【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海水交換方法、およびこれに使用する海水交換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、港湾等において、潜堤や半島等により底層部が隔離された海域の場合、夏季の高水温時に閉鎖海域部分において、表層の水温だけが上昇し、底層部が冷水塊となり、鉛直混合が阻害され貧酸素状態となる水質悪化が問題になっており、その対応策として閉鎖海域や湾奥部分における海水交換が注目されるに至っている。
【０００３】
そして、従来、このような海水交換の方法としては、商用電力によりポンプを稼動して外海水を導入することが行われているが、動力を要するために、運用コストが高くつくという欠点がある。
【０００４】
また、近年、流れの中に揚水口を設けて、その付近を通過する潮汐による流れにより生じる負圧を利用した、鉛直循環式の海水交換装置が考案されているが（非特許文献１参照）、最も海水交換の必要性が高い夏季の高水温時には、表層の水温だけが上昇し、底層部が冷水塊となっている場合があるので、流れにより生じる負圧により揚水する力に対し、水温差による密度差が、流れを留める方向に影響し、海水交換効率が低下するという欠点がある。
【０００５】
【非特許文献１】
小沢、外５名、「負圧を利用した海水交換潜堤の揚水特性の基礎的検討」、海岸工学論文集、土木学会、２０００年、第４７巻、ｐ．１１６１−１１６５
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の欠点を解消すべくなされたものであって、運用コストの低廉な海水交換方法、および海水交換装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的は、
閉鎖海域１に形成された密度成層２の高密度域と周辺海域３の海中域との間を閉鎖海域１側の高密度域の密度成層境界における水頭が周辺海域３でのそれより高くなるサイフォン管路４で連結し、
該サイフォン管路４を介して閉鎖海域１内の高密度域内の海水を周辺海域３に流出させる海水交換方法を提供することにより達成される。
【０００８】
図２に本発明を示す。図２において１は潜堤等の堤１０により底層部が周辺海域３から隔離された閉鎖海域を示す。周辺海域３と閉鎖海域１の双方には、温度の違いによる密度成層２が複数層形成され、夏場等においては、堤１０により海水交換が妨げられる閉鎖海域１の海底近傍には、高密度域の密度成層２（冷水塊１１）が形成される。なお、図２において密度成層２の境界を破線で示す。
【０００９】
４は周辺海域３と閉鎖海域１の海底間を堤１０を跨いで連結するサイフォン管路であり、閉鎖海域１側の管路端（以下、「サイフォン始点４ａ」）は、冷水塊１１の境界面レベル１１ａより深部に配置される。
【００１０】
いま、冷水塊１１の境界面レベル１１ａとサイフォン管路４の周辺海域３側の管路端（以下、「サイフォン終点４ｂ」）の高低差をｈｂｄ 、サイフォン始点４ａにおける海水（冷水塊）の密度をρ１ 、サイフォン終点４ｂにおける海水の密度をρ２ とすると、サイフォン始点４ａとサイフォン終点４ｂとの間に生じている海水の密度差による水頭差（Ｈｂｄ ）は、
Ｈｂｄ ＝（ρ１ −ρ２ ）／ρ１ ・ｈｂｄ ・・・（１）
で与えられる。
【００１１】
冷水塊１１の存在により、ρ１ −ρ２ ＞０であるから、Ｈｂｄ ＞０となり、サイフォン管路４内には、サイフォン始点４ａからサイフォン終点４ｂに向かう水流を作り出すことができる。
【００１２】
サイフォン管路４内の通水量（Ｑ）は、サイフォン管路４内の損失水頭（ＨＬ ）とバランスするだけの水量で、以下のように求められる。すなわち、
管内流速をｖ、管内通水面積をＡ、摩擦損失を含む各種損失係数をｆとすると、
ＨＬ ＝Ｈｂｄ ・・・（２）
ＨＬ ＝ｆ・ｖ２ ／（２・ｇ） ・・・（３）
より、
ｖ＝（Ｈｂｄ ・２・ｇ／ｆ ）１／２ ・・・（４）
が成立する。
【００１３】
一方、Ｑとｖとの間には、
Ｑ＝Ａ・ｖ
＝Ａ・（Ｈｂｄ ・２・ｇ／ｆ ）１／２ ・・・（５）
の関係が成立する。
【００１４】
よって、最も海水交換の必要性が高い夏季の高水温時等、表層と底層の温度差が大きければ大きいほど密度差Ｈｂｄ が大きくなり、通水量Ｑも多くなり、結果的に海水交換率が高くなることがわかる。
【００１５】
サイフォン始点４ａ近傍の高密度側の海水を一旦サイフォン管路４の頂点４ｃまで持ち上げ、管路内全てをサイフォン始点４ａ近傍の海水密度にしてサイフォン管路４を起動するために、サイフォン管路４の頂点４ｃには起動ポンプ５が設置される（図３（ｂ）参照）。この起動ポンプ５の必要揚程は、以下のようにして求められる。
【００１６】
すなわち、サイフォン起動に必要な密度差による静水圧Ｈｂｃ は、サイフォン管路４の頂点４ｃの当初の密度をρ３ 、冷水塊の境界面レベル１１ａとサイフォン管路４の頂点４ｃとの高低差をｈｂｃ とすると、
Ｈｂｃ ＝（ρ１ −ρ３ ）／ρ１ ・ｈｂｃ ＝Ｈａ ・・・（６）
で与えられる。
【００１７】
