(57)【要約】【課題】地下水の汚染物質を監視するための方法およびシステムを提供すること。【解決手段】地下水の汚染物質を監視するための方法およびシステムについて記載する。地下水テーブルの上方のステージに地下水がポンプ供給され、そこで地下水の少なくとも一部が蒸発する。空胴リングダウン分光計を使用して蒸気がサンプルされ、汚染物質の測定蒸気濃度が液体汚染物質濃度に変換される。【選択図】図１
2009080105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然位での地下水監視のための方法であって、
地下水テーブルの上方に配置された容器に地下水を移動させるステップと、
前記容器内の前記地下水の少なくとも一部を蒸発させるステップと、
蒸気中の少なくとも１つの化学物質の濃度を測定するステップと
を含む方法。
【請求項２】
蒸気中の少なくとも１つの化学物質の濃度を測定するステップが、既知の波長における吸収を測定して前記蒸気中の化学物質濃度を測定するために吸収分光学を使用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
蒸気中の少なくとも１つの化学物質の前記測定濃度を前記地下水中の前記化学物質の濃度に変換するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に地下水の汚染物質の監視に関し、より詳細には、低レベルの地下水の汚染を現場で監視することができるセンサの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
地下水の汚染は、ガソリン、オイル、道路塩および化学物質などの人造産出物が地下水に混入することによって生じる。汚染物質と呼ばれるこれらの人造産出物の主な汚染源の中には、貯蔵タンク、腐敗システム、有害廃棄物用地、埋め立ごみ処理地および道路塩ならびに化学物質の広範囲にわたる使用がある。汚染物質が、地下水を使用している人、あるいは潜在的に地下水を使用している人の健康および安全に影響を及ぼす場合、人が安全に使用することができると見なされるレベルまで地下水の水質を改善するために、汚染の原因になっている資産の所有者および／または団体に対する政府による様々な統制が必要である。
【０００３】
米国環境保護局（ＥＰＡ）は、地下水中に存在する化学物質に対する最大汚染物質レベル（ＭＣＬ）を定めている。州の機関は、ＥＰＡのＭＣＬを採用することができ、あるいはもっと厳格な浄化規格（ＭＣＬの厳格さに優るとも劣らない浄化規格）を要求することができる。多くの化学物質のＭＣＬは、パートパーミリオン（ｐｐｍ）またはパートパービリオン（ｐｐｂ）のレンジである。たとえば、ガソリン中に存在する、知られている発癌物質であるベンゼンのＥＰＡ  ＭＣＬは５ｐｐｂである。したがって地下水監視システムは、すべて、微細レベルで汚染物質を検出することができなければならない。
【０００４】
地下水は、通常、水質改善計画の設計に先立って、現場を浄化している間、周期的に監視され、浄化が完了した後、その地下水が機関の浄化レベルに合致していることが検証される。たとえば、地下水は、季節による影響を監視し、汚染プルームのサイズを評価し、かつ、実施されるあらゆる水質改善計画の効果を測定するために、多年にわたって年に４回監視することができる。
【０００５】
地下水の監視には、プルーム特性を測定するために、現場およびその周辺の様々な場所に地下水監視井戸を設置する必要がある。たとえば、汚染物質の濃度が最も高いと思われる場所、たとえば化学物質が撒き散らされた場所などに１つまたは複数の井戸を設置することができる。また、汚染プルームの縁と思われる場所に複数の井戸を設けることも可能である。プルームの縁の位置は、汚染物質の種類、土壌の特性、地表から地下水までの深さ、および表面の輪郭や人造構造（ユーティリティコリドールなど）によって影響される地下水流の方向によって様々である。また、プルームの特性、たとえばプルームが拡大しているのか、あるいは縮小しているのかどうかなどを評価するために、プルームの中心の井戸とプルームの縁の井戸との間に追加井戸を設けることも可能である。
