(57)【要約】  上下の土壌層（１，２）の間に傾斜を設けて、撥水砂からなる遮水層である撥水砂層（１０）を設置し、撥水砂層と上の土壌層との間に設けた礫（１１）又は暗渠（１２）の少なくとも一つ又は両方からなる導水帯部（２０）を設置し、傾斜の下流側に遮水壁（３０）を設ける。地表面から土壌層中に降下浸透した水は撥水砂層で遮断され、撥水砂層の上側の導水帯部を流れて傾斜の下流側に流下し、傾斜の下流側の遮水壁で水を堰き止めて、集水した水を遮水壁を貫通する暗渠の水抜き穴（４０）から回収することが可能となる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の土壌層と前記第１の土壌層の下側の第２の土壌層との間で上流側から下流側に向かって集水する集水構造体であって、
前記第２の土壌層の上に、上面が上流側から下流側に向かって下方に傾斜するように配置され、かつ、撥水処理されている複数の粒子で構成されている撥水砂層と、
前記撥水砂層の前記上面上に上流側の端部から下流側の端部に向かって下方に傾斜するように配置され、前記撥水砂層の前記撥水処理されている複数の前記粒子より大きな直径を有する複数の礫で構成されている礫層と、前記撥水砂層と前記第１の土壌層との間に、上流側の端部から下流側の端部に向かって下方に傾斜するような水抜き穴が内部に構成されている暗渠とを有し、前記撥水砂層の前記上面上でかつ前記第１の土壌層の下に配置され、前記第１の土壌層から前記礫層又は前記暗渠の前記水抜き穴内に流れ込んだ水が、上流側の端部から下流側の端部に向かう方向に流れる導水帯部と、
少なくとも前記導水帯部の前記下流側の端部の周囲を覆うように配置され、かつ前記暗渠が貫通する貫通穴を有する遮水壁と、
前記遮水壁の前記貫通孔を貫通した前記暗渠の前記水抜き穴から排出される水を溜める貯水容器とを備える、集水構造体。
【請求項２】
前記撥水砂層は、平均粒径が５０μｍ以上５００μｍ以下の砂粒子で構成されている、請求項１に記載の集水構造体。
【請求項３】
前記第１土壌層の表面から前記導水帯部まで前記第１土壌層内で上下方向に延び、礫で構成される縦排水孔部をさらに備える、
請求項１又は２に記載の集水構造体。
【請求項４】
前記第１土壌層に前記縦排水孔部を複数個備え、
前記複数個の縦排水孔部のうち、上流側に配置された前記縦排水孔部の横断面積に比較して、下流側に配置された前記縦排水孔部の横断面積が大きい、請求項３に記載の集水構造体。
【請求項５】
前記縦排水孔部の礫の大きさが、中心側の礫に対して外側の礫が小さく、前記外側の礫の平均の粒子径が１ｃｍ以上５ｃｍ以下であり、前記中心側の礫の平均の粒子径が２ｃｍ以上１０ｃｍ以下であり、かつ前記外側の礫の平均の粒子径より前記中心側の礫の平均の粒子径が大きい、請求項３又は４に記載の集水構造体。
【請求項６】
前記遮水壁の上流側に、下端が前記導水帯部と接触するように礫を空積みした導水壁をさらに備える、
請求項１又は２に記載の集水構造体。
【請求項７】
前記遮水壁の上流側に、下端が前記導水帯部と接触するように礫を空積みした導水壁をさらに備える、
請求項３に記載の集水構造体。
【請求項８】
前記導水壁は、上流側の礫で構成する層と、下流側の礫で構成する層との２層構造で構成され、
前記上流側の礫の平均の粒子径が５ｃｍ以上１５ｃｍ以下であり、前記下流側の礫の平均の粒子径が１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、かつ前記上流側の礫の平均の粒子径より前記下流側の礫の平均の粒子径が大きく構成する
請求項６に記載の集水構造体。
【請求項９】
前記撥水砂層と前記第１の土壌層との間に設けた前記導水帯部の、下流側から見た境界面が、前記導水帯部に向けてＶ字状に傾斜した一対の斜面となるように前記撥水砂層の前記上面が構成されている、請求項６に記載の集水構造体。
【請求項１０】
前記導水帯部の前記礫層は、上側の礫の層と、下側の礫の層とを有する少なくとも２層で構成され、前記下側の礫の層の礫の平均直径が５ｃｍ以上１５ｃｍ以下であり、前記上側の礫の層の礫の平均直径が１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、前記下側の礫の平均直径より前記上側の礫の平均直径が大きい請求項１に記載の集水構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、土壌層内を降下浸透した水を効率良く回収可能とする集水構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
主に、降水の少ない地域において、貴重な水資源を有効に利用するため、地下に浸透する水を人工的に回収して再利用することが行われている。従来の集水システムでは、農地等の地表面に降った降水又は供給された灌漑水を、傾斜した遮水層により回収して貯水する際に、防水シート等が使用されている。【０００３】
たとえは、特許文献１は、傾斜を持たせた遮水層により集水及び給水するシステムとして、遮水層を設置するものである。また、特許文献２は、遮水性材料により傾斜した底壁及び側壁を設けて水の流路を制限することで、傾斜土壌中に水を流して水質浄化を行うものである。特許文献１及び特許文献２では、遮水層が防水シート等から構成されており、土木工事の際の振動又は地震等の地盤変化の際に、遮水層が破壊されて自己修復ができない。【０００４】
一方、土壌構造の中に疎水性粒子からなる疎水層を地表から所定の深さの土壌中に設けることで、土壌中における蒸発量を抑制することで土壌水分量を制御するものが、特許文献３に述べられており、土壌構造の中に疎水性粒子からなる疎水層を設けることで、土壌中の蒸発を抑制するものである。特許文献４は、植物を栽培する土壌中又はその下層に撥水性粒子からなる撥水層を設けることで地下水の毛管上昇を抑制し、塩害を防止するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−８８９３０号公報
