JP6325835B2

JP6325835B2 - 地下水資源の回収システム

Info

Publication number: JP6325835B2
Application number: JP2014022741A
Authority: JP
Inventors: 敦小川
Original assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Current assignee: Kumagai Gumi Co Ltd
Priority date: 2014-02-07
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2034-02-07
Also published as: JP2015148415A

Description

本発明は、敷地内の地下を流れる地下水の熱や地下水中に含まれる金属などの資源を回収するシステムに関するものである。

従来、地下水の温度は１年を通して殆ど変わらないため、地下水を汲み上げてヒートポンプの熱源などに利用されている。具体的には、地下水の上流側と下流側とにそれぞれ井戸を設け、夏季には、下流側の井戸から汲み上げた地下水を冷熱源として利用し、冬季には、上流側の井戸から汲み上げた地下水を温熱源として利用する。また、利用後の地下水を他方の井戸から地下水層に戻すようにしているので、地下水位を変化させることなく地下水層を蓄熱槽として利用することができる。
また、地下水層を効率的に蓄熱槽として活用する方法として、図４（ａ），（ｂ）に示すように、敷地の境界を、岩盤など不透水層５に達する遮水壁５０で囲って透水層４を流れる地下水を閉じ込め、この遮水壁５０の内部に線分布した複数の井戸５２，５３から成る２つの井戸群を相互に対峙させて配置することで、蓄熱槽の有効面積と地下水の汲み上げ量とを増大させる方法が提案されているなお、図４において、符号４Ｈは、地下水の注入や汲み上げを容易するため、井戸５２，５３の周囲に礫材を配置して成る高透水領域である（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−３３７２８０号公報

しかしながら、上記従来の方法では、多数の井戸５２，５３を構築する必要があるだけでなく、ポンプや配管、更には、駆動電源等の設備も必要であった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、少ないポンプ数で、地下水の資源を効果的に回収することのできる地下水資源の回収システムを提供することを目的とする。

本発明は、敷地内の地下水から、資源としての熱もしくは有益な物質を回収する地下水資源の回収システムであって、透水層を含む地盤の周囲を囲むように構築されて、前記透水層の下部の不透水層まで延長する外側遮水壁と、前記外側遮水壁の内部に設置されて、前記外側遮水壁内に閉じ込められた地下水を汲み上げる揚水井戸と、熱交換器や含有金属回収手段などの地下水資源回収手段と、前記揚水井戸から汲み上げた地下水を前記地下水資源回収手段に供給する手段と、前記外側遮水壁の内部で前記揚水井戸と離隔して設置される注入井戸と、前記地下水資源回収手段を通過した地下水を前記注入井戸に戻す手段と、前記外側遮水壁の内側に構築されて、前記外側遮水壁内に閉じ込められた地下水を、前記注入井戸が設けられた箇所から前記揚水井戸が設けられた箇所に流す流路を形成する内側遮水壁とを備え、前記地下水資源回収手段は、前記揚水井戸で汲み上げられた地下水中に含まれる熱もしくは資源を回収することを特徴とする。
このように、注入井戸が設けられた箇所と揚水井戸が設けられた箇所との間に地下水の流路を形成して、注入井戸から戻された地下水が地下水の流路に沿って揚水井戸まで流れるようにしたので、地下水を十分に冷却もしくは温めてから汲み上げることができる。また、流路内の地下水全てから地下水中に含まれる資源である含有金属を回収できるので、効率のよい回収を行うことができる。

なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

本実施の形態に係る地下水資源の回収システムの概略構成と内側遮水壁により形成された地下水流路の一構成例を示す図である。地下水流路の他の例を示す図である。遮水壁の他の例を示す図である。従来の地中水の利用方法を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき説明する。
図１（ａ），（ｂ）は本実施の形態を示す図で、（ａ）図は、地下水資源の回収システム１の概略構成を示す図、（ｂ）図は内側遮水壁により形成された地下水流路の一例を示す図である。
地下水資源の回収システム１は、外側遮水壁１１と、内側遮水壁１２と、揚水井戸１３と、地下水汲み上げ用ポンプ１４と、地下水資源回収手段としての熱交換器１５と、地下水注入用ポンプ１６と、注入井戸１７と、空調器１８とを備える。
なお、図１（ａ）では、回収システム１の構成を説明するため、注入井戸１７を地下水の上流側に記載し、揚水井戸１３を下流側に記載するとともに、内側遮水壁１２を省略しているが、本例では、図１（ｂ）に示すように、揚水井戸１３と注入井戸１７とはともに地下水の下流側に設けられ、かつ、揚水井戸１３と注入井戸１７との間には揚水井戸１３と注入井戸１７とを隔てる内側遮水壁１２（隔壁部１２１）が設けられている。
外側遮水壁１１は、地下水の流れる敷地内の地盤２の周囲を囲むように構築される。地盤２の地表面側は粘土層やシルト層などから成る難透水層３で、この難透水層３の下部に砂礫層などの透水層４があり、透水層４の下部に粘土層など不透水層５がある。透水層４には地下水が同図の左側から右側に向かって流れている。

