JP2009013618A

JP2009013618A - 鉛直混合促進設備

Info

Publication number: JP2009013618A
Application number: JP2007174704A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Nakamura; 孝幸中村
Original assignee: Ehime University NUC
Current assignee: Ehime University NUC
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: JP5067658B2

Abstract

【課題】この発明は、潮位差による影響を受けにくく、自然エネルギーである波を利用する維持費がかからない水質浄化技術を提供することを目的とする。
【解決手段】上記の課題を解決するために、本発明に係る鉛直混合促進設備１は、垂下版２と、垂下版２に接する遊水室３と、遊水室３の底面を区切る没水平板４と、遊水室３の下方に形成される鉛直流水路４とを有し、垂下版３の下端と没水平板との間に隙間があり、垂下版３の下端が板圧中央面に対して非対称な楔形である。
【選択図】図１

Description

この発明は、内湾域の水質浄化、特に海域の鉛直混合を促進することで成層化に伴う海洋生物などへの弊害防止を目的とした、自然エネルギーを利用する海域環境改善型の護岸構造物に関する。

閉鎖性内湾では、夏季には水温成層が発達し、鉛直混合が阻害されることにより、底層が貧酸素化しやすい。貧酸素化は、底泥の栄養塩や硫化物の溶出を促進し、時として青潮や爆発的な植物プランクトンの増殖（赤潮）を引き起こす要因と考えられる。

内湾域の水質悪化を軽減する方法としては、越波を利用する鉛直混合促進堤（特許文献１）や海水交換防波堤などが知られている。また、非特許文献１には電気動力を利用した強制エアレーションが記載されている。
山本潤（２００６）：浦の内湾でのマイクロバブル発生装置の水質改善効果検証試験、海洋開発論文集、第２２巻、６４３−６４８頁特開２００４−２１８２５７号公報

越波を利用する工法は、潮位差による影響を受けやすい欠点がある。我が国の大都市近辺の内湾域では２〜３ｃｍと比較的大きな潮位差があることから、潮位差による影響を受けにくい工法が望ましい。また、電気動力を利用する海域浄化法は、維持費が高く、効果も局所的なものに限定されるなどの欠点がある。

この発明は、潮位差による影響を受けにくく、自然エネルギーである波を利用する維持費がかからない水質浄化技術を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る鉛直混合促進設備は、垂下版と、垂下版に接する遊水室と、遊水室の底面を区切る没水平板と、遊水室の下方に形成される鉛直流水路とを有し、垂下版の下端と没水平板との間に隙間があり、垂下版の下端が板圧中央面に対して非対称な楔形である。また、垂下版の下端面が遊水室の内側から外側に向けて高くなる傾きを有する形状であることが好ましい。

この発明の鉛直混合促進設備は内部に遊水室を有し、遊水室内のピストンモード波動共振およびそれに伴う強い渦流れによって、海域での曝気や表層水の水底への輸送・混合を促進するという効果を有する。また、付加的に反射波の低減効果もあり、海域の静穏化にも役立つ。

この発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、鉛直混合促進設備の例を示す断面図である。図１（ａ）の鉛直混合促進設備１は、垂下版２（垂下板）と、垂下版２に接する遊水室３と、遊水室３の底面を区切る没水平板４と、遊水室３の下方に形成される鉛直流水路５とを有する。垂下版２の下端と没水平板４との間に隙間がある。

垂下版２の下端が板圧中央面に対して非対称な楔形である。図１（ａ）の例においては、垂下版２の下端面が遊水室３の内側から外側に向けて高くなる傾きを有する形状である。すなわち、図１（ａ）において、垂下版２の下端面右上がりに表される。

垂下版２に対して所定の間隔Ｂｃを隔てて、遊水室３の後面が設けられている。この鉛直混合促進設備１は、フロートを取り付けて浮遊式に構成することができるが、この場合、遊水室３の後面として後面垂下版６を設ける。また、この鉛直混合促進設備１は海岸の壁面に固定して設けることもできるが、すでに壁面がある場合にはこの壁面を後面として利用してもよい。

没水平板４の岸側の端部は下方へ向けて折り曲げられており、後面との間に鉛直流水路５が形成されている。

海側から波が入射すると、海水が垂下版２の下端と没水平板４の間より遊水室３に流入する。これによって遊水室３の水面が上昇する。波が引くときには、遊水室３の海水が垂下版２の下端と没水平板４の間を通って海側に流出する。ここで、垂下版２の下端が板圧中央面に対して非対称な楔形であるため、流入量と流出量が異なる。そのため、鉛直流水路５を通る海水の移動が起きる。図１（ａ）の例では垂下版２の下端面が遊水室３の内側から外側に向けて高くなっているので、垂下版２の下端と没水平板４の間を通る流入量が流出量を上回る。したがって、鉛直流水路５を通って海水が下降するような流れが発生する。