【特許文献２】特許第３０７６０２４号公報
【特許文献３】特許第２９０９８６０号公報
【特許文献４】特許第２９０９８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の集水システムでは、農地等の地表面に降った降水又は供給された灌漑水を傾斜した遮水層により回収して貯水する際に、防水シート等が使用されている。防水シートでは、経年変化による劣化、土木工事、営農の際の重機の荷重又は振動、又は、地震等の地盤変化の際に破壊されてしまうと、遮水機能が損なわれてしまう。【０００７】
従って、本発明の目的は、土木工事等により破壊されにくく、降下浸透した水を効率良く回収可能とする集水構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の１態様に係る集水構造体は、第１の土壌層と前記第１の土壌層の下側の第２の土壌層との間で上流側から下流側に向かって集水する集水構造体であって、
前記第２の土壌層の上に、上面が上流側から下流側に向かって下方に傾斜するように配置され、かつ、撥水処理されている複数の粒子で構成されている撥水砂層と、
前記撥水砂層の前記上面上に上流側の端部から下流側の端部に向かって下方に傾斜するように配置され、前記撥水砂層の前記撥水処理されている複数の前記粒子より大きな直径を有する複数の礫で構成されている礫層と、前記撥水砂層と前記第１の土壌層との間に、上流側の端部から下流側の端部に向かって下方に傾斜するような水抜き穴が内部に構成されている暗渠とを有し、前記撥水砂層の前記上面上でかつ前記第１の土壌層の下に配置され、前記第１の土壌層から前記礫層又は前記暗渠の前記水抜き穴内に流れ込んだ水が、上流側の端部から下流側の端部に向かう方向に流れる導水帯部と、
少なくとも前記導水帯部の前記下流側の端部の周囲を覆うように配置され、かつ前記暗渠が貫通する貫通穴を有する遮水壁と、
前記遮水壁の前記貫通孔を貫通した前記暗渠の前記水抜き穴から排出される水を溜める貯水容器とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の前記態様に係る集水構造体は、遮水層として防水シート等を用いる場合と比較すると、撥水砂を使用することで、土木工事、営農の際の重機の荷重又は振動、又は、地震等の地盤変化に対して破壊されにくい効果がある。また、第１の土壌層中を降下浸透した水が、撥水砂層の上面上に溜まるとともに、撥水砂層の上面上の導水帯部内に流れ込む。導水帯部は、上流側の端部から下流側の端部に向かって下方に傾斜するように配置されているため、導水帯部内に流れ込んだ水は、暗渠の水抜き穴内を下流側に向けて流れ、遮水壁を貫通する暗渠の水抜き穴から排出されて、貯水容器に溜めることができる。よって、土壌層中を降下浸透した水を、効率良く回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１Ａ】図１Ａは、上下の土壌層の間に傾斜を設けて撥水砂からなる遮水層を設置し、撥水砂層と上側の土壌層との間に設けた礫層又は暗渠の少なくとも一つ又は両方からなる導水帯部を設置し、傾斜の下流側に遮水壁を設け、上側の土壌層中を透過した水を傾斜した導水帯部を流して、導水帯部の下流側に接続するように遮水壁に設けた水抜き穴から、水を集水する、本発明の実施形態にかかる集水構造体を示す縦断面側面図であり、
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ線沿いの横断面図であって、集水構造体が複数個配置されかつ第１の土壌層が取り除かれた状態を示す平面図であり、
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａの集水構造体の暗渠の縦断面拡大図であり、
【図２】図２は、下流側から見た集水構造体を示す図であり、
【図３】図３は、土壌層表面に溜まる表面水を排出するために、礫からなる縦排水孔部を設けた集水構造体を示す図であり、
【図４】図４は、礫からなる縦排水孔部の拡大図であり、
【図５】図５は、水が下側に落下するように、遮水壁の上流側に、礫を空積みして設けた導水壁を有する集水構造体を示す図であり、
【図６】図６は、導水壁の礫の大きさが、上流側が小さく、下流側が大きい集水構造体を示す図であり、
【図７】図７は、下流側から見た図で、水抜き穴に合わせて貯水容器を設置し、貯水容器に水が集水するように、撥水砂層と、上の土壌層との間に設けた導水帯部との境界面が、斜面状である導水帯部を示す図であり、
【図８】図８は、撥水砂層と上の土壌層との間に設けた導水帯部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
【００１２】
まず、本発明者らが従来技術を研究することによって得られた、本発明の基礎となった知見を説明する。
【００１３】
従来の集水システムでは、農地等の地表面に降った降水又は供給された灌漑水を傾斜した遮水層により回収して貯水する際に、防水シート等が使用されている。防水シートでは、経年変化による劣化、土木工事、営農の際の重機の荷重又は振動、又は、地震等の地盤変化の際に破壊されてしまうと遮水機能が損なわれてしまうだけでなく、破壊箇所の特定が困難であることから、修復するためには比較的大規模な工事が必要である。一方、撥水性粒子を用いて、土壌水分量の制御又は塩害を防止する方法では、撥水性粒子からなる層により水の上下方向の移動を遮ることができるが、土壌上部から浸透した水を集水することができない。
