JP2020513204A - 貯留水を選択的に採取するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

水塊と抽出設備とを有する貯水施設とともに使用されるシステムであって、前記水塊と前記抽出設備との間に設けられた水選択装置を備えるシステム。制御可能入口は、前記抽出設備による取水のために前記水塊内の選択可能深度から水を採取することを可能にし、異なる深度の間で検出された、前記少なくとも１つの水質特性の差に従って、水が採取される深度が制御される。障壁構造物は、選択深度からの水を水塊内で分離および隔離することが可能な区画部分を形成する。可変深度の水を、水質基準および／または特性、ならびに潜在的に変化する基準に基づいて、動的に分離および隔離することができる。これにより、決まった高さにある抽出ポイントを有する採取設備により抽出する前に、分離および隔離された水を処理および／または調節することが容易になる。

Description

本発明は、貯水池等からの取水のために水を選択的に採取し、任意に処理するためのシステムおよび方法に関する。

本明細書における文書、装置、行為、または知識のいかなる説明も、本発明の概況を説明するために含まれる。本内容のいずれも、本書における開示および特許請求の範囲の優先日以前の、オーストラリア内外における先行技術の基礎または関連技術における一般常識の一部を形成するものであると解釈されるべきではない。

表層水源（例えば、貯水池、湖、潟湖、集水池等）における水質および水特性は、水塊内の深度および／または位置に応じて大きく異なる。深部の冷たい、高密度な水は、高濃度の金属、硫化水素、栄養分、および腐敗性有機物由来のバイオマスを含み得る。表面付近の暖かい、日があたる層では、光合成および藻類の呼吸サイクルによって、水特性が大きく変わり得る。水の酸性度は、１日のうちでも、例えば、早朝のｐＨ６．５から午後遅くのｐＨ８．５まで変化することがある。貯水池では、季節によって、「ターンオーバー」現象、すなわち、下層の水と表面に近い層の水が入れ替わる現象が起こり得る。表面付近の水のマンガンレベルは、あるときはかなり低く、例えば、ターンオーバー後は劇的に増加し得る。特定の層の水特性は、１年のある期間のあいだ一定のままであり、貯水池全体において一致しているが、状況によっては、少なくとも季節ごとに、時には毎週、毎日、または毎時でさえ変化し得る。

貯水池の水温および他の特性は、貯水池の水を利用する下流プロセスに影響を及ぼす可能性があるため、重要である。例えば、公益事業体は、公共飲料水として適したものにするために、原水を様々な化学薬品およびプロセスで処理する。発電所は、水源の処理が必要なだけではなく、水の温度が発電に影響を及ぼし得るもう１つの例である。

添付の図１は、発電所の概略図である。この図から、貯水池から抽出された水の温度が冷却塔内の水の冷却性能に影響を及ぼし、したがって、冷却器の効率に影響を及ぼすであろうことが容易に分かる。この水の特性も、発電所プロセスに使用される特定の水質パラメータ内に留まる必要があるため、重要である。例えば、水の腐食性及びｐＨは極めて重要である。したがって、一方では可能な限り冷たい水であることが望ましいが、水質も同様に重要である。

貯水池からの取水は、取水設備を介して、かつ、取水設備の近傍でのみ行われる。典型的な取水設備は、水塊内の決まった高さにある１つ以上のゲートまたは取水ポイントを有する（図２）。例えば、貯水池の底部付近にゲートが１つあり、他のゲートが最大貯水位までの間隔で数個配置されてもよい。通常、最上部にある水を抽出するためのゲートまたはバルブ（ゲート）を開くことによって、貯水池の上部から取水が行われる。貯水池内の水位がそのゲートより下に下がると、より深い位置にある次のゲートが開かれて取水が行われる。

最上部のゲートから水をくみ上げることは、通常、貯水池から水を抽出する上で好まれるアプローチであるが、いくつかの課題を引き起こす可能性がある。表面付近の水は藻類を含むことがあり、藻類は毎日呼吸サイクルを経るため、表面付近の水のｐＨおよび溶存酸素レベルは大幅に異なる。これは、薬品注入スキームおよび処理プロセスにとって問題となり得、そして処理の全体的なコストを著しく増加させる。藻類は、特に特定の細菌が死滅し、メチル‐イソボルネオール（ＭＩＢ）およびゲオスミンが水中に放出される場合に、味および匂いの変移の大きな一因となり得る。公共飲料水から味および臭気化合物を除去する際にかかるコストほど高い処理コストはないかもしれない。

上記に鑑みて、本発明者は、取り出された水において特定の水特性を得るために、貯水池の、選択された水深、および／または、水塊内またはその近傍の１つ以上の選択された位置からの取水を可能にすることが望ましいと認識した。さらに、本発明者は、取水のために水を動的に選択するためのシステムを既存の貯水池の取水設備に増設することができると、有益な結果が得られると認識した。

本発明によれば、水塊と抽出設備とを有する貯水施設とともに使用されるシステムであって、前記システムは前記水塊と前記抽出設備との間に設けられた水選択装置を備え、前記水選択装置は、前記抽出設備による取水のために前記水塊内の選択可能深度から水を採取することを可能にする制御可能入口を有する、システムが提供される。

本発明によれば、水塊と抽出設備とを有する貯水施設とともに使用されるシステムであって、前記システムは前記水塊内またはその近傍に設置された水選択移動装置を備え、前記水選択移動装置は、前記抽出設備による取水のために、前記抽出設備から離れた選択可能位置から水を直接前記抽出設備へ移動させることを可能にする制御可能入口を有する、システムが提供される。

前記抽出設備を取り囲むまたは前記抽出設備に取り付けられた区画部分を形成する障壁構造物が提供され、前記水選択装置は前記水塊から前記区画部分への水流を制御する。

前記水選択装置は、前記障壁構造物と一体化されたセレクタインターフェイスであって、前記水塊内のそれぞれの深度に配置された複数のセレクタゲートを含むセレクタインターフェイスを備え、前記ゲートは、前記対応する深度から前記区画部分に水が入るように選択的に動作する。あるいは、前記水選択装置は、前記水塊内の選択された深度へ移動可能な入口と区画部分に位置する出口とを有するパイプなどの流体管を備える。

