JP2007061736A - 湖の水質調整システム - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、湖における貯水の水質を良好な状態に維持し、湖の周辺域や該湖を水源とする河川の下流域の環境を保守できる水質調整システムを提供することにある。
【解決手段】 湖１よりも高所に水源２ａ，２ｂを設け、該水源２ａ，２ｂから前記湖１の底部Ｕに至る送水路３,４を形成し、前記送水路３,４は、湖１の底部Ｕに水源２ａ，２ｂからの水Ｗを送り出す噴水口５を備えていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明はおもに、天然湖、あるいはダム湖や貯水池に代表される人工湖において、貯水の水質を調整するためのシステムに関するものである。

湖は、人々が生活を送る際の水源として非常に重要なものであり、生活水の確保は勿論、例えばダム湖や貯水池などの人工湖を設け、これらの貯水を発電利用や農業用水など様々利用している。
特開平１０−２６６１７１号公報 特開平１０−２５２０４２号公報

しかしながら湖の周辺から土砂や流木が貯水域に流れ込み、これらが湖の底に堆積し続けることで年月とともにヘドロ化し、水質を著しく悪化するものであった。また湖の中でも特にダム湖では、前述したヘドロの堆積により貯水量を確保できなくなることにより、発電がままならなくなる切実な問題があった。このような問題に対応するために、近年では湖の堆積物の排出・排砂機能を具備するダムが登場したが、このようなダムからの堆積物の排出後は、ダム湖の底において長期間堆積し続けたヘドロがそのまま河川に流れ込んでいき、下流域の漁場汚染や河川の汚濁などの様々な環境被害を引き起こすという新たな問題も発生している。

本発明は以上の課題を鑑みてなされたものであり、湖における貯水の水質を良好な状態に維持し、湖の周辺域や該湖を水源とする河川の下流域の環境を保守できる水質調整システムを提供することにある。

上記の課題を達成するために請求項１記載の発明では、湖よりも高所に水源を設け、該水源から前記湖の底部に至る送水路を形成し、前記送水路は、湖の底部に水源からの水を送り出す噴水口を備えていることを特徴とする。

ここで湖とは、天然湖やダム湖あるいは溜池などの比較的貯水量の多いものの全てを意味する概念である。また水源は、長期間安定的に湖の底に溜まった堆積物を巻き上げて旋回させられるほどの水量を得られるものであればよく、例えば貯水量の多い沈砂池や貯水池などが挙げられる。また送水路とは、水源からの水をスムーズに湖の底に送ることができるものであればよく、例えば導水管やＵ字溝などが適用される。さらに噴水口は、水源から延長した送水路を経て送り込まれた水を、一定の水流の勢いを保ちながら湖の底に送り出せるものであればよい。また噴水口を備える箇所は、必ずしも送水路の終端でなくてもよく、水流が堆積物に到達可能な箇所であれば、例えば送水路の中間部に備えてあってもよい。

以上のように本発明の湖の水質調整システムを形成すると、水源から湖の底部までの落差、あるいはポンプなどの強制的な動力を利用して水が勢いよく送水路を流れていき、さらに勢いを付けた水が噴水口から放水されることにより、湖の底の堆積物を巻き上げて旋回させるような流れを作り出すこととなる。

本発明のうち請求項２記載の発明は、前記噴水口には、送水路を流れる水源からの水を、当該噴水口と連通する筒状の軸部を有し且つ該軸部を中心に横回転又は縦回転しながら湖の底部に送り出す回転ノズルを備えているので、送水路を経て噴水口に送り込まれた水が軸部を通り、さらに前記軸部を中心として横回転又は縦回転するノズルから放たれることにより、湖の底部の貯水に対して渦巻状に旋回する水流を起こし、しかも、前記ノズルの回転に伴って発生する遠心力により、前記水流の旋回範囲を一層広範囲に及ぼすことが可能となる。

ここで回転ノズルの動力については、水源と湖底部との落差を利用して送られる送水路からの水の勢いを利用してもよいし、あるいはモーターなどで電気的に回転力を付与してもよい。またノズルの回転方向、つまりは横回転又は縦回転とは、斜めの回転も含まれるものである。

