(57)【要約】【課題】砂層内に形成された生物膜の破壊やシルトによる砂層の目詰まりを可及的に低減することができ、また砂層表面に堆積した懸濁物等を手間をかけずに除去することができる海水取水システムの提供。【解決手段】海底２の砂層３内に導水管１０を埋め込み、砂層３を通じて自然浸透してきた海水を、導水管１０先端の取水管１２，１４（取水部１０ａ）から取水するシステムである。取水部１０ａが形成される砂層３の水深を、当該砂層３の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動する水深よりも深く、かつ１ｃｍ以上移動する水深よりも浅くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底の砂層内に取水管を埋設して形成した取水部により、海中から当該砂層を通じて自然浸透してくる海水を取水するシステムにおいて、
前記取水部が形成される前記砂層の水深は、当該砂層の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動する水深よりも深く、かつ１ｃｍ以上移動する水深よりも浅いことを特徴とする海水取水システム。
【請求項２】
海底の砂層内に取水管を埋設して形成した取水部により、海中から当該砂層を通じて自然浸透してくる海水を取水する方法において、
前記取水部が形成される前記砂層の水深は、当該砂層の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動する水深よりも深く、かつ１ｃｍ以上移動する水深よりも浅いことを特徴とする海水取水方法。
【請求項３】
前記砂層では、生物膜により海水のろ過が行われることを特徴とする請求項２に記載の海水取水方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海底の砂層内に取水管を埋め込み、海中から砂層内を浸透してくる海水を取水管内に導入して取水する海水取水システムおよび海水取水方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
海水を淡水化して飲料水等の生活用水を生成する海水淡水化プラントとして、逆浸透膜（ＲＯ膜）を利用したプラントが知られている。このプラントは、逆浸透膜により海水からこれに溶け込まれている塩分を除去して淡水を生成するものである。非常に水質の良好な淡水が得られることから、幅広く実施されている。海水は、海底に設置された取水管を通じてポンプで汲み上げられ、凝集剤等の化学薬品類を添加した上で、ろ過砂に強制的に透過させて大量にろ過処理されるようになっていて、これにより不純物やゴミ等の除去、並びに滅菌等の前処理が施される。これにより海水をある程度清浄化して水質を改善してから、逆浸透膜（ＲＯ膜）により淡水化処理する。このように淡水化処理するにあたり海水を清浄化するのは、逆浸透膜の目詰まりを防止するためである。
【０００３】
なお、上記取水管の取水性は、それが設置される海底の砂層の挙動に応じて変化するので、ここで、この挙動の一般概念について概略説明しておく。
【０００４】
この海底の砂層の挙動については、様々な文献に紹介されており、例えば、非特許文献１には次のように記載されている。移動床で掃流力を増加させていくと、初めは停止していた底質粒子が移動を開始し（移動限界）、底面と頻繁に接触を繰り返しながら底面付近に比較的薄い層を形成しつつ移動するようになる（掃流過程）。
【０００５】
また、非特許文献２では、上述の移動限界の概念を用いて、海底の砂層の挙動を４つに大別している。  
（１）初期移動限界：海底表面に突出した粒子が動き出す状態
（２）全面移動限界：海底表面の第１層の殆ど全ての粒子が動き出す状態
（３）表層移動限界：海底面上の表層砂が波の方向に集団で移動する状態
（４）完全移動限界：明確な水深変化が生じる程度の底質移動が生じる状態
【０００６】
また、非特許文献３には、海底の底質が波によって動き出す最大の深さを移動限界水深ということ、及び、この移動限界水深は上記４つの移動限界に対応させて各々定義されること、並びに、一般には上述の順番で移動限界水深が深くなること等が記載されている。このなかで特に重要なのは、表層移動限界水深と完全移動限界水深であり、これについては後述する。
【０００７】