【００１４】
前記従来の課題を解決するために、本発明における集水構造体は、  以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１５】
本発明の第１態様によれば、第１の土壌層と前記第１の土壌層の下側の第２の土壌層との間で上流側から下流側に向かって集水する集水構造体であって、
前記第２の土壌層の上に、上面が上流側から下流側に向かって下方に傾斜するように配置され、かつ、撥水処理されている複数の粒子で構成されている撥水砂層と、
前記撥水砂層の前記上面上に上流側の端部から下流側の端部に向かって下方に傾斜するように配置され、前記撥水砂層の前記撥水処理されている複数の前記粒子より大きな直径を有する複数の礫で構成されている礫層と、前記撥水砂層と前記第１の土壌層との間に、上流側の端部から下流側の端部に向かって下方に傾斜するような水抜き穴が内部に構成されている暗渠とを有し、前記撥水砂層の前記上面上でかつ前記第１の土壌層の下に配置され、前記第１の土壌層から前記礫層又は前記暗渠の前記水抜き穴内に流れ込んだ水が、上流側の端部から下流側の端部に向かう方向に流れる導水帯部と、
少なくとも前記導水帯部の前記下流側の端部の周囲を覆うように配置され、かつ前記暗渠が貫通する貫通穴を有する遮水壁と、
前記遮水壁の前記貫通孔を貫通した前記暗渠の前記水抜き穴から排出される水を溜める貯水容器とを備える、集水構造体を提供する。
【００１６】
前記態様によれば、第１の土壌層中を降下浸透した水が、撥水砂層の上面上に溜まるとともに、撥水砂層の上面上の導水帯部内に流れ込む。導水帯部は、上流側の端部から下流側の端部に向かって下方に傾斜するように配置されているため、導水帯部内に流れ込んだ水は、暗渠の水抜き穴内を下流側に向けて流れ、遮水壁を貫通する暗渠の水抜き穴から排出されて、貯水容器に溜めることができる。よって、土壌層中を降下浸透した水を、効率良く回収することができる。また、遮水層として防水シート等を用いる場合と比較すると、撥水砂を使用することで、土木工事、営農の際の重機の荷重又は振動、又は、地震等の地盤変化に対して破壊されにくい効果がある。
【００１７】
本発明の第２態様によれば、前記撥水砂層は、平均粒径が５０μｍ以上５００μｍ以下の砂粒子で構成されている、第１態様に記載の集水構造体を提供する。
【００１８】
前記態様によれば、平均粒径が５０μｍ未満の砂粒子は製造が困難であるため、実用的ではない。５００μｍを越える砂粒子は、耐水圧が１０ｃｍ以下であるため、撥水砂層としての十分な遮水機能を発揮することができない。
【００１９】
本発明の第３態様によれば、前記第１土壌層の表面から前記導水帯部まで前記第１土壌層内で上下方向に延び、礫で構成される縦排水孔部をさらに備える、
第１又は２態様に記載の集水構造体を提供する。
【００２０】
前記態様によれば、縦排水孔部により、第１の土壌層の表面に溜まる表面水を導水帯部まで導いて排出し回収することができる。
【００２１】
本発明の第４態様によれば、前記第１土壌層に前記縦排水孔部を複数個備え、
前記複数個の縦排水孔部のうち、上流側に配置された前記縦排水孔部の横断面積に比較して、下流側に配置された前記縦排水孔部の横断面積が大きい、第３態様に記載の集水構造体を提供する。
【００２２】
前記態様によれば、導水帯部が傾斜していることから、導水帯部と土壌表面との距離が下流側の方が上流側より長いために、傾斜上流側の縦排水孔部より下流側の縦排水孔部が長くても、前記した構成により断面積が大きくなり、流路抵抗が小さくなることから、下流側の縦排水孔部でも水を流れやすくすることができる。
【００２３】
本発明の第５態様によれば、前記縦排水孔部の礫の大きさが、中心側の礫に対して外側の礫が小さく、前記外側の礫の平均の粒子径が１ｃｍ以上５ｃｍ以下であり、前記中心側の礫の平均の粒子径が２ｃｍ以上１０ｃｍ以下であり、かつ前記外側の礫の平均の粒子径より前記中心側の礫の平均の粒子径が大きい、第３又は４態様に記載の集水構造体を提供する。
【００２４】
前記態様によれば、縦排水孔部を構成する礫の大きさを、外側の礫が小さく、中心側の礫が大きくなるようにすることで、周囲の土壌層から縦排水孔部に土壌等が入って排水孔部を塞ぐことを防止するとともに、中心側の礫が大きいことで、空隙が大きく保つことができるので、水が通りやすく排水を容易にすることができる。
【００２５】
本発明の第６態様によれば、前記遮水壁の上流側に、下端が前記導水帯部と接触するように礫を空積みした導水壁をさらに備える、
第１又は２態様に記載の集水構造体を提供する。
【００２６】
前記態様によれば、導水壁を構成することで、遮水壁の近傍でかつ第１の土壌層の下流側に集まる水を、導水壁を通して、さらに下方に流すことが可能になる。
【００２７】
本発明の第７態様によれば、前記遮水壁の上流側に、下端が前記導水帯部と接触するように礫を空積みした導水壁をさらに備える、
第３態様に記載の集水構造体を提供する。
【００２８】
前記態様によれば、導水壁を構成することで、遮水壁の近傍でかつ第１の土壌層の下流側に集まる水を、導水壁を通して、さらに下方に流すことが可能になる。
【００２９】
本発明の第８態様によれば、前記導水壁は、上流側の礫で構成する層と、下流側の礫で構成する層との２層構造で構成され、
前記上流側の礫の平均の粒子径が５ｃｍ以上１５ｃｍ以下であり、前記下流側の礫の平均の粒子径が１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、かつ前記上流側の礫の平均の粒子径より前記下流側の礫の平均の粒子径が大きく構成する
第６態様に記載の集水構造体を提供する。
