地下水の取水構造
【課題】淡水レンズを取水源とする地下水の取水構造であって、取水装置自体を複雑な構造にすることなく、淡水の取水時に塩水の混入を低減することが可能な取水構造を提供すること。
【解決手段】淡水レンズＡ内に位置する取水口１１と淡水レンズＡの塩淡境界面Ａ１との間に、低透水域２を配することにより、塩水Ｂのアップコーニングを遅らせて塩水混入による取水障害を回避する。
【解決手段】淡水レンズＡ内に位置する取水口１１と淡水レンズＡの塩淡境界面Ａ１との間に、低透水域２を配することにより、塩水Ｂのアップコーニングを遅らせて塩水混入による取水障害を回避する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、淡水レンズを取水源とする地下水の取水構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
環礁島などの地下では、淡水が島の地下に侵入した海水の上にレンズ状となって浮かんだ状態で存在しており、淡水レンズと呼ばれている。淡水レンズは、島の中央では最も層厚が大きく、海岸に近づくにつれて薄くなっている。
また、海に近い領域の地下では、海水が楔上に地下水中に入りこんでおり、塩水楔と呼ばれている。
このような場所で、地下水（淡水）の摂取が過剰となると、塩水のアップコーニングが発生し、塩水混入による取水被害が生じる場合がある。
【０００３】
上記の問題を解決する方法として、下記の特許文献１，２に示す、いわゆる満州井戸方式や、二重取水方式などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１８２９８号公報
【特許文献２】特開２００９−１５００７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記した従来技術では、以下に示す問題のうち、少なくとも一つの問題を有する。
（１）満州井戸方式は平面的な揚水方法であり、ある程度塩水を引き込みにくくする効果が期待できるが、塩水域から取水口へと向かう直線的な流れが生じることに変わりはない。また、地盤の透水性が高く地下水位の高い場所では施工性が悪くなる恐れがある。
（２）二重取水方式は淡水側と同時に塩水側も取水することで塩淡境界部分の鉛直方向の流れを相殺させるため、アップコーニングの防止に寄与しうるものの、地盤が不均質であると、十分な効果が得られない場合がある。
【０００６】
そこで、本願発明は、取水装置自体を複雑な構造にすることなく、淡水の取水時に塩水の混入を低減することが可能な取水構造を提供することを目的の一つとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決すべくなされた本願の第１発明は、淡水レンズを取水源とする地下水の取水構造であって、淡水レンズ内に位置する取水口と、淡水レンズの塩淡境界面との間に、低透水域を配したことを特徴とする、地下水の取水構造を提供するものである。
また、本願の第２発明は、前記第１発明において、前記低透水域が、少なくとも一つの地盤改良部からなることを特徴とするものである。
また、本願の第３発明は、前記第２発明において、前記地盤改良部を、薬液注入工法によって形成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本願発明によれば、下記に示す効果のうち、少なくとも何れか一つを得ることができる。
（１）取水装置に特別な構造を施すことなく、取水時における塩水の混入を低減することができる。
（２）既存の取水装置に対して事後的に本願発明の構造を付加することができるため、施工性に優れ、施工コストの低廉化にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本願発明の地下水の取水構造の概略断面図。
【図２】本願発明の低透水域の実施例に係る概略斜視図。
【図３】本願発明の低透水域の実施例に係る概略平面図。
【図４】本願発明の地下水の取水構造の数値解析のモデル図。
【図５】従来の地下水の取水構造の数値解析結果を示すモデル図。
【図６】本願発明の地下水の取水構造の数値解析結果を示すモデル図。
【図７】本願発明の揚水位置での取水量とＮａＣｌ濃度変化を表したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、各図面を参照しながら、本願発明の取水構造について説明する。
【００１１】
＜１＞全体構成
本願発明の地下水の取水構造の概略断面図を図１に示す。
