(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤内の透水層に位置する集水パイプからなる取水部と、該取水部から取水した地下水を集水する集水部を内部に有する揚水坑とを備えて構成され、なおかつ、該集水部が開水面を有する構成とされる地下水取水施設の管理方法であって、
前記集水部の水位を調整することによって、前記取水部からの取水量を調整しておくとともに、前記透水層と前記取水部との間の透水係数が低下した際には、前記集水部の水位と地盤の水位との水頭差を前記透水係数の低下に見合うだけ大きくすることによって、前記取水量を確保することを特徴とする地下水取水施設の管理方法。
【請求項２】
請求項１記載の地下水取水施設の管理方法であって、
前記透水層と前記取水部との間の透水係数の経年的な変化に対応させて、前記集水部の水位を漸次調整することを特徴とする地下水取水施設の管理方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の地下水取水施設の管理方法を実施するための地下水取水設備であって、
地表面から地盤中を掘り下げることにより形成された揚水坑と、該揚水坑から延出する集水構造とを備えてなり、
該集水構造は、少なくともその先端部が前記地盤中の透水層内に位置するように設けられた集水パイプを備えた構成とされ、
該集水パイプの先端部には、前記取水部が形成され、
前記揚水坑の内部には、前記集水部が形成されるとともに、その水位を調整可能な水位調整手段が設けられていることを特徴とする地下水取水設備。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地盤内に設置されて、地下水を取水するための地下水取水施設の管理方法およびそれに用いる地下水取水設備に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、飲料水、工業用水、農業用水等に用いられる水資源は、主に河川、湖沼等からの自然水域からの取水、ダムからの取水、および、土壌中の地下水揚水で賄われている。しかし、近年、河川、湖沼水の取水施設やダムの建設に有利な立地は少なくなってきており、これらによる水資源の確保は従来より困難になってきている。
【０００３】
一方、土壌中の地下水揚水は、井戸により行われるのが最も一般的であるが、井戸による取水は、一般的に規模が小さく、また井戸毎に揚水ポンプが必要で管理も煩雑であるため、大規模な地下水開発が困難である場合がある。
【０００４】
このような事情に鑑み、地中の地下水資源を大規模に取水できる施設として、本願発明の発明者らは、先に、図９に示すような施設を提案した。
図９に示す地下水取水施設１は、本出願人の出願による特開平９−１３２９２８号公報記載のものであり、地盤２における岩盤層３に設けられた集水トンネル４と、集水トンネル４によって集めた水を貯留するための貯水槽５と、貯水槽５から水を揚水するための揚水手段６とを備えた構成とされている。
【０００５】
集水トンネル４は、その壁面８に集水孔９，９，…が多数設けられた構成とされるとともに、その底部１０が、貯水槽５に向かって下り勾配となるように形成されている。
岩盤層３に滞留する地下水は、集水トンネル４の壁面８および集水孔９，９，…において自然湧水として発生するとともに、貯水槽５に向かって流下し、さらに、貯水槽５から揚水手段６によって地上に揚水されることとなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の地下水取水施設１は、固結性の高い岩盤層３からの取水を対象としたものである。しかし、一般に、岩盤層は透水性が低いことが多く、地下水資源のさらなる大規模利用を図るためには、岩盤層からだけでなく、砂層や砂礫層などの高透水性土壌からも大規模な取水が可能であるような施設が必要とされていた。
【０００７】
しかしながら、砂層や砂礫層は地盤の固結性に欠ける場合が多く、したがって例えば、上述の地下水取水施設１と同様の施設を砂層や砂礫層等に対して適用したとしても、施設の運用年数の経過に伴い、砂等の細粒分や地下水中の懸濁物が集水パイプや同パイプの周辺地盤に滞積して目詰まりが発生するため、やがては施設の取水能力が低下する。
このようなことから、施設の運用年数の経過に関係なく、必要な取水量を確保することができるような施設およびその管理方法の開発が望まれていた。
【０００８】
本発明は、以上のような事情に鑑み行われたものであり、施設内部の透水係数の変化に関わりなく地盤中の透水層から地下水を安定的に取水することが可能であるような地下水取水施設の管理方法およびそれに用いる地下水取水設備を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明においては以下の手段を採用した。