【０００６】
地下水監視井戸から試料を採取するために、最初に井戸をパージして、井戸ケーシングおよび周囲のフィルタパック内の停滞水を除去し、収集された水試料が井戸の近傍の実際の地下水を確実に代表するように補助することができる。たとえば、共通の規格は、３つないし５つの井戸体積をパージすることであり、あるいは試料を採取する前に一度井戸が乾くまで井戸体積をパージすることである。非パージ方式を使用することも可能である。
【０００７】
収集された地下水試料は、通常、分析のために研究所に送られる。研究所は、分析すべき汚染物質の種類に基づいて試験を実行する。たとえば、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）は、通常、ガスクロマトグラフィおよび質量分析法プロトコルを使用して測定される。この試験は、場合によっては著しくコストがかかり、とりわけ、多くの監視井戸が現場に存在し、かつ、水質改善計画のために年４回の監視を必要とする場合、著しくコストがかかる。さらに、ガスクロマトグラフィおよび質量分析法機器は、一般に大型で、かつ、複雑であり、したがって現場での試験には適していない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、低レベルの地下水汚染を現場で監視する方法およびシステムを提供すれば有益であろう。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
自然位（ｉｎ−ｓｉｔｕ）での地下水監視のための方法およびシステムについて記載する。この方法は、地下水テーブルの上方に配置された容器に地下水を移動させるステップと、容器内の地下水の少なくとも一部を蒸発させるステップと、蒸気中の少なくとも１つの化学物質の濃度を測定するステップとを含む。
【００１０】
地下水を移動させるステップは、地下水を容器にポンプ供給するステップおよび／または容器への地下水の垂直方向の輸送を使用するステップを含むことができる。地下水の少なくとも一部を蒸発させるステップは、地下水を蒸発させるために周囲温度を使用するステップ、地下水を加熱するステップおよび／または静電噴霧注入を使用するステップを含むことができる。蒸気中の少なくとも１つの化学物質の濃度を測定するステップは、既知の波長における吸収を測定して蒸気中の化学物質濃度を測定するために吸収分光学を使用するステップを含むことができる。
【００１１】
この方法は、蒸気中の少なくとも１つの化学物質の測定濃度を地下水中の化学物質の濃度に変換するステップをさらに含むことができる。ヘンリーの法則を使用して、蒸気中の少なくとも１つの化学物質の測定濃度を地下水中の化学物質の濃度に変換することができる。
【００１２】
自然位での地下水監視のためのシステムは、地下水累層の上方に配置された排水ますと、地下水累層中の地下水を排水ますへ移動させるポンプと、排水ますの上方に配置された光共振器であって、排水ますの中の地下水からの蒸気と光共振器を通って移動する光ビームが相互作用する光共振器と、蒸気中の化学物質の濃度を検出するセンサとを備えている。
【００１３】
排水ますは、ポンプから地下水を受け取るための入口、および地下水の少なくとも一部を地下水累層に戻すためのドレンを備えることができる。光共振器は、空胴リングダウン分光計共振器であってもよい。
【００１４】
光ビームは、同調可能レーザによって生成することができる。同調可能レーザは、蒸気中の少なくとも１つの化学物質を検出するように設計されたスペクトルレンジを有することができる。
【００１５】
センサは、フォトダイオードを備えることができる。フォトダイオードは、光ビームが光共振器を通って移動する際の光パルス遅延時間を測定する。センサは、蒸気中の化学物質の検出濃度を地下水中の化学物質の濃度に変換することができる。
【００１６】
このシステムは、さらに、排水ますの中の地下水を蒸発させる加熱器および／または排水ますから光共振器へ蒸気を案内する蒸気容器を備えることができる。