【００３０】
前記態様によれば、上流側の礫が小さく、下流側の礫が大きくなるようにすることで、上流側の土壌層から導水壁に土壌等が入って導水壁を塞ぐことを防止するとともに、下流側の礫が大きいことで空隙が大きく保つことができるので、水が通りやすく排水を容易にすることができる。
【００３１】
本発明の第９態様によれば、前記撥水砂層と前記第１の土壌層との間に設けた前記導水帯部の、下流側から見た境界面が、前記導水帯部に向けてＶ字状に傾斜した一対の斜面となるように前記撥水砂層の前記上面が構成されている、第６態様に記載の集水構造体を提供する。
【００３２】
前記態様によれば、撥水砂層と導水帯部との境界面を斜面状とすることで、撥水砂層の上の傾斜に沿って、導水帯部の暗渠の水抜き穴に向かって水が流れるため、水の回収をより一層効率良く行うことが可能となる。
【００３３】
本発明の第１０態様によれば、前記導水帯部の前記礫層は、上側の礫の層と、下側の礫の層とを有する少なくとも２層で構成され、前記下側の礫の層の礫の平均直径が５ｃｍ以上１５ｃｍ以下であり、前記上側の礫の層の礫の平均直径が１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、前記下側の礫の平均直径より前記上側の礫の平均直径が大きい第１態様に記載の集水構造体を提供する。
【００３４】
前記態様によれば、導水帯部の礫層が少なくとも２層で構成されるようにして、礫層を、撥水砂層側の礫と、撥水砂層側の礫よりも上側の礫との２層構成とする。そして、撥水砂層側の礫の平均直径が小さく、撥水砂層側の礫よりも上側の礫の平均直径が大きくすることで、砂と礫との接触面積が大きくなり、撥水砂層の撥水砂が動きにくくなるとともに、導水帯部の礫層の礫の空隙を保持することができるため、水の流れを容易にすることが可能となる。
【００３５】
以下、本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。
【００３６】
（実施の形態） 
図１Ａに、集水構造体９０の縦断面側面図を示す。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ線沿いの横断面図であって、集水構造体９０が複数個（一例として、図１Ｂでは、３個）配置されかつ第１の土壌層が取り除かれた状態を示す平面図である。集水構造体９０は、一例として、等間隔で互いに平行に配置されている。図１Ｃは、図１Ａの集水構造体９０の暗渠１２の縦断面拡大図である。
【００３７】
図１Ａ及び図１Ｂに示す各集水構造体９０は、撥水砂層１０と、導水帯部２０と、遮水壁３０と、水抜き筒部(水抜き管、又は、水抜き穴)４０とを少なくとも備える。集水構造体９０は、雨又は人工的に土壌層に供給された水を集水する。集水構造体９０は、土壌層の内部であり、かつ、水が供給される土壌層の下に位置する。
【００３８】
なお、本明細書では、集水構造体９０の下側に位置する土壌の層を「第２の土壌層」２と表記し、水が供給されかつ集水構造体９０の上側に位置する土壌の層を「第１の土壌層」１と表記する。従って、集水構造体９０は、上側の第１の土壌層１と下側の第２の土壌層２との間（境界部）に配置されることになる。
【００３９】
＜撥水砂層１０＞ 
図１Ａ及び図１Ｂに示す集水構造体９０は、第１の土壌層１に供給された水が、第１の土壌層１の外部に排出される水を集水している。そのため、第１の土壌層１に供給された水が外部に排出されるように、第１の土壌層１と第２の土壌層２との間に、撥水砂で構成されている遮水層である撥水砂層１０が、一端部が他端部に対して下向きの傾斜を有するように設置している。撥水砂層１０が、下向きの傾斜を有することにより、重力に応じて、水は撥水砂層１０により下方へと移動し、撥水砂層１０から外部に排出される。ここで、「傾斜」とは、重力方向に対して傾いていること意味する。
【００４０】
傾斜をするように配置されている撥水砂層１０のうち、上方に位置する端部を「第１の端部」１０ａと表記し、下方に位置する端部を「第２の端部」１０ｂと表記する。つまり、第２の土壌層２の上面２ａ上に、第１の端部１０ａから第２の端部１０ｂに向かって下方向きに傾斜するように撥水砂層１０が配置されている。言い換えれば、一例として、撥水砂層１０は、上下方向の層厚さは一定に構成することにより、撥水砂層１０の上面１０ｃ及び下面１０ｄが、第２の土壌層２の上面２ａと同様に、第１の端部１０ａから第２の端部１０ｂに向かって下方向きに傾斜するように配置されている。ここで、撥水砂層１０の上面１０ｃは、必ず、第１の端部１０ａから第２の端部１０ｂに向かって下方向きに傾斜するように配置されていることが重要であるが、撥水砂層１０の下面１０ｄ及び第２の土壌層２の上面２ａは、必ずしも、第１の端部１０ａから第２の端部１０ｂに向かって下方向きに傾斜するように配置する必要はない。すなわち、撥水砂層１０の層厚さを変えて形成できる場合には、撥水砂層１０の下面１０ｄ及び第２の土壌層２の上面２ａは、撥水砂層１０の上面１０ｃと同様に傾斜させる必要はない。
【００４１】
一例として、撥水砂層１０の層厚さは、１ｃｍ以上でかつ１０ｃｍ以下とし、傾きは、１０００分の１以上でかつ１００分の３以下とする。
【００４２】
「撥水砂」とは、その表面が撥水処理された複数の粒子を意味する。粒子とは、砂、シルト、及び粘土を含む。砂とは、０．０７５ｍｍより大きく２ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。シルトとは、０．００５ｍｍより大きく０．０７５ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。粘土とは、０．００５ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。
