JP5025740B2

JP5025740B2 - 取水装置

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Publication number: JP5025740B2
Application number: JP2010001751A
Authority: JP
Inventors: 裕之舞田; 康史浅間
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2030-01-07
Also published as: JP2011140797A

Description

この発明は、渓流などの小規模な水路に配置する取水装置であって、取水口における取水量を所定量以下に保持する取水装置に関する。

河川における水利使用に関しては、農業用水や、水力発電所などで使用する発電用水などに使用目的が限定され、取水量などについて河川管理者の許可が必要であることが法令等で定められている。そのため、法令を順守し所定量（許可取水量）を超過しないよう、河川からの取水量を制御する必要がある。そこで、大規模な河川では、取水口ゲートが電動化され、水位に応じて取水口の開閉が調節され、取水量が制御されている。一方、小規模な河川（渓流など）では、電源を確保することが困難であるため、手動で取水口ゲートの開度を調節し、取水量を制御する必要がある。

そこで、所定の水位が検出された場合に止水し、取水量が超過しないようにするための取水装置に関する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この取水装置は、水田に配設されたフロートによって所定の水位が検出された場合に、ロック部材が移動され止水板が取水口を塞ぐことで取水が停止されるものである。

特開２００５−１１３５４９号公報

しかしながら、この取水装置では、所定の水位が検出され止水された後、再び水位が下がった場合に、取水を再開するためには、作業者が取水装置の設置現場に行って、止水板を持ち上げロック部材をセットする必要があった。つまり、河川の水位に応じて取水口を開閉させ、自動で取水と取水の停止を切り替えることはできないものであった。したがって、所定の水位が検出され止水された後、水位が下がった場合であっても取水を再開するまでにタイムラグが生じてしまい、取水できない時間が長期化してしまうので、河川水の有効活用が十分にはできないものであった。

さらに、従来は、取水口ゲートの開度は、想定される平均的水位に対応して所定量が取得可能に設定されていた。そこで、通常水位以下（渇水時）を想定して取水口ゲートの開度を定めた場合には、設定水位以上（出水時）となると多量の取水により設備保安上の課題や法定の所定量を超過するおそれがあった。一方、洪水水位（洪水時）を考慮して取水口ゲートの開度を定めた場合には、開度は小さく定められることになり、通常水位（通常時）ではごく少量の取水しかできず、結果として目的とする発電量が得られなくなってしまうおそれがあった。

そこで、この発明は、前記の課題を解決し、取水口における取水量を所定量以下に維持し、河川水の有効活用を行うことが可能な取水装置を提供することを目的としている。

前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、水路に配置され、取水口における取水量を所定量以下に保持する取水装置であって、水路の上流側に開口部が配設された取水体と、開口部に対して開閉自在な弁体と、弁体と連結され、水路の水位の変化に応じて上下方向に移動可能な可動体と、を備え、水路の水位が通常水位以下である場合には、可動体の自重によって弁体が開口部に対して全開し、水路の水位が設定水位以上である場合には、可動体の浮力によって弁体が開口部に対して全閉するように、可動体が配設されている、ことを特徴とする。

この発明によれば、水路の水位が通常水位以下である場合には、可動体の自重によって弁体が開口部に対して全開し、開口部を介して取水される。一方、水路の水位が設定水位以上になると、可動体の浮力によって弁体が開口部に対して全閉し、取水が停止される。

請求項２の発明は、請求項１に記載の取水装置において、開口部の口径は、水路の水位が通常水位以下である場合に取水量が所定量以下となるように設定されている、ことを特徴とする。

