(57)【要約】【課題】閉鎖海域と周辺海域との運用コストの低廉な海水交換方法、および海水交換装置の提供を目的とする。【解決手段】閉鎖海域１に形成された密度成層２の高密度域と周辺海域３の海中域との間を閉鎖海域１側の高密度域の密度成層境界における水頭が周辺海域３でのそれより高くなるサイフォン管路４で連結し、該サイフォン管路４を介して閉鎖海域１内の高密度域内の海水を周辺海域３に流出させて海水交換方法を構成する。また、閉鎖海域１に形成された密度成層２の高密度域と周辺海域３の海中域との間を閉鎖海域１側の高密度域の密度成層境界における水頭が周辺海域３でのそれより高くなるように連結するサイフォン管路４と、前記サイフォン管路４を起動する起動ポンプ５とを有して海水交換装置を構成する。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉鎖海域に形成された密度成層の高密度域と周辺海域の海中域との間を閉鎖海域側の高密度域の密度成層境界における水頭が周辺海域でのそれより高くなるサイフォン管路で連結し、
該サイフォン管路を介して閉鎖海域内の高密度域内の海水を周辺海域に流出させる海水交換方法。
【請求項２】
閉鎖海域に形成された密度成層の高密度域と周辺海域の海中域との間を閉鎖海域側の高密度域の密度成層境界における水頭が周辺海域でのそれより高くなるように連結するサイフォン管路と、
前記サイフォン管路を起動する起動ポンプとを有する海水交換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、海水交換方法、およびこれに使用する海水交換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、港湾等において、潜堤や半島等により底層部が隔離された海域の場合、夏季の高水温時に閉鎖海域部分において、表層の水温だけが上昇し、底層部が冷水塊となり、鉛直混合が阻害され貧酸素状態となる水質悪化が問題になっており、その対応策として閉鎖海域や湾奥部分における海水交換が注目されるに至っている。
【０００３】
そして、従来、このような海水交換の方法としては、商用電力によりポンプを稼動して外海水を導入することが行われているが、動力を要するために、運用コストが高くつくという欠点がある。
【０００４】
また、近年、流れの中に揚水口を設けて、その付近を通過する潮汐による流れにより生じる負圧を利用した、鉛直循環式の海水交換装置が考案されているが（非特許文献１参照）、最も海水交換の必要性が高い夏季の高水温時には、表層の水温だけが上昇し、底層部が冷水塊となっている場合があるので、流れにより生じる負圧により揚水する力に対し、水温差による密度差が、流れを留める方向に影響し、海水交換効率が低下するという欠点がある。
【０００５】
【非特許文献１】
小沢、外５名、「負圧を利用した海水交換潜堤の揚水特性の基礎的検討」、海岸工学論文集、土木学会、２０００年、第４７巻、ｐ．１１６１−１１６５
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の欠点を解消すべくなされたものであって、運用コストの低廉な海水交換方法、および海水交換装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上記目的は、
閉鎖海域１に形成された密度成層２の高密度域と周辺海域３の海中域との間を閉鎖海域１側の高密度域の密度成層境界における水頭が周辺海域３でのそれより高くなるサイフォン管路４で連結し、
該サイフォン管路４を介して閉鎖海域１内の高密度域内の海水を周辺海域３に流出させる海水交換方法を提供することにより達成される。
【０００８】