これらならびに他の態様および利点は、適宜、添付の図面を参照して行う以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には明らかになるであろう。また、この概要は単なる例示的なものにすぎず、特許請求される本発明の範囲の制限を意図したものではないことを理解されたい。
【００１７】
以下、現時点における好ましい実施形態について、添付の図面に関連して説明する。図において、同様の参照数表示は、すべての図を通して同様の構成要素を表している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、地下水を監視するための方法１００の流れ図である。ブロック１０２で、地下水監視井戸に配置されたステージに地下水がポンプ供給される。ステージは、地下水累層（すなわち地下水テーブル）の上方に位置し、かつ、地表面より下に位置するように監視井戸の中に配置することができる。別法としては、地表面より上にステージを配置することも可能である。地下水は、地下水累層中の水であり、地下水監視井戸を介してアクセスすることができる。ステージは、排水ますまたは他のタイプの容器などの地下水保持手段を備えている。
【００１９】
地下水は、地下水をポンプ供給するための様々な方法のうちの１つを使用してステージにポンプ供給される。地面より下方の地下水の深さに基づいてポンプ供給方法を選択することができる。たとえば、深い井戸に適用する場合は、水中に浸すことができるポンプを使用することができ、一方、浅い井戸に適用する場合は、圧力ポンプまたは真空ポンプを使用することができる。別法としては、容器を介した垂直方向の輸送を使用して、地下水をステージへ移動させることも可能である。ポンプ供給された地下水の少なくとも一部は、ステージの地下水保持手段の中に保持される。
【００２０】
ブロック１０４で、ポンプ供給された地下水がステージで蒸発する。地下水は、たとえば周囲環境温度を使用して蒸発させることができる。追加または別法として、ポンプ供給された地下水の少なくとも一部をステージ上の薄い膜の中に置き、かつ、地下水を蒸発させるための加熱器を膜の中に使用することによって地下水を蒸発させることも可能である。静電噴霧注入（ＥＳＩ）などの他の加熱方法の使用または他の地下水蒸発技法の使用を始めとする、地下水を蒸発させるための他の手段を使用することも可能である。
【００２１】
地下水の蒸気は、ステージの上方へ上昇する。一実施例では、蒸気は、井戸の頂部の地面より上に配置されたセンサまで、地下水監視井戸の頂部または地下水監視井戸の上方へ上昇する。別法としては、ステージの上方の井戸内にセンサを配置することも可能である。マニホルドを使用して蒸気をステージからセンサへ導くことができる。
【００２２】
ブロック１０６で蒸気中の汚染物質が測定される。センサを使用して蒸気中の汚染物質レベル（すなわち化学物質濃度）を測定することができる。たとえばセンサは、既知の波長における吸収を測定して蒸気中の汚染物質レベルを測定するために吸収分光学を使用することができる。蒸気汚染物質レベルが測定されると、これらのレベルを地下水汚染物質レベルに変換することができる。したがって、地下水汚染物質レベルを現場で測定することができる。
【００２３】
図２は、地下水を監視するためのシステム２００のブロック図である。システム２００は、排水ます２０２、蒸気容器２０４および光共振器２０６を備えている。この実施例では、排水ます２０２は、地下水監視井戸２１８内の地下水テーブルの上方で、かつ、地表面より下方に配置されている。しかしながら、他の実施形態では、地面より上に排水ます２０２を配置することができる。
【００２４】
蒸気容器２０４は、排水ます２０２から光共振器２０６へ蒸気を案内している。光共振器２０６は、排水ます２０２の上方の監視井戸２１８内または監視井戸２１８の上方に配置されている。表面の状態に応じて、光共振器２０６を監視井戸２１８内に配置するか、あるいは監視井戸２１８の上方に配置するかどうかを決定することができる。たとえば、監視井戸２１８が駐車場に配置されている場合、交通による地下水監視システム２００の損傷を防止するために、監視井戸２１８の中に光共振器２０６を配置することができる。
【００２５】
