特開 2023-149072 水管理方法、水管理システム、及び複合堰

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023149072

(43)【公開日】2023-10-13

(54)【発明の名称】水管理方法、水管理システム、及び複合堰

(51)【国際特許分類】

   A01G 25/00 20060101AFI20231005BHJP

【ＦＩ】

A01G25/00 501Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022057429

(22)【出願日】2022-03-30

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り ・研究集会名 ２０２１年度（第７０回）農業農村工学会大会講演会 開催場所 オンライン 開催日 ２０２１年８月３１日 ・刊行物名 「２０２１年度（第７０回）農業農村工学会大会講演会講演要旨集」 発行日 ２０２１年８月 ・刊行物名 「山形新聞 ２０２１年９月１６日朝刊、第３面」 発行日 ２０２１年９月１６日 ・刊行物名 「日本農業新聞 ２０２１年９月１６日、第１面」 発行日 ２０２１年９月１６日 ・刊行物名 「河北新報 ２０２１年９月２４日、第２１面」 発行日 ２０２１年９月２４日 ・研究集会名 令和３年度応用水理研究部会講演会 開催場所 オンライン 開催日 ２０２１年１２月１１日 ・刊行物名 「令和３年度応用水理研究部会講演会講演集」 発行日 ２０２１年１２月９日 ・展示会名 アグリビジネス創出フェア 開催場所 東京ビッグサイト 青海展示棟 展示日 ２０２１年１１月２５日 ・放送番組 山形放送 番組名「ＹＢＣ ｎｅｗｓ ｅｖｅｒｙ」 公開日 ２０２１年１２月９日

(71)【出願人】

【識別番号】501203344

【氏名又は名称】国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】藤山 宗

(72)【発明者】

【氏名】中矢 哲郎

(72)【発明者】

【氏名】浪平 篤

(57)【要約】

【課題】末端用水路における水管理を行うための技術を提供する。
【解決手段】水管理方法は、支線用水路２００から分岐した末端用水路３００の流量を制御する方法である。水管理方法は、堰板の下端と末端用水路３００の底との間に空隙を有するように設けられた複合堰１０により、堰板の下部を流れる底流と堰板の上部を超える越流との両方により末端用水路３００内の流量を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

支線用水路から分岐した末端用水路の流量を制御する水管理方法であって、
堰板の下端と前記末端用水路の底との間に空隙を有するように設けられた複合堰により、堰板の下部を流れる底流と堰板の上部を超える越流との両方により前記末端用水路内の流量を制御する、水管理方法。

【請求項2】

前記支線用水路と前記末端用水路との分岐点に設けられた配水ゲートの開閉により、前記支線用水路から前記末端用水路への水流を制御する、請求項１に記載の水管理方法。

【請求項3】

前記末端用水路に隣接する複数の圃場のそれぞれに対して設けられた前記複合堰により、前記末端用水路内の流量を制御する、請求項２に記載の水管理方法。

【請求項4】

前記末端用水路から圃場への給水を制御する給水栓を開いた状態とし、前記複合堰の高さを固定して、前記配水ゲートの開閉により、前記末端用水路から前記圃場への給水を制御する、請求項２又は３に記載の水管理方法。

【請求項5】

前記末端用水路に隣接する圃場の水位、並びに前記末端用水路内の水位及び流量の少なくとも一つに基づいて、前記配水ゲートの開閉を制御する、請求項２から４のいずれか１項に記載の水管理方法。

【請求項6】

支線用水路から分岐した末端用水路の流量を制御する水管理システムであって、
堰板の下端と前記末端用水路の底との間に空隙を有するように設けられた複合堰を備えた、水管理システム。

【請求項7】

前記支線用水路と前記末端用水路との分岐点に設けられた配水ゲートと、
前記末端用水路に隣接する圃場の水位を測定する水位測定装置、並びに、前記末端用水路内の水位を測定する水位測定装置及び流量を測定する流量測定装置の少なくとも一つと、
前記末端用水路に隣接する圃場の水位、並びに前記末端用水路内の水位及び流量の少なくとも一つに基づいて、前記配水ゲートの開閉を制御する制御装置と、
をさらに備えた、請求項６に記載の水管理システム。

【請求項8】

支線用水路から分岐した末端用水路に設けられる複合堰であって、
堰板の下端と前記末端用水路の底との間に、堰板の下部を流れる底流が通過する底流通過領域と、
堰板の上部を超える越流が通過する越流通過領域とを有する、複合堰。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、水管理方法、水管理システム、及び複合堰に関する。

【背景技術】

【0002】

開水路形式の農業用水路の末端用水路では、期別に加えて日単位でも水路流量が変化する。したがって、水田圃場へ均等に給水するために、末端用水路内の適切な水位管理が求められる。末端用水路の水位管理の方法としては、支線用水路から末端用水路への分岐点に設けられた配水ゲートや、末端用水路から各水田圃場への給水のための給水栓の開度を調整する方法、水田圃場毎に末端用水路に設けられた堰板の高さを調整する方法等が挙げられる。

【0003】

水田圃場や末端用水路の水位を管理する技術として、特許文献１から３に記載された技術が知られている。特許文献１には、作物の生育状態等を考慮して、弁体を開閉することにより圃場への給配水を制御する装置が記載されている。特許文献２には、小規模水田に設けられた堰板をモータの駆動により開閉することで、水田の水位を調整する装置が記載されている。特許文献３には、用水路と下流の水路との分岐点に設けられた山分け分流堰と、下流の水路に設けられた越流堰とにより、水田への給水を制御するシステムが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－１０６５８３号公報