すなわち、請求項１記載の地下水取水施設の管理方法は、地盤内の透水層に位置する集水パイプからなる取水部と、該取水部から取水した地下水を集水する集水部を内部に有する揚水坑とを備えて構成され、なおかつ、該集水部が開水面を有する構成とされる地下水取水施設の管理方法であって、
前記集水部の水位を調整することによって、前記取水部からの取水量を調整しておくとともに、前記透水層と前記取水部との間の透水係数が低下した際には、前記集水部の水位と地盤の水位との水頭差を前記透水係数の低下に見合うだけ大きくすることによって、前記取水量を確保することを特徴とする。
【００１０】
この地下水取水施設の管理方法においては、集水部の水位を調整することによって、透水層と取水部との間の動水勾配を調整することができ、取水部と集水部との間の透水係数が低下した際には、集水部の水位と地盤の水位との水頭差を前記透水係数の低下に見合うだけ大きくすることによって、取水量を確保することができる。
【００１１】
請求項２記載の地下水取水施設の管理方法は、請求項１記載の地下水取水施設の管理方法であって、
前記取水部と前記集水部との間の透水係数の経年的な変化に対応させて、前記集水部の水位を漸次調整することを特徴とする。
【００１２】
このような構成とされるために、この地下水取水施設の管理方法においては、透水層と取水部との間の動水勾配を透水係数の経年変化に対応させて変化させることによって、取水部による取水量を確保することが可能である。
【００１３】
請求項３記載の地下水取水設備は、請求項１または２記載の地下水取水施設の管理方法を実施するための地下水取水設備であって、
地表面から地盤中を掘り下げることにより形成された揚水坑と、該揚水坑から延出する集水構造とを備えてなり、
該集水構造は、少なくともその先端部が前記地盤中の透水層内に位置するように設けられた集水パイプを備えた構成とされ、
該集水パイプの先端部には、前記取水部が形成され、
前記揚水坑の内部には、前記集水部が形成されるとともに、その水位を調整可能な水位調整手段が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
この地下水取水設備においては、施設の運用年数の経過に伴って、施設における取水量に変化が生じた際に、水位調整手段を用いてその取水量を管理することが可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の一例を、図１から図５を参照して説明する。
図１に示すように、地下水取水施設２０は、地盤２１内に設置された施設であり、地下水取水設備２２を備えた構成とされている。
地下水取水設備２２は、地表面２３から地盤２１中を掘り下げることによって立坑として形成された揚水坑２５と、揚水坑２５から延出する集水構造２６とから概略構成されている。
【００１６】
地盤２１は、岩盤層２８上に砂層または砂礫層からなる透水層２９が積層する構成とされており、揚水坑２５は、地表面２３から透水層２９を貫通して岩盤層２８に到達するように形成されている。また集水構造２６は、揚水坑２５における岩盤層２８内に位置する下位部２５ａから側方へ延出する構成とされている。
【００１７】
集水構造２６は、具体的には、揚水坑２５より水平に延出する集水パイプ３０により構成されている。集水パイプ３０は、その先端部３０ａが、地盤２１内における透水層２９に到達するように形成されており、その基端部３０ｂが、揚水坑２５と連通する構成とされている。
【００１８】
図２（ａ）は、集水パイプ３０の断面構造を示す図である。図中に示すように、集水パイプ３０は、透水性を有するドレーン材Ｄを管状に形成したものであり、透水層２９中の地下水をその内部３０ｃに導き入れることが可能な構成とされている。また、図中（ｂ）において示すように、集水パイプ３０の先端には栓３１が設けられており、これにより透水層２９内部の砂等が集水パイプ３０の先端から内部３０ｃに侵入しないようになっている。
また、このような構成とされるため、集水パイプ３０は、その全体が、透水層２９中の地下水を取水するための取水部３３として機能することとなる。
【００１９】
また、図１に示すように、揚水坑２５の下位部２５ａは、集水構造２６により取水した水を集水するための集水部３４とされている。集水部３４には、集水した地下水が滞留することによって水面（開水面）３５が形成されている。
また、揚水坑２５の内部には、揚水装置３６が設けられている。揚水装置３６は、揚水パイプ３７を介して地上側と接続されており、これにより揚水坑２５内部に滞留する水を地上に揚水することが可能な構成とされている。さらに、これら揚水装置３６および揚水パイプ３７を用いて揚水坑２５内部から水を揚水することで、揚水坑２５内部の水位を調整することが可能とされており、これにより、揚水装置２６および揚水パイプ２７は、集水部３４の水位を調整することが可能な水位調整手段３８として機能することとなる。
【００２０】
