JP5203140B2 - 河川の水質改善システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、河川の水質改善システムおよび方法に関するものである。

従来、感潮河川の底層部には、塩分が高く比重の大きな水が滞留し、表層・底層の水交換が抑制されているうえに、底泥（ヘドロ）による溶存酸素の消費が盛んに行われていることが知られている。このため、感潮河川の底層部は、溶存酸素濃度が低い劣悪な水質環境となっている。

一方、河川の水質を、バブリング、水中に浸漬した炭素繊維または有用微生物群（ＥＭ菌）を用いて浄化する方法あるいは装置が知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

上記に関し、本件特許出願人の一人は、既に特願２００８−７７８３２に示すシステムおよび方法を提供している。特願２００８−７７８３２は、取水した河川水の持つ熱を利用してビル等の空調を行い、この河川水を水質改善処理して河川に還水するものである。

特開平９−２５３６８０号公報 特開平１１−１３８１６４号公報

ところで、上記の特願２００８−７７８３２に示すシステムおよび方法では、河川の水質改善効果を増大させる、より好適な取水位置や還水位置などに関する具体的な構成は開示していない。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、河川の水質改善効果を増大させることができる河川の水質改善システムおよび方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係る河川の水質改善システムは、潮の干満のある感潮河川の河川水を取水する取水手段と、取水した前記河川水を前記感潮河川に還水する還水手段とを有し、前記感潮河川の水質改善を行う河川の水質改善システムにおいて、前記取水手段は、前記感潮河川の溶存酸素濃度が低い底層部から取水し、前記還水手段は、前記底層部よりも下流側の水域の底層部に還水することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係る河川の水質改善システムは、上述した請求項１において、前記取水する位置の下流側であって前記還水する位置の上流側に、没水型の堰を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係る河川の水質改善システムは、上述した請求項２において、前記堰は起伏堰であり、この起伏堰は、常時には起立状態とされ、洪水時には倒伏状態とされることを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係る河川の水質改善システムは、上述した請求項１〜３のいずれか一つにおいて、前記取水手段および前記還水手段の少なくとも一方の運転時間は、前記感潮河川の潮位変動に応じて調整されることを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る河川の水質改善システムは、上述した請求項４において、下げ潮時には運転を行い、上げ潮時には運転を停止することを特徴とする。

また、本発明の請求項６に係る河川の水質改善システムは、上述した請求項１〜５のいずれか一つにおいて、前記感潮河川に還水する前に前記河川水の溶存酸素濃度の増大処理を行う水質改善手段をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項７に係る河川の水質改善方法は、潮の干満のある感潮河川の河川水を取水して、取水した前記河川水を前記感潮河川に還水し、前記感潮河川の水質改善を行う河川の水質改善方法において、前記感潮河川の溶存酸素濃度が低い底層部から取水して、前記底層部よりも下流側の水域の底層部に還水することを特徴とする。

また、本発明の請求項８に係る河川の水質改善方法は、上述した請求項７において、前記河川水を取水する位置の下流側であって、前記河川水を還水する位置の上流側に没水型の堰を備えることを特徴とする。

本発明によれば、潮の干満のある感潮河川の河川水を取水する取水手段と、取水した前記河川水を前記感潮河川に還水する還水手段とを有し、前記感潮河川の水質改善を行う河川の水質改善システムにおいて、前記取水手段は、前記感潮河川の溶存酸素濃度が低い底層部から取水し、前記還水手段は、前記底層部よりも下流側の水域の底層部に還水する。このため、溶存酸素濃度が低い底層部の河川水は、下流側の水域の底層部に移送され、取水位置の底層部における水交換が促進されるので、取水位置の底層部における河川水の溶存酸素濃度は、取水前に比較して相対的に高められる。

上記の河川の水質改善システムにおいて、取水する位置の下流側であって還水する位置の上流側に、没水型の堰を備える構成としてもよい。こうすることで、下流側の水域の底層部に還水された河川水は、その上流側の没水型の堰によって遡上が抑制されるので、取水位置の底層部に侵入しない。特に、この堰を起伏堰とすれば、河川の流況に応じて堰を起伏させる運用が可能であり、常時は起立状態で、洪水時は倒伏状態で運用すれば、河川の流水を阻害しない。したがって、河川の流水の正常な機能を維持しつつ、河川の水質改善効果を増大させることができる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明に係る河川の水質改善システムおよび方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る河川の水質改善システムの概略平面構成図である。図２は、本発明に係る河川の水質改善システムの概略側面構成図である。

