表層と躍層部を含んだ表面取水 に ） 分離取水深

1 ）模型実験

1 −1 ）実験の目的

1 −2 ）実験装置と実験方法 1 −3 ）実験条件と結果 2 ）分離取水深

頁

4 6

10

13 15 15

16 17 18 18

19 20 21 22 2 −1 ）f  表 ＝f  表i   （Zi/ds 直） の 分 析         242

−2 ）f  表 ＝f  表2  （（ β/ β ）°・5） の 分 析       252

−3 ）f  表 ＝f  表3   （Zi/dsig,    （ β/ β ）O勺 の 分 析 262‑4

） 考 察       29

1.2‑ 2

1

3 ）従来 の表面 取水算式との比較 3 −1 ）表層 内取水のG  cr 3‑2 ）他 の算式 との対 比

（2 ）  分離取水深内 の流速分布 と取水効率1

）模型 実験

1 −1 ）実験の目的

1 −2 ）実験装置と実験方法1

−3 ）実験条件と結果 2 ）流速分布の仮定

3 ）取水効率 2 .   5 まとめ

添付資料1.2‑ 工 添付資料1.1‑2 添付資料1.1 −3 添付資料1.1 −4

模型実 験の計測 結果・・分離取水 深

2 成層1密度分布 の算式の変動幅に 関する資 料 模型実験 の計測結果・        ≪取水効率

参考文献

1.2‑ 3

頁

CO             CO3 CO

38 39 39 39 40 43

4 64 4

47 50

1

1

2  選択取水 設備 の呑 み口寸法の選定 方法

2 。1  研 究 テ ー マ の 位 置 付 け と 成 果

ダムの深さ方向に発生する貯水密度 の変化を利 用して特定 の層か ら取水する選択 取水設 備は、国 内では、 既に一般化 し ている 。そのニ ーズは稲 作収量 の向上、 ダムの設置 が原因 で発生する 濁水長期化、富栄 養化など の水質変化 へ の対応、 河川水に含 まれ る鉱毒対策な ど様々であ る＊1．敗戦後の食料 困窮を背 景に北海道や東北 地方の稲作収量を 向上させる為 の温水取水の試みが最も早く、 貯水の高温 表層 を選択的に取 水する設備 がいろ いろと考案 さ れ、 昭和30 年 の前後には川原 の温水取 水理論＊2を基礎 にし たシリン ダゲ ート による大 容量 設備 が実現し ている。設備の呑 みロ 寸法を与 える考 え方は ①貯水 の密度分 布が高温層 と低温層 の2 層から成 り立っ ている2 成層密接し分̲布 で、 ②流動層内 の流 れは二次元 ポテン シャル流 で、 流速は水面 でO 、境界面 で限界流速に等し く、 ③2 層の境 界面 で下層 連行が 起こ らない限 界流速値としてはKeulegan が 提案し た値*3 を 用いていた。 結果的 にか なり安 全 側の呑み口寸法が与 えられ た様であ るが、 当時 の密度流理 論の発展状況か ら必然的帰結 であり、実 用的な面 から高 く評価される べきものと 考えられる。昭和40 年 代 に入り濁水 長期化に対応 する為 の取水設備 が現れ、 選択取水設 備は 新しい時代 に入った。即 ち、 従来 の設備は温水取水が目的であり、 貯水表層 の取水を専 らと していたが、 濁水長 期化対 策で は、 気象と ダム内の濁水分布に応 じて、表 層、中層或いは 深層からの多 様な取水 が求め ら れた。 設m 規模を決定する考え方 は発 電用冷却水 の取水を対 象に日野・大西 により展開さ れ た直線 密度勾配にお ける軸対象密度 流の近似 解＊4に基礎をお いている。取水 理論は、理 論的 厳密さ にお いて、 先の川原の時代 から格段の 進歩 を遂げ た。し かし、数値 計算と模型 実験*5 がpoint sink  側に集中してい た為 に、 設備の 呑み口寸法の影 響を 充分顕 在化 する池

