JP3648665B2 - 地下水取水施設の管理方法およびそれに用いる地下水取水設備 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤内に設置されて、地下水を取水するための地下水取水施設の管理方法およびそれに用いる地下水取水設備に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、飲料水、工業用水、農業用水等に用いられる水資源は、主に河川、湖沼等からの自然水域からの取水、ダムからの取水、および、土壌中の地下水揚水で賄われている。しかし、近年、河川、湖沼水の取水施設やダムの建設に有利な立地は少なくなってきており、これらによる水資源の確保は従来より困難になってきている。
【0003】
一方、土壌中の地下水揚水は、井戸により行われるのが最も一般的であるが、井戸による取水は、一般的に規模が小さく、また井戸毎に揚水ポンプが必要で管理も煩雑であるため、大規模な地下水開発が困難である場合がある。
【0004】
このような事情に鑑み、地中の地下水資源を大規模に取水できる施設として、本願発明の発明者らは、先に、図9に示すような施設を提案した。
図9に示す地下水取水施設1は、本出願人の出願による特開平9−132928号公報記載のものであり、地盤2における岩盤層3に設けられた集水トンネル4と、集水トンネル4によって集めた水を貯留するための貯水槽5と、貯水槽5から水を揚水するための揚水手段6とを備えた構成とされている。
【0005】
集水トンネル4は、その壁面8に集水孔9,9,…が多数設けられた構成とされるとともに、その底部10が、貯水槽5に向かって下り勾配となるように形成されている。
岩盤層3に滞留する地下水は、集水トンネル4の壁面8および集水孔9,9,…において自然湧水として発生するとともに、貯水槽5に向かって流下し、さらに、貯水槽5から揚水手段6によって地上に揚水されることとなる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の地下水取水施設1は、固結性の高い岩盤層3からの取水を対象としたものである。しかし、一般に、岩盤層は透水性が低いことが多く、地下水資源のさらなる大規模利用を図るためには、岩盤層からだけでなく、砂層や砂礫層などの高透水性土壌からも大規模な取水が可能であるような施設が必要とされていた。
【0007】
しかしながら、砂層や砂礫層は地盤の固結性に欠ける場合が多く、したがって例えば、上述の地下水取水施設1と同様の施設を砂層や砂礫層等に対して適用したとしても、施設の運用年数の経過に伴い、砂等の細粒分や地下水中の懸濁物が集水パイプや同パイプの周辺地盤に滞積して目詰まりが発生するため、やがては施設の取水能力が低下する。
このようなことから、施設の運用年数の経過に関係なく、必要な取水量を確保することができるような施設およびその管理方法の開発が望まれていた。
【0008】
本発明は、以上のような事情に鑑み行われたものであり、施設内部の透水係数の変化に関わりなく地盤中の透水層から地下水を安定的に取水することが可能であるような地下水取水施設の管理方法およびそれに用いる地下水取水設備を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては以下の手段を採用した。
すなわち、請求項1記載の地下水取水施設の管理方法は、地盤内の透水層に位置する集水パイプからなる取水部と、該取水部から取水した地下水を集水する集水部を内部に有する揚水坑とを備えて構成され、なおかつ、該集水部が開水面を有する構成とされる地下水取水施設の管理方法であって、
前記集水部の水位を調整することによって、前記取水部からの取水量を調整しておくとともに、前記透水層と前記取水部との間の透水係数が低下した際には、前記集水部の水位と地盤の水位との水頭差を前記透水係数の低下に見合うだけ大きくすることによって、前記取水量を確保することを特徴とする。
【0010】
この地下水取水施設の管理方法においては、集水部の水位を調整することによって、透水層と取水部との間の動水勾配を調整することができ、取水部と集水部との間の透水係数が低下した際には、集水部の水位と地盤の水位との水頭差を前記透水係数の低下に見合うだけ大きくすることによって、取水量を確保することができる。
【0011】
請求項2記載の地下水取水施設の管理方法は、請求項1記載の地下水取水施設の管理方法であって、
前記取水部と前記集水部との間の透水係数の経年的な変化に対応させて、前記集水部の水位を漸次調整することを特徴とする。
【0012】
このような構成とされるために、この地下水取水施設の管理方法においては、透水層と取水部との間の動水勾配を透水係数の経年変化に対応させて変化させることによって、取水部による取水量を確保することが可能である。