したがって、上記（５）式の通水量Ｑを、静水圧Ｈｂｃ（＝揚程Ｈａ ）だけ持ち上げられる能力を持つポンプ等の起動用の機器を用意すれば、密度差（水温差）がある限り、サイフォン始点４ａよりサイフォン終点４ｂに向かって流れが生じ、海水が交換される。
【００１８】
なお、サイフォン管路４の頂点４ｃが水面よりも上にある場合の揚程Ｈａ は、水面からサイフォン管路４の頂点４ｃの高低差をｈｅｃ 、水面までの高低差をｈｂｅ とすると、
Ｈｂｃ ＝（ρ１ −ρ３ ）／ρ１ ・ｈｂｅ ＋ｈｅｃ ＝Ｈａ ・・・（７）
で与えられる。
【００１９】
これら起動に要する揚程は比較的少なく、太陽光や風力を利用した自然エネルギーでも十分まかなえるため、少ない維持管理費による運用が可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１に本発明が適用された港湾の平面図を示す。図中１０は海底の潜堤（堤）、１は潜堤等の堤１０により底層部が周辺海域３から隔離された閉鎖海域、３は周辺海域を示し、上述したように、閉鎖海域１中に冷水塊１１が形成される。
【００２１】
４は堤１０を跨いで配置されるサイフォン管路であり、図２に示すように、一端が閉鎖海域１の冷水塊１１に、他端が周辺海域３の海中域に配置される。
【００２２】
このサイフォン管路４は、冷水塊１１から周辺海域３への海水移動が発生するサイフォンとして機能するための如上の条件を満足するように設計される。また、サイフォンを維持して継続的に水流を発生させるために、以下に示すように、密度フルード数に対する考慮がなされる。
【００２３】
すなわち、上記（４）式により求められたｖが小さい場合には、サイフォン管路４内で密度成層２が形成されてしまい、密度サイフォンが切れる可能性がある。サイフォン管路４内で密度成層２が形成されるかどうかは、経験的に密度フルード数（Ｆｄ ）を確認する事で判断でき、
Ｆｄ ≧１．０ ・・・（８）
であれば、サイフォン管路４内で密度成層２は形成されないことが知られている。
【００２４】
この密度フルード数Ｆｄ は、サイフォン始点４ａの密度をρ１ 、サイフォン管路４の頂点４ｃの当初の密度をρ３ 、サイフォン管路４の径（もしくは水路断面の高さ寸法）をｄとすると、
Ｆｄ ＝ｖ／｛ ｇ・（ρ１ −ρ３ ）／ρ１ ・ｄ ｝１／２ ・・・（９）
で与えられ、管路径は上記（８）、（９）式を満足するように設定される。
【００２５】
密度成層２が形成される可能性がある場合には、図３（ａ）に示すように、サイフォン管路４内部に螺旋条等の管路内水流の撹拌、混合手段１２を設けたり、あるいは頂点４ｃ部分の管の形状を薄く（上記（７）式のｄを小さく）することにより、密度成層２の発生を防止することが望ましい。なお、本実施の形態においては堤１０に対してサイフォン管路４が一本配設されるが、管の径ｄが小さくなることなどにより必要な通水量Ｑが確保できない場合には、サイフォン管路４を複数本配設すればよい。
【００２６】
以上のサイフォン管路４を起動するための起動ポンプ５は、図３（ｂ）に示すように、頂点４ｃにおいてサイフォン管路４内に収容される。この場合、起動用ポンプ５としてエゼクターポンプ１３を使用してサイフォン終点４ｂ近傍に配置すると、図３（ｃ）において矢印で示すように、起動と同時にサイフォン管路４を通ってくる低水温の海水と周辺の高水温の海水を混合させ、放流部付近の水温上昇によるサイフォン切れを防止することができる。
【００２７】
上述したように、必要揚程が比較的少ないために起動ポンプ５に必要な原動機の出力も小さくなることから、太陽光発電を利用した場合にも、比較的小さな設置面積の太陽電池モジュールによって十分な電気を供給することができる。このように太陽光発電を利用することにより、運用コストをさらに低廉なものにすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、閉鎖海域や湾奥部分における海水交換の運用コストを低廉にすることができる。したがって、安価なコストによって閉鎖海域等の低層部の水質悪化を改善、防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の海水交換装置が設置された港湾を示す平面図である。
【図２】本発明を示す図で、図１の１Ａ−１Ａ線断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における部分拡大図で、（ａ）は撹拌、混合手段を示す図、（ｂ）は起動ポンプの設置状態を示す図、（ｃ）はエゼクターポンプの稼働状況を示す図である。
【符号の説明】
１ 閉鎖海域
２ 密度成層
３ 周辺海域
４ サイフォン管路
５ 起動ポンプ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a seawater exchange method and a seawater exchange device used for the method.
[0002]
[Prior art]