以上が、地下水取水施設２０の主要な構成であるが、次に、地下水取水設備２２を使用した施設の管理方法を説明する。
図３に示すように、揚水坑２５内部の水位をＬ1、地盤２１の水位をＬ2とした場合、取水部３３（図１，２参照）においては、地盤２１側からは、取水部３３と地盤２１の水位Ｌ2との間の高低差Ｈに対応した水圧が作用することとなり、また、集水パイプ３０側からは、取水部３３と揚水坑２５の水位Ｌ1との間の高低差ｈに対応した水圧が作用することとなる。
したがって、取水部３３に対しては、これらの水圧の差によって生じる水頭差ΔＨ（＝Ｈ−ｈ）が作用する。
【００２１】
ここで、揚水坑２５内部の水位Ｌ1が、取水部３３の位置より低く設定されている場合には、水頭差ΔＨは高低差Ｈと同一となり、透水層２９中の地下水は、この水頭差に対応した噴出力で湧水することとなる。
一方、揚水坑２５内部の水位Ｌ1と地盤内の水位Ｌ2が同一である場合には、取水部３３においては水頭差ΔＨが生じず、これにより、取水部３３においては、透水層２９中の地下水が自然噴出することがなくなる。
【００２２】
このような水頭差ΔＨと取水部３３における湧水量との関係は、図４のグラフのように表すことができる。このグラフにおいては、水頭差ΔＨが地下水位Ｌ2と取水部３３との高低差Ｈと同一である場合（ΔＨ＝Ｈである場合）の湧水量を１００％とした場合の、水頭差ΔＨと湧水量（％）との関係が示されている。
【００２３】
このグラフに示すように、水頭差ΔＨと湧水量とは、ほぼ比例関係にあると考えられ、したがって、水位調整手段３８により揚水坑２５（集水部３４）内部の水位を調整することによって、取水部３３からの取水量を調整することが可能である。
【００２４】
また、地下水取水設備２２は、地盤中の透水層２９内の地下水を取水する構成とされていることから、地下水取水施設２０の運用期間の経過に伴って、砂等の細粒分や地下水中の懸濁物が、集水パイプ３０および透水層２９における集水パイプ３０の周囲領域Ｒ（図２（ａ）参照）において滞積して目詰まりが発生することが予想される。この場合、結果として、取水部３３と透水層２９との間の透水係数が低下することとなり、地下水取水施設２０による取水量が減少していくことが懸念される。
【００２５】
このときの地下水取水施設２０による取水量Ｑは、以下の式（１），（２）により表されると考えられる。
Ｑ＝Ｎ×ｑ                                                    （１）
ｑ＝Ｋ×ΔＨ×Ｆ                                              （２）
ここに、Ｎ：集水パイプ３０の本数、ｑ：単独の集水パイプ３０による取水量、Ｋ：集水パイプ３０内部の透水係数、Ｆ：集水パイプ３０の構造による係数。
【００２６】
したがって、取水量Ｑを確保するためには、透水係数Ｋの値の経年的な減少に対応させて、水頭差ΔＨを上昇させていけばよいこととなる。
そこで、本実施の形態の管理方法においては、透水係数Ｋの経年的な変化に対応させて、水位調整手段３８により集水部３４の水位を漸次調整し、これによって水頭差ΔＨを調整することにより、集水部３４からの湧水量を所定量に保ち、地下水取水施設２０の取水量を確保することとする。具体的には、図５のグラフに示すように、稼働年数の経過による透水係数Ｋの低下に伴って、施設の取水部３３における湧水量が、初期の１００％からＣ％に漸近していくとした場合（図中符号ｓ）に、この湧水量の減少を補うように、すなわち、透水係数Ｋが初期の値を保つと仮定した場合に湧水量が１００／Ｃ％に漸近するように（図中符号ｔ）、水頭差ΔＨを調整する。これにより、湧水量が一定（図中符号ｕ）に保たれることとなる。
【００２７】
上述の地下水取水施設２０の管理方法によれば、施設の運用期間の経過に伴って、取水部３３と透水層２９との間の透水係数が低下した場合においても、施設の取水量を確保することができ、安定した地下水の利用が可能となる。また、これにより透水層２９が固結性に欠ける地盤である場合にも、集水パイプ３０を用いて地下水を安定的に取水することが可能となり、地下水取水施設２０の立地にあたっての地質上の制約を少なくすることができる。
【００２８】
特に、上述のように、取水部３３と透水層２９との間の透水係数Ｋの経年的変化に伴い、集水部３４の水位を漸次調整していくことによって、施設の集水性能を一定に保つことができ、これにより施設の耐用年数を長期化させることが可能である。
【００２９】
また、上述の地下水取水設備２２によれば、施設の集水性能を一定に保つことができ、これにより安定した地下水の利用が可能とされるとともに、施設の耐用年数を長くすることが可能となる。
【００３０】
なお、上記実施の形態において、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で、地下水取水設備２２の各部の構造等について、他の構成を採用するようにしてもよい。
