JP4126371B2

JP4126371B2 - 開放型潮汐・波浪式水循環装置

Info

Publication number: JP4126371B2
Application number: JP2003006739A
Authority: JP
Inventors: 伸寛葛西
Original assignee: 国土交通省関東地方整備局長
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: JP2004218273A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海や湖のよどみの生じ易い場所で、潮汐・波浪のエネルギーを利用して下の方の水を上の方へ上昇させ、深層の水と表層の水を低コストで循環・混合させる開放型潮汐・波浪式水循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
海では春から夏にかけて気温が上がり日照時間が長くなると赤潮が発生しやすくなり、また、夏から秋にかけては青潮が発生しやすくなる。また、湖でも同様の現象が生じやすくなる。このような現象が生じると水や海水は酸欠状態になり、大量の魚が死に、漁業に大きな被害が出る。
【０００３】
このような現象が生ずる原因は水や海水の富栄養化と水や海水のよどみにあり、水や海水が絶えず混ざり合っていれば赤潮や青潮は発生し難い。そして、水や海水の混合は波や潮流によって生ずるが、湾の中や湖など静かなところではよどみの発生が避けられない。
【０００４】
そこで、水や海水を混合させてこのような現象が生じないようにする装置が望まれる。従来は、この種の装置として、大型のポンプを使用して海水を混合させるものや、海底に空気を吹き込んで空気の泡を大量に作り、この泡の浮力を利用して海水を混合させるものなどが提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、大型のポンプを使用して海水を循環させる方法や、海底に空気を吹き込んで海水を循環させる方法は、その方法を実施するための装置が大がかりになり、しかも運転のために膨大なエネルギーが必要で、コスト的に高くなり過ぎるという問題があった。
【０００６】
本発明は、海や湖のよどみの生じ易い場所で、潮汐・波浪のエネルギーを利用して深層の水と表層の水を低コストで循環・混合させることができる開放型潮汐・波浪式水循環装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る開放型潮汐・波浪式水循環装置は、水中に立設・固定された１又は２以上の上昇管と、該上昇管の内部を上下に仕切る仕切りと、該仕切りに設けられた流通穴と、該流通穴を塞ぐ状態で設けられた上昇弁とを備え、該上昇弁は上方にのみ開くように構成されている。
【０００８】
ここで、該上昇弁は該流通穴から上方に出ようとする水によって押し上げられて開き、下降しようとする水によって該流通穴と重なり、該流通穴を塞ぐようになっている。該上昇管の内径は、利用対象とする波浪の波長より短くなっている。
【０００９】
また、該上昇管の壁部の該仕切りより上位置には排出穴が設けられ、該排出穴には該排出穴を塞ぐ状態で排出弁が設けられていてもよい。該排出弁は該排出穴から外に出ようとする水によって押し出されて開き、外から該上昇管内に入ろうとする水によって該排出穴と重なり、該排出弁を塞ぐようになっている。
【００１０】
また、上昇管は原則として上端と下端が解放されているものが使用されるが、上昇管の上端付近に、空気は自由に通すが、水の急激な流通を抑制する流通抑制装置を付けてもよい。流通抑制装置は、台風等の嵐で波が激しくなって水が急激に出入りして上昇弁や排出弁が衝撃的に動いてこれらの弁が破壊されないようにするものである。
【００１１】
また、海底にゴミ等が有るような場所では、上昇管の下端にゴミ等を吸い込まないようにするスクリーンを設けるのが好ましい。
【００１２】
また、海底が砂地で、上昇弁の上に砂が堆積し易い場所では、前記上昇管の壁部の、前記仕切りの上位置近傍に小さな排砂穴を設け、該排砂穴を塞ぐようにして排砂弁を設け、該排砂弁を上昇管の外側にのみ開くように構成し、上昇弁の上に堆積するおそれのある砂を排出させて上昇弁の開閉が阻害されないようにしてもよい。
【００１３】