【００４３】
表面が撥水処理されている粒子とは、例えば、クロロシラン系材料、又は、アルコキシシラン系材料などで表面を撥水処理されている粒子である。
【００４４】
クロロシラン系材料の例は、ヘプタデカフルオロ−１，１，２，２−テトラハイドロデシルトリクロロシラン、又はノルマルオクタデシルジメチルクロロシランである。アルコキシシラン系材料の例は、ノルマルオクタデシルトリメトキシシラン、又はノナフルオロヘキシルトリエトキシシランである。
【００４５】
撥水処理されている粒子の材料は、例えば、土壌、又は、ガラスビーズである。土壌とは、無機物、コロイド状の無機物、粗大有機物、又は、微生物などの分解作用などによって変質して生じる有機物などを含む。
【００４６】
＜導水帯部２０＞ 
導水帯部２０は、撥水砂層１０と撥水砂層１０の上側の第１の土壌層１との間に設けた、礫層１１又は暗渠１２の少なくとも一つ又は両方で構成され、かつ、傾斜して設置されている。導水帯部２０は、撥水砂層１０と同様の方向に下向きに傾斜を有する。一例として、導水帯部２０は、同じ厚さ寸法で構成され、導水帯部２０の長手方向が撥水砂層１０の上面と平行に配置されて傾斜している。
【００４７】
導水帯部２０のうち、撥水砂層１０の第１の端部１０ａの上方に位置する部分を「第３の端部」２０ａと表記し、撥水砂層１０の第２の端部１０ｂの上方に位置する部分を「第４の端部」２０ｂと表記する。
【００４８】
礫層１１とは、２ｍｍより大きく７５ｍｍ以下の粒子径を有する粒子の礫を複数個集めて形成された層である。これらの複数の礫は、撥水砂層１０の撥水処理されている複数の粒子より大きな直径（例えば平均直径）を有する複数の礫である。
【００４９】
暗渠１２は、例えば、軸方向に貫通した水抜き穴４０の周囲を囲む円筒形状の筒体（管）、例えばコンクリート管等で構成する。図１Ｃに示すように、暗渠１２の管周壁の上半分側には多数の貫通孔１２ａが貫通形成されて、管周壁の下半分には貫通孔１２ａは全く形成されていない。よって、多数の貫通孔１２ａを通って暗渠１２の水抜き穴４０内に入った水４３が、水抜き穴４０内に集められ、水抜き穴４０により、下側に向けて流れて、すなわち、貯水容器５０に向けて流れて、貯水容器５０に回収されるように構成している。
【００５０】
一例として、導水帯２０の礫層１１は、１ｃｍ以上５ｃｍ以下の厚さを有し、暗渠１２は、５ｃｍ以上２０ｃｍ以下の厚さを有する。また、一例として、傾きは、１０００分の１以上でかつ１００分の３以下とする。
【００５１】
図１Ａでは、一例として、暗渠１２の上下左右に、一定厚みの礫層１１が配置されているが、これに限られるものではなく、例えば、暗渠１２の下側に礫層１１を配置しなくてもよい。なお、暗渠１２の下側に礫層１１中に流れる水を、暗渠１２の水抜き穴４０内に回収するため遮水壁３０付近では、暗渠１２の下側及び側部にも貫通孔１２ａを形成したりしてもよい。
【００５２】
＜遮水壁３０、貯水容器５０＞ 
導水帯部２０で集めた水を貯水容器５０に排出するとき、導水帯部２０以外からも排出されるのを規制するため、遮水壁３０を配置している。すなわち、導水帯部２０の傾斜の下流側（第４の端部２０ｂの端縁）には、第４の端部２０ｂの礫層１１及び周囲の第１土壌層１に接触して遮水壁３０を設ける。遮水壁３０には、導水帯部２０の第４の端部２０ｂの暗渠１２が貫通する貫通穴３０ａが形成され、第４の端部２０ｂの暗渠１２が貫通穴３０ａを貫通して貯水容器５０側に突き出ている。このように、暗渠１２が、遮水壁３０を貫通して貯水容器５０側に突出することにより、水抜き穴４０内に集めた水を貯水容器５０に確実に排出可能としている。遮水壁３０は、水を遮断する機能を有する材料ならぱ、任意の材料で構成することができる。従って、遮水壁３０の貫通穴３０ａに連結された導水帯部２０の第４の端部２０ｂの暗渠１２以外の部分、例えば、導水帯部２０の第４の端部２０ｂの礫層１１内を流れる水及び遮水壁３０に隣接している第１土壌層１内を流れる水は、遮水壁３０を通過することができずに、遮水壁３０の内側（貯水容器５０とは反対側）に一旦溜まり、暗渠１２の貫通孔１２ａを通って水抜き穴４０内に回収されたのち、水抜き穴４０から遮水壁３０の貫通穴３０ａを通過して貯水容器５０内に回収される。
【００５３】
図１Ｂでは、一例として、第１土壌層１の貯水容器５０側の端部では、３個の集水構造体９０のそれぞれの導水帯部２０の第４の端部２０ｂの暗渠１２側の周囲を、その周りの礫層１１及び第１土壌層１と共に遮水壁３０で覆っている。また、第１土壌層１の両側部では、導水帯部２０の第４の端部２０ｂ側から集水構造体９０の長手方向の中央部付近若しくはそれ以上の長さまで、３個の集水構造体９０のうちの両端の集水構造体９０とは一定間隔をあけて、それらの側部を囲むように、遮水壁３０で覆っている。従って、この図１Ｂでは、平面的に見れば、第１土壌層１に対して遮水壁３０はＣ字状に配置されている。
【００５４】
なお、一例として、遮水壁３０の側面の長さは、少なくとも下流側の面の長さよりも大きくなるように構成する。
【００５５】