ここで、その海域の平均波長Ｌ、海面から垂下版２の下端までの距離ｄおよび垂下版２と後面の間隔Ｂｃが次式の関係を満たすとき、遊水室３内で共振状態になり、遊水室３の水面がもっとも高く上昇する。

図１（ｂ）は、鉛直混合促進設備の第２の例を示す断面図である。この例においては、垂下版２の下端面が遊水室３の内側から外側に向けて低くなる傾きを有する形状である。すなわち、図１（ｂ）において、垂下版２の下端面が右下がりに表される。

ついで、実施例に基づいて、さらに詳細に説明する。図２は、鉛直混合促進設備の試験装置を示す概念図である。試験には、３０ｍ×幅１ｍ×高さ１．２５ｍの２次元造波水槽を用いた。水路内には、図１に示すように１：３０勾配の斜面１１が設置されており、これに滑らかに接続するように水平床１２が設けてある。水平床部１２では、水路幅をほぼ２分するように隔壁を設け、一方の水路では入射波が、もう一方の水路に鉛直混合促進設備の模型１３を設置して反射・透過波および流速の計測が同時に行えるようにした。水路の一端には、ピストン式造波機１４が設置されており、他端には下部透過型のヘチマロンと砕石斜面で構成される消波工１５が設置してあり、平均流の発生による堤体前後の水位差がなるだけ生じないような水路構造にしてある

鉛直混合促進設備の断面の設定に当たっては、閉鎖性内湾での常時波浪を想定して、周期Ｔ＝３ｓ程度、波高Ｈ＝１０〜５０ｃｍ程度の比較的穏やかな波条件を対象とした。そして，図１（ａ）に示すように、遊水室３の鉛直下方に通水部５を持つ遊水室型堤体を原型として、鉛直方向への平均流を生成できる遊水室の構造を予備実験で検討した。なお、透過性構造としたのは、浮体式構造にも適用できるようにしたためである。

この実施例にて使用した鉛直混合促進設備の模型１３の各寸法を表１に一括して示す。図１（ａ）に示す例は、垂下版２の下端面が遊水室３の内側から外側に向けて高くなる傾きを有する形状（以下、「右下がりくさび形」という）とすることにより、遊水室３内への水塊流入を容易にするとともに、垂下版２の下端からの水塊流出を抑制することにより非対称な交番渦を発生させ、下向きの平均流を鉛直通水路５に発生させることを目標とした。この例をＴＹＰＥ１とする。このタイプでは，さらに，垂下版の吃水深dの異なる例（ＴＹＰＥ３、ＴＹＰＥ４）についても併せて検討した。一方、図１（ｂ）に示す例では，垂下版２の下端面が遊水室３の内側から外側に向けて低くなる傾きを有する形状（以下、「右上がりくさび形」という）を採用しており、ＴＹＰＥ１とは逆に、上向きの平均流を鉛直通水路に発生させることを目標とした。ここでの模型の縮尺は、いずれも実機の１／５程度として設定している。

波変形の計測には、6台の容量式波高計１６を用い，図２に示すように設置した。このうち、２台を入射波の測定（ピストン式造波機１４の前面と入射波検定用水路）、２台を入・反射波の分離用、鉛直混合促進設備の模型の透過側に透過波測定用に1台、遊水室内のピストンモードの出現状況を検討するために遊水室内に1台の波高計を設置した。なお、反射波の推定に用いた入・反射波の分離推定法は以下の通りである。まず、模型の沖側に設置した2台の波高計により、入射波と反射波が重合した水面変動波形を測定し、これらをそれぞれフ−リェ解析して余弦および正弦振幅を求めておく。これら2台の波高計の間隔は、作用波の波長の１／４に等しく設定してあり、各波高計で求めたフ−リェ余弦振幅および正弦振幅を用いて、岸側に進行する波の振幅成分（入射波）および沖側に進行する波の振幅成分（反射波）に分離解析することができる。このように分離解析した入射波および反射波の振幅を用いて、反射率=反射波振幅／入射波振幅という式により、反射率が実験的に推定できる。

鉛直通水路の流速の計測は、図１に示す位置に電磁流速計１７を設置し、鉛直流速の時間波形より１０波程度を抽出し平均流速を算出した。堤体下部における平均的な流速の測定には、ドップラー式超音波流速計１８を図１に示すように没水平板８の下側開口部に設置し、水平流速の時間波形より平均流速を算出した

試験において、水深ｈ＝６４ｃｍで一定とした。入射波Ｈは、Ｈ＝２cm，6cm，１０cm（現地量でH=１０cm，３０ｃｍ，５０ｃｍ）の３種類、周期Ｔ＝０．９〜２．３ｓ（現地量でＴ＝２．０〜５．１ｓ）の範囲内で７種類の規則波を用いた。