ここで、図１（ｂ）の左側である地下水の上流側を上流側、下流側を下流側、同図の上側を左側、下側を右側とする。本例では、外側遮水壁１１を、上流側に配置される上側外壁１１１と、下流側に上側外壁１１１に対向するように配置される下側外壁１１２と、上側外壁１１１の右側の端部と下側外壁１１２の右側の端部との間に配置される右側外壁１１３と、上側外壁１１１の左側の端部と下側外壁１１２の左側の端部との間に配置される左側外壁１１４とを備えた平面視長方形枠状の遮水壁とした。
外側遮水壁１１は、遮水機能を有する鋼矢板から構成され、不透水層５まで延長するように構築される。これにより、敷地内の地下水は、外側遮水壁１１と不透水層５との間に閉じ込められるので、地下水を汲み上げたり、地下水に注水しない場合には、敷地内の地下水の水位は一定となる。

内側遮水壁１２は、遮水機能を有する鋼矢板から構成され、外側遮水壁１１の内側に、不透水層５まで延長するように構築され、後述するような、外側遮水壁１１により閉じ込められた地下水の流路（地下水流路）を形成する。
揚水井戸１３と注入井戸１７とは、それぞれ、地表面から地中下方に延長して透水層４内部に達するように掘削された掘削孔と掘削孔内に挿入されるパイプとを備え、外側遮水壁１１の下側外壁１１２に近い位置に設けられる。本例では、揚水井戸１３の深さを注入井戸１７の深さよりも深くしているが、同じ深さであってもよいし、注入井戸１７の方を深くしてもよい。
地下水汲み上げ用ポンプ１４は、揚水井戸１３から地下水を汲み上げ、熱交換器１５に送る。
熱交換器１５は、夏季には汲み上げられた地下水により図示しない冷媒を冷却して空調装置１８に送るとともに、熱交換されて暖められた地下水を排出する。一方、冬季には、汲み上げられた地下水により冷媒を温めて空調器１８に送るとともに、熱交換されて冷却された地下水を排出する。
地下水注入用ポンプ１６は、熱交換器１５から排出される冷却水を、注入井戸１７を介して、外側遮水壁１１内の透水層４に戻す。

ところで、揚水井戸１３から透水層４内の地下水が汲み上げられ、熱交換器１４から排出された地下水が注入井戸１７から透水層４内に注入されると、揚水井戸１３が設けられた箇所の地下水の水位は下降し、注入井戸１７が設けられた箇所の地下水の水位は上昇するので、外側遮水壁１１内に閉じ込められた地下水に水位差が生じる。これにより、地下水は、水位の高い注入井戸１７が設けられた箇所から水位の低い揚水井戸１３が設けられた箇所に流れようとする。しかしながら、単に２本の井戸１３，１７を設けただけでは、地下水の流れが局所的になるため、敷地全体の地下水を熱交換に使用していないので、蓄熱槽の有効面積が小さくなってしまう。
本例では、外側遮水壁１１内に、注入井戸１７が設けられた箇所から揚水井戸１３が設けられた箇所に流す流路を形成するための内側遮水壁１２を設けたので、注入井戸１７から注入された熱交換された地下水を、流路内の地下水、すなわち、外側遮水壁１１内に閉じ込められた地下水の大部分により冷却（夏季）もしくは温める（冬季）ことができる。