図２に本発明を示す。図２において１は潜堤等の堤１０により底層部が周辺海域３から隔離された閉鎖海域を示す。周辺海域３と閉鎖海域１の双方には、温度の違いによる密度成層２が複数層形成され、夏場等においては、堤１０により海水交換が妨げられる閉鎖海域１の海底近傍には、高密度域の密度成層２（冷水塊１１）が形成される。なお、図２において密度成層２の境界を破線で示す。
【０００９】
４は周辺海域３と閉鎖海域１の海底間を堤１０を跨いで連結するサイフォン管路であり、閉鎖海域１側の管路端（以下、「サイフォン始点４ａ」）は、冷水塊１１の境界面レベル１１ａより深部に配置される。
【００１０】
いま、冷水塊１１の境界面レベル１１ａとサイフォン管路４の周辺海域３側の管路端（以下、「サイフォン終点４ｂ」）の高低差をｈｂｄ　、サイフォン始点４ａにおける海水（冷水塊）の密度をρ１　、サイフォン終点４ｂにおける海水の密度をρ２　とすると、サイフォン始点４ａとサイフォン終点４ｂとの間に生じている海水の密度差による水頭差（Ｈｂｄ　）は、
Ｈｂｄ　＝（ρ１　−ρ２　）／ρ１　・ｈｂｄ　・・・（１）
で与えられる。
【００１１】
冷水塊１１の存在により、ρ１　−ρ２　＞０であるから、Ｈｂｄ　＞０となり、サイフォン管路４内には、サイフォン始点４ａからサイフォン終点４ｂに向かう水流を作り出すことができる。
【００１２】
サイフォン管路４内の通水量（Ｑ）は、サイフォン管路４内の損失水頭（ＨＬ　）とバランスするだけの水量で、以下のように求められる。すなわち、
管内流速をｖ、管内通水面積をＡ、摩擦損失を含む各種損失係数をｆとすると、
ＨＬ　＝Ｈｂｄ　・・・（２）
ＨＬ　＝ｆ・ｖ２　／（２・ｇ）　・・・（３）
より、
ｖ＝（Ｈｂｄ　・２・ｇ／ｆ　）１／２　・・・（４）
が成立する。
【００１３】
一方、Ｑとｖとの間には、
Ｑ＝Ａ・ｖ
＝Ａ・（Ｈｂｄ　・２・ｇ／ｆ　）１／２　・・・（５）
の関係が成立する。
【００１４】
よって、最も海水交換の必要性が高い夏季の高水温時等、表層と底層の温度差が大きければ大きいほど密度差Ｈｂｄ　が大きくなり、通水量Ｑも多くなり、結果的に海水交換率が高くなることがわかる。
【００１５】
サイフォン始点４ａ近傍の高密度側の海水を一旦サイフォン管路４の頂点４ｃまで持ち上げ、管路内全てをサイフォン始点４ａ近傍の海水密度にしてサイフォン管路４を起動するために、サイフォン管路４の頂点４ｃには起動ポンプ５が設置される（図３（ｂ）参照）。この起動ポンプ５の必要揚程は、以下のようにして求められる。
【００１６】
すなわち、サイフォン起動に必要な密度差による静水圧Ｈｂｃ　は、サイフォン管路４の頂点４ｃの当初の密度をρ３　、冷水塊の境界面レベル１１ａとサイフォン管路４の頂点４ｃとの高低差をｈｂｃ　とすると、
Ｈｂｃ　＝（ρ１　−ρ３　）／ρ１　・ｈｂｃ　＝Ｈａ　・・・（６）
で与えられる。
【００１７】
したがって、上記（５）式の通水量Ｑを、静水圧Ｈｂｃ（＝揚程Ｈａ　）だけ持ち上げられる能力を持つポンプ等の起動用の機器を用意すれば、密度差（水温差）がある限り、サイフォン始点４ａよりサイフォン終点４ｂに向かって流れが生じ、海水が交換される。
【００１８】
なお、サイフォン管路４の頂点４ｃが水面よりも上にある場合の揚程Ｈａ　は、水面からサイフォン管路４の頂点４ｃの高低差をｈｅｃ　、水面までの高低差をｈｂｅ　とすると、
Ｈｂｃ　＝（ρ１　−ρ３　）／ρ１　・ｈｂｅ　＋ｈｅｃ　＝Ｈａ　・・・（７）
で与えられる。
【００１９】
これら起動に要する揚程は比較的少なく、太陽光や風力を利用した自然エネルギーでも十分まかなえるため、少ない維持管理費による運用が可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１に本発明が適用された港湾の平面図を示す。図中１０は海底の潜堤（堤）、１は潜堤等の堤１０により底層部が周辺海域３から隔離された閉鎖海域、３は周辺海域を示し、上述したように、閉鎖海域１中に冷水塊１１が形成される。