図１および図２に示すように、本発明に係る河川の水質改善システム１００は、感潮河川２の上流側の底層部Ｐに設けた取水手段としての取水設備１０の取水口２０と、下流側の底層部Ｑに設けた還水手段としての還水設備１８の還水口３０と、ＰＱ間の河床に設けた没水型の起伏堰４０とを備える。取水口２０を設けた底層部Ｐは、感潮河川２内において溶存酸素濃度が比較的低い水域である。

起伏堰４０は、下流側の底層部Ｑに還水した河川水４ａが、取水口２０のある上流側の底層部Ｐに逆流して遡上することを抑制するために、図３の斜視図および図４（ａ）、（ｂ）の断面斜視図に示すような態様で河床に設置される。起伏堰４０は、図４（ｂ）に示すように、常時は河川２の水中に没水して起立した状態で運用される。この場合、河川２の流水は堰４０の天端を越えて下流に流れるようになっている。一方、洪水時などの非常時には、図４（ａ）に示すように、起伏堰４０は河川２の流水の阻害とならないように倒伏した状態で運用される。こうした起伏堰４０としては、空気や水の出し入れによって袋体を起伏させるゴム引布製起伏堰や、鋼製起伏堰などの公知の堰を用いることができる。

ここで、河川の水質改善システム１００は、熱需要地６のオフィスビル等に取水した河川水４を導く導水管１２と、導水管１２内の河川水を熱源にしてオフィスビルの室内空調を行う水熱源の空調設備１４と、取水した河川水４の水質を改善処理する水質改善手段としての水質改善処理設備１６とを備えてもよい。取水したままの溶存酸素濃度で元の河川２に還水しても河川の水質改善効果は十分に得られるが、還水前に水質改善処理設備１６で溶存酸素濃度を高めるとより効果的である。また、空調設備１４は、熱需要地６のオフィスビル等に設けられ、導水管１２内を通る河川水４の熱との熱交換を行う熱交換器およびヒートポンプ（不図示）を有する。ヒートポンプは、室内空調に用いる冷水および温水を貯留する不図示の冷温水槽と熱交換をするように構成されてある。

上記構成の動作および作用について説明する。
取水設備１０を運転すると、感潮河川２の上流の底層部Ｐの取水口２０で溶存酸素濃度の低い河川水４が取水される。この河川水４は導水管１２を通り、還水設備１８の運転により還水口３０から感潮河川２の下流の底層部Ｑに還水される。このように、溶存酸素濃度が低い底層部Ｐの河川水は、下流側の水域の底層部Ｑに移送され、取水位置の底層部Ｐにおける水交換が促進されるので、取水位置の底層部Ｐにおける河川水の溶存酸素濃度は、取水前に比較して相対的に高められる。なお、河川水４を熱需要地６のオフィスビルの空調設備１４に導いて、河川水４の持つ熱をオフィスビルの空調に利用することもできる。さらに、この河川水４の水質を水質改善処理設備１６で改善した後で底層部Ｑに還水してもよい。

ここで、底層部Ｑに還水された河川水は、その上流の河床上に水没して設けた起伏堰４０によって遡上が抑制されるので、起伏堰４０の上流の底層部Ｐに侵入しない。したがって、いったん高められた取水位置の底層部Ｐにおける河川水の溶存酸素濃度は、還水された河川水の侵入によって低まることはない。

一方、起伏堰４０は、常時は起立状態で、洪水時は倒伏状態で運用するものである。このため、河川の流水を阻害しない。したがって、河川の流水の正常な機能を維持しつつ、河川の水質改善効果を増大させることができる。

次に、本発明による効果を確認するために行った数値シミュレーションについて図を参照しながら説明する。

数値シミュレーションは、ある感潮河川で実際に観測した水質データに基づいて構築した、河川の水質分布状況を表現し得る数値解析モデルを用いて行ったものである。取水位置Ｐおよび還水位置Ｑを変えたケース１〜６について水質（塩分濃度、水温、溶存酸素濃度）の各分布を推算したものである。ケース１〜６を比較することで、河川水を還水した際の河川水温や塩分濃度の変化など、本発明による河川の水質改善効果の大小および熱環境影響への大小を調べている。なお、本発明の構成に相当するケースは、ケース３、５、６であり、その中で比較的水質改善効果が高く、かつ水温・塩分濃度の変化が比較的小さいケース５を例として説明を進めるものとする。また、解析条件については、取水・還水の水量および水温などの取水・還水位置以外の条件はケース１〜６で同一であり、いずれも潮汐条件は小潮満潮時とし、取水した河川水を水熱利用してから還水するものとした。

図５〜１０は、それぞれケース１〜６の取水位置Ｐおよび還水位置Ｑの条件を示す感潮河川の側断面図である。図中、左側は上流側、右側は下流側であり、矢印で取水と還水の向きが示されてある。凹凸のある河床上に、溶存酸素濃度の空間分布がコンターで表示してある。