排水ます２０２は、入口２０８を介して地下水を受け取ることができる。過剰の地下水は排水ます２０２から排水され、ドレン２１０を介して地下水累層に戻される。ドレン２１０は、溢れた地下水を排水ます２０２から流出させ、かつ、著しい蒸気の漏れを防止することができる逆止め弁を備えることができる。図１を参照して説明したように、ポンプを使用して、入口２０８を介して地下水を排水ます２０２の中へポンプ供給することができる。排水ます２０２の中へポンプ供給された地下水の一部を蒸発させ、残りの地下水をドレン２１０を介して排水ます２０２から流出させて地下水累層に戻すことができる。
【００２６】
排水ます２０２の中に残っている地下水の少なくとも一部は蒸発する。この地下水は、周囲環境温度を使用して蒸発させることができる。詳細には、暖かい地域では、また、それ以外の地域では暖かい季節の間は、排水ます２０２の中の地下水を蒸発させるために必要な熱を提供するためには、場合によっては周囲温度で十分である。たとえば、地下水汚染物質を多くのガス種に対するＥＰＡの検出要件に合致するレベルまで蒸発させるためには、場合によっては３０℃の温度で十分である。
【００２７】
別法としては、薄い膜の上に取り付けられた薄膜抵抗加熱器などの加熱器を使用して地下水を加熱することも可能である。排水ます２０２の中の地下水を加熱することにより、システム２００は、より速やかに平衡し、より高い蒸気濃度の汚染物質を提供することができる。また、排水ます２０２の中の地下水は、マイクロノズルに電圧を印加することによって生じる地下水の静電噴霧注入（ＥＳＩ）を使用して蒸発させることも可能である。
【００２８】
蒸気容器２０４は、地下水の蒸気を排水ます２０２から光共振器２０６へ案内する円筒状の管であってもよい。蒸気容器２０４の中にウィックマニホルド２１６を配置することができる。地下水の蒸気は、循環する蒸気が排水ます２０２の中の地下水を通過してウィックマニホルド２１６に流れると生成される。地下水の蒸気を循環させることにより、ウィックマニホルド２１６から光共振器２０６を通して引き出される一様な濃度の蒸気を提供することができる。気相中の重要な化学物質の濃度は、通常、水−蒸気界面の温度で決まる。
【００２９】
地下水監視システム２００は、ファン２１２を備えることも可能である。ファン２１２は、光共振器２０６の上方に配置することができ、システム２００全体にわたる一様な蒸気濃度を保証するために、地下水の蒸気を循環させることができる。蒸発冷却の可能性があるため、ファン２１２は、蒸気中の化学物質の濃度を取得する前に、一定の期間（すなわち「整定時間」）の間、停止させることができる。
【００３０】
地下水監視システム２００は、ふた２１４を備えることも可能である。ふた２１４は、光共振器２０６を覆って、光共振器２０６のブロックと共にハウジングを形成することができる。ふた２１４は銅から構成することができ、熱を吸収するように設計された熱伝導体を備えている。
【００３１】
光共振器２０６は、空胴リングダウン分光計（ＣＲＤＳ）共振器であっても、あるいはリングレーザジャイロスコープのために使用される共振器などの他のタイプの共振器であってもよい。既知の赤外波長における蒸気吸収には、ガスの識別ならびにガスの濃度測定を可能にする固有の「特徴」情報が含まれている。ＣＲＤＳ共振器は、共振空胴に捕獲される光のマイクロ秒滞留時間（減衰時間）を測定する。光共振器２０６の実施例の１つについて、図３を参照してさらに説明する。
【００３２】
図３は、ＣＲＤＳ共振器３００のブロック図である。ＣＲＤＳ共振器３００は、共振器２０６としてシステム２００に使用することができる。ＣＲＤＳ共振器３００は、光ビーム３０４がその中を移動するブロック３０２を備えている。光ビーム３０４が移動する経路は、ボア吸収領域と呼ぶことができる。ブロック３０２に入射する光ビーム３０４は、光源３０６を使用して生成される。ブロック３０２から射出する光ビーム３０４中の光は遅延時間光と呼ばれ、光検出器３０８によって検出される。光源３０６および／または光検出器３０８は、光ファイバを介してＣＲＤＳ共振器３００に結合されることが好ましい。
【００３３】