前記水塊内の複数の深度にわたって少なくとも１つの水質特性を測定および監視するように構成された監視装置が提供され、前記水選択装置は、異なる深度の間で検出された、前記少なくとも１つの水質特性の差に従って制御される。

本発明の別の態様によれば、抽出設備によって水塊から取水を行うために水質を制御する方法であって、前記方法は、前記抽出設備による取水のために採取された水を入れる前に、前記水塊内の動的に制御可能な深度から水を選択的に採取する工程を含む方法が提供される。

前記方法は、前記水塊内の複数の深度にわたって少なくとも１つの水質特性を監視する工程と、異なる深度の間で検出された、前記少なくとも１つの水質特性の差に従って、水が採取される深度を制御する工程とを含む。

前記方法は、前記抽出設備による取水の前に、前記水塊の区画部分に採取した水を保持する工程を含む。前記抽出設備による取水の前に、前記区画部分の前記水に少なくとも１つの水処理ステップまたはプロセスが適用される。

本発明の実施形態に係る方法および装置によって、取水設備の決まった高さにある抽出ポイント（例えば、ゲート、バルブ、堰など）により定められた深度だけではなく、決まった高さにある抽出ポイントの上、下、間のさらなる深度にも対応する深度で、水塊内の水を動的に取水および／または採取することができる。これにより、連続した深度、任意の深度、または複数の深度で水を採取することができる。

本発明の実施形態によって、１つまたは複数の選択深度の水を、水塊内で分離および隔離することができる。可変深度の水を、水質基準および／または特性、ならびに潜在的に変化する基準に基づいて、動的に分離および隔離することができる。これにより、決まった高さにある抽出ポイントを有する採取設備により抽出する前に、分離および隔離された水を処理および／または調節することが容易になる。処理としては、曝気、酸化、凝固、吸着、吸収、浮選、スキミング、加熱、冷却、消毒、または分離および隔離された水の他の形態の物理的／化学的／熱的処理が挙げられる。多段処理および／または独立した処理ゾーンを採用してもよい。

本発明の実施形態は、水塊内の深度の関数として、水質および水特性を監視することを提供する。

本発明の実施形態では、変化する品質および特性の水を隔離するために、障壁が水域内に設置されてもよい。障壁は、コンクリート、金属、または土からなる建造物において見られるように、剛性であってもよい。あるいは、障壁は、バッフルカーテンなどの形態で可撓性であってもよい。圧力除去機構が障壁構造物内に含まれ、水質障壁の構造的完全性が損なわれないようにしてもよい。

障壁構造物は水柱において垂直であってもよいし、傾斜していてもよい。障壁は、水塊の変化する水位に応じて、折り畳み可能／拡張可能／可撓性であってもよい。障壁は、水の最大採取速度に基づいて、選択された水が処理を受けるのに十分な滞留時間／滞在時間を作り出すような寸法サイズおよび体積を有することが好ましい。例えば、障壁は、採取された水が取り出される前に、採取された水のために最低５分間の滞在時間を作り出すような寸法サイズおよび体積を有していてもよい。

水塊内の水を分離するために使用される装置は、水質障壁の構造的完全性を損なわないように、十分に最小限の水頭損失を考慮して設計されることが好ましい。これを念頭に置いて、システムは、装置の少なくとも一部が常に開き、装置を横切る水の透過が可能になるよう設計されてもよい。

水選択装置は、障壁の片側から反対側へ水が流れるように、１つまたは複数の以上のオリフィス（ゲート、窓、または開口部）を利用してもよい。装置内のゲートまたは窓は、手動手段、空気圧手段、機械的手段、液圧手段、電気的手段、または機械的手段によって動的に開閉してもよい。ゲートは、閉鎖された際、水の透過を最小限にする、または、排除することが好ましいが、圧力除去が障壁を横断して必要とされる場合には開放されてもよい。

別の形態では、水選択装置は、水質障壁に固定された１つまたは複数のパイプまたは導管を利用してもよい。１つまたは複数のパイプまたは導管の一方の端部は区画部分または抽出設備に接続され、他方の端部は上げたり下げたりされる。これにより、障壁によって画定される区画部分または直接抽出設備に引き込まれる水を、選択深度で透過することができる。パイプは、ＨＤＰＥ、繊維ガラス、ＰＶＣ、鋼、ゴムまたは同様の可撓性材料、またはコンクリートなど、様々な異なる種類の材料で構成することができる。

別の形態では、水選択装置は、手段を利用して、水塊内またはその近傍の１つまたは複数の位置から好ましい水を選択し、それによって、好ましい水を重力によって、または水質障壁または抽出設備に直接汲み上げることによって移動させてもよい。

本発明の実施形態では、水質特性を水塊内の深度および／または水塊の周りの位置の関数として監視している。これにより、選択パラメータに基づいて好ましい水質特性を示し得る水の１つまたは複数の深度あるいは１つまたは複数の位置を特定することができ、また、採取または抽出可能な好ましい水をオペレータに通知することができ、採取または抽出に好ましい水を自動的に選択することができる。プロセスオペレータは、主水塊内の深度および／または位置の関数として動的に測定された水質パラメータに基づいて主水塊から水を選択する選択肢と、必要に応じて、選択された深度および／または位置の水を、選択された深度の上または下の深度あるいは選択された位置から離れた位置の水から独立して採取することを可能にするために制御する、開放する、閉鎖する、上昇させる、下降させる、回転させる、旋回させる、傾斜させる、方向転換させる、および調整することができる物理的機構（ゲート、バルブ、窓、スロット、オリフィス、パイプ、堰、フラップ、ルーバ、ポート、エントランス、入口、スキマー、デカンタなど）とが提供され得る。

