JP4687901B2 - 鉛直方向海水交換装置 - Google Patents

Description

本発明は、上層の海水と底層の海水とを交換する鉛直方向海水交換装置に関する。

一般に護岸や堤の周辺を含む沿岸域の海域は、夏季に海水が成層化して比較的高温の上層と比較的低温の底層との混合が阻害され、底層の貧酸素化が進んで、動植物の棲息環境が悪化するようになる。このため、上層の海水と底層の海水とを積極的に交換する鉛直方向海水交換装置の開発が従来より推し進められており、例えば、非特許文献１には、直立壁の上部に背後の遊水室に通じる上部通水部を設け、遊水部に流入した上層の海水を直立壁の下部に設けた下部通水部から底層へ排出する構造のものが提案され、また、特許文献１には、潜堤の法面に揚水管を設置して、この揚水管の上端を潜堤天端に設置した揚水ヘッドに接続し、潜堤の上方を流れる潮流により前記揚水ヘッドの上部に発生する負圧を利用して、底層の海水を揚水するものが提案されている。

「海岸工学論文集」第４９巻（２００２）、土木学会、７９１〜７９５頁 特開２００１−１６５０２９号公報

しかしながら、上記非特許文献１に記載の装置によれば、直立壁の高さ範囲内での海水交換となるため、例えば、捨石マウンド上に直立壁を設ける混成堤に適用した場合は、マウンド周辺の水深の深い底層との間の海水交換を行うことはできず、その適用範囲は限られたものとなる。一方、特許文献１に記載の装置によれば、潮流により発生する負圧を利用するため、ある程度速い潮の流れが必要で、前記同様にその適用範囲は限られたものとなる。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、水深や潮流の影響を受けることなく効率よく鉛直方向で海水交換を行うことができる、適用範囲の広い海水交換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、上層の海水と底層の海水とを交換する鉛直方向海水交換装置であって、前記底層と前記上層とを連通させる管状構造体を波の進入方向に傾斜して配設し、かつ該管状構造体の上層側開口を平均潮位における、平均的な波高の２倍分だけ水面から没する位置と平均的な波高の０.６倍分だけ水面から露出する位置との範囲内に位置決めしたことを特徴とする。

このように構成した鉛直方向海水交換装置においては、傾斜して配設した管状構造体の両端開口が、波の進入方向に距離を置いて配置されることで、該両端開口に対応する位置での波の位相差によって、該両端開口に作用する水圧に差が生じ、この水圧差によって管状構造体内に下降流または上昇流が誘起される。そして、管状構造体の上層側開口が、平均潮位において、水面変動に伴う上下方向の水流が生じる水面付近に配置されているので、前記管状構造体内に誘起される下降流または上昇流の勢いが増し、この結果、鉛直方向での海水交換が効率よく進む。

しかも、上記管状構造体の上層側開口を、平均的な波高の２倍分だけ水面から没する位置と平均的な波高の０.６倍分だけ水面から露出する位置との範囲内に位置決めするので、より確実に管状構造体内に水流を発生させることができる。

本発明において、上記管状構造体の設置構造は任意であるが、傾斜護岸または傾斜堤（潜堤を含む）の法面上に設置する場合は、管状構造体を傾斜して設置するための特別の手段は不要になり、その設置は容易となる。

管状構造体を傾斜護岸または傾斜堤の法面上に設置する場合は、該管状構造体が、貫通孔を有する有孔ブロックを、その貫通孔が相互に連通するように連結してなっており、該有孔ブロックは、法面上の被覆ブロックの一部と置換して配置されるようにしてもよく、この場合は、被覆ブロックの敷設作業に合せて管状構造体を設置することができるので、設置のために特別の工事は不要となる。

また、管状構造体を上記した有孔ブロックから構成する場合は、該有孔ブロックが、相互に凹部と凸部とを嵌合させて連結されるようにするのが望ましく、これにより有孔ブロックを簡単かつ確実に連結することが可能になる。

本発明に係る鉛直方向海水交換装置によれば、波による水面変動を利用して鉛直方向での海水交換を行うので、水深が深く、潮の流れの遅い海域でも効率よく海水交換を行うことができ、その適用範囲は大幅に拡大する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１および図２は、本発明の一つの実施形態である鉛直方向海水交換装置を示したものである。本鉛直方向海水交換装置（以下、単に海水交換装置という）１０は、海底地盤１上に造成した捨石マウンド２上に直立壁３を設置した緩傾斜護岸４に適用したもので、護岸４の背後は、埋立てによって造成された陸地５となっている。前記捨石マウンド２は、ここでは勾配の緩い（一例として、１：２）法面２ａを有しており、該法面２ａ上には被覆ブロック６が敷設されている（図２）。また、この捨石マウンド２の天端２ｂは、平均潮位Ｍ.Ｗ.Ｌとほぼ同じ高さに設定されており、この上にも被覆ブロック６が敷設されている。