ここで、ケース１は、図５に示すように、下流域の表層部Ｐ１から取水し、中流域の底層部Ｑ１に還水する場合である。ケース２は、図６に示すように、下流域の底層部Ｐ２から取水し、中流域の底層部Ｑ２に還水する場合である。ケース３は、図７に示すように、上流域の底層部Ｐ３から取水し、中流域の底層部Ｑ３に還水する場合である。

ケース４は、図８に示すように、中流域の底層部Ｐ４から取水し、下流域の表層部Ｑ４に還水する場合である。ケース５は、図９に示すように、中流域の底層部Ｐ５から取水し、下流域の底層部Ｑ５へ還水する場合である。ケース６は、図１０に示すように、上流域の底層部Ｐ６から取水し、下流域の底層部Ｑ６へ還水する場合である。

ケース４、ケース５およびケース５に堰を追加した場合の数値シミュレーションによる計算結果を、図１１〜図１６に示す。また、ケース１〜６の各ケースにおける現況からの変化量の一覧を、図１７に示す。

図１１は、ケース５の水質分布図であり、図９のＡ−Ｂ区間のみ示したものである。図中、左欄は水質分布の計算結果であり、上から塩分濃度、河川水温、溶存酸素濃度の分布である。右欄は現況との差分であり、塩分濃度や河川水温が改善した場合は負の値をとり、溶存酸素濃度が改善した場合は正の値をとる。悪化した場合はそれぞれ正負逆の値をとる。

図１１の右欄に示すように、溶存酸素濃度が低い中流域の底層部Ｐ５から取水し、下流域の底層部Ｑ５へ還水するケース５では、溶存酸素濃度が河川全域で改善していることが判る。しかも、河川水温は河川全域であまり上昇せず河川水温に与える影響が小さいことが判る。このため、ケース５による河川の水質改善効果は良好であることが伺える。

ケース５の場合は、図１２に示すように、溶存酸素濃度が低い中流域の底層部Ｐ５から取水し、下流域の底層部Ｑ５へ還水することで、底層部Ｐ５において水交換が促進される。また、河床のマウンドにより高塩分水の遡上が抑制され、中流域の底層部Ｐ５における底層の塩分濃度は低下する。一方、下流域の底層部Ｑ５には上流の低塩分水が導入されて鉛直循環が促進される。熱利用され水温が上昇した水は底層部Ｐ５に殆ど還流しない。

次に、河川の水質改善効果が好ましくない例についてケース４を用いて説明する。
図１３は、ケース４の水質分布図であり、図８のＡ−Ｂ区間のみ示したものである。図１３の右欄に示すように、中流域の底層部Ｐ４から取水し、下流域の表層部Ｑ４に還水するケース４では、溶存酸素濃度は河川全域で改善するものの、河川水温が下流域を中心に大きく上昇し、悪化していることが伺える。このため、ケース４による河川の水質改善効果はケース５に比べて好ましくないことが伺える。

ケース４の場合は、図１４に示すように、溶存酸素濃度が低い中流域の底層部Ｐ４から取水し、下流域の表層部Ｑ４へ還水することで、底層部Ｐ４において水交換が促進される。また、河床のマウンドにより高塩分水の遡上が抑制され、中流域の底層部Ｐ４における底層の塩分濃度は低下する。しかし、熱利用され水温が上昇した水を底層部Ｐ４で再度取水するような水の流れが生じる結果、水温の上昇が比較的顕著となる。

次に、ケース５に堰を追加した場合（本発明の他の構成に相当）について説明する。
図１５は、この場合の水質分布図である。図１５に示すように、溶存酸素濃度が低い中流域の底層部Ｐ５から取水し、下流域の底層部Ｑ５へ還水するケース５において、下流域の河床に堰を設けてある。この場合、塩分濃度および溶存酸素濃度が河川全域で改善していることが判る。しかも、河川水温は堰を設けないケース５単独の場合に比べて河川全域で上昇していない。このため、本発明の他の構成による河川の水質改善効果は非常に良好であることが伺える。

ケース５に堰を追加した場合は、図１６に示すように、溶存酸素濃度が低い中流域の底層部Ｐ５から取水し、下流域の底層部Ｑ５へ還水することで、底層部Ｐ５において水交換が促進される。また、河床の堰により高塩分水の遡上が抑制され、中流域の底層部Ｐ５における底層の塩分濃度は低下する。一方、下流域の底層部Ｑ５には上流の低塩分水が導入されて鉛直循環が促進される。熱利用され水温が上昇した水は底層部Ｐ５に殆ど還流しない。