本発明のうち請求項３記載の発明は、前記送水路には、水源から送り込まれた水とともに外気を湖の底部に送り出すための外気取入れ手段を備えているので、外気取入れ手段により送水路に外気を取り込み、さらに噴水口から外気を含んだ水を放出し、これにより湖の底部に酸素の供給が行なわれることで、例えば堆積物の分解に寄与する微生物の活性化を促すことができる。

外気取入れ手段は、送水路を流れる水源からの水に対して外気を混合できるようなものであればよく、例えばエアノズルや吸気ポンプなどが適用される。

本発明のうち請求項４記載の発明では、前記水源は、少なくとも２箇所以上に設けてあり、当該各水源のそれぞれに噴水口に通じる送水路を形成しているので、一方の水源が枯渇あるいは排砂中などの供給停止状態にある場合、他方の水源からの送水を確保できる。

ここで水源の種類や数については特に限定するものではなく、例えば湖やダム周辺に複数の沈砂池等を人工的に設置したり、あるいは天然の貯水池等を利用するといった様々な手法が適用できる。また送水管については、それぞれが水源か噴水口に通じていてもよいし、あるいは、各水源からの送水路を中間位置で一纏めとし、この中間位置に水門などを設けて水流を切り替えてもよい。

請求項１記載の発明による湖の水質調整システムは、湖の貯水を循環することにより、周辺域から流れ込んだ土砂や流木の長期間な堆積を防ぐので、堆積物のヘドロ化を防ぎ、仮に堆積物が湖から河川に流れ出た場合でも、堆積物がヘドロ化していないために湖の周辺域や下流域を汚濁することなく、結果、周辺環境を保守できる。

請求項２記載の発明による湖の水質調整システムは、請求項１記載の発明の効果に加えて、回転ノズルによって噴水口から広範囲に水流を供給できるようになるので、１つの噴水口による堆積物の旋回能力が格段に向上し、湖の底に溜まる堆積物のヘドロ化を効率的に解消できる。

請求項３記載の発明による湖の水質調整システムは、請求項１及び２記載の発明の効果に加えて、湖の底に水源からの水と共に外気を送り込むことで、ヘドロの生成の主原因となる腐敗堆積物の分解に重要な働きをするバクテリアなどの微生物が活性化し、この結果、湖の水質が良好な状態で保たれるので、一層の環境保全を図ることができる。

請求項４記載の発明による湖の水質調整システムは、請求項１、２及び３記載の発明の効果に加えて、噴水口への給水を効率よく行えるので、本システムを安定的に稼動できて湖の水質を永続的に保つことが可能となる。

本発明の湖の水質調整システムの具体的な実施形態を以下に説明する。
尚、ここでは様々な湖のうちのダム湖を挙げて説明するものである。

まず図１に示すものは、本実施による湖の水質調整システムの全体図であり、本実施形態ではダム６ａに塞き止められたダム湖１の底部Ｕにおいて、各々間隔をあけて三箇所の噴水口５を設け、またダム湖１の上流には水源となり且つ各ダム６ｂ，６ｃにより塞き止められた人工の各沈砂池２ａ，２ｂをそれぞれ設け、さらに、該沈砂池２ａ，２ｂからダム湖１周辺の高地まで該沈砂池２ａ，２ｂの貯水を送水可能な主管３を導くと共に、この主管３から前記各噴水口５までに枝管４を分岐したものである。
尚、噴水口５を設置する数については前述したような３箇所に限るものではなく、ダム湖１の規模等によって適宜変更されるものである。また前記主管３における水面よりも上側の複数の箇所には、図示は省略するが排気バルブを備えており、噴水口５への給水の前に主管３内の気圧を調整することができる。

ここで水源（沈砂池２ａ，２ｂ）を２箇所に設けてあるのは、前記噴水口５への給水を滞りなく行うことを目的としており、仮に一方の沈砂池２ａ，２ｂで排砂を行っていた場合、他方の沈砂池２ａ，２ｂから給水を行うことができる。さらに各沈砂池２ａ，２ｂから導水された主管３同士の合流する箇所には水門（図示省略）を設けており、この水門の開け閉めにより、一方の沈砂池２ａ，２ｂから、他方の沈砂池２ａ，２ｂから、あるいは両方の沈砂池２ａ，２ｂからと順次切り替えできるように構成してある。