本実施形態としての海水交換装置１０は、内部に通水路１１を有する管状構造体１２からなっている。管状構造体１２は、上記捨石マウンド２の法面２ａ上に被覆ブロック６の一列と置換する形態で設置され、汀線方向へ所定のピッチ（例えば、１０ｍピッチ）で多数配列されている。管状構造体１２は、捨石マウンド２の法面一杯に延ばして設置されており、その下端開口１３は海底地盤１の直上部位に、その上端開口１４は捨石マウンド２の天端２ｂに近接する部位（平均潮位Ｍ.Ｗ.Ｌ付近）にそれぞれ位置決めされている。また、管状構造体１２の下端開口１３は沖合い方向へ口を向けて、その上端開口１４は上方へ口を向けてそれぞれ配置されている。

本海水交換装置１を構成する管状構造体１２は、ここでは、有孔ブロック１５を連接してなっている。この有孔ブロック１５は、図３に示されるように、直方体状の第１ブロック１５Ａと、エルボ状に屈曲する第２ブロック１５Ｂと、一端を傾斜状にカットした第３ブロック１５Ｃとの三種類からなっており、各ブロック１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ内には流路面積が同じ貫通孔１６が形成されている。また、第１ブロック１５Ａの両端には凹部１７および凸部１８が、第２ブロック１５Ｂの一端には凹部１７が、第３ブロック１５Ｃの一端には凸部１８がそれぞれ形成されている。これらブロック１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃは、前記凹部１７と凸部１８とを嵌合させて相互に連結され、この連結状態で各ブロック内の貫通孔１６は直線状に連通される。

上記有孔ブロック１５のうち、エルボ状に屈曲する第２ブロック１５Ｂは捨石マウンド２の法面２ａの下縁付近に、一端を傾斜状にカットした第３ブロック１５Ｃは法面２ａの上縁付近にそれぞれ配置され、また、第１ブロック１５Ａは前記第２ブロック１５Ｂと第３ブロック１５Ｃとの間に配置される。各ブロック１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃを前記した配置で相互に連結して法面２ａ上に敷設することで、内部に通水路１１を有する管状構造体１２が完成する。ここで、第２ブロック１５Ｂの屈曲角度および第３ブロック１５Ｃの一端の傾斜角度は法面２ａの勾配に合せて設定されており、これにより管状構造体１２の完成と同時にその下端開口１３は沖合い方向へ向けられると共に、その上端開口１４は上方へ向けられるようになる。

このように、貫通孔１６を有する有孔ブロック１５を傾斜護岸４の法面２ａ上の被覆ブロック６の一部と置換して配置して管状構造体１２とするので、有孔ブロック１５（１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ）を被覆ブロック６の敷設と同じ作業手順で敷設することができ、したがって被覆ブロック６の敷設完了と同時に管状構造体１２は完成する。また、有孔ブロック１５は、相互に凹部１７と凸部１８とを嵌合させて連結されるので、有孔ブロック１５を簡単かつ確実に連接して管状構造体１２を形成することができる。

上記のように構成した海水交換装置１０においては、管状構造体１２の両端開口１３，１４が波の進入方向に距離を置いて配置されるので、沖合い側から護岸４に向けて波が押し寄せると、両端開口１３，１４に対応する位置（水平方向位置）での波の位相差によって、該両端開口１３，１４に作用する水圧に差が生じ、この水圧差によって管状構造体１２内に下降流または上昇流が誘起される。一方、波による水面変動に伴って水面付近では上下方向へ水流が生じているが、管状構造体１２の上端開口（上層側開口）１５が前記上下方向の水流が発生する水面付近に位置決めされていることから、この水流が管状構造体１２内に作用し、この結果、前記水圧差によって管状構造体１２内に誘起される下降流または上昇流の勢いが増す。すなわち、傾斜して配置した管状構造体１２の両端開口に生じる差圧と水面変動に伴う上下方向の水流との相乗効果とによって管状構造体１２内に大きな下降流または上昇流が発生し、これによって酸素を多く含んだ上層の海水と貧酸素の底層の海水との交換が効率よく進むようになる。

なお、上記実施形態においては、管状構造体１２を被覆ブロック６の一部と置換して設置したが、この管状構造体１２は、被覆ブロック６の上に設置しても、あるいは被覆ブロック６下に埋込む形態で設置してもよいものである。また、この管状構造体１２は、有孔ブロック１５に代えて、鋼管や鉄筋コンクリート管を用いて形成してもよいものである。

また、上記実施形態においては、緩傾斜護岸４に適用した例を示したが、本海水交換装置の設置対象は任意であり、捨石式傾斜堤、捨ブロック式傾斜堤、消波ブロック被覆堤などの各種傾斜堤をはじめ、直立堤、混成堤、潜堤などにも適用できる。ただし、直立堤、混成堤、潜堤などに適用する場合は、管状構造体１２を傾斜状に設置するための特別の支持機構が必要になる。また、本海水交換装置は、護岸や堤から独立した水中構造物として設置してもよいものである。