一

に至らなかった。叉、ダム貯水の中層及び深層の密度分布は理論の前提である直線密度勾

己 こ  

こ

＊1

＊2

＊3

＊4

＊5

例 えば 参 考 文 献（22 ）〜（33 ） 参 考文IK  （5) 及び（6 ） 参 考文 献（27 ）

参 考文 献（3 ） 、(9 ）及 び（le ） 参 考文 献（ 川 ）El.び り2 ）

1.2‑ 4

究結果が多数発表さ れた口 。川合・松本は詳細な模型実 験を行い2 成層密度流での取水に 関する有益な 情報を多 数提 供すると共に、一様密度層内の軸対 象ポテンシャル 流の数イ直解 と模型実験結果から求め た界面 の限界流速を与 える定数 を使用し て取水半径 ÷成層深さ の 広い範囲を対象とし た取水限 界数（KC ） の算式を設定し た。先の 日野・ 大西の直線密度勾 配を前提とし た取水 理論の弱点 である表面 取水への適用面 をカ バーし て余りあっ た。叉 、 長い 聞実用的 に重要 で有り 続けた川原理論に代わり、設備 が小型化できる可能性が開かれ た。 しかし、呑 み口寸 法のも う一つの重要な要素であ る高さ の選定 についての足がかり 迄

皿 叉 躍層部 含 だ表面取水も ば ば起 り得 が 成層密度分 布が前提であるので、躍層部の密度変化の度合を反映し得ない宿命にあった。

筆 者等 は日野・大 西の直線密度勾配に対する軸対象密度流 の理論 に着目し 、数値解法に より呑み口径と高さ が取水 限界に与える影響を明かにし 、そ の結果 の正しさ を模型 実験の 結果 で裏付けだ2 ．更 に、 その結果を表層と躍層 部を含 んだ表面取水に 適用する為 の修正 方法を、実験的研究手法により、 確立し た。更 に、表層内 からの取水限 界条件を明 かにし、

川原及び川合・ 松本の2 成層密 度分布 における限 界取水条件 を与える式と比較し た。研究 成果は既に多 くの選択取水設備の計画に適用さ れている。本節 では以 上の成果を以下の3 項目に分け て論ずる 。

（1 ） ダム貯水に発生 する 密度成層

（2 ）直線密度勾配を有す る流体中での選択取水

（3 ）表層と躍層部を含ん だ表面 取水

呑考又 献(16) 〜（21 ）

゛2文献（ ＼)  必照

1.2‑ 5

1.2‑ 6

1 2 。2  ダ ム 貯 水 に 発 生 す る 密 度 成 層

ダムの貯水に発生する密度成層について多くの観測が行われ。現在ではその様相が十分 知られているので* 1 ここで改めて論ずる必要はないが、密度成層は本研究テーマの外部 条件であり、これを簡潔に整理することが出発点となる。

温帯及び寒帯の貯水池の多 くは春か ら秋にかけ て水温分 布に 起因し た密度成層の発生 が 見られる。例外は水 深の浅 い貯 水池、貯水池規 模に対し て相対 的に流 入量の大き い逆調整 池 タイプ の貯水池、及 び、人工的 な攬 乱を発生させ てい る揚水 発電用貯水池 であ る＊2．

貯水池へ の年 間流入量 及び一 洪水流入 量の貯水池総容量 に対す る比 率が貯水池が成層型と なる か否かを予測する 概略 の目安とな る＊3．密度成層の形 と程 度を特 徴付ける大きな外部 要 因は日射、気温、 流入水温及 び取水口位 置であ る。密度成 層の変化 には日間及び年間