本願発明に係る地下水の取水構造は、環礁島等の地下に存する淡水レンズＡ内へ取水装置１を設けると共に、前記取水装置１の取水口１１と淡水レンズＡの塩淡境界面Ａ１との間に、更に低透水域２を設けるものである。
【００１２】
＜２＞取水装置
取水装置１は、淡水レンズＡ内から淡水を取水するための手段である。
一般的に、取水装置１は、淡水レンズＡの層厚部分の直上の地表面から削孔したトンネルに揚水管を配するなどして構築する。
【００１３】
［取水口］
取水装置１の略先端に設けた取水口１１は、地下の淡水レンズＡ内に位置するように設ける。
取水口の向きは特に限定するものではなく、上下左右何れの向きを向いていてもよい。
取水口の本数も特に限定するものではなく、単数或いは複数の何れでもよい。
【００１４】
＜３＞低透水域
低透水域２は、自己の低透水性を利用して、淡水レンズＡ内の淡水の流れを制御する為の手段である。
なお、前記した「低透水性」とは、淡水レンズＡが存する地盤Ｃの透水性に対して、相対的に透水性が低い状態であることを示すものである。
【００１５】
［配置例］
低透水域２は、前記取水口１１と、前記淡水レンズＡの塩淡境界面Ａ１との途上に配置する（図１）。
より詳しくは、低透水域２は、図１の鉛直方向において、取水口１１と該取水口から下方に存する淡水レンズの塩淡境界面Ａ１との間に配置する。
なお、淡水レンズＡを平面視した時に、低透水域２上における取水口１１の投影位置が、低透水域２の略中心部分に位置するように配置することが望ましい。
上記のように配置すれば、取水口１１と、淡水レンズの塩淡境界面Ａ１との間に最短経路での取水を遮る領域が存在することとなる。
したがって、取水口１１からの取水時に、淡水レンズＡの塩淡境界面Ａ１から取水口１１へと淡水が導かれるに際して、低透水域２が淡水の流れに干渉するため、淡水レンズ内の淡水が平面方向に迂回しながら導流されることとなる。
【００１６】
［形状例］
本願発明の低透水域の実施例に係る概略斜視図を図２に示す。
低透水域２の形状は特に限定されない。
例えば、低透水域２の平面形状は、矩形（図２（ａ））、円形（図２（ｂ））等を採用することができ、その他の形状、又はそれらの組合せをも採用することができる。
また、低透水域２を鉛直方向に断面視した形状では、上下方向に湾曲した軌跡を描いた形状（Ｕ字形状、皿形状）等を採用してもよい。
【００１７】
［構成例］
本願発明の低透水域の実施例に係る概略平面図を図３に示す。
低透水域２は、単数或いは複数の地盤改良部２１で構成することができる。
地盤改良部２１とは、周知の地盤改良方法、例えば薬液注入工法によって、地表面から地盤Ｃ内に形成する低透水性を具備する箇所である。したがって、低透水域２は、地表面の一箇所から薬液注入して形成した地盤改良部２１単体で構築してよいし、地表面の複数箇所からそれぞれ形成した複数の地盤改良部２１の組合せでもって構築してもよい。
このとき、それぞれの地盤改良部２１の隣接の有無は問わないため、地盤改良部２１が互いに重複若しくは隣接するように配置したり（図３（ａ））、地盤改良部２１を間欠的に配置して格子状を呈するようにする（図３（ｂ））等、適宜設計することができる。
【００１８】
また、低透水域２を構成する地盤改良部２１の構築時期は、取水装置１の設置の前後を問わない。
したがって、新たに取水システムの構築に際し事前に低透水域２を構築してから取水装置１を設けてもよいし、既存の取水システムに対して事後的に低透水域２を構築することで、取水性能の向上機能を付加することもできる。
【００１９】
＜４＞作用
次に、本願発明の地下水の取水構造の作用について説明する。
取水口１１の下方に低透水域２を配した場合、低透水域２の外縁に沿うように平面方向に迂回する流れが生じ、取水位置より下方に存する塩水Ｂの領域から取水口１１へ向かう直線的な流れは大きく低減されることになる。
したがって、塩水Ｂの領域から上方へ向かった流れの大きさは、従来の取水口１１の下方における流れの大きさよりも小さくなる。
以上の作用によって、塩水Ｂのアップコーニングを遅らせる事が可能となる。
【００２０】
＜５＞実験結果
本願発明を検証すべく行った数値解析の結果を図４〜図７に示す。
解析プログラムには、多成分・多相系の地下流体解析コード（TOUGH2）を使用した。
計算モジュールは三成分（淡水、塩水、空気）二相流を扱うEOS7を使用した。解析モデルは鉛直二次元の軸対称モデルとした。
【００２１】
［モデル図］
数値解析のモデル図を図４に示す。
全要素数は４９４０とし、標高０ｍ〜−５０ｍの要素厚（鉛直方向厚）は１ｍ、−５０ｍ〜−７０ｍの要素厚は２ｍ、−７０ｍ〜−９０ｍの要素厚は４ｍとし、水平方向の厚さは一律１０ｍとした。