図４に示すように、水槽２０内の一端側に、勾配１：２の法面２１ａを有するマウンド２１を形成し、このマウンド２１の法面２１ａに一辺が１４.３ｃｍ（１.０ｍ）の角パイプからなる通水管（管状構造体）２２を設置して、１／７規模の模型実験を行った。なお、角パイプの寸法の括弧内の数値は現地換算の値を表しており、以下においても同様に括弧内に現地換算の値を記すこととする。実験は、ある特定の湾内の波浪観測データから夏場の平均的な波高を割出し、ここでは、波高Ｈを５.７ｃｍ（Ｈ＝０.４ｍ）に設定して、水位および波の周期を種々に変化させて行った。水位は、前記通水管２２の上端開口レベルを基準水位５７.１ｃｍ（４ｍ）として、この基準水位に対して＋２Ｈ〜−０.１Ｈの範囲で種々に変化させ、また、波の周期は１.１３ｓ（３.０ｓ），１.５１ｓ（４.０ｓ），１.８９ｓ（５.０ｓ）の３つに変化させた。そして、前記した各条件で波をマウンド２１に対して入射させ、各通水管２２の下端開口または上端開口から流出する流量を測定した。

図５（ｂ）は、同図（ａ）に表す水深ｈと通水管２２の上端高さｈｐとをもとに、それらの差（ｈ−ｈｐ）を波高Ｈで除したパラメータＣ（Ｃ＝（ｈ−ｈｐ）／Ｈ）で流量Ｑを整理して示したものである。このパラメータＣは、上記水槽２０内に設定した水位（水面）と通水管２２の上端開口との相対的な位置関係を表しており、パラメータＣがゼロ（Ｃ＝０）では、通水管２２の上端開口と水面とが一致し、パラメータＣがプラス（Ｃ＞０）では通水管２２の上端開口が水没し、パラメータＣがマイナス（Ｃ＜０）では通水管２２の上端開口が水面から露出している。また、流量Ｑは、通水管２２の上端開口から吐出する方向すなわち通水管２２内に上昇流が発生している状態がプラス、通水管２２の下端開口から吐出する方向すなわち通水管２２内に下降流が発生している状態がマイナスとして表わされている。

図５（ｂ）に示す結果より、パラメータＣがほぼ−０.６〜＋０.６の範囲、すなわち通水管２２の上端開口が０.６Ｈ分露出している状態から０.６Ｈ分水没している状態までは、通水管２２内に下降流が発生している。また、パラメータＣがほぼ＋０.８〜＋２.０の範囲、すなわち通水管２２の上端開口が０.８Ｈ分水没している状態から２.０Ｈ分水没している状態までは、通水管２２内に上昇流が発生している。これらのことから、管状構造体の上層側開口を、波高の２倍分だけ水面から没する位置と波高の０.６倍分だけ水面から露出する位置との範囲内に位置決めすることで、管状構造体内に確実に水流を発生させることができ、鉛直方向での海水交換が可能になるといえる。

本発明に係る鉛直方向海水交換装置を緩傾斜護岸に適用した場合の一つの実施形態を示す断面図である。 本海水交換装置の護岸法面への設置形態を示す斜視図である。 本海水交換装置における管状構造体を構成する有孔ブロックの構造を示す断面図である。 本発明の実施例において模型実験に用いた水槽の構造を示す断面図である。 本発明の実施例における実験結果を示したもので、（ａ）は、実験結果の整理に用いた水深と通水管の上端開口との設定要領を示す模式図、（ｂ）は、通水管内における流れの発生状況を水面と、通水管上端開口位置と波高との相関で示すグラフである。

符号の説明

２ 捨石マウンド
２ａ 法面
３ 直立壁
４ 緩傾斜護岸
６ 被覆ブロック
１０ 海水交換装置
１１ 通水路
１２ 管状構造物
１３ 下端開口
１４ 上端開口
１５（１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ） 有孔ブロック
１６ 貫通孔

Claims (4)

1. 上層の海水と底層の海水とを交換する鉛直方向海水交換装置であって、前記底層と前記上層とを連通させる管状構造体を波の進入方向に傾斜して配設し、かつ該管状構造体の上層側開口を平均潮位における、平均的な波高の２倍分だけ水面から没する位置と平均的な波高の０.６倍分だけ水面から露出する位置との範囲内に位置決めしたことを特徴とする鉛直方向海水交換装置。
2. 管状構造体を、傾斜護岸または傾斜堤の法面上に設置したことを特徴とする請求項１に記載の鉛直方向海水交換装置。
3. 管状構造体が、貫通孔を有する有孔ブロックを、その貫通孔が相互に連通するように連結してなっており、該有孔ブロックは、法面上の被覆ブロックの一部と置換して配置されることを特徴とする請求項２に記載の鉛直方向海水交換装置。
4. 有孔ブロックが、相互に凹部と凸部とを嵌合させて連結されることを特徴とする請求項３に記載の鉛直方向海水交換装置。

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