JP5213927B2 - 取水構造、及び取水方法 - Google Patents

Description

本発明は、取水構造、及び取水方法に関し、とくに河川、池、湖沼等からの取水量を制限量以下に抑えつつ、取水可能な量については確実に取水できるようにするための技術に関する。

河川、池、湖沼等（もしくはこれらに併設されるダムや堰堤）には、水力発電などに利用する水を得るための取水口が設けられている。ここで河川、池、湖沼等からの取水は、法令等によって規制された制限量の範囲内で行わなければならない。そのため、水力発電所の取水設備などには、取水量が制限量を超えないように取水口の開度を自動的に調節する取水制限装置が設けられていることがある（例えば特許文献１を参照）。

特開２００７−２７７８０８号公報

ところで、取水制御装置はその建設やメンテナンスに多額の費用を要するため、水力発電所の渓流取水設備等の比較的小規模な取水設備では、取水制御装置を設ける代わりに取水口の開度を常時狭く設定しておき、上流のダムの出水などによって取水源の水位が上昇して取水口からの水の流入速度が増大した場合でも、取水量が法令等によって規制された制限量を超えないようにしている。

しかしながら、取水口の開度を常時狭く設定しておくことで、ダム等が通常水位の場合も取水量が制限され、例えば水力発電所においては本来発電できたはずの電力（発電機会）を逸してしまうことになる。

本発明はこのような背景に鑑みてなされたもので、取水量を制限量以下に抑えつつ、取水可能な量については確実に取水することが可能な取水構造、及び取水方法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の本発明の一つは、取水構造であって、取水源からの水が流出する取水口、前記取水口から流出する水が直接流入し、流入した水をその利用現場に導く第１の水路、前記第１の水路の前記取水口が存在する側とは逆の側に前記第１の水路に隣接して設けられる第２の水路、及び前記第１の水路と前記第２の水路とを仕切るとともに、前記取水口から流出する水の流出方向に交叉するように設けられ、その前記第１の水路の側に、前記取水口から流出した前記水を遡上させる斜面を有する堰を備え、前記斜面は、前記取水口からの水の流出速度が閾値以下である場合は前記取水口から前記第１の水路に流入した水を前記第２の水路に流入させないように作用し、前記取水口からの水の流出速度が閾値を超えると前記取水口から前記第１の水路に流入した水の一部を前記第２の水路に流入させるように作用することとする。

本発明によれば、取水口から利用現場に所定量以上の水が導かれないようにすることができる。そのため、取水口の開度を手動又は自動で調節することなく、利用現場に規制取水量以上の水が導かれないようにすることができる。また取水可能な水については第１の水路が溢れない限り確実に取水することができる。これによれば、取水量を所定量以下に抑えつつ、取水可能な量については確実に取水するようにすることができる。

本発明のうちの他の一つは、上記取水構造であって、前記堰は、前記第１の水路の側に、前記取水口から前記第１の水路に流入した水を遡上させる斜面を有することとする。

本発明によれば、例えば堰を台形形状とする等、簡素な構成で取水口から利用現場に所定量以上の水が導かれないようにすることができる。

本発明のうちの他の一つは、上記取水構造であって、前記取水口は、前記取水源からの水が貯留される貯留槽の壁面に設けられ、前記取水口からの水の流出速度は、前記貯留槽に貯留される水の水位に応じて変化することとする。

貯留槽は、例えば、河川、池、湖、ダム等である。取水口からの水の流出速度は貯留槽に貯留されている水の水位に応じて変化する。本発明によれば、例えば降雨量の変化などにより貯留槽の水位が変化した場合でも、確実に取水口から利用現場に所定量以上の水が導かれないようにすることができる。

本発明のうちの他の一つは、上記取水方法であって、前記第１の水路は、前記取水口から流出する水を水力発電設備に導くための水路であることとする。

本発明のうちの他の一つは、上記取水方法であって、前記第２の水路は、当該第２の水路に流入した水を河川に導くための水路であることとする。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、取水量を制限量以下に抑えつつ、取水可能な量については確実に取水することができる。