図１（ｂ）は内側遮水壁１２の一例を示す図で、内側遮水壁１２は、隔壁部１２１と第１〜第３の区画部１２２〜１２４とを備える。
隔壁部１２１は、外側遮水壁１１の下側外壁１１２のほぼ中央部から、外側遮水壁１１の内部に、右側及び左側外壁１１３，１１４の延長方向に平行な方向、すなわち、下流側から上流側に向かって延長して外側遮水壁１１の内部で終端する直線状の遮水壁である。
第１の区画部１２２は、隔壁部１２１の上流側端部から右方向（右側外壁１１３方向）に延び右側外壁１１３と所定距離離れた位置で終端する垂直部１２２ａと、垂直部１２２ａの終端部から右側外壁１１３に平行な方向、すなわち、下流側から上流側に向かって延長し上側外壁１１１と所定距離離れた位置で終端する水平部１２２ｂとから成るクランク状の遮水壁である。
第２の区画部１２３は、上側外壁１１１のほぼ中央部から、外側遮水壁１１の内部に、右側及び左側外壁１１３，１１４に平行な方向に延長して外側遮水壁１１の内部で終端する直線状の遮水壁である。
第３の区画部１２４は、隔壁部１２１の上流側端部から左方向（左側外壁１１４方向）に延び左側外壁１１４と所定距離離れた位置で終端する垂直部１２４ａと、垂直部１２４ａの終端部から左側外壁１１４に平行な方向、すなわち、下流側から上流側に向かって延長し上側外壁１１１と所定距離離れた位置で終端する水平部１２４ｂとから成るクランク状の遮水壁である。
また、第２の区画部１２３は、第１の区画部１２２の水平部１２２ｂと第３の区画部１２４の水平部１２４ｂとからほぼ等距離の位置で上流側から下流側に向かってに延長して、第１の区画部１２２の垂直部１２２ａと第３の区画部１２４の垂直部１２４ａと上流側に所定距離離れた位置で終端する。すなわち、第２の区画部１２３は、第１の区画部１２２と第３の区画部１２４の区画する上流側が開放された箱状の領域内に進入して終端する。
なお、第１の区画部１２２の垂直部１２２ａと第３の区画部１２４の垂直部１２４ａとを一体に構成してもよい。

内側遮水壁１２を上記のように構築すると、熱交換器１４から排出されて、地下水流路の一方の端部に設けられた注入井戸１７から注入された地下水は、下側外壁１１２と右側外壁１１３と隔壁部１２１と第１の区画部１２２とで囲まれた、注入井戸１７側が閉鎖され、上側外壁１１１側が開放されたクランク状の流路を、上流側（上側外壁１１１方向）に向かって流れ、上側外壁１１１に達する。
上側外壁１１１に達した地下水は、上側外壁１１１により流れを左方向に変えられて、上側外壁１１１と第１の区画部１２２と第２の区画部１２３に囲まれた、右側外壁１１３側と隔壁部１２１側とが開放された直線状の流路を、下流側（第１の区画部１２２の垂直部１２２ａ方向）に向かって流れ、上記垂直部１２２ａに達する。そして、上記垂直部１２２ａにより流れを左側方向に変えられて、第２の区画部１２３と第３の区画部１２４に囲まれた、第１及び第３の区画部１２２，１２４の垂直部１２２ａ，１２４ａと上側外壁１１１側とが開放された直線状の流路を、上流側（上側外壁１１１方向）に向かって流れ、再び上側外壁１１１に達する。
上側外壁１１１に達した地下水は、上側外壁１１１により流れを左側方向に変えられて、上側外壁１１１と左側外壁１１４と第３の区画部１２４とに囲まれた、上側外壁１１１が開放され揚水井戸１７側が閉鎖されたクランク状の流路を下流側（下側外壁１１２方向）に流れた後、下側外壁１１２方向により流れを右側方向に変えられ、地下水流路の他方の端部に設けられた揚水井戸１３に達する。

このように、内側遮水壁１２により、注入井戸１７が設けられた箇所から揚水井戸１３が設けられた箇所に地下水を流す流路を形成したので、敷地内の地下水を敷地全体に循環させることができる。したがって、冬季であれば、揚水井戸１３から高温の地下水を汲み上げ、注入井戸１７から、熱交換器１５から排出された低温の地下水を透水層４内に注入すれば、熱交換器１５から排出された低温の地下水と敷地内の高温の地下水と十分に接触させることができるので、揚水井戸１３から、常に、高温の地下水を確実に汲み上げることができる。また、夏季であれば、揚水井戸１３から、常に、低温の地下水を確実に汲み上げることができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。

例えば、前記実施形態においては、熱交換器１５により地下水の熱を回収する場合について説明したが、熱交換器１５に代えて、地下水に含有される金属を抽出して回収する含有金属回収手段を設ければ、水溶性あるいは地下水と一緒に流れてくる物質のなかから、例えば、温泉の成分でもあるナトリウム、カルシウム、マグネシウム、鉄分、アルミニウムなどの有益な金属等を回収することができる。
この場合には、揚水井戸１３による汲み上げだけでもよいが、本例のように、注入井戸１７を設けて、水を注入しながら地下水を汲み上げる方が、地下水流路を十分に活用できる。したがって、含有金属の回収率を向上させるためには、本例のように、注入井戸１７を設ける方が好ましい。なお、注入井戸１７から注入する水としては、水道水等を用いるよりも、含有金属を回収した後の地下水を用いる方が費用・設備の点で好ましい。