【0013】
請求項3記載の地下水取水設備は、請求項1または2記載の地下水取水施設の管理方法を実施するための地下水取水設備であって、
地表面から地盤中を掘り下げることにより形成された揚水坑と、該揚水坑から延出する集水構造とを備えてなり、
該集水構造は、少なくともその先端部が前記地盤中の透水層内に位置するように設けられた集水パイプを備えた構成とされ、
該集水パイプの先端部には、前記取水部が形成され、
前記揚水坑の内部には、前記集水部が形成されるとともに、その水位を調整可能な水位調整手段が設けられていることを特徴とする。
【0014】
この地下水取水設備においては、施設の運用年数の経過に伴って、施設における取水量に変化が生じた際に、水位調整手段を用いてその取水量を管理することが可能である。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を、図1から図5を参照して説明する。
図1に示すように、地下水取水施設20は、地盤21内に設置された施設であり、地下水取水設備22を備えた構成とされている。
地下水取水設備22は、地表面23から地盤21中を掘り下げることによって立坑として形成された揚水坑25と、揚水坑25から延出する集水構造26とから概略構成されている。
【0016】
地盤21は、岩盤層28上に砂層または砂礫層からなる透水層29が積層する構成とされており、揚水坑25は、地表面23から透水層29を貫通して岩盤層28に到達するように形成されている。また集水構造26は、揚水坑25における岩盤層28内に位置する下位部25aから側方へ延出する構成とされている。
【0017】
集水構造26は、具体的には、揚水坑25より水平に延出する集水パイプ30により構成されている。集水パイプ30は、その先端部30aが、地盤21内における透水層29に到達するように形成されており、その基端部30bが、揚水坑25と連通する構成とされている。
【0018】
図2(a)は、集水パイプ30の断面構造を示す図である。図中に示すように、集水パイプ30は、透水性を有するドレーン材Dを管状に形成したものであり、透水層29中の地下水をその内部30cに導き入れることが可能な構成とされている。また、図中(b)において示すように、集水パイプ30の先端には栓31が設けられており、これにより透水層29内部の砂等が集水パイプ30の先端から内部30cに侵入しないようになっている。
また、このような構成とされるため、集水パイプ30は、その全体が、透水層29中の地下水を取水するための取水部33として機能することとなる。
【0019】
また、図1に示すように、揚水坑25の下位部25aは、集水構造26により取水した水を集水するための集水部34とされている。集水部34には、集水した地下水が滞留することによって水面(開水面)35が形成されている。
また、揚水坑25の内部には、揚水装置36が設けられている。揚水装置36は、揚水パイプ37を介して地上側と接続されており、これにより揚水坑25内部に滞留する水を地上に揚水することが可能な構成とされている。さらに、これら揚水装置36および揚水パイプ37を用いて揚水坑25内部から水を揚水することで、揚水坑25内部の水位を調整することが可能とされており、これにより、揚水装置26および揚水パイプ27は、集水部34の水位を調整することが可能な水位調整手段38として機能することとなる。
【0020】
以上が、地下水取水施設20の主要な構成であるが、次に、地下水取水設備22を使用した施設の管理方法を説明する。
図3に示すように、揚水坑25内部の水位をL1、地盤21の水位をL2とした場合、取水部33(図1,2参照)においては、地盤21側からは、取水部33と地盤21の水位L2との間の高低差Hに対応した水圧が作用することとなり、また、集水パイプ30側からは、取水部33と揚水坑25の水位L1との間の高低差hに対応した水圧が作用することとなる。
したがって、取水部33に対しては、これらの水圧の差によって生じる水頭差ΔH(=H−h)が作用する。
【0021】
ここで、揚水坑25内部の水位L1が、取水部33の位置より低く設定されている場合には、水頭差ΔHは高低差Hと同一となり、透水層29中の地下水は、この水頭差に対応した噴出力で湧水することとなる。
一方、揚水坑25内部の水位L1と地盤内の水位L2が同一である場合には、取水部33においては水頭差ΔHが生じず、これにより、取水部33においては、透水層29中の地下水が自然噴出することがなくなる。
【0022】