この発明によれば、水位が通常水位以下では、開口部の取水量、すなわち、取水装置の取水量が水路の水位によらず所定量以下となる。

請求項３の発明は、請求項１または２のいずれか１項に記載の取水装置において、取水体は、水路の底面より高い位置に配置されるようになっている、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか１項に記載の取水装置において、取水体と弁体と可動体とが一体的に配設され、取水口に設置された取水口ゲートに対して一体的に着脱自在となっている、ことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載の取水装置において、取水体の底部を水路の底面に固定具により固定することで取水ゲートに配置されるようになっている、ことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、水路の水位が通常水位以下では、可動体の自重によって弁体が開口部に対して全開し、開口部を介して取水され、水路の水位が設定水位以上になると、可動体の浮力によって弁体が開口部に対して全閉して取水が停止されるので、水路の水位に応じた適正量の取水をすることができる。このため、水路の水位が設定水位以上になったとしても、確実に法令を順守することができる。さらに、水路の水位の変位に応じて開口が自動で開閉されるため、継続的に取水することができ、取水量のロスがないので、適正な発電量を保つことが可能となる。このため、クリーンエネルギーを有効に利用し、環境負荷の軽減に寄与することが可能となる。また、水路の水位が設定水位以上になると、開口部を全閉し取水を停止するため、開口部の口径の設定は洪水水位を考慮する必要が無く、通常水位のみを想定すればよいので、開口部の口径を大きく設定できる。このため、取水量を適正にすることができるので、適正量の発電量を得ることが可能となる。このようにして、この発明によれば、河川水の有効活用が可能となる。

さらに、開口部の口径が大きいので、土砂などによる目詰まりが発生しにくくなり、取水量が減少することが無く、適正な発電量を安定して得ることが可能となる。また、水路の水位が洪水水位（設定水位以上）の場合には開口部が全閉され、土砂などの流入、堆積を防ぐことができるので、土砂などを取り除くメンテナンス作業の負荷を軽減し、維持コストを低減することが可能となる。さらに、弁体の開閉（開口部の開閉）を可動体の自重と浮力とで行い、外部からの動力が不要であるので、電源の有無によらず容易に設置することができる。

請求項２に記載の発明によれば、取水体の開口部の口径が所定の大きさに設定されているので、水路の水位によらず取水量が所定量以下で、所定量を超えることがない。すなわち、確実に法令を順守することができる。

請求項３に記載の発明によれば、取水体が水路の底面より高い位置に配置されるようになっているので、開口部にごみや土砂などが流入、堆積しにくく、取水量の減少を抑えることが可能となる。つまり、発電量を維持できるので、クリーンエネルギーを有効に利用することが可能となる。また、土砂などを取り除くための保守作業が不要となり、運用コストも削減できる。

請求項４に記載の発明によれば、取水装置が一体化されているため、工場などで事前に製作、組立、試験などを行った後に、設置現場に運搬し設置すればよく、設置、調整の所要時間を短縮することができる。この結果、設置作業に伴う取水の停止時間が短くなり、発電量の減少を抑えることが可能となる。

請求項５に記載の発明によれば、既存の取水口ゲートに設置可能で、取水口ゲートの機能を維持できるので、点検時などには従来通り取水口ゲートを開閉することも可能となる。

この発明の実施の形態に係る取水装置が設置された状態を示す正面（一部断面）図である。図１の取水装置を示す正面（一部断面）図である。図１の取水装置を示す正面（一部断面）図である。

以下、この発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。

図１は、この実施の形態に係る取水装置１が設置された状態を示す正面（一部断面）図である。この図において、符号Ｌａは水路の水位が通常水位である場合を示し、符号Ｌｂは水路の水位が設定水位である場合を示し、符号Ｌｃは水路の水位が洪水水位である場合を示している。

取水装置１は、例えば、水力発電所において小規模な水路の取水口２から取水するための装置であって、主として、図２に示すように、水路から水を取り込む取水体１１と、取水体１１の取水を制御する弁体１２と、弁体１２の開口部１１２に対する開閉を調節する動力源である可動体１３と、弁体１２と可動体１３とを連結し、可動体１３の上下動を弁体１２へ伝達する連結体１４と、弁体１２などが配設される枠体１６とが一体的に配設され、構成されている。この実施の形態では、取水装置１が配設される水路の流量は、例えば、略０．０５ｍ^３／ｓの小規模な河川などの水路を想定している。

取水体１１は、主として、水路の上流側に開口部１１２が配設された取水管１１１と、取水管１１１を支持する支持体１１３と、支持体１１３が載置される底板１１４とを備えている。取水管１１１は、長さが略数１０ｃｍ〜数ｍの丸管で、開口部１１２が水路の上流側になるように、つまり、取水管１１１の軸方向が流水方向と一致するように配置されている。開口部１１２は、水路の水位が通常水位Ｌａ以下の場合に、取水量が所定量以下、つまり許可取水量（法定量）以下となるように、その口径が設定されている。この実施の形態では、開口部１１２の口径は、例えば、略１０ｃｍ〜２０ｃｍに設定されている。また、開口部１１２は、開口部１１２と取水管１１１との上位のなす角が鋭角となるように傾斜した断面に設定されている。