よって、導水帯部２０外で第１の土壌層１又は撥水砂層１０上を流下した水、及び、傾斜した導水帯部２０の礫層１１中を流れる水を、遮水壁３０で一旦集めて、暗渠１２内から水抜き穴４０内に集めることができるようにしている。水抜き穴４０内を流れていた水及び遮水壁３０で一旦集めて暗渠１２内から水抜き穴４０内に集められた水は、遮水壁３０を貫通して設けた暗渠１２の水抜き穴４０を通じて、貯水容器５０に排出されて、貯水容器５０で水を集める。図１Ａ及び図１Ｂでは、水抜き穴４０は暗渠１２で構成されて、遮水壁３０の貫通穴に暗渠１２の一端が連結され、暗渠１２の水抜き穴４０に集水した水が貯水容器５０内に排出されている状態を示している。このように構成して、暗渠１２の水抜き穴４０以外の部分から水が外部に排出されないように、遮水壁３０を、導水帯部２０の第４の端部２０ｂの礫層１１を含む集水構造体９０の下端部周囲及びその周囲の第１土壌層１まで、面全体に配置することが実用的であり、集水効率が良い。なお、面全体に配置することの意味は、水抜き穴４０以外の部分から水が外部に排出されないことを意味し、必ずしも第１の土壌層１の端面全体などを覆う壁を形成する必要は無い。
【００５６】
一例として、水抜き穴４０から出た水を集水するために、暗渠１２の下端の下側には、貯水容器５０を設置する。又は、貯水容器５０ではなく、暗渠１２の下端の水抜き穴４０から排出された水が、集水した水を利用する、第１の土壌層１又は別の土壌層など、必要な部分に直接供給される構成でも良い。貯水容器５０等の、水を集水する構成を貯水部とも表記する。
【００５７】
図１Ｂに示すように、導水帯部２０は、１個のみ配置するものに限らず、互いに間隔をあけて複数個配置されていても良い。また、図２に示すように、複数個の導水帯部２０（点線参照）の下流側に接続するように、遮水壁３０には水抜き穴４０を複数個（図２では３個）設けても良い。また、貯水容器５０も水抜き穴４０から出た水を溜めることができれば良く、数は一つでも複数でもかまわない。すなわち、図２では、１つの水抜き穴４０に対して１つの貯水容器５０を対応させて配置した状態を示しているが、例えば、複数の水抜き穴４０に対して１つの貯水容器５０を対応させて配置してもよい。
【００５８】
一方、一例として、撥水砂の砂粒子の平均粒径は、５０μｍ以上５００μｍであることが実用的である。この砂粒子の表面を撥水性の材料でで被覆することにより、優れた撥水性を示す撥水砂となる。さらに、一例として、砂粒子を豊浦砂とすることで、豊浦砂の砂粒子の表面を有機分子部で被覆された撥水砂を提供することができ、このような撥水砂からなる撥水砂層は、遮水層としての優れた機能を発揮するため、集水構造体９０を構成することができる。
【００５９】
次に、実施形態の１つの変形例として、第１の土壌層１の表面３に溜まる表面水を排出するために、図３に示すように、導水帯部２０と第１の土壌層１の表面３との間に、第１の土壌層１を上下方向に貫通しかつ礫で構成される縦排水孔部１００を１個又は複数個設置する。排水孔部１００自体は、例えば円柱形状などの棒状に構成されて撥水機能を有する層（部分）である。撥水機能を有する層の例は、礫などの複数の疎水性粒子で構成されている層である。縦排水孔部１００（１０１，１０２）は複数あっても良い。
【００６０】
また、図３に示すように、傾斜上流側の縦排水孔部１０１に比較して、下流側の縦排水孔部１０２の上下方向と直交する横断面積を大きくする（縦排水孔１０２の直径を大きくする）ように構成してもよい。このように構成することにより、導水帯部２０が傾斜していることから、導水帯部２０と土壌表面３との距離が下流側の方が上流側より長いために、傾斜上流側の縦排水孔部１０１より下流側の縦排水孔部１０２が長くても、前記した構成により断面積が大きくなり、流路抵抗が小さくなることから、下流側の縦排水孔部１０２でも水を流れやすくすることができる。
【００６１】
一例として、縦排水孔部１００の直径は、５ｃｍ以上１０ｃｍ以下とする。
【００６２】
また、実施形態の別の変形例として、排水孔部１００を２種類の礫で構成するようにしてもよい。すなわち、それぞれの縦排水孔部１００Ａについての縦断面の拡大図は、図４に示すように、縦排水孔部１００Ａを構成する礫の大きさを、外側の礫１１０が小さく、中心側の礫１１１が大きくなるように構成している。このように構成することで、周囲の土壌層４から縦排水孔部１００Ａに土壌等が入って排水孔部１００Ａを塞ぐことを防止するとともに、中心側の礫１１１が大きいことで、空隙が大きく保つことができるので、水が通りやすく排水を容易にすることができる。この場合の礫の大きさとしては、一例として、外側の礫１１０の平均の粒子径（直径）が１ｃｍ以上５ｃｍ以下であり、中心の礫１１１の平均の粒子径（直径）が２ｃｍ以上１０ｃｍ以下であり、かつ外側の礫１１０の平均の粒子径より中心の礫１１１の平均の粒子径が大きくなるように構成する。また、一例として、中心の礫１１１が配置されている領域の半径：外側の礫１１０が配置されている領域の半径は４．５：０．５とする。
【００６３】
また、実施形態のさらに別の変形例として、図５に示すように、遮水壁３０の上流側の近傍でかつ遮水壁３０の上流側の面と平行な仮想面に沿って、導水帯部２０上から第１土壌層１の表面まで、礫を空積みした導水壁６０を設けている。導水壁６０の下端は、導水帯部２０（例えば、礫層１１）と接触している。このように導水壁６０を構成することで、遮水壁３０の近傍でかつ第１の土壌層１の下流側に集まる水を、導水壁６０を通して、さらに下方に流すことが可能になる。導水壁６０を伝って、撥水砂層１０とその上の第１の土壌層１との間に設けた導水帯部２０まで降下した水は、導水帯部２０の暗渠１２の貫通孔１２ａから水抜き穴４０内に入り、水抜き穴４０を通って、傾斜した下流側に流れて貯水容器５０に回収されるため、効率良く水の回収が可能となる。
【００６４】
さらに、導水壁６０として、大きさが５〜２０ｃｍの礫を空積みして構成することで、礫の間の空隙を十分に保つことができるため、水を降下させることが容易となり、水の回収を効率良く行うことが可能となる。
【００６５】