このような水頭差ΔHと取水部33における湧水量との関係は、図4のグラフのように表すことができる。このグラフにおいては、水頭差ΔHが地下水位L2と取水部33との高低差Hと同一である場合(ΔH=Hである場合)の湧水量を100%とした場合の、水頭差ΔHと湧水量(%)との関係が示されている。
【0023】
このグラフに示すように、水頭差ΔHと湧水量とは、ほぼ比例関係にあると考えられ、したがって、水位調整手段38により揚水坑25(集水部34)内部の水位を調整することによって、取水部33からの取水量を調整することが可能である。
【0024】
また、地下水取水設備22は、地盤中の透水層29内の地下水を取水する構成とされていることから、地下水取水施設20の運用期間の経過に伴って、砂等の細粒分や地下水中の懸濁物が、集水パイプ30および透水層29における集水パイプ30の周囲領域R(図2(a)参照)において滞積して目詰まりが発生することが予想される。この場合、結果として、取水部33と透水層29との間の透水係数が低下することとなり、地下水取水施設20による取水量が減少していくことが懸念される。
【0025】
このときの地下水取水施設20による取水量Qは、以下の式(1),(2)により表されると考えられる。
Q=N×q (1)
q=K×ΔH×F (2)
ここに、N:集水パイプ30の本数、q:単独の集水パイプ30による取水量、K:集水パイプ30内部の透水係数、F:集水パイプ30の構造による係数。
【0026】
したがって、取水量Qを確保するためには、透水係数Kの値の経年的な減少に対応させて、水頭差ΔHを上昇させていけばよいこととなる。
そこで、本実施の形態の管理方法においては、透水係数Kの経年的な変化に対応させて、水位調整手段38により集水部34の水位を漸次調整し、これによって水頭差ΔHを調整することにより、集水部34からの湧水量を所定量に保ち、地下水取水施設20の取水量を確保することとする。具体的には、図5のグラフに示すように、稼働年数の経過による透水係数Kの低下に伴って、施設の取水部33における湧水量が、初期の100%からC%に漸近していくとした場合(図中符号s)に、この湧水量の減少を補うように、すなわち、透水係数Kが初期の値を保つと仮定した場合に湧水量が100/C%に漸近するように(図中符号t)、水頭差ΔHを調整する。これにより、湧水量が一定(図中符号u)に保たれることとなる。
【0027】
上述の地下水取水施設20の管理方法によれば、施設の運用期間の経過に伴って、取水部33と透水層29との間の透水係数が低下した場合においても、施設の取水量を確保することができ、安定した地下水の利用が可能となる。また、これにより透水層29が固結性に欠ける地盤である場合にも、集水パイプ30を用いて地下水を安定的に取水することが可能となり、地下水取水施設20の立地にあたっての地質上の制約を少なくすることができる。
【0028】
特に、上述のように、取水部33と透水層29との間の透水係数Kの経年的変化に伴い、集水部34の水位を漸次調整していくことによって、施設の集水性能を一定に保つことができ、これにより施設の耐用年数を長期化させることが可能である。
【0029】
また、上述の地下水取水設備22によれば、施設の集水性能を一定に保つことができ、これにより安定した地下水の利用が可能とされるとともに、施設の耐用年数を長くすることが可能となる。
【0030】
なお、上記実施の形態において、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で、地下水取水設備22の各部の構造等について、他の構成を採用するようにしてもよい。
【0031】
図6に示す地下水取水設備22においては、集水構造26が、揚水坑25から上り勾配に延出するように形成されたシールドトンネル40と、シールドトンネル40から延出するように設けられた集水パイプ30,30,…とによって構成されている。
【0032】
シールドトンネル40は、揚水坑25の下位部25aをその基端部40aとして、その先端部40bが、地盤21中の透水層29に到達するように形成されている。また、集水パイプ30,30,…は、透水層29内に配置されて、地下水を取水するための取水部33とされる。
【0033】
また、図7に示す地下水取水設備22においては、集水構造26が、揚水坑25から延出する連絡トンネル54と、連絡トンネル54と連通する集水トンネル55と、集水トンネル55から延出する集水パイプ30とから構成される。集水パイプ30は、その先端部30aが地盤21内の透水層29中に位置するように配置されるとともに、透水層29の地下水を取水するための取水部33とされる。
【0034】
これら図6,7に示した地下水取水設備22においても、揚水坑25内部(集水部34)の水位L1を、揚水装置36および揚水パイプ37(水位調整手段38)によって調整することによって、上記実施の形態と全く同様の効果を得ることが可能である。