本発明のさらなる開示、目的、利点、および態様は、添付の図面と併せて以下のいくつかの実施形態の説明を参照することによって、当業者によってよりよく理解されるであろう。なお、添付の図面は、単なる例であって、したがって、本発明を限定するものではない。
冷水の貯水池を有する発電所の概略図である。 貯水池内の取水ゲートの例を示す。 水質特性を深度と時期の関数として示すチャートである。 本発明の一実施形態に係る一体型水セレクタインターフェイスを有するバッフル障壁の概略等角図である。 図４のセレクタインターフェイス上のセレクタゲートの配置例を示す。 本発明の実施形態で使用され得る水セレクタゲートの概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るシステム設備の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るシステム設備の概略平面図である。 本発明の一実施形態に係るシステム設備の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係るシステム設備の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る調節可能水中取水装置の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る選択可能水中取水装置の概略断面図である。 本発明の一実施形態に係る好ましい水移動システムの概略平面図である。 本発明の可能な実施形態の様々な特徴を示す概略システム図である。 本発明の可能な実施形態の様々な特徴を示す概略システム図である。 本発明の別の実施形態に係るシステム設備の概略等角図である。 深度の関数として実験的に測定された水質特性のグラフである。 深度の関数として実験的に測定された水質特性のグラフである。 深度の関数として実験的に測定された水質特性のグラフである。 深度の関数として実験的に測定された水質特性のグラフである。

本発明の実施形態は、水塊内の水質特性を動的に監視し；特定および選択の一助となる情報を提供、または、抽出／採取に好ましい特性の水を直接特定および選択し；この選択された水を水塊から（出来る限り水塊内で）分離および隔離し；そして、選択された水に対して抽出／採取前に行われ得る処理を提供する方法および装置を提供する。したがって、本発明の実施形態に係るプロセスは、以下のように要約することができる：
監視→選択→分離→（処理→）採取
本発明の様々な実施形態を説明する前に、出願の概況をさらに詳細に説明する価値がある。

貯水池の底部付近の水は望ましくないこと、および、表面付近の水はある特定の時には望ましくなくなる可能性があることを考慮すると、最も純粋な、最も望ましい、または、最も処理費用のかからない、採取用の水を提供する水深があり得る。この「理想的な水抽出深度」は１日、１週間、１か月、１年の間で変化することがあり、水柱内のわずか数フィートの水深（の範囲）に隔離されることがある。したがって、貯水池内の水質を深度の関数として監視し、動的に選択深度で水を抽出する能力を有することが望ましい。

また、望ましくない水質特性を作り出す水の「ターンオーバー」が水塊内で発生する時期が１年を通じて存在することを考慮すると、抽出設備から離れた、理想的な水源位置を提供する１つまたは複数の位置が、水塊周辺に存在し得る。したがって、貯水池内の水質を水塊周辺の位置の関数として監視し、動的に、選択された位置から水を移動させて抽出する能力を有することが望ましい。

図３は、時間の経過に伴う潜在的な水質特性の変動性を深度の関数としてグラフで示す。この図から分かるように、時期や水塊内の深度によって、汚染物質の濃度が大きく変動し得る。グラフの右側の矢印（参照番号１で示す）は、処理施設に水を供給する固定取水ゲートの高さを表す。例えば、８月においては、最上部のゲートから水を取り出すことは、表面付近に存在する藻類のために問題があり、下の２つのゲートから取り出された水は無酸素状態および高い濃度の可溶性金属を示すおそれがある。

また、図３に示すチャートは、わずか数フィートの水深にわたって水特性がかなり変化する可能性を示している。暖かい（北半球の夏）月には、水塊に存在し得る問題のある特性を示さない水の「層」は、極めて限られている。採取設備における決まった高さにあるゲートの間隔によっては、好ましい水にアクセスできないことがある。

抽出に好ましい水は、汚染された水および／または質の悪い水を含む、任意の選択された特性の水であってもよいことに留意されたい。汚染物質は、１年のうちの異なる時期に特定の深度に蓄積し得る。この水を抽出することによって、時間の経過とともに水塊を除染することができるとともに、排出／抽出の前にこの汚染された水に対して行われ得る処理を行うことができる。この汚染された水を異なる深度の水と混合することにより、排出前にこの水を首尾よく除染および／または処理してもよい。さらに、この汚染された水の水塊からの抽出および除去と、降雨事象または余水路が勢いよく水をパージする時間とが一致するようにタイミングを調節してもよい。

本発明の実施形態において使用される主な構成要素の概要を以下に説明する。

［サンプラモニタ］
様々な水質パラメータを水塊内の深度の関数としてサンプリングおよび／または監視するために用いられる装置。パラメータとしてはｐＨ、溶存酸素、濁度、有機炭素、色、クロロフィル、伝導率、硫化水素、溶存金属、温度、ＯＲＰなどが挙げられるが、これらに限定されない。

［セレクタ］
水塊から、決まった高さにある抽出ポイント（ゲート、パイプ、堰等）を有する取水設備のような採取装置に水が流れることができる深度および／または位置の選択を可能にする装置。セレクタは、水塊の大部分と取水設備との間に配置された障壁セパレータ（以下を参照）に組み込まれてもよい。深度の選択は、サンプラモニタ装置によって測定された水特性に基づいて行われてもよい。

［障壁セパレータ］
水塊に設置された剛性または可撓性の障壁であって、様々な可変水質特性の水を収容および分離する。

［処理装置］
障壁セパレータの領域内で実行され、選択された水を処理および調節するソリューション。

［制御システム］
システム内のすべての構成要素を監視および制御し、場合によってはＳＣＡＤＡアーキテクチャを介して通信する。

本発明の一実施形態に係るシステム１００を図４の概略等角図に示す。図４は主な特徴を説明し、その動作を説明するのに有用な図である。この図は、岸線５に沿った水塊（例えば、貯水池）の一部を示す。この水塊には、従来の取水設備１０４が配置されている。水塊内には障壁１１０が設けられており、障壁１１０は貯水池１１２の大部分から取水設備を取り囲む部分１１４を区画する。障壁１１０には、複数のセレクタゲート１２０を有するセレクタインターフェイス１１８が一体化されている。セレクタゲート１２０は、各ゲートが水面下の特定の深度に位置するように配置される。主貯水部分１１２と区画部分１１４との間の流体連通は、選択基準に従って選択的に開閉されるゲート１２０のうちの１つ以上を介して行われる。