次に本実施による湖の水質調整システムの各部について以下に説明する。

まず噴水口５は図２に示すように、枝管４の送水終端側をコンクリート製の基礎ブロック９ａに固定し、該送水終端側をそのままダム湖１の底部Ｕから上方に向けて突き出したものである。このようにすると、主管３とダム湖１底部Ｕとの落差により勢いの付けられた沈砂池２からの水Ｗが（図１参照）、枝管４を通って勢いよく噴水口５から送り出されることで、ダム湖１の底部Ｕの堆積物８を押し上げるような水流を該ダム湖１底部Ｕの貯水、あるいは堆積物８に向けることが可能となる。

また噴水口５の他の実施形態として図３のように、枝管４の送水終端側に回転するノズルを備えることもできる。このノズルは、大きく分けて枝管４と連結する基部９ｂと、該基部９ｂの上部において水平回転及び垂直回転するように軸支しているノズル部分とからなっている。まず前記基部９ｂ内の構成は、枝管４に送り込まれる沈砂池２ａ，２ｂからの水Ｗの勢いをノズル部分の回転力に変換するための羽を螺旋状に配置したスクリュー部３３と、当該スクリュー部３３の回転力をノズル部分に伝達する減速部１２,１３,１５と、この減速部１２,１３,１５により横方向に軸回転するパイプ状の軸部１４とからなっている。また前記スクリュー部３３の格納室２２と軸部１４内とは連通しており、枝管４を流れる水Ｗをノズル部分まで送り込めるように形成している。さらに前記減速部１２,１３,１５は、スクリュー部３３のシャフトの一端に取り付けた駆動側かさ歯車１２と、当該駆動側かさ歯車１２と噛み合い且つ減速部の支軸３２の回転方向を軸部１４と同一にする従動側かさ歯車１３と、支軸３２の回転力を軸部１４に適切な回転数となるように伝達する各間接歯車１５と、当該各間接歯車１５と噛み合わさる軸部１４の外周に取り付けた大径の軸部回転歯車１６とからなっており、これら大小の各歯車１２,１３,１５,１６のそれぞれの噛み合わせにより、ダム湖１底部Ｕの水圧に抗してノズル部分を水平方向、及び垂直方向に回すことが可能となっている。

次に前述のノズル部分は、前記軸部１４を中心として横方向にそれぞれ延びる主ターンノズル１０と、該主ターンノズル１０の両端側にそれぞれ垂直回転する枝ターンノズル１１とからなっている。まず主ターンノズル１０は、断面Ｔ字状をなしており、軸部１４の中を通って送り込まれた水Ｗを、ダム湖１底部Ｕにおける前後左右の全周に亘って噴射しながら回り始める。次に各枝ターンノズル１１は、前記主ターンノズル１０の両端をそれぞれ中心とし、さらに当該主ターンノズル１０と連通及び直交するように軸支してあり、主ターンノズル１０を通って送り込まれた水Ｗを、該主ターンノズル１０の回転と共に上下、あるいは前後左右に噴射しながら垂直に回る。また枝ターンノズル１１は、主ターンノズル１０内を流れる水Ｗが枝ターンノズル１１内の伝達羽３１にあたり、さらに該伝達羽３１から回転力を付与されることで垂直に回り始める。
尚、主ターンノズル１０の回転速度については、本実施形態では１時間に約１回転するように設定してあり、また枝ターンノズル１１についても比較的緩やかに可動するように設定してあるが、ノズル１１の回転速度の設定は特に限定するものではない。