【0035】
また、図1、6、7に示した地下水取水設備22における集水パイプ30は、図8に示すような構造であってもよい。
図8(a)に示す集水パイプ30は、孔42,42,…を有する有孔管43によって形成されたものである。図8(b)は、図8(a)に示した集水パイプ30の断面を示した図である。図中に示すように、有孔管43の内部にはフィルター材44が充填されており、フィルター材44によって、孔42,42,…から有孔管43内部への砂等の侵入が防がれる。
また、施設の運用期間の経過に伴い、有孔管43の周囲の地盤および有孔管43の内部が目詰まりした際には、上記実施の形態と同様の操作を行うことにより、透水層29からの取水量を確保することとする。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1に係る地下水取水施設の管理方法においては、土砂等の侵入によって取水部と地盤内のとの間の透水係数が低下した場合においても、施設の取水量を確保することができ、安定した地下水の利用が可能となる。また、これにより透水層が固結性に欠ける地盤である場合にも、地下水を安定的に取水することが可能であり、施設の立地にあたっての地質上の制約を少なくすることができる。
【0037】
請求項2に係る地下水取水施設の管理方法においては、取水部と透水層との間の透水係数の経年的変化に伴い、集水部の水位を漸次調整していくことによって、施設の集水性能を一定に保つことができ、これにより施設の耐用年数を長期化させることが可能である。
【0038】
請求項3に係る地下水取水設備によれば、施設の集水性能を一定に保つことができ、これにより安定した地下水の利用が可能とされるとともに、施設の耐用年数を長くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態を模式的に示す地下水取水施設の立断面図である。
【図2】 図1に示した地下水取水施設において用いられる集水パイプの構造を示す図であって、(a)は、その軸方向の断面図、(b)は軸と平行な方向の断面図である。
【図3】 図1に示した地下水取水施設における揚水坑内部の水位および地下水位の位置関係を示す立断面図である。
【図4】 図1に示した地下水取水施設の取水部に作用する水頭差と取水部における湧水量との対応関係を示すグラフである。
【図5】 本発明の地下水取水施設の管理方法において水頭差を調整することにより設定すべき取水能力を示すためのグラフである。
【図6】 本発明の他の実施の形態を模式的に示す地下水取水設備の立断面図である。
【図7】 本発明の他の実施の形態の別の例を模式的に示す地下水取水設備の立断面図である。
【図8】 本発明における地下水取水設備における集水パイプの他の実施の形態を示す図であって、(a)は、その側面図、(b)は、その軸方向の断面図である。
【図9】 本発明の従来の技術を示すための地下水取水施設の立断面図である。
【符号の説明】
20 地下水取水施設
21 地盤
22 地下水取水設備
23 地表面
25 揚水坑
26 集水構造
29 透水層
30 集水パイプ
33 取水部
34 集水部
35 開水面
38 水位調整手段
Claims (3)
- 地盤内の透水層に位置する集水パイプからなる取水部と、該取水部から取水した地下水を集水する集水部を内部に有する揚水坑とを備えて構成され、なおかつ、該集水部が開水面を有する構成とされる地下水取水施設の管理方法であって、
前記集水部の水位を調整することによって、前記取水部からの取水量を調整しておくとともに、前記透水層と前記取水部との間の透水係数が低下した際には、前記集水部の水位と地盤の水位との水頭差を前記透水係数の低下に見合うだけ大きくすることによって、前記取水量を確保することを特徴とする地下水取水施設の管理方法。 - 請求項1記載の地下水取水施設の管理方法であって、
前記透水層と前記取水部との間の透水係数の経年的な変化に対応させて、前記集水部の水位を漸次調整することを特徴とする地下水取水施設の管理方法。 - 請求項1または2記載の地下水取水施設の管理方法を実施するための地下水取水設備であって、
地表面から地盤中を掘り下げることにより形成された揚水坑と、該揚水坑から延出する集水構造とを備えてなり、
該集水構造は、少なくともその先端部が前記地盤中の透水層内に位置するように設けられた集水パイプを備えた構成とされ、
該集水パイプの先端部には、前記取水部が形成され、
前記揚水坑の内部には、前記集水部が形成されるとともに、その水位を調整可能な水位調整手段が設けられていることを特徴とする地下水取水設備。
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