支持体１１３は、取水管１１１を支持するＨ型鋼で、ウェブの略中央部に取水管１１１の外径よりわずかに大きい貫通孔を有し、取水管１１１が貫通された状態で溶接などの固着手段により固着されている。このように、支持体１１３のウェブの略中央部に取水管１１１が固定されているため、取水管１１１は水路の底面４より高い位置に設置されている。また、支持体１１３の上位フランジには、後述するように取水口ゲート３の下端部が載置されるようになっている。さらに、支持体１１３の下位フランジは、ボルトなどの固定手段（図示せず）により底板１１４に固定されている。

底板１１４は、鉄板またはコンクリート板などの板状材であり、水路の底面４にアンカーボルトなどの固定手段（図示せず）で固定されるようになっている。また、底板１１４の開口部１１２側には、取水管１１１が貫通された筒状の枠体１６が、ボルトなどの固定手段（図示せず）により固定されている。

枠体１６は、鉄鋼製などの筒状体で、開口部１１２側は開口部１１２の傾斜に沿って傾斜した断面に設定されている。また、枠体１６の開口部１１２側の側面上端部には、連結体１４の回転軸１４３が固定され、枠体１６の上面には、連結体１４の連結軸１４１の上下動をガイドするためのガイド孔（図示せず）が形成されている。そして、枠体１６の開口部１１２側には、連結体１４を介して弁体１２が回動自在に配置されている。

弁体１２は、略Ｌ字状の板体で、可動体１３の上下動に連動して回動可能な重さに設定されている。弁体１２の開口部１１２側には、開口部１１２を全閉させた際に取水管１１１への水の流入を防ぐために、開口部１１２の内径よりもわずかに大きい、ゴム製などの密着部１２１が配設されている。また、弁体１２の直角部に回転軸１４３が貫通され、弁体１２は回転軸１４３に対して回動自在、すなわち、開口部１１２に対して回動自在に配置されている。さらに、弁体１２の他端部と連結軸１４１の下端部とが、連結体１４の連結具１４２を介して回動自在に連結され、連結軸１４１の上端部と可動体１３とが連結されている。このようにして、弁体１２と可動体１３とは、連結体１４を介して連結されている。ここで、弁体１２は回転軸１４３を軸にして回動するので、てこの原理を利用して、可動体１３の上下動距離を大きくすることで、弁体１２に働く力は大きくなり、開口部１１２に対する開閉がスムーズに行えるようになっている。

可動体１３は、水に浮く中空の立方体であって、この実施の形態では、大きさは略０．１２５ｍ^３（一辺が略０．５ｍ）〜数ｍ^３を想定している。また、可動体１３は水路の水位に応じて上下動するが、可動体１３が下死点に位置するとき、開口部１１２を全開し、上死点に位置するとき、開口部１１２が全閉するように設定されている。可動体１３の上下動の範囲は、連結体１４の連結具１４２が枠体１６に当接することで、その上死点が規定され、連結具１４２が枠体１６の側面に配設されたストッパー１５に当接することで、その下死点が規定される。

このような可動体１３は、水路の水位が通常水位Ｌａ以下である場合には、全体が水面上に位置するように設定され、水路の水位が設定水位Ｌｂ以上である場合には、略全体が水中に位置して浮くように設定されている。こうした可動体１３の位置は、可動体１３の重さＷと、水中部分の体積Ｖとの関係で設定されている。ここで、可動体１３の質量をＭ、水の密度をρ、重力加速度をｇとすると、可動体１３の重さＷは、
Ｗ＝Ｍｇ
となり、可動体１３に働く浮力Ｆは、
Ｆ＝ρＶｇ
となる。また、弁体１２が開口部１１２に対して全閉している状態から、全開になるためには、開口部１１２に作用する水圧を考慮する必要がある。ここで、図３に示すように、開口部１１２の断面積をＡ、開口部１１２の中心の水面からの深さをｈ、回転軸１４３から開口部１１２の中心までの距離をｌ_１、連結具１４２と回転軸１４３との距離をｌ_２とすると、全閉時に弁体１２（開口部１１２）を開けるに要する力（開弁力）Ｐは、
Ｐ＝ρｈＡｇ（ｌ_１／ｌ_２）
となる。