次に図４は、主ターンノズル１０及び枝ターンノズル１１の各部位をプロペラ型のカバー３９で覆う態様の噴水口５の構造を示すものである。
まず前記カバー３９の形状については、ダム湖１の底部Ｕであることから水圧の高さを考慮し、カバー３９の水平回転時における水Ｗの抵抗を極力少なくするために断面が流線形状をなしており、さらに図５のように、カバー３９上面の左右に間隔をあけた２箇所には、枝ターンノズル１１の開放口４４を設けている。また左右各枝ターンノズル１１は、油圧モーター４０によって可動し（図４参照）、これにより水流の噴射方向の変更が適宜行える。また本実施形態では、主ターンノズル１０に回転力を付与するための油圧ユニット４２を、水Ｗの流路の下側に設けており、これにより本システムのメンテナンスの容易さ、及び水流の影響を受けないことによる耐用年数の向上が見込まれる。
尚、カバー３９の素材については、本実施形態ではチタンを適用しているが、この他にＦＲＰやアルミなどであってもよく、化学変化に強く、しかも耐久性と重量のバランスのとれた素材を選定するものである。

次に図６と図７（ａ）（ｂ）に示すものは、沈砂池２の水Ｗが主管３を経て各枝管４に送り込まれる際の各分岐箇所７の構成を説明するものである。
この分岐箇所７の構成する各部位について、まず主管３側には、該主管３の水Ｗの流路と通じていると共に主管３からの水Ｗを螺旋状に枝管４へ送り出すことができる注ぎ部２８を備えている。この注ぎ部２８により主管３から送り込まれた水Ｗは、例えば後述する弁側外気取入口２３の回転弁２５閉塞時、当該注ぎ部２８に案内されながら渦巻きのような強烈な回転力を付与され、さらに前記水Ｗは、膨らみ部１７内の空気を取り込みながら枝管４を勢いよく流れ落ちていき、ダム湖１の底部Ｕへ空気を多量に含んだ強い水流を送り込むこととなる。次に枝管４側には、前記注ぎ部２８を格納できるような膨らみ部１７を設けてあり、この膨らみ部１７内には、上壁３４の内面側と主管３との間を上下動する内蓋２６を備えている。また前記膨らみ部１７の上壁３４の二箇所には、外気２９,３０の取入口１８,２３をそれぞれ設けている。そして各二箇所の外気取入口１８,２３のうちの一方側（以下、エアノズル側外気取入口と記す。）は、膨らみ部１７の上壁３４外面から上方に突出する筒状に形成しており、このエアノズル側外気取入口１８内には、膨らみ部１７の内外にそれぞれ通じるエアノズル２７の一端側を突入している。また前記エアノズル２７は、エアノズル２７側外気取入口１８内に納まる側が他方側に比べて張り出している（以下、張出部３５と記す）と共に、この張出部３５の周壁には多数の通気孔１９を備えている。また、前記張出部３５の下端面と膨らみ部１７の上壁３４との間にコイルスプリング２０が介在し、さらに前記エアノズル２７の上側は、エアノズル側外気取入口１８に被せた外蓋２１に、ボルト３６とナット３７により固定してある。またエアノズル２７とコイルスプリング２０の間には、前記内蓋２６の脱落を防止する係止筒３８を有しており、この係止筒３８は、エアノズル２７の張出部３５の外周面に対し、上下方向に滑らかに摺動するように形成してあり、さらに係止筒３８の上下動によりエアノズル２７の各通気孔１９の閉鎖と開放との切り替えがなされている。

そしてもう一方の外気取入口（以下、弁側外気取入口と記す。）２３は、膨らみ部１７の中の気圧の調整を行うものである。具体的には、前述した膨らみ部１７の上壁３４から上方に突出した筒状をなし、また上部側側面には開放孔２４を有しており、さらに該弁側外気取入口２３内には、この取入口２３の外から手動あるいは遠隔操作のできる回転弁２５を備えている。そしてこの回転弁２５は、本実施形態では本水質調整システムの起動時と停止時において、弁側外気取入口２３を開放するように制御している。これは本水質調整システムの起動前の膨らみ部１７内が、後述したような回転弁２５の閉鎖状態にあった場合には比較的過圧状態にあることから、この状態で起動しても内蓋２６が圧によって下がりにくくなっており、従って、エアノズル２７の各通気孔１９から外気３０が取り込まれにくくなることを解消するためである。また本水質調整システムの停止前では、これも後述するが、本水質調整システムの起動前とは反対に減圧状態にあることから、本水質調整システムの保全等を考慮し、弁側外気取入口２３を一時的に開放することが望ましい。また弁側外気取入口２３を普段は開放しておき、本水質調整システムの起動時のみ、弁側外気取入口２３を閉鎖するように制御してもよいが、本水質調整システムの停止後、膨らみ部１７内の気圧を一定の状態に戻した後は、再び弁側外気取入口２３を閉鎖しておけば、膨らみ部１７内への埃や落ち葉等の異物の入り込みを防ぐことができる。
尚、回転弁２５は、上述した本水質調整システムの起動時と停止時以外の起動途中であっても、適宜開閉の度合を調整することが可能である。また当該回転弁２５の制御は、例えば圧力の変化を感知できるセンサーにより、膨らみ部内の圧の状態を感知して開閉度合を調整するなど様々な手段が適用できる。