なお、これら非特許文献１乃至３の記載からは、上記（２）の全面移動限界水深よりも浅くなると、砂層は所定の厚みでもって層状に移動するものと言える。つまり、（３）の表層移動限界深さと（４）の完全移動限界深さというのは、それぞれ、砂層が所定厚みでもって層状に移動開始する深さであると言える。
【非特許文献１】河田恵昭、外１名、「漂砂環境の創造に向けて」、第１版、社団法人  土木学会、平成１０年７月３日、ｐ６９
【非特許文献２】椹木亨、「波と漂砂と構造物」、１版、技報堂出版株式会社、１９９１年５月１日、ｐ１７８
【非特許文献３】野田英明、外１名、「新体系土木工学  ７９  漂砂と海岸保全施設」、１版、技報堂出版株式会社、１９８１年３月１５日、ｐ３５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記海水淡水化プラントにあっては次のような問題があった。  
（１）大量の海水をポンプを使って強制的にろ過砂内を透過させてろ過処理を行っているため、ろ過砂が汚れ易く、毎日多くの汚泥が発生し、ろ過砂を頻繁に洗浄する必要があった。このため、発生した汚泥を処理するためのプラントが必要であった。  
（２）細菌や懸濁物等を除去するために多くの化学薬品類を添加しなければならないため、これら化学薬品類による水質の悪化が懸念された。  
（３）取水管内には海水が強制的に導入されるため、生物が付着し、配管を詰まらせる原因となった。そのため、生物付着防止用に塩素を注入しなければならないとともに、定期的な清掃が必要であった。  
（４）漁業への影響が多大であるとともに、自然環境への影響が大きいなどのデメリットもあった。
【０００９】
海水を取水する方式として浸透取水方式もある。この浸透取水方式は、海底の砂層内に取水管を埋め込み、ポンプを用いることなく、海中から砂層内を自然浸透してきた海水を取水管内に導入して海水を取水する。砂層内を自然透過して浄化された海水を取水しているため、取水管内への生物付着もなく、非常に水質の良好な海水が得られる。この他、漁業への影響も小さく自然環境への影響も小さいといったメリットもある。  
しかしながら、この浸透取水方式では、砂層の表面にシルト（泥分）が堆積した場合に砂層が目詰まりしてしまうという問題があった。このため、不安定で確実性に非常に乏しいという理由で、海水淡水化プラントをはじめとする各種海水取水施設においてほとんど採用されなかった。
【００１０】
本発明者は、このような事情に鑑み、多くのメリットを有する浸透取水方式を海水淡水化プラント等で採用できないものかと考えた。そして、従来から陸上の浄水場等で採用されている緩速ろ過方式に着目し、海水の砂層への浸透流速を考慮に入れて、この緩速ろ過方式のしくみを浸透取水方式に利用しようと考えた。緩速ろ過方式は、ろ過砂内を自然透過させて水をろ過処理する方式であり、ろ過砂内には、バクテリア等からなる生物膜が形成され、この生物膜による生物ろ過機能により細菌レベルで水を浄化処理することができる。また、この浄化処理により、懸濁物の除去や細菌等を死滅させるために多くの化学薬品を使う前処理を行わずに済む。
【００１１】
しかし、陸上と海中とでは環境条件が全く異なり、陸上の緩速ろ過方式を海中の浸透取水方式に適用する際には、様々な問題点があった。例えば、台風などによって引き起こされる大きな波や速い流れ等により、海中では砂層が一夜にして２〜３ｍも浸食されることがある。このため、砂層内に生物膜が形成されてもこれが破壊され、生物ろ過機能が得られないだけでなく、構造物自体も被災するおそれがある。また、陸上では、砂層表面を削り取ってそこに堆積した懸濁物等を除去する作業を簡単に行えるが、海中でこの除去作業を行うのはきわめて困難である。
【００１２】