【００２１】
４は堤１０を跨いで配置されるサイフォン管路であり、図２に示すように、一端が閉鎖海域１の冷水塊１１に、他端が周辺海域３の海中域に配置される。
【００２２】
このサイフォン管路４は、冷水塊１１から周辺海域３への海水移動が発生するサイフォンとして機能するための如上の条件を満足するように設計される。また、サイフォンを維持して継続的に水流を発生させるために、以下に示すように、密度フルード数に対する考慮がなされる。
【００２３】
すなわち、上記（４）式により求められたｖが小さい場合には、サイフォン管路４内で密度成層２が形成されてしまい、密度サイフォンが切れる可能性がある。サイフォン管路４内で密度成層２が形成されるかどうかは、経験的に密度フルード数（Ｆｄ　）を確認する事で判断でき、
Ｆｄ　≧１．０　　　・・・（８）
であれば、サイフォン管路４内で密度成層２は形成されないことが知られている。
【００２４】
この密度フルード数Ｆｄ　は、サイフォン始点４ａの密度をρ１　、サイフォン管路４の頂点４ｃの当初の密度をρ３　、サイフォン管路４の径（もしくは水路断面の高さ寸法）をｄとすると、
Ｆｄ　＝ｖ／｛　ｇ・（ρ１　−ρ３　）／ρ１　・ｄ　｝１／２　・・・（９）
で与えられ、管路径は上記（８）、（９）式を満足するように設定される。
【００２５】
密度成層２が形成される可能性がある場合には、図３（ａ）に示すように、サイフォン管路４内部に螺旋条等の管路内水流の撹拌、混合手段１２を設けたり、あるいは頂点４ｃ部分の管の形状を薄く（上記（７）式のｄを小さく）することにより、密度成層２の発生を防止することが望ましい。なお、本実施の形態においては堤１０に対してサイフォン管路４が一本配設されるが、管の径ｄが小さくなることなどにより必要な通水量Ｑが確保できない場合には、サイフォン管路４を複数本配設すればよい。
【００２６】
以上のサイフォン管路４を起動するための起動ポンプ５は、図３（ｂ）に示すように、頂点４ｃにおいてサイフォン管路４内に収容される。この場合、起動用ポンプ５としてエゼクターポンプ１３を使用してサイフォン終点４ｂ近傍に配置すると、図３（ｃ）において矢印で示すように、起動と同時にサイフォン管路４を通ってくる低水温の海水と周辺の高水温の海水を混合させ、放流部付近の水温上昇によるサイフォン切れを防止することができる。
【００２７】
上述したように、必要揚程が比較的少ないために起動ポンプ５に必要な原動機の出力も小さくなることから、太陽光発電を利用した場合にも、比較的小さな設置面積の太陽電池モジュールによって十分な電気を供給することができる。このように太陽光発電を利用することにより、運用コストをさらに低廉なものにすることができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、閉鎖海域や湾奥部分における海水交換の運用コストを低廉にすることができる。したがって、安価なコストによって閉鎖海域等の低層部の水質悪化を改善、防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の海水交換装置が設置された港湾を示す平面図である。
【図２】本発明を示す図で、図１の１Ａ−１Ａ線断面図である。
【図３】本発明の実施の形態における部分拡大図で、（ａ）は撹拌、混合手段を示す図、（ｂ）は起動ポンプの設置状態を示す図、（ｃ）はエゼクターポンプの稼働状況を示す図である。
【符号の説明】
１　　閉鎖海域
２　　密度成層
３　　周辺海域
４　　サイフォン管路
５　　起動ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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