また、前記仕切りに設ける流通穴及び上昇弁は１組に限らず、複数組を設けてもよい。更に、前記流通穴及び上昇弁として直径の異なる複数種類のものを用い、波浪・潮汐による水位変動の大きさとの関係で、吸い込まれる水の上昇効率を高めるようにしてもよい。
【００１４】
すなわち、流通穴及び上昇弁が小口径の場合は、水位変動に敏感となるが、抵抗が大きく通過水量は少なくなる。大口径の場合は、水位変動に鈍感となるが、抵抗が小さく通過水量は多くなる。従って、設置個所の波浪・潮汐による水位変動に応じて適正な口径の流通穴及び上昇弁を選定する必要がある。
【００１５】
基本的には対象とする波浪の下限に合わせた小口径のものと、上限とする波浪に合わせた大〜中口径の弁を組み合わせる方が応答性がよく、循環も高効率となるが、小さな波だけしか起こらないような内湾であれば小口径だけの流通穴及び上昇弁で構成することとなる。
【００１６】
また、流通穴及び上昇弁の位置を上下にずらすことにより、更なる高効率を図ることができる
【００１７】
また、上昇管の径もあまり大きくすると小さな波に対して管内で収束してしまうため、応答性は低下する。従って、対象とする波の波長に合わせた管径としなければならない。
【００１８】
また、潮位差の大きい場所では、複数本の筒状体を伸縮可能に連結して上昇管を構成し、上端の筒状体に浮体を設け、潮位の大きな変化に対応できるようにしてもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態に係る開放型潮汐・波浪式水循環装置の説明図である。同図に示すように、開放型潮汐・波浪式水循環装置は、水中に立設された上昇管１０と、上昇管１０の内部を上下に仕切る仕切り１２と、仕切り１２に設けられた流通穴１４と、流通穴１４を塞ぐ状態で設けられた上昇弁１６と、上昇管１０の壁部の仕切り１２より上位置に設けられた排出穴１８と、排出穴１８を塞ぐ状態で設けられた排出弁２０とからなる。
【００２０】
上昇管１０は上端と下端が解放された筒状体からなり、上昇管１０の上端は水面２２の上に出ており、上昇管１０の下端は海や湖の深層位置にある。上昇管１０はアンカーなどで海底に固定されているか、岸壁に固定されて、水位変化に対して不動になっている。
【００２１】
仕切り１２は円板状のものからなり、中央に流通穴１４が形成されている。流通穴１４の上には上昇弁１６が流通穴１４と重なる状態で置かれ、上昇弁１６の端部が流通穴１４の縁にヒンジで取り付けられている。
【００２２】
排出穴１８の外側には排出弁２０が排出穴１８と重なる状態で設けられ、排出弁２０の端部が排出穴１８の上縁にヒンジで取り付けられている。
【００２３】
次に、この装置の動作について図２及び図３を参照しながら説明する。まず、波や潮汐により水位が上昇すると、図２に示すように、上昇管１０の内部の海水も外部の海水と同じ高さになろうとして上昇しようとする。上昇管１０の内部は仕切り１２によって仕切られているが、流通穴１４が設けられ、上昇弁１６も海水の上昇は阻止しないので、上昇管１０の下方の海水は流通穴１４を通って仕切り１２の上方に流入し、上昇管１０の下方の海水は上昇管１０の下端から内部に流入することになる。
【００２４】
次に、波や潮汐により水位が下降すると、図３に示すように、上昇管１０の内部の仕切り１２の上の海水も下降しようとするが、上昇弁１６が下がって流通穴１４が塞げられるので下降できない。しかし、排出弁２０が海水に押されて外側に開くので、上昇管１０の内部の海水はこの排出穴１８から外部に排出される。排出弁２０は表層付近に設けられているので、上昇管１０の内部の海水は表層付近に排出される。
【００２５】
波や潮汐によってこれら海水の流入と排出の動作が繰り返し生ずることになるので、上昇管１０の下方の海水は上昇管１０の中を連続的に上昇し、表層付近で排出されることになり、海の底の方の海水と表層付近の海水は連続的に循環・混合されることになる。
【００２６】
上昇管１０全体を幾つかの副筒で海底部まで延伸すれば、潮位変化が大きい場所でも海底部から表層部への海水の循環が可能となる。
【００２７】
循環量を試算してみると、内径２ｍの上昇管で波｛２０ｃｍ／ｓ（内湾）又は２ｍ／１０ｓ（外洋）｝と潮位差（１ｍ）で効率７０％の場合、循環量は約３８，０００ｍ^３ｄａｙとなる。これを７６基ほど設置すると、２ｋｍ×２ｋｍ×１０ｍの海底の窪みの停滞海水の全てを１４日以内に排出、循環させることができる。