本発明は、このような事情に基づきなされたもので、その目的は、海水を取水する海底の砂層が目詰まりを起こすのを可及的に低減することができるとともに、ろ過作用を担う砂層内に形成された生物膜が破壊されずに済み、また砂層表面に堆積した懸濁物等を手間をかけずに除去することができ、安定した取水を確保し得るような海水取水システムおよび海水取水方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる目的を達成するために本発明にかかる海水取水システムにあっては、海底の砂層内に取水管を埋設して形成した取水部により、海中から当該砂層を通じて自然浸透してくる海水を取水するシステムにおいて、前記取水部が形成される前記砂層の水深は、当該砂層の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動する水深よりも深く、かつ１ｃｍ以上移動する水深よりも浅いことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明にかかる海水取水方法にあっては、海底の砂層内に取水管を埋設して形成した取水部により、海中から当該砂層を通じて自然浸透してくる海水を取水する方法において、前記取水部が形成される前記砂層の水深は、当該砂層の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動する水深よりも深く、かつ１ｃｍ以上移動する水深よりも浅いことを特徴とする。
【００１５】
またこの際、前記砂層では、生物膜により海水のろ過が行われるものである。
【００１６】
なお、砂層内に発現させる海水浸透流速を１．０〜８．０（ｍ／日）とするのが望ましく、それは次の理由による。つまり、海水浸透流速が８．０（ｍ／日）を超えると、シルトを砂層内に巻き込む確率が高まるとともに、砂層表面がシルトによりフタをされて目詰まりを起こし易くなる。一方、海水浸透流速が１．０（ｍ／日）よりも下回ってしまうと、砂中への酸素供給量が減少してせっかく形成された生物膜を死滅させてしまい、砂層内に十分な生物膜を形成することができない。これらのことから、十分な取水量を確保しつつ砂層に目詰まりが生じる可能性を可及的に低く抑えるとともに、砂層内に生物膜を形成させるためには、海水浸透流速を１．０〜８．０（ｍ／日）とするのが適当である。
【００１７】
このように海水浸透流速を１．０〜８．０（ｍ／日）とすることで、砂層表面に堆積したシルトが砂層内に侵入するのを可及的に防ぐことができ、シルトが砂層表層部を塞いで目詰まりが起きるのを可及的に低減することができる。また、砂層内に十分な酸素を供給することができ、砂層内に形成された生物膜を死滅させることがない。これにより十分な生物膜を形成することができ、この生物膜による生物ろ過機能の働きによって、砂層による物理的なろ過の他に、細菌レベルで海水を浄化処理することができる。これにより、取水した海水の水質が向上する。
【００１８】
ここに、取水部の取水作用によって上記数値範囲の海水浸透流速を発現させる仕方は種々考えられる。海水浸透流速を決定する取水部の取水作用は例えば、取水部をどの程度の広さにわたって形成するかという設備面積や、砂層内への取水管の埋設深さ、取水管の配設密度、取水管の埋設本数、取水管の長さ、取水管の設置間隔、取水管のレイアウト、取水管の管径などの多種多様な設計要素によって変更・調整することが可能であり、本システムを設置する現地を実地調査して得られた砂層の調査データなどに応じこれら設計要素を適宜に組み合わせることで、砂層内に発現させるべき海水浸透流速を１．０〜８．０（ｍ／日）とすることが容易にできる。
【００１９】
さらにここで、取水部が形成される砂層の水深を、当該砂層の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動する水深よりも深く、かつ１ｃｍ以上移動する水深よりも浅くすることとする。砂層の表層部分の砂が１ｃｍ以上移動するとは、いわば海底の砂が洗われる程度であって、この水深よりも深ければ、砂層表層部分の砂粒子の移動はほとんど認められない。一方、砂層の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動するとは、いわば海底の砂層の侵食が認められる程度であって、この水深よりも浅ければ、海底の砂層表層部分の砂粒子は大規模に移動し、侵食が顕著になる。取水部を形成する砂層の水深を上記範囲にすることにより、砂層の表面は海中に発現する波や流れなどにより適度に撹拌され、砂層表面に堆積したゴミ、シルト等の懸濁物を除去することができ、安定した取水を確保することができる。
【００２０】