障壁１１０は、水塊内に設置されたバッフルカーテン又は永久壁から構成され得る。障壁１１０は、従来の採取（取水または放流）設備を取り囲む。障壁は、区画部分１１４の水を貯水池の水から隔離する。この障壁によって、セレクタインターフェイスを通って入れる水のみが区画部分に入ることができる。障壁１１０は特定の構造的完全性を有するように設計されており、障壁の構造的完全性を損なうことなく、囲われた部分へ水が常に出入りすることを可能にする機能を有する。例えば、障壁は、障壁の全域にわたる大きな圧力差を回避するために、圧力除去手段、連続放出手段、または他の受動的または能動的制御手段などの機能を含んでいてもよい。

本発明の実施形態では、障壁セパレータはナイロンなどから構成された可撓性バッフルカーテンの形態であってもよい。バッフルカーテンは、水面にある業務用フロートによって支持され得る。この業務用フロートは、水柱において貯水池の底部まで垂下しており、コンクリートブロックやバラスト（例えば、バッフルカーテンの下部のヘムに直接縫い込まれたスチールチェーン）といったアンカーシステムによって固定されている。本願に適したバッフルカーテンは、例えば、米国ニューハンプシャー州ブリストルのＪＰＳ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから調達することができる。

また、システム１００は、主貯水池水塊１１２に、好ましくはセレクタインターフェイス１１８の近傍に配置された水特性鉛直プロファイルモニタ１３０を含む。本発明の実施形態においてモニタ１３０として使用するのに適した、水特性を認定するために利用可能な計測ソリューションは数多く存在する。一般に、２つの選択肢がある。１つは、様々な深度で水質をサンプリングすることができる貯水池内水サンプリングシステムを用いることである。もう１つは、様々な深度から岸まで、または水塊における発電設備まで水を引き、そこで標準的なインラインまたは便宜的サンプリング機器を使用して水質パラメータを測定することである。

一例として、水特性監視機能を実行するために適切な装置は、米国オハイオ州イエロースプリングスのＹＳＩ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能である。ＹＳＩ Ｓｙｓｔｅｍｓによる水質プロファイル計測によって、湖全体にわたり様々な深度において水の測定が行われる。ＹＳＩ水質ゾンデは、溶存酸素、ｐＨ、濁度、深度、温度、特異的コンダクタンス、および蛍光を測定するセンサを備えている。この監視装置は、下方に延在した水監視機器であって、選択された水特性を水塊における特定の深度間隔で定期的にサンプリングして測定するように構成された水監視機器を備えた、固定されたフローティングプラットフォームに基づいていてもよい。各水深におけるサンプリングの頻度は、水塊の全体的な深度および間隔の大きさによるが、典型的な適用においては１時間のオーダーであると見込まれる。深度間隔で測定された水特性を表すデータは、陸上の設備（例えば、図面に示された制御計測設備１４０）に有線又は無線で通信され得る。

動作中、水質および水特性は、監視装置１３０を使用して、障壁セパレータ１１０の外側で、深度および／または位置の関数として測定および監視される。水監視データは、制御計測設備１４０に通信される。制御計測設備１４０はデータ処理技術を用いてデータを分析する。データ分析に基づいて、特定の深度の水が特定され、障壁１１０によって画定された区画部分へ入るものとして選択される（好ましい水）。障壁の外側からの好ましい水は、セレクタインターフェイス１１８を通って区画部分１１４に入れられる。これは、好ましい水が特定された深度に対応する深度における、セレクタゲート１２０のうちの１つ以上を選択的に開くことによって行われる。図４では、開いたゲート１２０Ａを通る矢印１１３によって水の流れが示されている。

水は、一般的には、決まった高さにある抽出ポイントを有する採取設備（例えば、取水設備、放流設備、パイプ、導水管、または堰など）を通って、障壁セパレータによって画定された区画部分から出る。水の出入りは、水が区画部分へ出入りするときに、障壁セパレータの全域にわたる水位差が、障壁の構造的完全性および機能を損なわないくらいに、または、抽出設備への水の流れを過度に制限しないくらいに、十分に小さくなるよう制御されることが好ましい。

セレクタインターフェイス１１８は、動的に操作されるオリフィス（ゲート１２０）を含む。このオリフィスは、特定の最小限の大きさ、特に、垂直寸法において最小限の大きさを有する。これにより、十分に薄い層の、好ましい品質を有する同質の水が、主貯水池１１２の外側から、障壁１１０によって画定された区画部分１１４へ入ることができる。セレクタゲート１２０は、制御装置１４０からの信号に従って、手動手段、電気的手段、液圧手段、機械的手段、または空気圧手段によって動的に操作することができる。