【００２８】
なお、台風などの大波時の対応であるが、図４に示すように、上昇管の上部（通常の波、潮位では到達しない位置）に流通抑制装置２４を設け、想定される以上の水面変化に対して内部の海水の動きを制限することにより、上昇弁や排出弁の損傷を防止するようにしてもよい。
【００２９】
流通制御装置２４は、同図及び図５に示すように、所定間隔をおいて略平行に設けられた複数枚の円板状の内部制御板２４と、内部制御板２４の間の高さ位置に、内部制御板２４と略同軸かつ略平行に設けられたドーナツ状の外部制御板２８と、内部制御板２４と外部制御板２８を連結する導流・連結板３０とから構成されている。
【００３０】
流通制御装置２４において、通常時は空気だけが流通するので、動作の妨げとは成らない。水が激しく上昇した場合は流通制御装置２４が邪魔になり、海水はそれ以上上昇できないので、上昇弁１６や排出弁２０の激しい運動が阻止され、上昇弁１６や排出弁２０の破壊が防止されることになる。
【００３１】
同図及び図５では内部制御板外径＜外縁制御板内径として描いているが、海水の上昇の制御効果を大きくする必要がある場合は、内部制御板外径＞外縁制御板内径としてもよい。なお、上昇弁１６や排出弁２０の強度が想定外の水面変化に耐えられるものであれば、このような流通抑制装置は不要である。
【００３２】
また、管内排砂についてであるが、図６に示すように、上昇弁１６の直上の部位に排砂用の小さな排砂穴３２を設け、排砂穴３２に排砂弁３４を設けておけば上昇弁１６より上部の管内に土砂の堆積を防ぐことができる。ただし、浮遊砂の少ない海域では不要である。また、設置した場合、循環効率は排砂穴３２及び排砂弁３４からの排出量分だけ低下する。
【００３３】
また、応答性と循環効率についてであるが、流通穴１４は小口径の場合、水位変動に敏感となるが、抵抗が大きく通過水量は少なくなる。大口径の場合は水位変動に敏感となるが、抵抗が小さく通過水量は多くなる。従って、設置箇所の波浪・潮汐による水位変動に応じて適正な口径の流通穴１４を選定する必要がある。
【００３４】
基本的には、図７、図８に示すように、対象とする波浪の下限に合わせた小口径の流通穴１４と、上限とする波浪に合わせた大〜中口径の流通穴１４を組み合わせる方が応答性が良く循環も高効率となるが、小さな波だけしか起こらないような内湾であれば、図９に示すように、小口径だけの流通穴１４で構成することになる。
【００３５】
上昇管１０の径もあまり大きくすると小さな波に対して管内で収束してしまうため、応答性は低下する。すなわち、図１０に示すように、同一の大きさの波の場合、大口径の上昇管１０（同図における左側の上昇管１０）では上昇弁１６が動かず水は上昇せず、中口径の上昇管１０（同図における中央の上昇管１０）では上昇弁１６は開くが応答性は小さく、小口径の上昇管１０（同図における右側の上昇管１０）では上昇弁１６が開きかつ応答性も良い。従って、上昇管１０の内径は対象とする波の波長に合わせた直径としなければならない。
【００３６】
また、サンゴ礁への設置例として、図１１に示すように、本発明の装置をサンゴ礁の外側に設置し、比較的低温となる中間層の海水をサンゴ礁に導水管３６で導き、プランクトンの増殖によるサンゴ及び魚類の育成と高水温による白焼けの防止、サンゴ礁の水質改善を図ることができる。
【００３７】
また、外洋（港湾内部）設置例として、外洋（港湾内部）では、図１２に示すように、複数の上昇管１０を束ねて連結させ、全体として強度の高い構造物としてもよい。いずれにしても上端は海面上に突出するため、気象海洋観測、灯台等としても利用可能である。
【００３８】
また、潮位差の大きい場所では、図１３に示すように、上昇管１０を伸縮可能に構成し、上昇管１０の上端に浮体３８を取り付けるようにしてもよい。
【００３９】
なお、上記の説明では、本発明に係る装置を海に設置する例について説明しているが、本発明に係る装置を湖に設置してもよいことは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、海や湖の潮汐・波浪のエネルギーを利用して海や湖の下の方の水を上の方へ上昇させることができるので、深層の水と表層の水を低コストで循環・混合させることができるという効果がある。
【００４１】