また、実施形態のさらに別の変形例として、導水壁６０Ａを、上流側の礫６１で構成する層と、下流側の礫６２で構成する層との２層構造にしてもよい。すなわち、図６に示すように、導水壁６０Ａを構成する礫としては、上流側の礫６１が小さく、下流側の礫６２が大きくなるようにすることで、上流側の土壌層１から導水壁６０に土壌等が入って導水壁６０を塞ぐことを防止するとともに、下流側の礫６２が大きいことで空隙が大きく保つことができるので、水が通りやすく排水を容易にすることができる。この場合の礫の大きさとしては、一例として、上流側の礫６１の平均の粒子径（直径）が５ｃｍ以上１５ｃｍ以下であり、下流側の礫６２の平均の粒子径（直径）が１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、かつ上流側の礫６１の平均の粒子径より下流側の礫６２の平均の粒子径が大きくなるように構成する。
【００６６】
また、実施形態のさらに別の変形例として、撥水砂層１０の上面１０ｃを、平面ではなく、導水帯部２０に対して縦断面Ｖ字状に屈曲した２つの傾斜面１０ｅで構成するようにしてもよい。すなわち、遮水壁３０を取り除いて下流側から見た状態を図７として示すように、集水するために導水帯部２０の水抜き穴４０に合わせて、貯水容器５０を設置してもかまわない。このように、撥水砂層１０と導水帯部２０との境界面１０ｅを斜面状とすることで、撥水砂層１０の上の傾斜に沿って、導水帯部２０の暗渠１２の水抜き穴４０に向かって水が流れるため、水の回収をより一層効率良く行うことが可能となる。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、撥水砂層１０と導水帯部２０との境界から、撥水砂層１０の撥水砂が導水帯部の礫層１１内に入り込むことにより、砂と礫との接触面積が大きくなり、撥水砂層１０の撥水砂が動きにくくなる効果がある。
【００６７】
さらに、図８の撥水砂層１０と礫層１１との拡大図に示すように、導水帯部２０の礫層１１が少なくとも２層で構成されるようにしてもよい。すなわち、礫層１１を、撥水砂層１０側の礫１２０と、礫１２０よりも上側の礫１２１との２層構成とする。そして、撥水砂層１０側の礫１２０の平均直径が小さく、上側の礫１２１の平均直径が大きくすることで、砂と礫との接触面積が大きくなり、撥水砂層１０の撥水砂が動きにくくなるとともに、導水帯部２０の礫層１１の礫の空隙を保持することができるため、水の流れを容易にすることが可能となる。この場合の礫の大きさとしては、一例として、撥水砂層側の礫１２０の平均の粒子径（直径）が５ｃｍ以上１５ｃｍ以下であり、上側の礫１２１の平均の粒子径（直径）が１０ｃｍ以上２０ｃｍ以下であり、かつ撥水砂層側の礫１２０の平均の粒子径より上側の礫１２１の平均の粒子径が大きくなるように構成する。
【００６８】
前記実施形態によれば、地表面から第１の土壌層１中を降下浸透した水が、撥水砂層１０の上面１０ｃ上に溜まるとともに、撥水砂層１０の上面１０ｃ上の導水帯部２０内に流れ込む。導水帯部２０は、上流側の端部２０ａから下流側の端部２０ｂに向かって下方に傾斜するように配置されているため、導水帯部２０内に流れ込んだ水は、暗渠１２の水抜き穴４０内を下流側に向けて流れ、遮水壁３０を貫通する暗渠１２の水抜き穴４０から排出されて、貯水容器５０に溜めることができる。
【００６９】
すなわち、地表面３から第１土壌層１中に降下浸透した水を、上面１０ｃに傾斜をつけて地中に設置した撥水砂で構成される撥水砂層１０で遮断して、撥水砂層１０より下方に流れ落ちないようにする。このため、撥水砂層１０で遮断された水は、撥水砂層１０の上面１０ｃ上の導水帯部２０を流れて、導水帯部２０の下流側に流下する。導水帯部２０の下流側に設置された遮水壁３０により、暗渠１２以外の導水帯部２０及び撥水砂層１０を通って流下した水を堰き止めて、暗渠１２で集水した水のみを、遮水壁３０の貫通穴３０ａを通して貯水容器５０に回収することが可能となる。
【００７０】
よって、土壌層１中を降下浸透した水を、効率良く回収することができる。
【００７１】
また、従来技術の傾斜構造により水を回収するシステムにおいて、遮水層に用いられる防水シート等と比較すると、遮水層として撥水砂を使用して撥水砂層１０として構成することで、土木工事又は営農の際の重機の荷重又は振動、地震等の地盤変化に対して破壊されにくく、自己修復する効果がある。すなわち、例えば、撥水砂層１０の一部が破壊されて穴が形成されたとしても、破穴の周囲の撥水砂が、穴内に流れ込んで、穴が撥水砂で埋まり、撥水砂層１０が自己修復することができる。また、地下水位が上昇した場合、撥水砂層１０によって、撥水砂層１０よりも下からの毛管水上昇を遮断することができるため、塩害防止効果がある。導水帯部２０として礫層１１を使用する場合、導水帯部２０の上部の第１土壌層１の土壌と礫層１１の粒子との粒径の違いからキャピラリーバリア効果が生じることにより、農地として利用する際には、作土層に適度に水を保持することが可能となる。さらに、撥水砂層１０によって、硝酸性窒素等の肥料成分を含んだ水の地下水への降下浸透を防止するため、地下水汚染の防止効果が期待されるだけでなく、回収された水には肥料成分が含まれるため、その水を灌漑用水として利用した場合、肥料の効率的な使用が可能となる。
【００７２】
以下に、実施例及び比較例を示して、本発明をより詳細に説明する。
【００７３】
（実施例１）
（撥水砂層を用いた集水構造体に関する室内実験） 
砂粒子として豊浦砂を使用し、（ヘプタデカフルオロ−１、１、２、２−テトラヒドロデシル）トリクロロシラン、ＣＦ３（ＣＦ２）７（ＣＨ２）２ＳｉＣｌ３）により撥水処理したものを撥水砂として使用した。底に穴の空いたアクリル水槽に、下から砂利、真砂土（第２土壌層に相当）、撥水砂（撥水砂層に相当）、培養土（第１土壌層に相当）を順に層状に充填する。その際、撥水砂層は傾斜するように敷詰め、アクリル水槽の下流端には排水孔を設置した。その後、アクリル水槽の上部から均等に水を散布し、土中を水が降下浸透していく様子を観察した。このとき、導水帯部２０は特に設けていなかった。