また、前記実施形態では、隔壁部１２１と第１〜第３の区画部１２２〜１２４とから成る内側遮水壁１２により地下水の流路を形成したが、透水層４の透水係数が低い場合（水が通りにくい場合）には、図２(ａ）に示すように、区画部の数を増加させて、流路の幅が狭くなるようにすればよい。逆に、透水層４の透水係数が高い場合（水が通り易い場合）には、例えば、内側遮水壁１２を隔壁部１２１のみとするなどして、流路の幅を広くすればよい。

また、前記実施形態では、注入井戸１７と揚水井戸１３の設置箇所とを外側遮水壁１１の下側外壁１１２側に設けたが、外側遮水壁１１の形状はこれに限るものではなく、敷地の形状等により適宜決定すればよい。また、内側遮水壁１２についても、上側外壁１１１側、右側外壁１１３側、もしくは、左側外壁１１４側に設けてもよい。このように、注入井戸１７と揚水井戸１３と外側遮水壁１１の周縁部の内側に設けた場合には、内側遮水壁１２は、少なくとも、注入井戸１７が設けられた箇所と揚水井戸１３が設けられた箇所とを分離する隔壁部を有することが好ましい。

また、前記実施形態では、注入井戸１７と揚水井戸１３とを外側遮水壁１１の周縁部の内側に設けたが、例えば、図２（ｂ）に示すように、注入井戸１７の下側外壁１１２側に設け、揚水井戸１３を上側外壁１１１側に設けてもよい。この場合、内側遮水壁１２としては、左右の外壁１１３，１１４から左右方向に延長し、外側遮水壁１１の内部で終端するような区画部１２５〜１２８により、注入井戸１７から揚水井戸１３までの流路を形成すればよい。
また、外側遮水壁１１の形状についても、平面視長方形枠状に限るものではなく、敷地の形状等により適宜決定すればよい。

また、前記実施の形態では、揚水井戸１３と注入井戸１７とをそれぞれ１つとしたが、複数であってもよい。
また、前記実施の形態では、注入井戸１７のパイプの先端から熱交換器１４から排出された地下水を注入したが、パイプの先端側に複数の噴出孔を形成し、これら複数の噴出孔から前記排出された地下水を注入する形態としてもよい。また揚水井戸１３についても、パイプの先端側に複数の吸込み孔を形成し、これら複数の吸込み孔から地下水を汲み上げる形態としてもよい。

また、前記実施形態では、外側遮水壁１１及び内部遮水壁１２を、遮水機能を有する鋼矢板から構成したが、これに限るものではなく、遮水シートのみで構成してもよいし、ソイルセメントなどの固化剤を連続注入して遮水壁１１，１２としてもよい。
また、透水層４に密度が密な領域と粗な領域とがあれば、地下水は相対的に密度が粗な領域を流れるので、図３に示すように、地盤を固めて密な箇所４Ａを連続的に設けて、これを遮水壁１２ｚとし、密度が粗な箇所４Ｂが地下水の通路としてもよい。なお、地下水を確実に閉じ込めるためには、外側遮水壁１１については、遮水機能を有する鋼矢板などで構成することが好ましい。

１地下水資源の回収システム、
２地盤、３難透水層、４透水層、５不透水層、
１１外側遮水壁、１２内側遮水壁、１３揚水井戸、
１４地下水汲み上げ用ポンプ、１５熱交換器、１６地下水注入用ポンプ、
１７注入井戸、１８空調器。

Claims

透水層を含む地盤の周囲を囲むように構築されて、前記透水層の下部の不透水層まで延長する外側遮水壁と、
前記外側遮水壁の内部に設置されて、前記外側遮水壁内に閉じ込められた地下水を汲み上げる揚水井戸と、
地下水資源回収手段と、
前記揚水井戸から汲み上げた地下水を前記地下水資源回収手段に供給する手段と、
前記外側遮水壁の内部で前記揚水井戸と離隔して設置される注入井戸と、
前記地下水資源回収手段を通過した地下水を前記注入井戸に戻す手段と、
前記外側遮水壁の内側に構築されて、前記外側遮水壁内に閉じ込められた地下水を、前記注入井戸が設けられた箇所から前記揚水井戸が設けられた箇所に流す流路を形成する内側遮水壁とを備え、
前記地下水資源回収手段は、前記揚水井戸で汲み上げられた地下水中に含まれる熱もしくは資源を回収する地下水資源の回収システム。
前記地下水資源回収手段を熱交換器としたことを特徴とする請求項１に記載の地下水資源の回収システム。
前記地下水資源回収手段を、前記地下水に含有される金属を抽出して回収する含有金属回収手段としたことを特徴とする請求項１に記載の地下水資源の回収システム。
前記注入井戸を前記流路の一方の端部に設け、前記揚水井戸を前記流路の他方の端部に設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の地下水資源の回収システム。