図３は、各鉛直混合促進設備の模型による反射率Ｃｒ，透過率Ｃｔ，遊水室内波高増幅率Ｈｃ／Ｈ（Ｈｃ；遊水室内波高）の周期による変化を示すグラフである。図中では、周期を表すパラメータとして，Ｌ／Ｂｃ（波長遊水室幅比）を用いた。反射率Ｃｒ，透過率Ｃｔについては，減衰波理論に基づいて以下のように算定した。まず、構造体を断面2次元物体と仮定して、2次元の線形波動理論に基づき構造体まわりの波浪境界値問題を構築する。具体的には、任意形状の断面物体による散乱波ポテンシャルを最終的な未知数とする線形波浪ポテンシャル問題を設定し、これを数値解析法により解く。この際、構造体の鋭角部よりの流れの剥離や渦流れの発生現象などによるエネルギー逸散を近似的に考慮できるように、線形減衰を有する流体を想定した。ここで線形抵抗係数は、従来の成果を参照して0.2程度とした。このような数値解析法に基づき、構造体の反射側の波浪ポテンシャルΦrおよび透過側のそれΦtをそれぞれ求め、入射波ポテンシャルΦとの比を求めることで、反射率・透過率を算定した。

ＴＹＰＥ１〜３の反射率Ｃｒに着目すると、試験結果と算定結果の対応は概ね良好であり、現地波周期Ｔ＝３．０〜３．５ｓ程度（Ｌ／Ｂｃ＝１１．０〜１３．５程度）近傍で極小値を呈し、長周期側に移行するに従いやや増大するものの、Ｃｒ＜０．４であるなど反射波の低減効果が確認できる。一方、ＴＹＰＥ４の反射率Ｃｒの試験結果は、対象波に対してＣｒ＞０．４となるなど、反射波の低減効果がＴＹＰＥ１〜３よりは小さい。このとき算定結果は，試験結果を下回るなどの相違が見られるが、これは，遊水室内における波高増幅率を過大に見積もり、垂下版下端よりの渦流れによるエネルギーロスを過大評価されたと考えれば説明できる。

透過率Ｃｔに着目すると、試験結果と算定結果の対応は概ね良好であり、目標周期に対してはＣｔ＝０．２〜０．４程度である。

遊水室３内の波高増幅率Ｈｃ／Ｈに着目すると、反射率Ｃｒが顕著に低減される周期付近から長周期側の広い範囲においてＨｃ／Ｈ>1となり、遊水室３内のピストンモード波浪共振は、没水平板４に開口部を設けても発生することが確認できる。

図４は，反射率Crおよび遊水室内波高増幅率Ｈｃ／Ｈを入射波高Ｈ＝６ｃｍに対して再整理したグラフである。いずれの構造形式に対しても、反射率Ｃｒは遊水室３内の波高増幅率Ｈｃ／Ｈと密接に関係し、Ｈｃ／Ｈの増大に伴いＣｒが低減されることが確認できる。これは，遊水室３内の波高増大に伴い、垂下版２の下端から沖向きに発生する渦流れが増大することによるものと考えられる。

図５は，透過率Ｃｔを入射波高Ｈ＝６ｃｍに対して再整理したグラフである。Ｃｔは、構造形式に関わらず同一周期に対しては，ほぼ同程度であることが確認でき、垂下版の構造よりも、没水平板の設置位置と構造物の設置水深の関係による影響が見られる。

図６は、鉛直通水路５内で電磁流速計により計測された流速時間波形の一例（T=1.35s，Ｈ＝６ｃｍ）を示すグラフである。まず，鉛直流速に及ぼす垂下版２のくさび形状の違いに着目する。右下がりくさび形垂下版（ＴＹＰＥ１）では下向き平均流速が発生し、右上がりくさび形（ＴＹＰＥ２）では上向き平均流速が発生していることが確認できる。このことから、垂下版くさび形状の設置方向により、鉛直通水路５内の平均流速の方向が変化することが認められる。

つぎに，右下がりくさび形状の垂下版（ＴＹＰＥ１，３，4）に固定したときの吃水深の影響に着目すると、垂下版吃水深が浅くなるに従い、流速振幅の絶対値が大きくなることがわかる。これは，図３に示した遊水室内波高増幅率に起因するものと考えられる。しかしながら、平均流速に関して大差は見られない。

図７は、各鉛直混合促進設備の模型による鉛直通水路５における平均流速ｖを重力加速度ｇと入射波高Ｈの積の平方根で除した無次元流速q*（q*=v/(gH)^1/2）および遊水室内平均水位ＷＬｃのＬ／Ｂｃによる変化で示すグラフである。