セレクタゲート開口部は、垂直方向において相対的に制限された寸法を有していることが好ましい。これにより、使用時に、水塊における限られた深度範囲の水のみが入れる。例えば、セレクタ開口部は、典型的には１２インチから１８インチの高さを有し、可能な限り適度に広い幅、例えば、少なくとも９６インチの幅を有している。開口部の大きさは可能な限り大きくすることが好都合であるが、垂直寸法は可能な限り適度に「薄く」することが好都合である。これは、水柱のごく一部からの水の透過を可能にする一方で、ゲートの全域にわたって比較的小さな水頭損失を維持するためである。
実施形態では、セレクタインターフェイスの位置で、水塊における実質的にすべての深度は、いずれかのセレクタゲートと一致する。取水セレクタの場合、セレクタゲートが最大ですべての「上方の」深度／高さに、そして、貯水池の深部にまでそれぞれ配置されてもよい。放流セレクタの場合、深い位置にのみゲートを有することが好ましい。セレクタ開口部／ゲートは、障壁に含まれるセレクタインターフェイスの面にジグザグパターンで並んで配置されてもよい。このジグザグパターンは、２つの連続したゲートが重なり合うことを回避するものであり、特定の利点を有する。ゲートは、幅方向に少なくとも１２インチ、出来る限り２４インチを超えて離間されていることが好ましい。配置例を図４Ａに図示する。図４Ａは、セレクタインターフェイス１１８上に配置された複数のセレクタゲート１２０を示す。図からわかるように、Ｄ１とＤ２との間の実質的にすべての水深が、ゲート１２０のいずれかと一致する。

セレクタゲートの例および制御装置１５０を図５の概略断面図に示す。セレクタゲート孔の上端にある水平方向に設けられたヒンジ１５５によって、ゲート１２０がセレクタインターフェイス１１８に枢動可能に連結されている。ゲート１２０が閉じられると、孔は塞がれる。図に示すようにゲートが開かれると、水は孔を通って主貯水池水塊１１２から区画部分１１４に流れ込む（矢印１１３）。図示したような装置１５０では、ゲートは管１７０内の制御された空気流により空気圧で操作される。空気管１７０は、制御装置１４０によって操作可能なバルブ装置１７５から延伸しており、ゲート１２０に取り付けられた浮力室１６０に圧縮空気を供給する。浮力室は、水を入れるまたは放出するための通水口１６２を有する。

空気が管１７０を通って浮力室１６０に導入されると、それに対応して水が通水口１６２を通って放出される。これにより、ヒンジ式ゲートの下端に取り付けられた浮力室１６０であって、横方向にオフセットされた浮力室１６０の浮力が増加する。縦方向に対するセレクタインターフェイスの「最適角度」（β）と併せて横方向のオフセットを考慮すると、浮力室１６０の浮力が増加することによってゲート１２０が矢印１６８によって示される方向にヒンジ１５５を中心に回転し、その結果、ゲートの底部がインターフェイス１１８から分離し、孔を通る水流１１３が生じる。ゲート１２０の回転移動はロープ１６６によって制限されている。

ゲート１２０を閉じるために、バルブ装置１７５は、空気を管１７０から大気圧に排出するように制御される。その結果、水が通水口１６２を通って浮力室に流れ込む。浮力が十分に減少すると、ゲートはそれ自体の重量の力で回転して、セレクタインターフェイス面に当接し、孔を通る水流を停止させる。

実施形態では、障壁カーテンは水面にある業務用フロートによって支持され、水柱において貯水池の底部まで垂下している。貯水池の底部には、外側（または内側）に、または水平に「Ｌ」字形に延伸する余分なカーテンがあってもよい。このカーテンの上には、カーテンを貯水池の底部に密着させるため、バラストが載置される。時間の経過と共に、沈泥および固形物がカーテンに沿った隙間空間を埋める。貯水池内の水位が下がると、カーテンはそれ自体の上に折り重なるが、依然として水面のフロートから垂下する。したがって、必要に応じて、１つまたは複数の下方のゲートを選択的に閉鎖して、動作しないようにするための機構を設けてもよい。この場合、水位が下がると、カーテンが折り重なるにつれて底部の方からゲートが閉鎖される。よって、例えば、水深の変動のために生じる得る障壁構造物およびインターフェイスの可撓性変形によって意図せず開くことがないように、ゲートとセレクタインターフェイスとの間に遠隔操作可能なラッチ機構（図示せず）を含むことが望ましい場合もある。このシステムは、この水位低下の可能性と、これがセレクタインターフェイスおよびゲートを含む障壁面壁に対して与える影響とを考慮するよう設計されている。図５に示すようにセレクタインターフェイスを斜めに配置することによって、貯水池の水位の変化に起因する可撓性障壁の「折り重なり」が容易に正される。
区画部分を画定するために障壁構造物を使用する利点の１つは、区画部分に入った好ましい水を、例えば、取水設備を通って出る前に処理することができることである。障壁によって画定された区画部分は、障壁内の水を採取する前に、多数の工程および／または方法で場合によっては処理できるように、寸法サイズおよびレイアウトを考慮して設計されてもよい。また、水の最大採取速度に対する十分な滞留時間を考慮して設計されてもよい。区画部分に入った水は、様々な形態の処理または調節に供されてもよい。この処理または調節は、酸化（例えば、曝気、過マンガン酸塩、過酸化物、オゾン、過酢酸、塩素など）、溶存空気／ガスフローテーション分離法、炭素接触、ｐＨ調整、アルカリ度調整、凝固、凝集、濾過、加熱／冷却、および他の形態の処理を含むが、これらに限定されない。

水が区画部分を出る前に十分な処理が行なわれるように、障壁セパレータ構造物内に複数の処理ゾーンが含まれていてもよい。このような処理プロセスを容易にするよう設計された付加機能を含むシステムが、図６および図７に示されている。図６および図７に示すシステム１００は、図４に示すシステムとほぼ同じように構成され、動作するが、セレクタインターフェイス１１８と主区画部分１１４との間に配置された中間バッフル障壁１２５が追加されている。中間バッフル障壁は選択された水のための迂遠経路を形成し、この経路は複数の水前処理ゾーン１１５を効率的に作成する。複数の水前処理ゾーン１１５は、主区画部分１１４と追加ゾーン１１４Ａおよび１１４Ｂとを含み、個々の水処理工程またはプロセスを適用するために使用され得る。システム中の水流は矢印１１３で示されている。障壁内の圧力除去機構は、矢印１０９によって図示されている。主区画部分内の水は、１つまたは複数の出口１０６より取水設備１０４を通して除去することができる。