そして、水路の水位が通常水位Ｌａ以下である場合には、可動体１３は空中にあり、可動体１３に働く下向きの力ｆ１は、
ｆ１＝Ｗ＝Ｍｇ
となる。ここで、ｆ１と開弁力Ｐの関係は、
Ｐ＜ｆ１
すなわち、
ρｈＡｇ（ｌ_１／ｌ_２）＜Ｍｇ
となる必要がある。したがって、水路の水位が通常水位Ｌａ以下である場合には、可動体１３の重さＷは弁体１２を開口部１１２に対して全開するのに十分な重さとなるように、可動体１３の質量Ｍを設定する必要がある。ここで、開弁力Ｐを要するのは、水路の水位が設定水位Ｌｂ以上となり弁体１２が開口部１１２に対して全閉した後、再び水路の水位が通常水位Ｌａ以下となり弁体１２が開口部１１２に対して全開しようとする場合である。

また、水路の水位が設定水位Ｌｂ以上である場合には、可動体１３の水中部分の体積をＶ_ｂとすると、可動体１３の重さＷと浮力Ｆの関係は、
Ｆ＞Ｗ
すなわち、
ρＶ_ｂｇ＞Ｍｇ
となる必要があり、可動体１３に働く上向きの力ｆ２は、
ｆ２＝（ρＶ_ｂ−Ｍ）ｇ
となる。したがって、水路の水位が設定水位Ｌｂ以上である場合には、可動体１３に働く浮力Ｆが弁体１２を開口部１１２に対して全閉するのに十分な大きさとなるように、可動体１３の体積Ｖを設定する必要がある。そして、これらの関係を満たすように、可動体１３の質量Ｍと体積Ｖとが設定されている。

次に、このような構成の取水装置１の設置方法および動作について説明する。

取水装置１は、事前に工場などで組み立てられ、動作の試験や調整などを行った後に、設置現場へ運搬される。設置現場では、既存の取水口ゲート３を取水装置１が入る程度にまで開口する。そして、支持体１１３の上位フランジを取水口ゲート３の直下に配置し、底板１１４を水路の底面４のコンクリートにアンカーボルトなどで固定する（図示せず）。そして、取水口ゲート３を支持体１１３の上位フランジと密着するように閉じる。このようにして、取水装置１は、取水口２に設置された取水口ゲート３に対して、一体的かつ着脱自在に配設される。

そして、水路の水位が通常水位Ｌａ以下である場合、可動体１３は全体が水面上に位置しており、可動体１３には自重により下向きの力が働いている。可動体１３に働く下向きの力は、連結体１４を介して弁体１２に伝達され、弁体１２は回転軸１４３を軸として開口部１１２から離れる方向に回動する。このようにして、弁体１２は開口部１１２に対して全開となり、開口部１１２を介して適正量が取水されるようになる。

次に、水路の水位が設定水位Ｌｂ以上となった場合、可動体１３は略全体が水中に位置し、可動体１３には浮力により上向きの力が働いている。可動体１３に働く上向きの力は、連結体１４を介して弁体１２に伝達され、弁体１２は回転軸１４３を軸として開口部１１２へ近づく方向に回動する。このようにして、弁体１２は開口部１１２に対して全閉となり、開口部１１２からの取水が停止される。

その後、再び水路の水位が通常水位Ｌａ以下となった場合には、同様にして可動体１３は全体が水面上に位置し、弁体１２は開口部１１２に対して全開し、開口部１１２を介して取水が再開されるようになる。このようにして、水路の水位の変化に応じた可動体１３の上下動に連動して弁体１２が回動し、開口部１１２の開閉が調節される。一方、水路の水位が通常水位Ｌａよりも高く設定水位Ｌｂ未満の場合には、弁体１２が開口部１１２に対して一部開いた状態となり、その取水量が許可取水量以下となる。