垂下版のくさび形状の違いによる無次元平均流速に着目すると、右下がりくさび形垂下版（ＴＹＰＥ１）では，概ねどの周期帯に対しても下向き平均流速が発生する。しかしながら，右上がりくさび形（TYPE2）では、短周期側では上向き平均流速が発生しているものの、長周期側に移行するに伴い、下向き平均流速に転じており特定方向への流速生成がなされない。

右下がりくさび形状の垂下版（ＴＹＰＥ１，３，4）に固定して、吃水深の影響に着目すると、垂下版吃水深に関係なく安定的に下向き平均流速が発生している。特に、垂下版吃水深を浅くしたＴＹＰＥ３の場合では、短周期側より安定した下向き平均流速が生成される。垂下版吃水深を深くした場合（ＴＹＰＥ１，ＴＹＰＥ４）は、この試験の範囲内ではどの周期帯に対しても、遊水室内に反時計回りの一方向流の形成が確認された。そのため、遊水室３内の水位下降に伴う下向き流速が一方向流れに添加され、下向き流速成分が小さくなることが要因であると考えられる。一方、垂下版吃水を浅くした場合（ＴＹＰＥ３）は、遊水室３内に一方向流れは形成されない。そのため、水位下降時は垂下版下端から沖向き方向の渦流が形成されるだけであり、右下がり垂下版形状の効果も含め下向き流速は阻害されにくいことが要因と考えられる。
図３および図７より、遊水室内の平均水位ＷＬｃの下降量と波高増幅率Ｈｃ／Ｈが大きくなる条件で下向き平均流速が大きくなり、鉛直混合が促進されることが見出される。

鉛直方向平均流の発生機構を検討するために、堤体まわりの流況をビデオ撮影により可視化するとともに、没水平板下側開口部に設置したドップラー式超音波速計による流速データを解析した。図８は、右下がりくさび形垂下版における鉛直混合促進設備まわりの流況を模式的に示したものである。垂下版を右下がりくさび形構造にすることにより、遊水室内への水塊流入を容易にするとともに、垂下版下端からの水塊流出を抑制することにより、非対称な交番渦が発生する。結果的に、鉛直通水路５に下向きの流速が発生し、没水平板４の下側開口部に時計回りの循環流が生じ、鉛直混合が促進されるものと考えられる。

図９は、没水平板４の下側開口部における１周期当たりの無次元平均流速の鉛直分布の一例を示すグラフである。縦軸は、没水平板下面よりの水深h₂と没水平板下面からの距離ｚで無次元化したｚ／ｈ₂をとり、横軸は１周期当たりの平均流速（Ｕ；水平，V：鉛直）を入射波の諸元で無次元化し、波向き方向および鉛直上向きを正としてある。この図より、水底で沖向き、没水平板下面で岸向きの平均流が発生し、有意な鉛直循環流が形成されることが分かる。

以上、鉛直混合促進設備の波浪変形特性は、前面垂下版の形状に関わらず概ね同一な透過特性を示す。また、没水平板に開口部を設けても遊水室内でのピストンモード波浪共振が発生し、渦流れによる有効な反射波の低減効果が得られる。

右下がりくさび形の垂下版型式の構造体では、作用波の条件にかかわらず鉛直下向きの平均流が安定的に発生する。一方、右上がりくさび形の垂下版構造の構造体は、目標周期帯では鉛直上向きの平均流が発生するものの、周期条件により鉛直平均流の向きが変化するなど、特定の方向への平均流の生成が見られない。

鉛直混合促進設備の例を示す断面図である。鉛直混合促進設備の試験装置を示す概念図である。各鉛直混合促進設備の模型による反射率，透過率，遊水室内波高増幅率の周期による変化を示すグラフである。反射率と遊水室内波高増幅率の関係を示すグラフである。透過率の試験結果を示すグラフである。鉛直通水路内の流速時間波形の一例を示すグラフである。各鉛直混合促進設備の模型の鉛直通水路の平均流速および遊水室内平均水位を示すグラフである。右下がりくさび形垂下版における鉛直混合促進設備まわりの流況を模式的に示した概念図である。没水平板下側開口部における１周期当たりの無次元平均流速の鉛直分布の一例を示すグラフである。

符号の説明

１．鉛直混合促進設備
２．垂下版（垂下板）
３．遊水室
４．没水平板
５．鉛直通水路

Claims

垂下版と、垂下版に接する遊水室と、遊水室の底面を区切る没水平板と、遊水室の下方に形成される鉛直流水路とを有し、垂下版の下端と没水平板との間に隙間があり、垂下版の下端が板圧中央面に対して非対称な楔形である鉛直混合促進設備。
垂下版の下端面が遊水室の内側から外側に向けて高くなる傾きを有する形状である請求項１に記載の鉛直混合促進設備。