取水構造３０の外観斜視図である。 貯留槽３１の水位が低く、取水口３３から流出する水の流速が堰３６を超える程でない場合（取水口３３から流出する水の速度が所定の閾値以下である場合）における水の流れを説明する図である。 貯留槽３１に貯留されている水の水位が図２の状態から上昇し、取水口３３から流出する水の流速が堰３６を超える速度に達している場合（取水口３３から流出する水の速度が上記所定の閾値を超えている場合）における水の流れを説明する図である。 取水口３３からの水の流出速度Ｑが０．１ｍ^３／ｓの場合のシミュレーション結果を示す図である。 取水口３３からの水の流出速度Ｑが０．２ｍ^３／ｓの場合のシミュレーション結果を示す図である。 取水口３３からの水の流出速度Ｑが０．３ｍ^３／ｓの場合のシミュレーション結果を示す図である。 取水口３３からの水の流出速度Ｑ、第１の水路３５に流入する水の流速ＱＩ、及び第２の水路３７に流入する水の流速ＱＯの間の関係を示す図である。

以下、実施の形態について図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施形態として説明する取水構造３０の外観斜視図である。同図に示すような取水構造３０は、例えば渓流取水設備に設けられる。

同図に示す貯留槽は、例えば、河川、池、湖、ダム等である。また同図に示す取水堰３２は、貯留槽３１に併設して設けられる堰である。貯留槽３１の壁面には取水口３３が設けられている。取水口３３には取水ゲート３４が設けられている。取水ゲート３４の開度は所定の開度に固定されている。尚、貯留槽３１の水位は、季節や天候、上流ダムの出水等の影響を受けて変化し、それに応じて取水口３３から流出する水の流出速度が変化する。

取水口３３の近傍には、取水した水をその利用現場である水力発電設備に導くための第１の水路３５（導水路）が設けられている。そして第１の水路３５と取水口３３とは、取水口３３から流出した水が当該第１の水路３５に直接流入する位置関係で設けられている。

同図に示すように、第１の水路３５の、取水口３３が存在する側とは逆の側には、第１の水路３５に隣接して第２の水路３７が設けられている。第２の水路３７は、取水口３３から当該第２の水路３７に流入した水を、例えば、貯留槽３１の水を供給している河川、池、湖沼等を源流とする、下流の河川等に導くための水路である。

第１の水路３５と第２の水路３７の間には、第１の水路３５と第２の水路３７とを仕切るとともに、取水口３３から流出する水の流出方向に交叉するように、堰３６が設けられている。堰３６の第１の水路３５の側には、取水口３３から第１の水路３５に流入した水を遡上させて第２の水路３７の側に導くための斜面が設けられている。

続いて、以上の構成からなる取水構造における水の流れについて説明する。図２は貯留槽３１の水位が低く、取水口３３から流出する水の流速が堰３６を超える程でない状況（取水口３３から流出する水の速度が所定の閾値以下である場合）での水の流れを説明する図である。同図に示すように、この例では、取水口３３から流出した水は第１の水路３５に流入するが、その勢い（流速）は十分でないため、堰３６の斜面３６１を遡上して第２の水路３７に水が流入することはない。つまりこの状況では、取水口３３から流出した水は全て水力発電設備に導かれることになる。

図３は、貯留槽３１に貯留されている水の水位が図２の状態から上昇し、取水口３３から流出する水の流速が堰３６の斜面３６１を遡上して堰３６を超えるような速度に達している状況（取水口３３から流出する水の速度が上記所定の閾値を超えている場合）での水の流れを説明する図である。同図に示すように、この例では、取水口３３から流出した水は第１の水路３５に流入し、第１の水路３５に流入した水の一部が堰３６の斜面３６１を遡上し堰３６を超えて第２の水路３７に流入している。つまりこの状況では、取水口３３から流出した水が第１の水路３５を流れてその利用現場である水力発電設備に導かれるが、第２の水路３７に流入した水は第２の水路３７を流れて下流河川に導かれることになる。

ところで、予め仮定した（モデリングした）取水構造について情報処理装置（コンピュータ）を用いてシミュレーション（数値計算）を行うことで、法令等によって規制された制限量の範囲内の水のみが第１の水路３５によって水力発電設備へと導かれ、制限量を超える分については第２の水路３７に流入させるように、取水構造を適切に設計することができる。

具体的には、堰３６の構造（堰３６の高さや斜面３６１の形状）と取水口３３からの水の流出速度Ｑを予め設定しておき、設定した値に基づき第１の水路３５に流入する水の流速ＱＩ、及び第２の水路３７に流入する水の流速ＱＯを数値計算によって求める。上記数値計算は、例えばＴＶＤ法（TVD:Total Variation Diminishing）やＦＤＳ法（FDS:Flux Difference Splitting）を用いて行う。

例えば図４は、取水口３３からの水の流出速度Ｑが０．１ｍ^３／ｓである場合におけるシミュレーション結果である。この例では、ＱＩが０．０９２ｍ^３／ｓ、ＱＯが０．００８ｍ^３／ｓと求められている。