境界条件として、島外側（モデル右端）には標高−１０ｍに海水面を与えた固定濃度および水頭境界、モデル上端は大気圧の固定境界とともに、年間降雨量３２００ｍｍ／ｙｅａｒの半分量の定流量を与えた。
そして、島中心の標高−１４．５ｍから８１０ｍ3／ｄａｙで取水を行う計算をした。
物性値として、地盤の透水係数はｋ＝２．０×１０-1ｃｍ／ｓｅｃ、有効間隙率はｎ＝０．１を与えた。
初期条件には、前述した境界条件で取水を行わないケースを事前に行い、淡水レンズが形成された定常状態を初期条件として与えた。
【００２２】
［解析結果］
数値解析の結果を図５及び図６に表す。
図５は淡水レンズが形成された状態から、島中央において８１０ｍ3／ｄａｙで単純取水を行った際の約０．１年後の海水混入率を表したコンター図であり、中央部で塩水のアップコーニングが発生することが分かる。
【００２３】
一方、図６は淡水レンズが形成された状態から、本願発明による取水方法で同様に淡水を８１０ｍ3／ｄａｙで取水した際の約０．１年後の海水混入率を表したコンター図である。
低透水域は半径３０ｍ、厚さ１ｍであり、低透水域を設けたことにより、図４と比較して、塩水のアップコーニングが鈍化していることが分かる。
【００２４】
図７に揚水位置での取水量とＮａＣｌ濃度変化を表したグラフを示す。
グラフより、飲料水基準であるＣｌ−２００ｍｇ／Ｌ（ＮａＣｌ−３２９ｍｇ／Ｌ）に到達するまでの積算取水量は、単純取水による方法で約１、８００ｍ3であるが、本願発明による取水では、約２３、０００ｍ3と約１３倍多くすることが可能となった。
【符号の説明】
【００２５】
１ 取水装置
１１ 取水口
２ 低透水域
２１ 地盤改良部
Ａ 淡水
Ａ１ 塩淡境界面
Ｂ 塩水
Ｃ 地盤
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、淡水レンズを取水源とする地下水の取水構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
環礁島などの地下では、淡水が島の地下に侵入した海水の上にレンズ状となって浮かんだ状態で存在しており、淡水レンズと呼ばれている。淡水レンズは、島の中央では最も層厚が大きく、海岸に近づくにつれて薄くなっている。
また、海に近い領域の地下では、海水が楔上に地下水中に入りこんでおり、塩水楔と呼ばれている。
このような場所で、地下水（淡水）の摂取が過剰となると、塩水のアップコーニングが発生し、塩水混入による取水被害が生じる場合がある。
【０００３】
上記の問題を解決する方法として、下記の特許文献１，２に示す、いわゆる満州井戸方式や、二重取水方式などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１８２９８号公報
【特許文献２】特開２００９−１５００７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記した従来技術では、以下に示す問題のうち、少なくとも一つの問題を有する。
（１）満州井戸方式は平面的な揚水方法であり、ある程度塩水を引き込みにくくする効果が期待できるが、塩水域から取水口へと向かう直線的な流れが生じることに変わりはない。また、地盤の透水性が高く地下水位の高い場所では施工性が悪くなる恐れがある。
（２）二重取水方式は淡水側と同時に塩水側も取水することで塩淡境界部分の鉛直方向の流れを相殺させるため、アップコーニングの防止に寄与しうるものの、地盤が不均質であると、十分な効果が得られない場合がある。
【０００６】
そこで、本願発明は、取水装置自体を複雑な構造にすることなく、淡水の取水時に塩水の混入を低減することが可能な取水構造を提供することを目的の一つとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決すべくなされた本願の第１発明は、淡水レンズを取水源とする地下水の取水構造であって、淡水レンズ内に位置する取水口と、淡水レンズの塩淡境界面との間に、低透水域を配したことを特徴とする、地下水の取水構造を提供するものである。
また、本願の第２発明は、前記第１発明において、前記低透水域が、少なくとも一つの地盤改良部からなることを特徴とするものである。
また、本願の第３発明は、前記第２発明において、前記地盤改良部を、薬液注入工法によって形成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本願発明によれば、下記に示す効果のうち、少なくとも何れか一つを得ることができる。