Recently, in the case of sea areas where the bottom layer is isolated by harbors, peninsulas, etc. in harbors, etc., only the surface water temperature rises in the closed sea area at high summer water temperatures, the bottom layer becomes a cold water mass, and vertical mixing occurs. The problem is the deterioration of water quality, which results in poor oxygen levels due to the disturbed water quality, and attention has been paid to seawater exchange in closed sea areas and deeper bays as a countermeasure.
[0003]
Conventionally, as such a method of exchanging seawater, a pump is operated by commercial power to introduce outside seawater. However, since power is required, the operation cost is high. .
[0004]
In recent years, a vertical circulation type seawater exchange device has been devised in which a pumping port is provided in a flow and a negative pressure generated by a flow due to tide passing in the vicinity thereof is used (see Non-Patent Document 1). However, at the high water temperature in summer when seawater exchange is most necessary, only the surface water temperature rises and the bottom layer may be a cold water mass. There is a disadvantage that the density difference due to the temperature difference affects the direction in which the flow is stopped, and the seawater exchange efficiency is reduced.
[0005]
[Non-patent document 1]
Ozawa, et al., "Basic Examination of Pumping Characteristics of Seawater Exchange Submerge Using Negative Pressure", Journal of Coastal Engineering, Japan Society of Civil Engineers, 2000, Vol. 47, p. 1161-1165
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above-mentioned drawbacks, and an object of the present invention is to provide a seawater exchange method and a seawater exchange device with low operating costs.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
According to the invention, the object is
A siphon whose head at the density stratification boundary of the high-density area on the closed sea area 1 side is higher than that in the surrounding sea area 3 between the high-density area of the density stratification 2 formed in the closed sea area 1 and the middle area of the surrounding sea area 3 Connected by pipe 4
This is achieved by providing a seawater exchange method in which seawater in a high-density area in the closed sea area 1 flows out to the surrounding sea area 3 through the siphon pipe 4.