ブロック３０２は、石英ガラス、ＢＫ７光学ガラス、または光ビーム３０４が減衰する際に１００マイクロ秒の時間期間にわたる安定性を提供する他の適切な任意の材料から構成することができる。図３に示されているように、ブロック３０２は広々としており、地下水の蒸気とビーム３０４の間の相互作用をより容易にしている。別法としては、ＣＲＤＳ共振器３００の長さに沿って開口を切り欠き、ボア吸収領域への地下水蒸気の流入を可能にすることができる。
【００３４】
ブロック３０２は、３つ以上のミラー３１０を備えることができる。ミラー３１０は、９９．９８％（すなわち２０ｐｐｍ）のレンジの鏡面反射率を提供する光コーティングを有していることが好ましい。ミラー３１０は、ガス分子が強力な吸収を有する短波赤外領域（ＳＷＩＲすなわち１．５〜２．０μｍレンジ）で動作するように設計することができる。また、ミラー３１０は、中波赤外領域（ＭＷＩＲすなわち３〜５μｍレンジ）で動作するように設計することも可能である。
【００３５】
通常、複数のミラー３１０のうちの１つまたは複数は湾曲しており、したがって光ビーム３０４は、ＣＲＤＳ共振器３００内を往復する毎にリフォーカスされる。他のミラー３１０は、ＣＲＤＳ共振器３００内に光を入射させる入力ミラーである。この入力ミラー３１０は、ＣＲＤＳ共振器３００内への光ビーム３０４の共振結合を可能にするべく、圧電によって駆動することができる。また、この入力ミラー３１０は、光検出器３０８によって検出される遅延時間光がＣＲＤＳ共振器３００から射出するミラーでもある。
【００３６】
これらのミラー３１０は、ブルースターの角度で配置された光窓の後側にミラー３１０を配置することによって蒸気および埃から保護されることが好ましく、本明細書においてはブルースター窓ミラー保護３１２として参照されている。低吸収の窓３１２は、ブルースターの角度ではＣＲＤＳ共振器３００の損失にほとんど寄与しない。
【００３７】
地下水汚染物質は、周囲温度、加熱、ＥＳＩ注入または地下水を蒸発させるための他の適切な任意の手段による排水ます２０２内での地下水の蒸発によってボア吸収領域に流入する。たとえば、液体−蒸気変換システムを使用することができる。液体−蒸気変換システムは、脱塩化に使用されるパーベーパレーション膜に類似した拡散膜を備えることができる。
【００３８】
排水ます２０２は、ブロック３０２およびカバー２１４と熱接触させることができる。カバー２１４は、局所環境による周囲温度まで加熱される。カバー２１４に対するＣＲＤＳ共振器３００および排水ます２０２の位置のため、ＣＲＤＳ共振器３００の方が排水ます２０２より周囲温度熱源の近くに配置されている。したがってＣＲＤＳ共振器３００の方が排水ます２０２の中の地下水より暖かくなり、そのため、分析すべき汚染物質の凝縮を妨害することがあり得る。
【００３９】
光源３０６は、同調可能レーザ、より詳細には同調可能赤外レーザであってもよい。また、光源３０６は、量子カスケードレーザまたはＳＷＩＲレンジおよび／またはＭＷＩＲレンジで動作させることができる他の任意の光源であってもよい。光源３０６は、監視すべき汚染物質の数および種類に応じて、重要なスペクトルレンジをカバーするための１つまたは複数のレーザを備えることができる。たとえばスペクトルレンジが１．６４と１．６８５の間の同調可能レーザを使用して、ＴＣＥ、ＤＣＥ、ＴＣＡ、クロロホルムおよびベンゼンを検出することができる。他の例として、スペクトルレンジが１．６２と１．６５の間の同調可能レーザを使用してメタンを検出することができる。
【００４０】
レーザ波長と共振器モードが共振している場合、光ビーム３０４は、好ましくはサブマイクロ秒の時間スケールでブロック３０２中に共振結合する。光ビーム３０４は、一度捕獲されると、光がミラー損失および／またはガス損失によって減衰するまで、通常はマイクロ秒の単位でＣＲＤＳ共振器３００を通過する。大よそ１００マイクロ秒後に、共振器モードは、他の時間減衰測定の準備が整う。したがって、ほぼ１ミリ秒毎に１つの時間減衰測度を得ることができる。
【００４１】