以上のように、この取水装置１によれば、水路の水位が通常水位Ｌａ以下である場合には、開口部１１２を介して取水が行われ、水路の水位が設定水位Ｌｂ以上になると、開口部１１２が全閉して取水が停止されるので、取水量を所定量以下に保ちつつ、河川水の有効活用を行うことができる。このため、確実に法令を順守することが可能となる。また、水路の水位が設定水位Ｌｂ以上である場合には、開口部１１２を全閉し取水を停止するので、開口部１１２の口径は洪水時を考慮する必要がなく大きく設定できる。つまり、適正な最大限の取水量を確保できるので、適正な最大限の発電量を得ることが可能となる。このため、クリーンエネルギーを有効に利用することが可能となり、環境負荷の軽減に寄与することが可能となる。また、開口部１１２の口径を大きくすると、土砂などによる目詰まりが発生しにくくなり、取水量が減少することが無く、発電量を安定して得ることが可能となる。さらに、水路の水位が洪水水位Ｌｃである場合にも、開口部１１２が全閉され取水が停止されるので、取水体１１への土砂などの流入、堆積を防ぐことができる。このため、土砂の除去などのメンテナンス作業の負荷を軽減することが可能となる。

また、弁体１２の開閉（開口部１１２の開閉）を可動体１３の自重と浮力とによって行い、外部からの動力が不要であるので、電源の有無によらず多様な環境下の取水口２に設置することが可能となる。さらに、取水体１１は水路の底面４からかさ上げされているので、開口部１１２にごみや土砂が堆積しにくく、取水量の減少を抑えることが可能となる。つまり、発電量を維持できるので、クリーンエネルギーを有効に利用することが可能となる。また、土砂などを取り除くメンテナンス作業などが不要となり、運用コストを削減できる。

さらに、既存の取水口ゲート３をそのままにして取水装置１を設置するため、取水口ゲート３の改良工事などを行う必要がなく、また、取水口２の点検時などには、従来通り取水口ゲート３を開閉することが可能となり、点検、保守作業を容易に行うことができる。また、取水装置１は一体化（ユニット化）されており、工場などで組み立てを行った状態で設置現場へ運び、設置現場では簡単な作業で設置可能であるので、取水口２における設置工事に要する時間を短縮することが可能となる。すなわち、設置工事に伴う取水口２の取水停止時間を短縮することができるので、発電量の減少を最小限に抑えることが可能となる。

以上、この発明の実施の形態について説明したが、具体的な構成は、上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、一体化された取水装置１について説明したが、取水装置１は一体化されていなくてもよい。また、弁体１２は開口部１１２の上方で枠体１６に配設されているが、開口部１１２の下方や側方で枠体１６に配設するようにしてもよい。さらに、可動体１３は、直方体や球体などでもよく、また、中空ではなく、発泡材などの軽い材料（例えば、発泡ポリスチレン。）で構成してもよい。さらには、可動体１３の重さＷを調節するために、おもりを配置してもよい。また、連結体１４は、ラック・アンド・ピニオン機構などの他の伝達機構であってもよい。

１取水装置
２取水口
３取水口ゲート
１１取水体
１２弁体
１３可動体
１４連結体
１１２開口部
Ｌａ通常水位
Ｌｂ設定水位
Ｌｃ洪水水位（最高水位）

Claims

水路に配置され、取水口における取水量を所定量以下に保持する取水装置であって、
前記水路の上流側に開口部が配設された取水体と、
前記開口部に対して開閉自在な弁体と、
前記弁体と連結され、前記水路の水位の変化に応じて上下方向に移動可能な可動体と、を備え、
前記水路の水位が通常水位以下である場合には、前記可動体の自重によって前記弁体が前記開口部に対して全開し、前記水路の水位が設定水位以上である場合には、前記可動体の浮力によって前記弁体が前記開口部に対して全閉するように、前記可動体が配設されている、ことを特徴とする取水装置。
前記開口部の口径は、前記水路の水位が通常水位以下である場合に取水量が所定量以下となるように設定されている、ことを特徴とする請求項１に記載の取水装置。
前記取水体は、前記水路の底面より高い位置に配置されるようになっている、ことを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の取水装置。
前記取水体と前記弁体と前記可動体とが一体的に配設され、前記取水口に設置された取水口ゲートに対して一体的に着脱自在となっている、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の取水装置。
前記取水体の底部を前記水路の底面に固定具により固定することで前記取水口ゲートに配置されるようになっている、ことを特徴とする請求項４に記載の取水装置。