[0008]
FIG. 2 shows the present invention. In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a closed sea area in which the bottom layer is isolated from the surrounding sea area 3 by a dike 10 such as a submerged dike. In both the surrounding sea area 3 and the closed sea area 1, a plurality of density stratification layers 2 are formed due to the difference in temperature. In summer or the like, a high density area is formed near the seabed of the closed sea area 1 in which seawater exchange is hindered by the levee 10. , A stratified layer 2 (cold water mass 11) is formed. In FIG. 2, the boundary of the density stratification 2 is indicated by a broken line.
[0009]
Reference numeral 4 denotes a siphon pipe connecting the surrounding sea area 3 and the seabed of the closed sea area 1 across the dike 10. A pipe end on the closed sea area 1 side (hereinafter, “siphon starting point 4 a”) is a boundary of the cold water mass 11. It is arranged deeper than the surface level 11a.
[0010]
Now, the height difference between the boundary surface level 11a of the chilled water mass 11 and the pipeline end on the side of the sea area 3 around the siphon pipeline 4 (hereinafter, “siphon end point 4b”) is h bd , and the seawater (cold water mass) at the siphon starting point 4a is 1 a density [rho, when the density of the sea water in the siphon ending 4b and [rho 2, the water head difference due to difference in density between the seawater occurring between the siphon start point 4a and siphon ending 4b (H bd) is
H bd = (ρ 1 −ρ 2 ) / ρ 1 · h bd (1)
Given by
[0011]
Due to the presence of the cold water mass 11, ρ 1 −ρ 2 > 0, so that H bd > 0, and a water flow from the siphon start point 4a to the siphon end point 4b can be created in the siphon pipeline 4.
[0012]
The water flow rate (Q) in the siphon pipeline 4 is a water volume that balances the head loss (H L ) in the siphon pipeline 4 and is obtained as follows. That is,
Assuming that the flow velocity in the pipe is v, the water passage area in the pipe is A, and various loss factors including friction loss are f,
H L = H bd (2)
H L = f · v 2 / (2 · g) (3)
Than,
v = (H bd · 2 · g / f) 1/2 (4)
Holds.
[0013]
On the other hand, between Q and v,
Q = A · v
= A · (H bd · 2 · g / f) 1/2 (5)
Is established.
[0014]
Therefore, the higher the temperature difference between the surface layer and the bottom layer is, for example, at the time of high water temperature in summer when the need for seawater exchange is the highest, the greater the density difference Hbd , the larger the water flow rate Q, and the larger the seawater exchange rate. It turns out that it becomes high.
[0015]
In order to raise the seawater on the high-density side near the siphon starting point 4a to the vertex 4c of the siphon pipe 4 once, and to set the entire seawater to the seawater density near the siphon starting point 4a, the siphon pipe 4 is activated. The starting pump 5 is installed at the vertex 4c (see FIG. 3B). The required head of the starting pump 5 is obtained as follows.
[0016]
That is, the hydrostatic pressure H bc due to the density difference necessary for siphon activation is ρ 3 , the initial density of the vertex 4 c of the siphon pipe 4, and the height difference between the boundary surface level 11 a of the cold water mass and the vertex 4 c of the siphon pipe 4. Let hbc be
H bc = (ρ 1 -ρ 3 ) / ρ 1 · h bc = H a ··· (6)
Given by
[0017]
Therefore, if a starting device such as a pump having the ability to raise the water flow rate Q of the above equation (5) by the hydrostatic pressure H bc (= head H a ) is prepared, as long as there is a density difference (water temperature difference), Then, a flow is generated from the siphon start point 4a toward the siphon end point 4b, and the seawater is exchanged.