【００３１】
図６に示す地下水取水設備２２においては、集水構造２６が、揚水坑２５から上り勾配に延出するように形成されたシールドトンネル４０と、シールドトンネル４０から延出するように設けられた集水パイプ３０，３０，…とによって構成されている。
【００３２】
シールドトンネル４０は、揚水坑２５の下位部２５ａをその基端部４０ａとして、その先端部４０ｂが、地盤２１中の透水層２９に到達するように形成されている。また、集水パイプ３０，３０，…は、透水層２９内に配置されて、地下水を取水するための取水部３３とされる。
【００３３】
また、図７に示す地下水取水設備２２においては、集水構造２６が、揚水坑２５から延出する連絡トンネル５４と、連絡トンネル５４と連通する集水トンネル５５と、集水トンネル５５から延出する集水パイプ３０とから構成される。集水パイプ３０は、その先端部３０ａが地盤２１内の透水層２９中に位置するように配置されるとともに、透水層２９の地下水を取水するための取水部３３とされる。
【００３４】
これら図６，７に示した地下水取水設備２２においても、揚水坑２５内部（集水部３４）の水位Ｌ1を、揚水装置３６および揚水パイプ３７（水位調整手段３８）によって調整することによって、上記実施の形態と全く同様の効果を得ることが可能である。
【００３５】
また、図１、６、７に示した地下水取水設備２２における集水パイプ３０は、図８に示すような構造であってもよい。
図８（ａ）に示す集水パイプ３０は、孔４２，４２，…を有する有孔管４３によって形成されたものである。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した集水パイプ３０の断面を示した図である。図中に示すように、有孔管４３の内部にはフィルター材４４が充填されており、フィルター材４４によって、孔４２，４２，…から有孔管４３内部への砂等の侵入が防がれる。
また、施設の運用期間の経過に伴い、有孔管４３の周囲の地盤および有孔管４３の内部が目詰まりした際には、上記実施の形態と同様の操作を行うことにより、透水層２９からの取水量を確保することとする。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る地下水取水施設の管理方法においては、土砂等の侵入によって取水部と地盤内のとの間の透水係数が低下した場合においても、施設の取水量を確保することができ、安定した地下水の利用が可能となる。また、これにより透水層が固結性に欠ける地盤である場合にも、地下水を安定的に取水することが可能であり、施設の立地にあたっての地質上の制約を少なくすることができる。
【００３７】
請求項２に係る地下水取水施設の管理方法においては、取水部と透水層との間の透水係数の経年的変化に伴い、集水部の水位を漸次調整していくことによって、施設の集水性能を一定に保つことができ、これにより施設の耐用年数を長期化させることが可能である。
【００３８】
請求項３に係る地下水取水設備によれば、施設の集水性能を一定に保つことができ、これにより安定した地下水の利用が可能とされるとともに、施設の耐用年数を長くすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態を模式的に示す地下水取水施設の立断面図である。
【図２】  図１に示した地下水取水施設において用いられる集水パイプの構造を示す図であって、（ａ）は、その軸方向の断面図、（ｂ）は軸と平行な方向の断面図である。
【図３】  図１に示した地下水取水施設における揚水坑内部の水位および地下水位の位置関係を示す立断面図である。
【図４】  図１に示した地下水取水施設の取水部に作用する水頭差と取水部における湧水量との対応関係を示すグラフである。
【図５】  本発明の地下水取水施設の管理方法において水頭差を調整することにより設定すべき取水能力を示すためのグラフである。
【図６】  本発明の他の実施の形態を模式的に示す地下水取水設備の立断面図である。
【図７】  本発明の他の実施の形態の別の例を模式的に示す地下水取水設備の立断面図である。
【図８】  本発明における地下水取水設備における集水パイプの他の実施の形態を示す図であって、（ａ）は、その側面図、（ｂ）は、その軸方向の断面図である。
【図９】  本発明の従来の技術を示すための地下水取水施設の立断面図である。
【符号の説明】
２０  地下水取水施設
２１  地盤
２２  地下水取水設備
２３  地表面
２５  揚水坑
２６  集水構造
２９  透水層
３０  集水パイプ
３３  取水部
３４  集水部
３５  開水面
３８  水位調整手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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