（１）取水装置に特別な構造を施すことなく、取水時における塩水の混入を低減することができる。
（２）既存の取水装置に対して事後的に本願発明の構造を付加することができるため、施工性に優れ、施工コストの低廉化にも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本願発明の地下水の取水構造の概略断面図。
【図２】本願発明の低透水域の実施例に係る概略斜視図。
【図３】本願発明の低透水域の実施例に係る概略平面図。
【図４】本願発明の地下水の取水構造の数値解析のモデル図。
【図５】従来の地下水の取水構造の数値解析結果を示すモデル図。
【図６】本願発明の地下水の取水構造の数値解析結果を示すモデル図。
【図７】本願発明の揚水位置での取水量とＮａＣｌ濃度変化を表したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、各図面を参照しながら、本願発明の取水構造について説明する。
【００１１】
＜１＞全体構成
本願発明の地下水の取水構造の概略断面図を図１に示す。
本願発明に係る地下水の取水構造は、環礁島等の地下に存する淡水レンズＡ内へ取水装置１を設けると共に、前記取水装置１の取水口１１と淡水レンズＡの塩淡境界面Ａ１との間に、更に低透水域２を設けるものである。
【００１２】
＜２＞取水装置
取水装置１は、淡水レンズＡ内から淡水を取水するための手段である。
一般的に、取水装置１は、淡水レンズＡの層厚部分の直上の地表面から削孔したトンネルに揚水管を配するなどして構築する。
【００１３】
［取水口］
取水装置１の略先端に設けた取水口１１は、地下の淡水レンズＡ内に位置するように設ける。
取水口の向きは特に限定するものではなく、上下左右何れの向きを向いていてもよい。
取水口の本数も特に限定するものではなく、単数或いは複数の何れでもよい。
【００１４】
＜３＞低透水域
低透水域２は、自己の低透水性を利用して、淡水レンズＡ内の淡水の流れを制御する為の手段である。
なお、前記した「低透水性」とは、淡水レンズＡが存する地盤Ｃの透水性に対して、相対的に透水性が低い状態であることを示すものである。
【００１５】
［配置例］
低透水域２は、前記取水口１１と、前記淡水レンズＡの塩淡境界面Ａ１との途上に配置する（図１）。
より詳しくは、低透水域２は、図１の鉛直方向において、取水口１１と該取水口から下方に存する淡水レンズの塩淡境界面Ａ１との間に配置する。
なお、淡水レンズＡを平面視した時に、低透水域２上における取水口１１の投影位置が、低透水域２の略中心部分に位置するように配置することが望ましい。
上記のように配置すれば、取水口１１と、淡水レンズの塩淡境界面Ａ１との間に最短経路での取水を遮る領域が存在することとなる。
したがって、取水口１１からの取水時に、淡水レンズＡの塩淡境界面Ａ１から取水口１１へと淡水が導かれるに際して、低透水域２が淡水の流れに干渉するため、淡水レンズ内の淡水が平面方向に迂回しながら導流されることとなる。
【００１６】
［形状例］
本願発明の低透水域の実施例に係る概略斜視図を図２に示す。
低透水域２の形状は特に限定されない。
例えば、低透水域２の平面形状は、矩形（図２（ａ））、円形（図２（ｂ））等を採用することができ、その他の形状、又はそれらの組合せをも採用することができる。
また、低透水域２を鉛直方向に断面視した形状では、上下方向に湾曲した軌跡を描いた形状（Ｕ字形状、皿形状）等を採用してもよい。
【００１７】
［構成例］
本願発明の低透水域の実施例に係る概略平面図を図３に示す。
低透水域２は、単数或いは複数の地盤改良部２１で構成することができる。
地盤改良部２１とは、周知の地盤改良方法、例えば薬液注入工法によって、地表面から地盤Ｃ内に形成する低透水性を具備する箇所である。したがって、低透水域２は、地表面の一箇所から薬液注入して形成した地盤改良部２１単体で構築してよいし、地表面の複数箇所からそれぞれ形成した複数の地盤改良部２１の組合せでもって構築してもよい。
このとき、それぞれの地盤改良部２１の隣接の有無は問わないため、地盤改良部２１が互いに重複若しくは隣接するように配置したり（図３（ａ））、地盤改良部２１を間欠的に配置して格子状を呈するようにする（図３（ｂ））等、適宜設計することができる。
【００１８】
また、低透水域２を構成する地盤改良部２１の構築時期は、取水装置１の設置の前後を問わない。
したがって、新たに取水システムの構築に際し事前に低透水域２を構築してから取水装置１を設けてもよいし、既存の取水システムに対して事後的に低透水域２を構築することで、取水性能の向上機能を付加することもできる。