[0018]
Incidentally, lift H a when the vertex 4c of the siphon pipe 4 is above the water surface, h ec the height difference between the vertex 4c siphon conduit 4 out of the water, when the height difference of up to the water surface and h BE,
H bc = (ρ 1 −ρ 3 ) / ρ 1 · h be + h ec = H a (7)
Given by
[0019]
The head required for these start-ups is relatively small, and natural energy using sunlight or wind power is sufficient, so operation with low maintenance costs is possible.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows a plan view of a port to which the present invention is applied. In the figure, reference numeral 10 denotes a submarine levee (bank), 1 denotes a closed sea area whose bottom layer is separated from the surrounding sea area 3 by a levee 10 or the like, and 3 denotes a surrounding sea area. , A cold water mass 11 is formed.
[0021]
Numeral 4 denotes a siphon pipeline arranged across the bank 10, one end of which is arranged in the cold water body 11 in the closed sea area 1 and the other end is arranged in the underwater area of the surrounding sea area 3, as shown in FIG.
[0022]
The siphon pipe 4 is designed so as to satisfy the above conditions for functioning as a siphon in which seawater moves from the cold water mass 11 to the surrounding sea area 3. Also, in order to maintain the siphon and generate a continuous water flow, consideration is given to the density Froude number as described below.
[0023]
That is, when v obtained by the above equation (4) is small, the density stratification 2 is formed in the siphon pipe 4 and the density siphon may be cut off. Whether or not the density stratification 2 is formed in the siphon pipeline 4 can be determined by empirically confirming the density Froude number (F d ),
F d ≧ 1.0 (8)
, It is known that the density stratification 2 is not formed in the siphon conduit 4.
[0024]
The density Froude number F d is 1 the density of the siphon start point 4a [rho, and the initial density [rho 3 vertices 4c siphon pipe 4, the diameter of the siphon pipe 4 (or height dimension of the channel cross-section) d Then
F d = v / ｛g · (ρ 1 −ρ 3 ) / ρ 1 · d １ ／ 1/2 (9)
And the pipe diameter is set so as to satisfy the above equations (8) and (9).
[0025]
In the case where the density stratification 2 is likely to be formed, as shown in FIG. 3 (a), a stirrer for the water flow in the pipe such as a spiral strip and the mixing means 12 are provided inside the siphon pipe 4, or It is desirable to prevent the density stratification 2 from occurring by reducing the shape of the pipe at the vertex 4c (making d in the above equation (7) smaller). In the present embodiment, one siphon pipe 4 is provided for the embankment 10. However, when the required water flow Q cannot be secured due to a decrease in the diameter d of the pipe, the siphon pipe 4 is not provided. A plurality of roads 4 may be provided.
[0026]
The starting pump 5 for starting the siphon pipeline 4 described above is housed in the siphon pipeline 4 at the vertex 4c, as shown in FIG. In this case, if the ejector pump 13 is used as the start-up pump 5 and it is arranged near the siphon end point 4b, as shown by an arrow in FIG. And the surrounding high-temperature seawater can be mixed to prevent siphon breakage due to a rise in water temperature near the discharge section.
[0027]
As described above, since the output of the prime mover required for the starting pump 5 is also reduced because the required head is relatively small, even when using solar power generation, a solar cell module having a relatively small installation area is sufficient. Can supply electricity. By using the photovoltaic power generation in this way, the operation cost can be further reduced.
[0028]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the present invention, it is possible to reduce the operation cost of seawater exchange in a closed sea area or a deep part of a bay. Therefore, it is possible to improve and prevent the deterioration of the water quality in the lower part such as the closed sea area at a low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a port where a seawater exchange device of the present invention is installed.
FIG. 2 shows the present invention, and is a cross-sectional view taken along line 1A-1A of FIG.
FIGS. 3A and 3B are partially enlarged views of the embodiment of the present invention, in which FIG. 3A shows a stirring and mixing means, FIG. 3B shows an installation state of a starting pump, and FIG. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Closed sea area 2 Density stratification 3 Surrounding sea area 4 Siphon line 5 Starting pump