また図５は、取水口３３からの水の流出速度Ｑが０．２ｍ^３／ｓである場合におけるシミュレーション結果である。この例では、ＱＩが０．１１２ｍ^３／ｓ、ＱＯが０．０８８ｍ^３／ｓと求められている。

また図６は、取水口３３からの水の流出速度Ｑが０．３ｍ^３／ｓである場合におけるシミュレーション結果である。この例では、ＱＩが０．０ｍ^３／ｓ、ＱＯが０．３ｍ^３／ｓと求められている。

図７は、図４乃至図６のシミュレーション結果から求めた、Ｑ、ＱＩ、及びＱＯの間の関係を示す図である。同図から第１の水路３５に流入して水力発電設備等の利用現場に供給可能な水量の上限値は０．１３ｍ^３／ｓであることがわかる。従ってこの値を法令等によって規制された制限量と比較すれば、仮定した取水構造の妥当性を判断することができる。

以上に説明したように、本実施形態の取水構造３０によれば、取水口３３から利用現場に所定量以上の水が導かれないようにすることができる。そのため、取水口３３の開度を調節することなく、利用現場に規制取水量以上の水が導かれないようにすることができる。また取水可能な水については第１の水路３５が溢れない限り確実に取水することができる。従って、取水量を所定量以下に抑えつつ、取水可能な量については確実に取水して利用現場に供給することができる。また堰３６を台形形状とする等、簡素な構成で取水口３３から利用現場に所定量以上の水が導かれないようにすることができる。さらに降雨量の変化などにより貯留槽３１の水位が変化した場合でも、確実に取水口３３から利用現場に所定量以上の水が導かれないようにすることができる。

尚、以上に説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。例えば堰３６として、取水口３３から流出する水の勢いに応じてその開度が変化する扉構造を有するものを採用してもよい。

３０ 取水構造
３１ 貯留槽
３２ 取水堰
３３ 取水口
３４ 取水ゲート
３５ 第１の水路
３６ 堰
３６１ 斜面
３７ 第２の水路

Claims (5)

1. 取水源からの水が流出する取水口、
   前記取水口から流出する水が直接流入し、流入した水をその利用現場に導く第１の水路、
   前記第１の水路の前記取水口が存在する側とは逆の側に前記第１の水路に隣接して設けられる第２の水路、及び
   前記第１の水路と前記第２の水路とを仕切るとともに、前記取水口から流出する水の流出方向に交叉するように設けられ、その前記第１の水路の側に、前記取水口から流出した前記水を遡上させる斜面を有する堰
   を備え、
   前記斜面は、前記取水口からの水の流出速度が閾値以下である場合は前記取水口から前記第１の水路に流入した水を前記第２の水路に流入させないように作用し、前記取水口からの水の流出速度が閾値を超えると前記取水口から前記第１の水路に流入した水の一部を前記第２の水路に流入させるように作用する
   ことを特徴とする取水構造。
2. 請求項１に記載の取水構造であって、
   前記取水口は、前記取水源からの水が貯留される貯留槽の壁面に設けられ、
   前記取水口からの水の流出速度は、前記貯留槽に貯留される水の水位に応じて変化する
   ことを特徴とする取水構造。
3. 請求項１に記載の取水構造であって、
   前記第１の水路は、前記取水口から流出する水を水力発電設備に導くための水路である
   ことを特徴とする取水構造。
4. 請求項１に記載の取水構造であって、
   前記第２の水路は、当該第２の水路に流入した水を河川に導くための水路である
   ことを特徴とする取水構造。
5. 取水源からの水が流出する取水口、
   前記取水口から流出する水が直接流入し、流入した水をその利用現場に導く第１の水路、
   前記第１の水路の前記取水口が存在する側とは逆の側に前記第１の水路に隣接して設けられる第２の水路、及び
   前記第１の水路と前記第２の水路とを仕切るとともに、前記取水口から流出する水の流出方向に交叉するように設けられ、その前記第１の水路の側に、前記取水口から流出した前記水を遡上させる斜面を有する堰
   を設け、
   前記斜面は、前記取水口からの水の流出速度が閾値以下である場合は前記取水口から前記第１の水路に流入した水を前記第２の水路に流入させないように作用し、前記取水口からの水の流出速度が閾値を超えると前記取水口から前記第１の水路に流入した水の一部を前記第２の水路に流入させるように作用する
   ことを特徴とする取水方法。