0 1 0 20 30 深40 さ

3 50

*I

＊2

＊3

＊4 70

90

3 20 ゛

温   度  （C ）25

図 一1.2 −1

例えば 者 考 文 献（12) 〜(15 ） 参 考 文 献（23 ）2 −1  項33e 百 参 考文 献（12 ）

参 考 文 献（6 ）に 示さ れ てい る グ ラフ の 桟 写 で あ る 。

30 °

サイクル がある 。日間サイ クル は主とし て気 温の日間 変化 にリン クし てい る。

水中の熱 の伝導は、 水深 方 向に変化する密 度成層が 存在する場合は。 分子拡散 のみで行われ、そ の速度は 一日に40cra程度である。

図1.2‑1 は日間 サイク ルの温度 降下 過程を示す例 で、 水槽 内の水 温の計測 結果 であ る＊4．図 中の数字 は計 測時間を示す。 水深40cm

迄は 水温が対流混 合に

より大体一定分布を保 ちな がら時間の経過と共 に減少し、40 〜70cniが水温の急変 水深帯、

それ以下が水 温の一定水深帯 であ り、水温の日変 化の及 ぶ水深が大体40ciii程度 であ るこ と

深 さ m

1 0

20

0 5

水  温  （C ）2  0  °

図1  .   2.    −2

2  5" _{3  0   °}

が わ か る 。 図1    ．?   ． ― ? は 年 間 サ イ ク ル の 例 ゛)で 。 流 出 水 の 量 が 少 な い 貯 水 池 の 密 度 分 布 の 変 化 を 示 す 。 グ ラ フ 上 の 数 値 は 計 測 月 で あ る 。 春 に な っ て 陽 光 が 温 ま る3 月 頃 貯 水 池 の 表 層 か ら 昇 温 か 始 ま り 、 月 数 の 経 過 と 共 に 深 さ 方 向 も 含 め て 昇 温 か 進 行 す る 。 夏 を 過 ぎ て（こ の例では8 月頃）水温降下が始 まり、真冬 の2 月 頃に最低 水温に達する。昇温期 の熱 源は 貯水池表面の日射と気 温であり、更に、春先の流 入水は貯水池 の冬季末水温より 高い ので表 層付近に流入する。日射に含 まれる熱源は熱線（波 長≧0.6 μ) で、 轜射現象 により水深10m 付 近迄達し 、この位置での躍層の形成に寄与す る。そ れ以下の層の水温 上昇に寄与す るのは主とし て伝導現象（日間サイ クルの説明 参照） による熱 の伝達 である

゛。春季の密 度成層 の弱い時期には貯水池深部への熱の伝達 は貯水池 内の流れや乱 れに よっ ても行わ れ得 るが、躍 層が発達する夏季には強風時の吹送 流によっ ても 表If lOm 程度 の規模で行わ れる だけ てあ る 3 降温期に入っ ても熱伝導に より深 層への熱 の伝達 が続く が、一方 、水面 では放熱が強まって冷 やされるので、表層内 で対流 混合が発生し 、図に 見られる様な垂 直に近い密 度分布となる。これが進んで躍層 が消滅し、 更に、上層が深層 の温度迄冷却されると 大循 環と呼ばれる貯水池 全層に及ぶ対流 混合 が発生し 。水 温分布は 昇温期初期の状態に戻 る（2 月）。図1.2 −3 は年間 サイクルの別 の例で、深 部取水口 からの流出量 が大きい 貯水 池の密度分布の変化 を示す 4．グラフ上の数値は計測月 であ る。mi

、2 −2 と異な る点は夏 季から秋季にかけ て取水口標高か ら僅か下 に2 次躍層 と呼 ば

冪2 革3 I  4

s 考文 献（6 ）より禰写し たも の 参考文 献（6 ）2百

参考文 献（23 ）2 −1 項 参考文 献 り2)  図2 −1 より抜 粋

1.2‑7

200 (HWL)

深 1   8 0_さ m

170 (LUL) 1  6  0153

（ 取 水 口 ）1

∠1〔〕

1 2  0

0  0

0 5

水  温 (  C  ）2  0 '

図1.2‑3

2  5

6  7  8 0

3  0

れる別 の密度躍層 が存在し、

その上に貯水池 に流入した 水の層（流入水層） が存在 する点 である。深部 に設け られた取水口の場合、取水 の流れは上層迄及 ばず。深 層 の冷 水のみが取水され、

貯水池 は次第に上部 から昇 温し た水に入れ替わって行 く。こ の池水の交換によっ て流 入水が取水口標高まで 達する と、今度は逆に深層 の重い冷 水は浮上し難くな り、上 層の温水が取水され、

深層は停 滞す る日 。この

結果、取水口標高付近には顕著な水温差が生じ、熱伝導により二次躍層が形成される。

夏季の流入水は一般に表層温度より低いから流入部で表層水と拡散混合しながらも二次 躍層上部に流入する。一方取水による流れも鉛直方向の密度分布勾配の為に取水口を中心 とする流入水層の範囲に限られる。即ち、貯水池に流入した水は貯水池内に留まることは なく流入水層を経由して取水口から流出し続ける。この状態では貯水池内は流動する層と 停滞する層に分離され、密度成層は極めて安定した状態を保つ。ここまでは密度変化の要 因を水温変化に限定して説明したが。洪水時に貯水池に流入する濁水の様に多量の異質物 を含む水の密度は含有物の量に応じて密度が変化する。異質物の沈降現象の様に温度差に よる密度成層とは異なった現象も発生するが、各瞬間に於ける現象は同じ密度のスケール で推しはかることができる。

貯水の任意の層から 取水す る選択取水 は安定し た密度成 層が 存在することが前提 である，

本研究テ ーマの目的は与 えられ た密度成 層の形 と強さに対し て 目的と する質と量の水を取

' 参考文献（12)  2 −211

1.2‑ 8