典型的な動作の場合、波長毎に１００個の試料を採取し、平均化することができる。次に、光源３０６を他の波長に同調させ、全スペクトルが得られるまでプロセスを繰り返すことができる。別法としては、たとえばその特徴が良く知られているいくつかの汚染物質に対しては、必ずしも全スペクトルを得る必要はない。その代わりに、たとえば、オフピーク非吸収波長とオンピークガス吸収レベルの間の時間減衰の変化を測定することも可能である。
【００４２】
光検出器３０８は、フォトダイオード、好ましくはナノ秒で応答することができるフォトダイオードを備えることができる。光検出器３０８は、光ビーム３０４がＣＲＤＳ共振器３００の周りを循環する際の光パルス減衰時間を測定する。この光パルス減衰時間を使用して、汚染物質の吸収が測定される。吸収線の位置および強度によって化学物質およびその濃度が一意に識別される。
【００４３】
また、光検出器３０８は、蒸気中の汚染物質の測定濃度を地下水中の汚染物質の濃度に変換するように動作させることができるプロセッサまたはコントローラなどの処理デバイスを備えることができる。処理デバイスは、ヘンリーの法則などの知られている変換技法を使用した蒸気−地下水変換を実施するソフトウェアを実行することができる。この変換は、さらに、温度独立変数を使用して増補することができる。
【００４４】
光検出器３０８によって測定された汚染のレベルは、ディスプレイに表示することができる。追加または別法として、測定された汚染レベルをオンサイト位置またはオフサイト位置へ無線で送信し、監視井戸２１８から離れた場所で結果をモニタすることも可能である。さらに、この無線リンクを使用して地下水監視システム２００を制御することも可能である。
【００４５】
地下水監視システム２００は、現場の状態変化に応じて（たとえば汚染物質プルームの拡大または縮小に応じて）別の監視井戸へ移動させることができる可搬型計器であってもよく、それにより、たとえばシステム２００を必要に応じて別の現場へ移動させることができる。地下水監視システム２００を使用して、現在の地下水に典型的に見出される汚染物質を検出することができ、また、将来的に識別されることになる汚染物質を検出することができる。さらに、システム２００は、常に変化し得るＥＰＡ  ＭＣＬレベルに矛盾しない汚染物質レベルを検出することができる。有利には、地下水監視システム２００は、約５分で１つの試料に対する結果を提供することができる。したがって、この地下水監視システム２００によれば、汚染レベルの識別が促進され、研究所における試験の量が著しく減少し、延いてはサイトアセスメントが容易になり、また、総合コストが低減される。
【００４６】
説明した実施形態は単なる例にすぎず、本発明の範囲を限定するものとして解釈すべきではないことを理解されたい。特許請求の範囲は、記載の順序または構成要素に限定されるものとして解釈すべきではない（ただし、その趣旨で記載されている場合は除く）。したがって、添付の特許請求の範囲の範疇および精神に属するすべての実施形態およびそれらの均等物は、本発明として特許請求される。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】一実施例による、地下水を監視するための方法の流れ図である。
【図２】一実施例による、地下水を監視するためのシステムのブロック図である。
【図３】一実施例による、図２に示すシステムに使用するための空胴リングダウン分光計（ＣＲＤＳ）共振器のブロック図である。
【符号の説明】
【００４８】
１００  地下水を監視するための方法
２００  地下水監視システム
２０２  排水ます
２０４  蒸気容器
２０６  光共振器
２０８  排水ますの入口
２１０  排水ますのドレン
２１２  ファン
２１４  ふた（カバー）
２１６  ウィックマニホルド
２１８  地下水監視井戸
３００  ＣＲＤＳ共振器
３０２  ブロック
３０４  光ビーム
３０６  光源
３０８  光検出器
３１０  ミラー
３１２  ブルースター窓ミラー保護
【図１】
2009080105.tif 000003
【図２】
2009080105.tif 000004
【図３】
2009080105.tif 000005
【外国語明細書】
2009080105000001.pdf