以上のように形成した分岐箇所７では、回転弁２５により弁側外気取入口２３を閉鎖して主管３から送られた水Ｗを枝管４に流し続けることにより、図７（ａ）のように膨らみ部１７内が次第に減圧されていく。そして膨らみ部１７内が減圧されると図７（ｂ）のように内蓋２６が下がり始め、さらに該内蓋２６と連動する係止筒３８も下がってエアノズル２７の通気孔１９が開放し、外気３０を膨らみ部１７内へ積極的に取り込むようになり、この取り込まれた外気３０は主管３からの水Ｗ、そして枝管４を通って各噴水口５からダム湖１の底部Ｕに送り込まれることとなる。従って、ダム湖１の底部Ｕには外気を大量に含んだ水Ｗが送り込まれるので、水流によるダム湖１底部Ｕの堆積物８の攪拌作用と、当該堆積物８への酸素の供給により分解酵素が活性化されることによる腐敗防止作用とが相乗的に働き、ダム湖１の水質を良好な状態で保持できるようになる（図２及び図３参照）。

本発明の湖の水質調整システムの全体図である。 図１中Ａを拡大して噴水口の一例を示す縦断面図である。 噴水口の他の実施形態を示す縦断面図である。 同じく、噴水口の他の実施形態を示す縦断面図である。 図４の平面図である。 図１中Ｂを拡大して主管と枝管との分岐箇所の構成を示す縦断面図である。 図６の分岐箇所の稼動状態を示す説明図である。

符号の説明

１ ダム湖（湖）
２ａ，２ｂ 沈砂池（水源）
３ 主管（送水路）
４ 枝管（送水路）
５ 噴水口
１０ 主ターンノズル（回転ノズル）
１１ 枝ターンノズル（回転ノズル）
１４ 軸部
２９，３０ 外気
Ｕ 底部
Ｗ 水

Claims (4)

1. 湖（１）よりも高所に水源（２ａ，２ｂ）を設け、該水源（２ａ，２ｂ）から前記湖（１）の底部（Ｕ）に至る送水路（３,４）を形成し、
   前記送水路（３,４）には、湖（１）の底部（Ｕ）に水源（２ａ，２ｂ）からの水（Ｗ）を送り出す噴水口（５）を備えていることを特徴とする湖の水質調整システム。
2. 前記噴水口（５）には、送水路（３,４）を流れる水源（２ａ，２ｂ）からの水（Ｗ）を、当該噴水口（５）と連通する筒状の軸部（１４）を有し且つ該軸部（１４）を中心に横回転又は縦回転しながら湖（１）の底部（Ｕ）に送り出す回転ノズル（１０,１１）を備えていることを特徴とする請求項１記載の湖の水質調整システム。
3. 前記送水路（３,４）には、水源（２ａ，２ｂ）から送り込まれた水（Ｗ）とともに外気（２９,３０）を湖（１）の底部（Ｕ）に送り出すための外気取入れ手段（２７）を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の湖の水質調整システム。
4. 前記水源（２ａ，２ｂ）は、少なくとも２箇所以上に設けてあり、当該各水源（２ａ，２ｂ）のそれぞれに噴水口（５）に通じる送水路（３，４）を形成していることを特徴とする請求項１、２又は３記載の湖の水質調整システム。