図８は、本発明の原理を実施するために使用され得る別の可能な実施形態を示す。この概略垂直断面図では、別の水セレクタ装置を有するシステム２００が示されている。具体的には、主水塊１１２と区画部分１１４との間の導管として、セレクタパイプ２２０が設けられている。主水塊に配置されたパイプ入口は、深度を制御によって調節可能である。これにより、貯水池における選択された深度の水を区画部分に入れることができる。調節可能パイプ装置２２０が、前述したシステム１００の複数のセレクタゲート１２０の代わりとなる。貯水池全体の深度に応じて必要であれば、または、望ましいようであれば、１つまたは複数の調節可能パイプを使用してもよい。パイプは、図面の矢印１０７によって示されるように傾斜する構成を有してもよく、または、可撓性を有しており、入口の開口部の深度がフロートアンカーシステムまたはバラスト浮力調節システムによって制御されてもよい。

好ましい実施形態は、水の抽出／採取に関連するいくつかの処理効果を可能にするため、取水設備、放流設備、または余水路の周辺またはそれに取り付けられたセレクタおよび障壁の両方を水塊内で利用することを含む。しかしながら、他の形態、例えば、図９に示すような別の実施形態も考えられる。これは、取水設備周辺の選択深度から水を動的にくみ上げる、決まった高さにある採取装置２５５（例えば、ゲート、パイプなど）にセレクタ装置を直接接続することを可能にする。したがって、好ましい水質の水を採取所へ届けることができる。この場合、セレクタ装置はパイプ２２０を備える。パイプ２２０は、パイプ入口２２１が配置される水深を制御するために、（矢印１０７によって示されるように）鉛直角が選択的に調節され得る。この構成のパイプ２２０は剛性であると考えられ、鉛直角（したがってパイプ入口の深度）は、電動ギヤまたはプーリ装置などの機械的手段によって、または浮力調節機構を用いて制御可能である。

図１０は、セレクタ装置３００が従来の取水設備の水中取水口３０２に直接接続されているさらに別の構成を示している。この場合、水中取水口３０２（堆積物を濾過して除去するためのスクリーンを含んでいてもよい）は、従来のポンプ場所３０４に至る従来の取水収集導管３０３に結合される。この実施形態のセレクタ装置３００は、パイプ３１０を含み、このパイプ３１０は、パイプ入口３１２（一体型スクリーンを含んでいてもよい）が水塊１１２内で配置される水深を調節するように選択的に制御することができる。装置３００は、パイプ入口３１２付近でパイプ３１０に結合されたバラスト３１５と浮力調節室３１６とを含む。（例えば３１２’で示されるように）浮力を増加させてパイプ入口３１２を上昇させるために、（加圧下の）空気が（図示されない空気管の手段によって）浮力調節室３１６に供給され得る。反対に、浮力室から空気をパージすることによって、浮力を低下させてバラストおよびパージ水の重量によってパイプ入口を下げることができる。このように、例えば、図面において３３０で示された深度の関数として測定された水質に基づいて、水塊内の選択された水深からの水流３１３を選択して取水口３０２に供給することができる。

図１１は、従来の取水収集導管３０３に、それぞれ独立して制御可能な複数の水セレクタゲート３６０Ａ〜Ｄがそれぞれ決まった深度で設けられた、水中取水構造３５０を示す。図９、図１０、および図１１の実施形態では、選択された水を処理／前処理する機会は限られているが、それでも、水塊内またはその周辺の選択された深度および／または位置から好ましい水を選択することができる。

図１２に示された別の実施形態では、取水設備から離れて配置された装置を使用する。この装置は、採取所へ送るために、水塊内またはその近傍の選択された位置から動的に水をくみ上げる。ここに示される例では、水塊１１２が２つの水源、すなわち、４２０で示される河川または小川、および４３０で示される泉の一方または両方から送り込まれる。セレクタ装置は、深度を制御可能／選択可能な入口の代わりに、またはそれに加えて、それぞれ水源４２０、４３０の近くに配置された第１および第２の選択可能な位置固有の入口４０２、４１２を含む。入口４０２、４１２はそれぞれ導管４０４、４１４を介してセレクタインターフェイス１１８に結合されている。この構成は、深度選択的採取の代わりとして、水源４２０、４３０の近くから選択的に水を採取することを可能にする。

図１３および図１４は、本発明の実施形態に係る汎用水セレクタシステムを示す図である。図１３に示されるシステム５００は個々の水サンプリング・採取深度に基づいており、一方、図１４に示されるシステム６００は、可変水サンプリング・採取深度に基づいている。実際には、システムがこれら態様の組合せを含んでいてもよいことを理解されたい。

図１３は、障壁５１０と取水設備５０４との間に区画部分５１４を設ける障壁５１０を含む水塊５１２に設置されたシステム５００を示す。システム５００は、水質測定のための装置を含む。この場合、水質測定のための装置は、水塊５１２内のそれぞれ個々の深度に配置された複数のセンサまたは水サンプリング装置５３２を備える。これらセンサまたはサンプリング装置は水質モニタ５３０に結合されている。水質モニタ５３０は制御プロセッサ５４０と通信するように結合され、制御プロセッサ５４０はセレクタゲート制御部５５０と通信するように結合されている。障壁５１０にはセレクタインターフェイス５１８が設けられている。セレクタインターフェイス５１８は、水塊５１２から区画部分５１４に選択的に水を入れるための、セレクタゲート制御部５５０によって制御されるように結合された複数のセレクタゲート５２０を含む。取水設備５０４は出口ゲート５０６を有する。出口ゲート５０６もセレクタゲート制御部によって制御されてもよく、または、独立して動作可能であってもよい。出口ゲート５０６は、区画部分５１４からの水の除去を可能にする。