ここに、海底の砂層の挙動を定義する用語として、「表層移動限界水深」や「完全移動限界水深」が知られている。「表層移動限界水深」とはおおよそ、対象とする波によって海底面にある砂粒子がある程度移動することが確認される最大水深と言われている。また、「完全移動限界水深」もおおよそ、対象とする波の作用によって海底の砂層が侵食されることが確認される最大水深と言われている。しかしながら、これら用語に対する厳密な意味での定義付けには種々の学説等があり、一様ではない。そこで本明細書では疑義を生じないように、このような一様でない用語は用いず、「砂層の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動する水深」や「砂層の表層部分の砂が１ｃｍ以上移動する水深」なる数値で砂層の水深を特定したけれども、この特定の意味するところは諸学説等で言われる意味内容の上記水深を指す。すなわち、「砂層の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動する水深」は、上記「完全移動限界水深」に相当するものであり、「砂層の表層部分の砂が１ｃｍ以上移動する水深」は、上記「表層移動限界水深」に相当するものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の海水取水システムおよび海水取水方法によれば、砂層がシルトによりフタをされて目詰まりを起こすことを防止できる。また、砂層内に十分な酸素を供給することができ、砂層内の生物膜を維持して取水した海水の水質も向上できる。そしてこれらにより、安定的に十分な水量で取水することができる。
【００２２】
また、砂層の表層部に対する撹拌洗浄が達成され、砂層表面に蓄積した懸濁物やゴミ等を除去することができて、安定した取水を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１および図２は、本発明にかかる海水取水システムおよび海水取水方法の一実施形態を示したものである。
【００２４】
この海水取水システムおよび海水取水方法は、海岸１付近の浅瀬の海底２の砂層３内に陸４側から海５側に向かって導水管１０を埋設し、この導水管１０の海側先端部に設けた取水管１２，１４によって砂層３内に形成した取水部１０ａにより、海中から海底２の砂層３を自然浸透してくる海水を取水するシステムまたは方法である。
【００２５】
導水管１０の海側先端部には、左右両側から直角に横方向に３本の横取水管１２が相互に平行に並設されて延出されている。これら３本の横取水管１２の間には、さらに多数の縦取水管１４が相互に間隔をあけて平行に介設されている。各縦取水管１４は３本の横取水管１２を相互に結合している。これら横取水管１２および縦取水管１４の外周には、管内部に連通する多数の取水孔（図示外）が貫通形成されている。これら横取水管１２および縦取水管１４は砂層３内に埋設されて取水部１０ａとして機能し、海底２の砂層３内を自然浸透してくる海水は、多数の取水孔を通って横取水管１２および縦取水管１４の各管内へ導入される。そして、海水は、横取水管１２および縦取水管１４の各管内から導水管１０へと集められ、当該導水管１０を通って陸４側の地中に設置された貯水槽１６へと送られる。海水はこの貯水槽１６で一旦貯留され、供給ライン１８を通って海水淡水化プラント等の海水処理プラントに供給される。
【００２６】
本実施形態にあっては、これら横取水管１２や縦取水管１４等の取水部１０ａの取水作用によって砂層３内に発現される海水浸透流速を１．０〜８．０（ｍ／日）とした。ここで、海水浸透流速とは、海水が砂層３を浸透するときの浸透速度で、この海水浸透流速が速ければ速いほど、海水を多く取水することができる反面、砂層３内へシルトを侵入させてしまったり、砂層３の表面にシルトを堆積させてしまい、砂層３の目詰まりの原因となる。その一方で、海水浸透流速が遅すぎると、取水量が少なくなって取水効率が非常に悪いとともに、砂層３内に十分な酸素を供給することができず、生物膜を死滅に至らしめることになる。
【００２７】
そこで、これらの問題をなるべく起こさずに済むような適切な海水浸透流速を求めた。シルト粒子の粒径は一般におおよそ、０．００５ｍｍ〜０．０７４ｍｍである。シルトが動き出さない海水の流速、即ち移動限界流速を求める。移動限界流速は、シルト粒子の限界実流速に対して面積空隙率を乗じた値となる。なお、ここでは、面積空隙率は０．３５とする。シルト粒子の限界実流速は、図３に示す粒径と限界実流速の関係を表すグラフ（地盤工学会：『地盤工学ハンドブック』、報光堂、p1041、1999：久保田・田中による測定結果）を使って求める。このグラフから粒径０．０８ｍｍの粒径の大きなシルト粒子の限界実流速は、０．０２６ｃｍ／ｓと読みとれる。従って、シルトの移動限界流速の上限は、
