 け,冷 水(或 いは温 水)を 人工涌養 し地下水盆を強 化 し つ つ,一 方 で.温 水(冷 水)を 得 て消雪(冷 却)用 水 と して利用す ることを直接 の 目的 として行な ってきた.今 回 も0.7m3/minの 注入揚水実験を約1ケ 月間継続 したが, みずみち (i)注 入 井の 目づ ま りを避 け得 た のは注.揚 水井間 の水道形 成に よる特殊 な場合 に過 ぎないのか, (代) 注入に よる水位 の還元効果 は理論 と一致す るか, (代) 冷 水注入に よ り揚水温降下は どの程度 であ り消雪 パ イプ用温水源 とな り得 るか を,透 水性 の異方性,水 位,水 質等か ら明 らか に し,定 量的蓄熱評価 を行 な う際 の基礎 デ ー タ と す る¢ 2.記 号表 2a;注 入,揚 水井間隔(2a..-22.4m)m r,〆;揚 水井,注 入井か らの距離m 瓦R';揚 水,注 水時 の影響半径m Q.;揚 水量,注 入 量m3/s s;静 水位面か らの水位(以 下単 に水位 と呼ぶ)m S;貯 留係数 t;時 間s T;透 水量係数m2/s (x,y);水 平空間座標m η;井 戸効率 θ;温 度.C 3.理 論解析 等 方性水平無限被圧帯 水層 が漏 水のない上下制限床 で囲まれ ている時,物 性値一 定で の ダル シー則 に したがえば地下水流動 の基礎式は(1)式 と求め られ る(12). a3s-∂25/∂x2+∂25/∂ ツ2.-s/T.∂5/∂t(1) したが って.水 位場 が定常 となれば(1)式は ラプラスの式を満足す る.例 えば,図 一一1の 揚 水井に よ り揚 水をお こな う場合 の定常解 は,平 衡説 のThiemの 式(2)とな ,Rす なわ ち影響 半径 を50mと 見 積れ ば,図 一一1の 破線 が(2)式で示 され る水位場 であ る. s".Qe/2πT.ln(r/R)t(2) 但 しsirmR":O,r2.=(x-a)2+Pt2 注入井に よる人工 瀕養 の場合 に もよ く見 られ る 目づ ま りに よる透水性 の劣化等 が無視 で ,流 れ は 揚水 と同様 に物 性値 一定 の ダル シー則 に したが ,注 入 と揚水 は本 質的に 同一(1s)で あ り, ( 1)式 は注入 の場合 に も成立す る.注 入 と揚 水の同一一性 につ い ては疑問(14)も持た れ ているが ,著 者 ら は 同一性 を仮定 して解 を求め,実 験 と比較す る.し たが って,図 一4の 注 入井 に よ り人工滴養す る場 合 の定常解 は(3)式 となる. s==一'.Qe/2πT.ln(〆/R')(3) 但 しslr'=R'=O,〆2m(x十a)2十 プ 以上か ら.注 入井揚水井で注入揚水を同量 同時に行 い,注 入 と揚水 の同一 性が=満足 され る時 の定常 解 は.水 位場が保存場 となる ことか ら,(2)式 と(3)式を加 えれば よい.両 影響半怪R ,R'も 同一性 の も とでは等 しい と考え られ るので,結 局求 める解 は(4)式とな るe s-Q./4πT.ln(r2/r2)-Q./4πT.ln〔{(x-a)+y2}/((x+a)2+y2}〕(4) した がって,注 入井 に よ り同量 の人工 洒養 を行 なえば,水 位場 は図一.1の 実線 の様 に上昇 し,水 位 の還元効果 は図のハ ソチ ング部 とな る.例 えば,ツ 軸 上の観測井 では水位は降下せず,逆 に 認の負 の 領域 では,揚 水 してい るに もかかわ らず,水 位 は上昇す ることが期待 で きる. 4.実 験施設 図一.一 一.2}c示 した実験場 は,山 形盆地 の南端 国鉄蔵王駅西方約200m:に 位置す る.地 質概要は,第 三紀凝灰岩類 の上 に竜 山火 山の泥流 が不整合 に重 な り,さ らにそ の上に,沖 積 層が発達 してい る.実 験場 には,注 入井.観 測井お よび揚水井が,一 辺22.4mの 正三角形各頂 点に位置 し,各 井 の地質柱状 図を図3--1,-2,-3に 示 した.良 好 な帯水層が,60~8◎m付 近 と40m付 近 に存在す る.両 帯水 層 間には火 山灰 もし くは灰色砂礫 を含み,層 厚 も一定 していな い.し か し,解 析 のほ とん どが2次 元 水平 帯水層 として行 な ってい ることと,3次 元 とすれ ば解析 が困難 なた め,上 部制限床を褐色粘土 お幽 よび粘土,下 部制限床を凝灰岩 とす る被圧帯水層 とし,ス ク リー.ンを図3の バ ツ印の所 に切 った.し たが って,地 下水 は難透水 層の火 山灰 もし くは灰 色砂礫 を避 け て,お もに上.下 帯水層に分かれ て流 れ るが,ω 帯 水層での垂直 流は無視 で きるとす れば,上 下帯水層が隣接 し,し か も境界 での流れ の混 合 がない場合 と同等 であ り,(代) 両帯水層係数が ほぼ同一 と考え るこ とに よ り,両 帯水層厚 さを合計 し て約40mの 等価厚 さを持 つ一つ の帯水層 とみなせ る.以 上か ら,漏 水無 しの被圧 水平帯水層 として解 析 を行 な う. 注入水は側溝 よ り得 て,隻ス ク リー.ンで粗大 ゴ ミを除去後貯水槽 に導 き,自 然流下式 あ るいは圧入式 で注入 され る.そ のため,側 吹 きのない よ うに注入 井上部 は グ ラフ トした.各 井水位 は,触 針式水位 計 に よ り,常 時測 定記録 した.そ の他に,ブ ル ドン圧 力計 で も測 定 した.注 入揚水量は積算流量計 で 計 った◎ 温 度測定 はO.3mml銅 一 コソスタ ンタ ン熱電対を用い,注 入水温,揚 水温 お よび外気温 を常 時測定 記録 した.ま た揚水温 の場合は測定室 とセ ンサ ー部 が離れ たため,補 償導線 で結 線 した.