システム５００の使用にあたり、水質モニタ５３０は、水塊５１２内のそれぞれの深度／位置にあるセンサまたはサンプリング装置５３２を使用して、水質測定項目を定期的に測定する。測定された水質測定項目に関するデータは、制御プロセッサ５４０に通信される。様々な深度／位置で測定された水質測定項目および所定の所望の水質特性に基づいて、制御プロセッサ５４０は、水塊５１２から区画部分５１４に水を入れるために、セレクタゲート５２０のうちいずれを開閉すべきかに関する情報をセレクタゲート制御部５５０と通信する。セレクタゲート制御部５５０は、それに応じて、セレクタゲート５２０および／または出口ゲート５０６の開閉を制御する。

図１４は、障壁６１０と取水設備６０４との間に区画部分６１４を設ける障壁６１０を含む水塊６１２に設置されたシステム６００を示す。システム６００は、水質測定のための装置を含む。この場合、水質測定のための装置は、制御可能な可変深度センサまたは水サンプリング装置６３２に結合された水質モニタ６３０を備える。水質モニタ６３０および制御可能センサまたは水サンプリング装置６３２は水塊６１２内の様々な選択された深度で水質測定項目を測定するように動作可能であり、この水質測定項目は、制御プロセッサ６４０に通信される。様々な深度／位置で測定された水質測定項目および所定の所望の水質特性に基づいて、制御プロセッサ６４０は、所望の特性に最も厳密に一致する、測定された水質測定項目とともに、水塊内の特定の深度に関する情報をセレクタゲート制御部６５０と通信する。セレクタゲート制御部は、セレクタゲート装置６１８を制御するように動作する。セレクタゲート装置６１８は、セレクタゲート６２０に結合された導管６２４を有する制御可能な可変深度入口６２２を含む。セレクタゲート制御部は、使用にあたり、入口６２２が配置される深度を制御するように作用する。例えば、前述のような浮力調節または機械的手段、ならびにセレクタゲート６２０の開閉によって制御する。これにより、水塊６１２内の選択された深度から水が区画部分６１４に入る。水は、取水設備６０４の出口ゲート６０６を通じて区画部分６１４から除去することができる。

当業者は、システム５００、６００の構成は交換可能であってもよいことを理解するであろう。例えば、個々の深度での水質測定は、単一の可変制御水セレクタ入口を有するシステムにおいて使用されてもよく、逆もまた同様である。さらに、前述したように、特定の実施形態では、区画部分を介さずに、セレクタゲート装置が取水設備の出口ゲートに直接に結合されてもよい。

本明細書で「放流」実施形態と呼ばれる変形例では、システムを使用して、選択された水（水質）の余水路または排水管を介した取り出しを監視および制御してもよい。その意図は、選択された水の制御された放出を可能にすることであり、この場合、選択された水は一般的に好ましくない特性を有する（すなわち、貯水池の汚水を取り除く）。流出実施形態は、特定の貯水池全体の水質条件を改善または生成するために、および／または下流の受水域に影響を与えるために有用であり得る。様々な他の実施形態に関連して本明細書で説明した監視および選択のための機構は、この放流実施形態にも適用可能である。

以上の実施形態は主に、可撓性バッフルカーテンから形成された障壁との関係において説明したが、上述のように、固定された剛性構造物を使用してもよい。図１５は、剛性アセンブリ７１０が取水設備７０２に直接取り付けられ、それによって障壁を提供するシステム７００の具体的な例を示す。システム７００では、取水設備は４つの従来のゲート（７０３、７０４）を有している。剛性障壁構造物（フレーム７１６上に、アルミニウムなどの金属、または、他の比較的剛性の材料からなるシース７１１が形成されたもの）が従来のゲート（７０４）のうち２つを囲んで取水設備に取り付けられている（７１２、７１３）。障壁構造物は、障壁と取水設備（７１４）との間に取り囲まれた部分にそれぞれの深度から水を選択的に入れるため、それぞれの深度に１０個のセレクタゲート（例えば、７１５）を含むセレクタ装置を有する。

図１６から図１９は、以下に説明するように、本発明の一実施形態に係る水セレクタ装置が備えられた水塊における水深の関数として実験的に測定された水質特性のグラフである。

図１６は、水塊におけるクロロフィル、酸性度（ｐＨ）、温度、および、濁度の測定値を高さの関数としてプロットしたものである。なお、水面は６３０ｆｔの高さにある。この図は、水面から１５ｆｔまでの間においてクロロフィル（藻類の存在）の濃度が上昇していることと、高さ６１５ｆｔと６１０ｆｔとの間の穏やかなサーモクラインを示している。データは、わずかに低い日中の表層水温、および、いくらか増加した植物プランクトンの活動が観察されることが予想される午後に収集された。濁度は、水塊の水面から１０ｆｔまでの間においてはかなり低く、６ＮＴＵから８ＮＴＵであり、サーモクラインで急激に増加し、深水層ではさらに急速に増加している。

この水塊で通常使用される水採取プラントの取水ゲートは、高さ６１８ｆｔおよび６２３ｆｔにあるものである（一般的には、液圧要件を満たすために２つのゲートが開いている）。実験的な水セレクタ装置の設置の前は、ＷＴＰは、藻類に由来する原水水質の影響、すなわち、異臭味およびＴＯＣを被っており、このとき、予備塩素処理が行われるプラントに移されるクロロフィルの値は約１０μｇ／Ｌであった。これらの状態に対応するために、プラントは、急速混合の前に典型的には１８ｐｐｍの炭素を投入していた。

高さ６１２ｆｔから好ましい水を提供するよう水セレクタ装置が設置され、構成されることで、プラントは原水水質の改善を実現し、その後、炭素量を１２ｐｐｍ（３３％減少）に低減することができた。好ましい原水はわずかに高い濁度を有していたが、その値は凝集剤（ミョウバン）の投与量の増加を必要としなかった。

図１７は、水セレクタ装置の障壁によって設置された区画部分内からサンプリングされた原水水質データを表す。一般に、障壁内の水は、高さ６１２ｆｔから取り出された層からの水のみからなる。プラントの取水開放ゲートは６１８ｆｔおよび６２３ｆｔのままであったが、プラントに移されたのは、主水塊内の６１２ｆｔからの水であった。図１７は、障壁内で、水がプロファイル全体においてほとんど変化しない様子を示す。