なお、ケース１、ケース２、ケース３およびケース６の計算結果は、図１７に示すとおりである。図１７に示すように、ケース１における現況からの変化量は、塩分濃度−２．０（ｐｓｕ）、水温１０．５（℃）、溶存酸素濃度５．０（ｍｇ／Ｌ）である。また、ケース２における現況からの変化量は、塩分濃度１２．０（ｐｓｕ）、水温８．８（℃）、溶存酸素濃度４．６（ｍｇ／Ｌ）である。ケース３における現況からの変化量は、塩分濃度−６．９（ｐｓｕ）、水温５．５（℃）、溶存酸素濃度４．８（ｍｇ／Ｌ）である。ケース６における現況からの変化量は、塩分濃度３．５（ｐｓｕ）、水温３．２（℃）、溶存酸素濃度３．８（ｍｇ／Ｌ）である。ここで、正の数値は現況に比べて値が上昇したことを示し、負の数値は現況に比べて値が下降したことを示している。

上記の実施形態において、取水設備１０および還水設備１８の少なくとも一方の運転は、潮位変動に併せて運転時間を調整してもよい。この場合、河川の水質改善効果をさらに向上できる可能性がある。さらに、蓄熱槽を併用してもよく、下げ潮時のみに運転および蓄熱し、上げ潮時には停止するような運用をしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、溶存酸素濃度が低い底層部の河川水は、下流側の水域の底層部に移送され、取水位置の底層部における水交換が促進されるので、取水位置の底層部における河川水の溶存酸素濃度を、取水前に比較して高めることができる。

本発明に係る河川の水質改善システムの一例を示す概略平面構成図である。 本発明に係る河川の水質改善システムの一例を示す概略側面構成図である。 河床に設置された起伏堰の平面斜視図である。 起伏堰の断面斜視図であり、（ａ）は洪水時、（ｂ）は常時の場合の図である。 ケース１の取水および還水条件を示した感潮河川の側断面図である。 ケース２の取水および還水条件を示した感潮河川の側断面図である。 ケース３の取水および還水条件を示した感潮河川の側断面図である。 ケース４の取水および還水条件を示した感潮河川の側断面図である。 ケース５の取水および還水条件を示した感潮河川の側断面図である。 ケース６の取水および還水条件を示した感潮河川の側断面図である。 ケース５の水質分布図である。 ケース５の概略流況説明図である。 ケース４の水質分布図である。 ケース４の概略流況説明図である。 ケース５に堰を追加した場合の水質分布図である。 ケース５に堰を追加した場合の概略流況説明図である。 ケース１〜６の結果を示す一覧図である。

符号の説明

２ 感潮河川
４，４ａ 河川水
６ 熱需要地
１０ 取水設備（取水手段）
１２ 導水管
１４ 空調設備
１６ 水質改善処理設備
１８ 還水設備（還水手段）
２０ 取水口
３０ 還水口
４０ 起伏堰（堰）
１００ 河川の水質改善システム

Claims (8)

1. 潮の干満のある感潮河川の河川水を取水する取水手段と、取水した前記河川水を前記感潮河川に還水する還水手段とを有し、前記感潮河川の水質改善を行う河川の水質改善システムにおいて、
   前記取水手段は、前記感潮河川の溶存酸素濃度が低い底層部から取水し、
   前記還水手段は、前記底層部よりも下流側の水域の底層部に還水することを特徴とする河川の水質改善システム。
2. 前記取水する位置の下流側であって前記還水する位置の上流側に、没水型の堰を備えることを特徴とする請求項１に記載の河川の水質改善システム。
3. 前記堰は起伏堰であり、この起伏堰は、常時には起立状態とされ、洪水時には倒伏状態とされることを特徴とする請求項２に記載の河川の水質改善システム。
4. 前記取水手段および前記還水手段の少なくとも一方の運転時間は、前記感潮河川の潮位変動に応じて調整されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の河川の水質改善システム。
5. 下げ潮時には運転を行い、上げ潮時には運転を停止することを特徴とする請求項４に記載の河川の水質改善システム。
6. 前記感潮河川に還水する前に前記河川水の溶存酸素濃度の増大処理を行う水質改善手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の河川の水質改善システム。
7. 潮の干満のある感潮河川の河川水を取水して、取水した前記河川水を前記感潮河川に還水し、前記感潮河川の水質改善を行う河川の水質改善方法において、
   前記感潮河川の溶存酸素濃度が低い底層部から取水して、前記底層部よりも下流側の水域の底層部に還水することを特徴とする河川の水質改善方法。
8. 前記河川水を取水する位置の下流側であって、前記河川水を還水する位置の上流側に没水型の堰を備えることを特徴とする請求項７に記載の河川の水質改善方法。

Images