【００７４】
実験終了時の撥水砂層を設置した水槽では、アクリル水槽の横の水槽に、排水孔を通して水が排出されているのが確認できた。また、アクリル水槽の下部の容器には水が貯まっておらず、撥水砂層又はその下の真砂土の色が変化していないことからも、撥水砂層によって降下浸透が遮断されていることが確認できた。
【００７５】
（比較例１） 
撥水砂の代わりに、撥水処理していない豊浦砂を通常砂層として使用した以外には、実施例１と同様にして、実験を行った。実験終了時の通常砂層を設置した水槽では、浸透した水が通常砂層で遮断されず、降下浸透しているため、通常砂層及び真砂土の色が変化していた。また、アクリル水槽の下部の容器に水が貯まっていること、及び、アクリル水槽の横の容器には、排水孔を通して水が排出されていないことが確認できた。
【００７６】
（実施例２） 
実施例１で使用した撥水砂層を設置した水槽について、台に乗せた上で振動を与えたところ、外観上、撥水砂層に変化は見られなかった。その後、実施例１と同様にして、上部から均等に水を散布し、土中を水が降下浸透していく様子を観察した結果、振動を与える前と同様の結果が得られ、振動による変化は観察されず、破壊されないことが確認できた。
【００７７】
（実施例３）
（屋外に設置した実スケールでの集水構造体）
撥水砂の施工の容易性及び集水構造体の耐久性を確認するため、５ｍ×５ｍの区画を、中央で不透水板を用いて２つの区画に分け、それぞれに撥水砂層と通常砂層を敷設した実験圃場を屋外の自然環境下に作成した。撥水砂層と通常砂層との上面の勾配は１／１００とし、その上には導水帯部としてそれぞれの区画に４本の暗渠の一例としての管と礫層の一例としての砂利層とを設置した。暗渠管の水抜き穴４０の下端に導水された水を回収するためのタンクを貯水容器５０の一例として設置した。
【００７８】
土壌表面に溜まる水を排出するために、土壌表面から暗渠用管及び砂利層に接続するように、土壌層に孔をあけて礫を充填することで、縦排水孔部を設置した。また、撥水砂層と導水帯部とに囲まれた土壌に水が貯まりやすいので、遮水壁の上流側に、礫を空積みした導水壁を設置することで、この場所の土壌中の水を降下させて、水抜き穴から水を集水しやすくできるようにした。
【００７９】
以上のような構成により、集水状況を比較すると、撥水砂層のタンクに集水した水量は、通常砂層のタンクに集水した水量より多かった。
【００８０】
（実施例４） 
（撥水砂層による海水の毛管上昇遮断実験） 
内径３４．５ｃｍ、高さ１００ｃｍのアクリル円筒に、風乾状態の通常砂及び撥水砂を充填した。カラム１には通常砂のみを充填し、カラム２とカラム３には、下から２５〜３５ｃｍに撥水砂層を設置した。さらに、カラム３には、浸透した降水が排水されるように、排水孔を設置した。また、下から１０ｃｍ、３０ｃｍ、５０ｃｍ、７０ｃｍ、９０ｃｍの高さに、体積含水率、温度、及び、電気伝導度を測定するセンサ（Ｄｅｃａｇｏｎ製５ＴＥ）を設置し、１０分間隔で測定した。アクリル円筒は屋外に設置し、センサの測定開始後、高さ１０ｃｍまで海水を貯めた状態を維持し、装置下部から海水を毛管上昇させた。
【００８１】
実験開始の２ヶ月間の電気伝導度は、いずれのカラムにおいても、１０ｃｍの高さには実験開始直後から電気伝導度が上昇しており、海水が浸入していることが分かった。通常砂のみで充填したカラム１では、３０ｃｍの高さまで海水が毛管上昇により浸透しているが、撥水砂層（２５〜３０ｃｍ）のあるカラム２とカラム３では、海水の毛管上昇は遮断されていることが分かった。
【００８２】
前記実施形態に係る集水構造体９０は、遮水層に用いられる防水シート等と比較すると、撥水砂を使用することで、土木工事、営農の際の重機の荷重又は振動、又は、地震等の地盤変化に対して破壊されにくい効果がある。
【００８３】
なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明にかかる集水構造体は、降下浸透した水を効率良く回収することを可能とする技術であり、それと同時に、降下浸透する地下水汚染物質を遮断することを可能とする技術である。前者の機能により、農業用水だけでなく、生活用水としても活用が可能であり、小規模自立分散型の集水構造体による降水の有効利用の可能性が広がる技術である。また、後者の機能により、工場又は廃棄物処理場等の地下に設置することで、地下水汚染を未然に防ぐ技術として利用可能である。【００８５】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図１Ａ】
2014050037.tif 000003
【図１Ｂ】
2014050037.tif 000004
【図１Ｃ】
2014050037.tif 000005
【図２】
2014050037.tif 000006
【図３】
2014050037.tif 000007
【図４】
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【図５】
2014050037.tif 000009
【図６】
2014050037.tif 000010
【図７】
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【図８】
2014050037.tif 000012
【国際調査報告】
2014050037.tif 000013
2014050037.tif 000014
2014050037.tif 000015
2014050037.tif 000016