この地域では秋から冬への移り変わりの際に、一般的に、水塊は季節的なターンオーバーを経験し、周期的な寒い日と暖かい日が比較的小さな層化をもたらす。しかしながら、これは通常、１年のうちの雨期でもあり、降雨事象が歴史的に特に影響を与えることが判明している。水塊は大都市圏の近傍にあり、排出物や流出水の影響を受ける。典型的には、水塊は褐色に変わり、プラントに流入する濁りが、上流の降雨事象の間に、貯水池に水を供給する河川に沿って劇的に急増し得る。２０１５年１２月下旬には、上流の大都市圏で１インチ未満の降雨事象が発生し、プラントにおいて濁度が急増して７０ＮＴＵを超え、それに対応してミョウバンの投与が３４ｍｇ／Ｌに増加した（５０％を超える増加）。また、実験観察期間中の１２月には、大都市圏でも同様の降雨事象が発生し、その結果、水塊の濁度上昇が起こった。図１８および１９は、降雨事象前後の、濁度およびクロロフィルそれぞれについての原水プロファイルを表すデータのプロットである。これらの図において、高さは左側の縦軸に示されており、水セレクタ装置の対応するゲート番号は右側の縦軸に示されている。

図１８を参照すると、１２月１９日（１２／１９）の濁度は約１０ＮＴＵでピークとなった（湖底の水は考慮に入れておらず、この湖底の水はより高い濁度がみられると予想されるが、典型的には、そのポイントから取水することを選択しない）。雨の大部分は、１２月２０日に降り、大都市圏で１インチを超える量が観測された。影響を受ける水力発電所オペレータは、通常、数日以内に取水時に上流の雨の影響を受けると報告している。一時的に、水セレクタゲート番号６が選択され、流入する濁りは約５ＮＴＵとなった。

グラフに見られるように、１２月２４日に、濁度が急増し、水面下約３ｆｔから約２０ｆｔまで３０ＮＴＵを超えた。下方のゲートの１つ、すなわちゲート１３、１４、または１５を選択することにより、濁度の増加ははるかに小さくなり、凝固の調整がほとんど必要なくなり、処理結果が悪いといったリスクが低くなった。１２月２８日までに、濁度は、新たな非層化プロファイルに近づいた。

気温および水温が低く、周期的な温度過渡、およびその結果生じる貯水池のターンオーバーと非層化プロファイルがみられる冬の間でさえ、本発明の実施形態に係る水セレクタ装置は、温度スイングおよび降雨事象に起因する水質遷移を平滑化するように動作することができる。図１９は、一連の暖かい日（１２／１９）の後に生じた高濃度の浅瀬のクロロフィルを示す。その後、降雨事象および冷温が続き、藻類は大幅に減少した。この期間中、好ましい水セレクタゲートは（上述したように）１３番、１４番、または１５番であり得、クロロフィルデータを使用することにより、理想的なゲート選択を確実にするために多重パラメータ監視が重要であることが確認された。

本発明の実施形態の構造および実装は、非限定的な例として説明したにすぎず、記載された本発明の要旨および範囲から逸脱することなく、多くのさらなる修正および変更が可能であることが、当業者に明らかである。

本明細書および以下の特許請求の範囲において、文脈上他の意味に解すべき場合を除き、「comprise」という用語、ならびに「comprises」および「comprising」などの変化形は、記載した完全体または工程、あるいは完全体群または工程群の包含を意味するが、他の完全体または工程、あるいは完全体群または工程群の排除を意味しないと理解される。

Claims (10)

1. 水塊と抽出設備とを有する貯水施設とともに使用されるシステムであって、前記システムは前記水塊と前記抽出設備との間に設けられた水選択装置を備え、前記水選択装置は、前記抽出設備による取水のために前記水塊内の選択可能深度から水を採取することを可能にする制御可能入口を有する、システム。
2. 前記抽出設備を取り囲むまたは前記抽出設備に取り付けられた区画部分を形成する障壁構造物を含み、前記水選択装置は前記水塊から前記区画部分への水流を制御する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記障壁構造物は１つまたは複数の水処理ゾーンを画定し、使用時に水が前記制御可能入口から前記１つまたは複数の水処理ゾーンを通って前記抽出設備へと流れる、請求項２に記載のシステム。
4. 前記水選択装置は、前記障壁構造物と一体化されたセレクタインターフェイスであって、前記水塊内のそれぞれの深度に配置された複数のセレクタゲートを含むセレクタインターフェイスを備え、前記ゲートは、前記対応する深度から前記区画部分に水が入るように選択的に動作する、請求項２または３に記載のシステム。
5. 前記水選択装置は、前記水塊内の選択された深度へ移動可能な入口を有するパイプなどの流体管を備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記水塊内の複数の深度にわたって少なくとも１つの水質特性を測定および監視するように構成された監視装置を含み、前記水選択装置は、異なる深度の間で検出された、前記少なくとも１つの水質特性の差に従って制御される、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
7. 抽出設備によって水塊から取水を行うために水質を制御する方法であって、前記方法は、前記抽出設備による取水のために採取された水を入れる前に、前記水塊内の動的に制御可能な深度から水を選択的に採取する工程を含む方法。
8. 前記水塊内の複数の深度にわたって少なくとも１つの水質特性を監視する工程と、異なる深度の間で検出された、前記少なくとも１つの水質特性の差に従って、水が採取される深度を制御する工程とを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記抽出設備による取水の前に、前記水塊の区画部分に採取した水を保持する工程を含む、請求項７または８に記載の方法。
10. 前記抽出設備による取水の前に、前記区画部分の前記水に少なくとも１つの水処理ステップまたはプロセスを適用する工程を含む、請求項９に記載の方法。

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