また、本発明によれば、深層の低酸素の水を表層へ上昇させることによって深層の水と表層の水を循環・混合させることができるので、底域の水産資源（貝など）を保護・育成することができるという効果がある。
【００４２】
また、本発明によれば、深層の低酸素の水を表層へ上昇させることによって深層の水と表層の水を循環・混合させることができるので、その場所の水産資源を保護・育成し、新たな漁場の形成を図ることができるという効果がある。
【００４３】
また、本発明によれば、深層の低酸素の水を表層へ上昇させることによって深層の水と表層の水を循環・混合させることができるので、閉鎖性港湾部における水質改善・環境改善を図ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る開放型潮汐・波浪式水循環装置の説明図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る開放型潮汐・波浪式水循環装置の動作（上昇時）を説明するための説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係る開放型潮汐・波浪式水循環装置の動作（排出時）の説明図である。
【図４】流通抑制装置の説明図である。
【図５】流通抑制装置の平面図である。
【図６】排砂弁の説明図である。
【図７】大口径の上昇弁と小口径の上昇弁を複数個ずつ備えた仕切りの例を示す平面図である。
【図８】大口径の上昇弁と小口径の上昇弁を複数個ずつ備えた仕切りの他の例を示す平面図である。
【図９】小口径の上昇弁を複数個備えた仕切りの例を示す平面図である。
【図１０】波の大きさと上昇管の内径及び応答性との関係を説明するための説明図である。
【図１１】サンゴ礁への本発明装置の設置例を示す説明図である。
【図１２】外洋（港湾内部）への本発明装置の設置例を示す説明図である。
【図１３】潮位差の大きい場所への本発明装置の設置例を示す説明図である。
【符号の説明】
１０上昇管
１２仕切り
１４流通穴
１６上昇弁
１８排出穴
２０排出弁
２２水面
２４流通制御装置
２６内部制御板
２８外部制御板
３０導流・連結板
３２排砂穴
３４排砂弁
３６導水管
３８浮体

Claims

水中に立設・固定された１又は２以上の上昇管と、該上昇管の内部を上下に仕切る仕切りと、該仕切りに設けられた流通穴と、該流通穴を塞ぐ状態で設けられた上昇弁とを備え、該上昇弁は上方にのみ開くように構成され、該上昇管の内径は、利用対象とする波浪の波長より短くなっていることを特徴とする開放型潮汐・波浪式水循環装置。
前記上昇管の壁部の外側で、前記仕切りより上位置に排出穴が設けられ、該排出穴を塞ぐ状態で排出弁が設けられ、該排出弁が外側にのみ開くように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の開放型潮汐・波浪式水循環装置。
前記上昇管の内部の上方に、水の急激な流通を抑制する流通抑制装置が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の開放型潮汐・波浪式水循環装置。
前記上昇管の壁部の、前記仕切りの上位置近傍に排砂穴が設けられ、該排砂穴を塞ぐようにして排砂弁が設けられ、該排砂弁は外側にのみ開くように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の開放型潮汐・波浪式水循環装置。
前記仕切りに複数個の流通穴が設けられ、該流通穴に前記上昇弁が各々設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の開放型潮汐・波浪式水循環装置。
前記流通穴が直径の異なる２種以上の穴からなり、該流通穴を塞ぐようにして上昇弁が各々設けられていることを特徴とする請求項５に記載の開放型潮汐・波浪式水循環装置。
前記上昇管の下方に水を取り入れる取入口が設けられ、該取入口にスクリーンが設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の開放型潮汐・波浪式水循環装置。
前記上昇管が伸縮可能に構成され、該上昇管の先端付近に浮体が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の開放型潮汐・波浪式水循環装置。