０．０２６×０．３５×２４×３６００＝７８６．２４（ｃｍ／日）
⇒約８．０（ｍ／日）
となる。
【００２８】
この結果から、シルトによる目詰まりを生じさせないためには、最大でも海水浸透流速は、８．０（ｍ／日）以下に設定すべきであることがわかる。また、砂層３内に十分な酸素を供給して生物膜を死滅に至らしめないようにするには、少なくとも１．０（ｍ／日）の海水浸透流速が必要である。これらのことからして、海水浸透流速は、１．０〜８．０（ｍ／日）の範囲内に設定するのが最良である。このような範囲の海水浸透流速に設定すれば、図４に示すように、海水は砂層３内を相当の浸透流速で自然浸透してゆく過程で、砂層３中の砂粒子（ここでは置換砂層中の砂粒子）の周りに形成された硝化細菌等の微生物からなる生物膜と接触し、この生物膜により生物ろ過されて細菌レベルまで浄化される。
【００２９】
さらに、これら横取水管１２や縦取水管１４からなる取水部１０ａが埋め込まれる砂層３の水深は、当該砂層３の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動する水深（Ｘ）よりも深く、かつ１ｃｍ以上移動する水深（Ｙ）よりも浅く設定される。これら水深は、数値計算によるだけでなく、例えば放射性トレーサーを用いた漂砂の移動観測データをはじめ、波浪データや海底表面の底質データ、潮流分析データ等の各種海洋学上の観測データに基づき求められる。これら水深は、海域によって様々に異なるものである。
【００３０】
図５は、これらの条件を満たす領域を概略的に示したものである。取水部１０ａは、前述したデータに基づき求められた領域、例えば水深１１ｍ前後の領域に設置される。この領域では、砂層３の表面が月に１〜２回程度発生する波や流れにより撹拌される。これにより、砂層３表面に堆積したゴミやシルトをはじめとする懸濁物を除去することができる。砂層３表面もあまり撹拌し過ぎることがないので、砂層３内の生物膜等をあまり痛めずに済む。
【００３１】
以上、この海水取水システムおよび海水取水方法によれば、取水部１０ａの取水作用によって砂層３内に発現される海水浸透流速を１．０〜８．０（ｍ／日）としたことにより、シルトによる砂層３の目詰まりを防ぐことができる。また、砂層３内における生物膜を維持することもできる。そしてこれらにより、安定した取水を確保でき、かつまた非常に良好な水質を得ることができる。
【００３２】
また、取水管１２，１４を埋設する砂層３の水深が、当該砂層３の表層部分の砂が５０ｃｍ以上移動する水深（Ｘ）よりも深く、かつ１ｃｍ以上移動する水深（Ｙ）よりも浅く設定したことにより、砂層３の表層部分は適宜に、例えば月に１〜２回程度で撹拌洗浄が行われて、砂層３に蓄積した懸濁物やゴミ等が除去されて清浄化され、砂層３の更新を確保することができる。
【００３３】
要するに、本実施形態にあっては、砂層３内に形成された生物膜の破壊やシルトによる砂層３の目詰まりを防止でき、また砂層３表面に堆積した懸濁物等を手間をかけずに除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明にかかる海水取水システムおよび海水取水方法の一実施形態を示した部分破断斜視図である。
【図２】本発明にかかる海水取水システムおよび海水取水方法の一実施形態を示した断面図である。
【図３】粒径と限界実流速の関係を示したグラフである。
【図４】本発明にかかる海水取水システムおよび海水取水方法の取水原理を説明する図である。
【図５】本発明にかかる海水取水システムおよび海水取水方法における取水部の設置場所の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３５】
２    海底
３    砂層
４    陸
５    海
１０  導水管
１２  横取水管
１４  縦取水管
１６  貯水槽
【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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