【００１９】
＜４＞作用
次に、本願発明の地下水の取水構造の作用について説明する。
取水口１１の下方に低透水域２を配した場合、低透水域２の外縁に沿うように平面方向に迂回する流れが生じ、取水位置より下方に存する塩水Ｂの領域から取水口１１へ向かう直線的な流れは大きく低減されることになる。
したがって、塩水Ｂの領域から上方へ向かった流れの大きさは、従来の取水口１１の下方における流れの大きさよりも小さくなる。
以上の作用によって、塩水Ｂのアップコーニングを遅らせる事が可能となる。
【００２０】
＜５＞実験結果
本願発明を検証すべく行った数値解析の結果を図４〜図７に示す。
解析プログラムには、多成分・多相系の地下流体解析コード（TOUGH2）を使用した。
計算モジュールは三成分（淡水、塩水、空気）二相流を扱うEOS7を使用した。解析モデルは鉛直二次元の軸対称モデルとした。
【００２１】
［モデル図］
数値解析のモデル図を図４に示す。
全要素数は４９４０とし、標高０ｍ〜−５０ｍの要素厚（鉛直方向厚）は１ｍ、−５０ｍ〜−７０ｍの要素厚は２ｍ、−７０ｍ〜−９０ｍの要素厚は４ｍとし、水平方向の厚さは一律１０ｍとした。
境界条件として、島外側（モデル右端）には標高−１０ｍに海水面を与えた固定濃度および水頭境界、モデル上端は大気圧の固定境界とともに、年間降雨量３２００ｍｍ／ｙｅａｒの半分量の定流量を与えた。
そして、島中心の標高−１４．５ｍから８１０ｍ3／ｄａｙで取水を行う計算をした。
物性値として、地盤の透水係数はｋ＝２．０×１０-1ｃｍ／ｓｅｃ、有効間隙率はｎ＝０．１を与えた。
初期条件には、前述した境界条件で取水を行わないケースを事前に行い、淡水レンズが形成された定常状態を初期条件として与えた。
【００２２】
［解析結果］
数値解析の結果を図５及び図６に表す。
図５は淡水レンズが形成された状態から、島中央において８１０ｍ3／ｄａｙで単純取水を行った際の約０．１年後の海水混入率を表したコンター図であり、中央部で塩水のアップコーニングが発生することが分かる。
【００２３】
一方、図６は淡水レンズが形成された状態から、本願発明による取水方法で同様に淡水を８１０ｍ3／ｄａｙで取水した際の約０．１年後の海水混入率を表したコンター図である。
低透水域は半径３０ｍ、厚さ１ｍであり、低透水域を設けたことにより、図４と比較して、塩水のアップコーニングが鈍化していることが分かる。
【００２４】
図７に揚水位置での取水量とＮａＣｌ濃度変化を表したグラフを示す。
グラフより、飲料水基準であるＣｌ−２００ｍｇ／Ｌ（ＮａＣｌ−３２９ｍｇ／Ｌ）に到達するまでの積算取水量は、単純取水による方法で約１、８００ｍ3であるが、本願発明による取水では、約２３、０００ｍ3と約１３倍多くすることが可能となった。
【符号の説明】
【００２５】
１ 取水装置
１１ 取水口
２ 低透水域
２１ 地盤改良部
Ａ 淡水
Ａ１ 塩淡境界面
Ｂ 塩水
Ｃ 地盤
【特許請求の範囲】
【請求項１】
淡水レンズを取水源とする地下水の取水構造であって、
淡水レンズ内に位置する取水口と、淡水レンズの塩淡境界面との間に、低透水域を配したことを特徴とする、地下水の取水構造。
【請求項２】
前記低透水域が、少なくとも一つの地盤改良部からなることを特徴とする、地下水の取水構造。
【請求項３】
前記地盤改良部を、薬液注入工法によって形成したことを特徴とする、請求項２に記載の地下水の取水構造。
【請求項１】
淡水レンズを取水源とする地下水の取水構造であって、
淡水レンズ内に位置する取水口と、淡水レンズの塩淡境界面との間に、低透水域を配したことを特徴とする、地下水の取水構造。
【請求項２】
前記低透水域が、少なくとも一つの地盤改良部からなることを特徴とする、地下水の取水構造。
【請求項３】
前記地盤改良部を、薬液注入工法によって形成したことを特徴とする、請求項２に記載の地下水の取水構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２４６６５５（Ｐ２０１２−２４６６５５Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１８０８９（Ｐ２０１１−１１８０８９）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【出願人】（０００２０６２１１）大成建設株式会社 (1,602)
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