【特許文献2】特開２０１９－２４４０１号公報

【特許文献3】実用新案登録第３２２０８３６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

従来の末端用水路の水位管理方法では、配水ゲートや給水栓を開閉したり、堰板の高さを調整したりする必要があり、その操作に係る労力が問題となる。特許文献１から３に記載された技術は、このような水位管理のための技術であるが、末端用水路の水位管理のための労力を低減し得るさらなる技術が求められている。

【0006】

本発明の一態様は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、末端用水路における水管理を行うための技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る水管理方法は、支線用水路から分岐した末端用水路の流量を制御する水管理方法であって、堰板の下端と前記末端用水路の底との間に空隙を有するように設けられた複合堰により、堰板の下部を流れる底流と堰板の上部を超える越流との両方により前記末端用水路内の流量を制御する。

【0008】

本発明の一態様に係る水管理システムは、支線用水路から分岐した末端用水路の流量を制御する水管理システムであって、堰板の下端と前記末端用水路の底との間に空隙を有するように設けられた複合堰を備えている。

【0009】

本発明の一態様に係る複合堰は、堰板の下端と前記末端用水路の底との間に、堰板の下部を流れる底流が通過する底流通過領域と、堰板の上部を超える越流が通過する越流通過領域とを有する。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一態様によれば、末端用水路における水管理を行うための技術を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一態様に係る水管理システムの要部構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の一態様に係る複合堰を示す模式図である。

【図3】従来の越流堰と本発明の一態様に係る複合堰を用いた実験結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

〔水管理システム〕
本発明の一態様に係る水管理システムについて、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本発明の一態様に係る水管理システム１００の要部構成を示すブロック図である。図２は、本発明の一態様に係る複合堰１０を示す模式図である。

【0013】

水管理システム１００は、支線用水路２００から分岐した末端用水路３００の流量を制御するシステムである。支線用水路２００は、農業用水路であり、水面が大気に接している開水路形式の水路であり得る。支線用水路２００からは、複数の末端用水路３００に分岐している。末端用水路３００には圃場４００が隣接しており、末端用水路３００の流れの方向に略平行に複数の圃場４００が配列している。圃場４００は、一例として、水田圃場である。

【0014】

図１に示すように、水管理システム１００は、複合堰１０及び配水ゲート２０を備えている。また、水管理システム１００は、給水栓３０、制御装置４０、及び測定装置５０を備え得る。

【0015】

（複合堰１０）
複合堰１０は、堰板１１の下端と末端用水路３００の底との間に空隙を有するように設けられている。すなわち、複合堰１０は、堰板１１の下端と末端用水路の底との間に、堰板の下部を流れる底流が通過する底流通過領域１２と、堰板１１の上部を超える越流が通過する越流通過領域１３とを有している。これにより、複合堰１０の堰板１１の下部を流れる底流と、堰板１１の上部を超える越流との両方により末端用水路３００内の流量を制御する。すなわち、複合堰１０は、従来の越流堰で利用されている越流に加えて、堰板１１の下側を流れる底流を複合して利用するものである。

【0016】

複合堰１０の越流通過領域１３側は、全幅堰、四角堰、及び三角堰のいずれであってもよい。図２は、一例として、複合堰１０の越流通過領域１３側が全幅堰である場合を示している。堰板１１の堰高Ｈ（堰板１１の高さｗと底流通過領域１２の高さｄとの和）は、末端用水路の流量に応じて、所望の堰上流水深ｈとなるように、設定することができる。

【0017】

従来の越流堰は、堰板を超える越流のみにより末端用水路内の流量を制御するので、流下能力が低い。そのため、末端用水路にて流量が増大すると比較的大きな水位上昇が生じる。そして、このような越流堰を用いて、末端用水路から各圃場への給水地点の水深を一定に保ち、下流の圃場への給水量も確保するためには、末端用水路内の流量に合わせて堰板の高さを変更する必要があり、その操作に係る労力が問題となる。

【0018】

水管理システム１００においては、複合堰１０により、底流と越流との両方により末端用水路３００内の流量を制御するので、流下能力が高い。そのため、末端用水路３００にて流量が変化しても、水位変動量は小さい。その結果、末端用水路３００から各圃場４００への給水地点の水深を一定に保ち、下流の圃場への給水量も確保することができる。複合堰１０によれば、堰高Ｈを固定した状態で、末端用水路３００から各圃場４００への給水地点の水深を一定に保つことができる。

【0019】

複合堰１０は、末端用水路３００に隣接する複数の圃場４００のそれぞれに対して設けられていることが好ましい。これにより、末端用水路３００から各圃場４００への給水地点の水深を一定に保ち、各圃場４００への給水量を確保することができる。

【0020】

（配水ゲート２０）
配水ゲート２０は、支線用水路２００と末端用水路３００との分岐点に設けられている。すなわち、配水ゲート２０は、末端用水路３００の上流に設けられている。水管理システム１００においては、配水ゲート２０を開閉することにより、支線用水路２００から末端用水路３００への水流を制御する。配水ゲート２０の形式は、特に限定されず、スルース式であっても、フラップ式であってもよい。

【0021】

水管理システム１００において、末端用水路３００から圃場４００への給水は、給水栓３０により制御される。一例として、水管理システム１００は、給水栓３０を開いた状態とし、複合堰１０の堰高Ｈを固定して、配水ゲート２０の開閉により、末端用水路３００から圃場４００への給水を制御する。水管理システム１００においては、末端用水路３００から各圃場４００への給水地点の水深を一定に保ち、圃場４００への給水量が確保されているので、圃場４００への給水のために、給水栓の開度を調整したり、堰の高さを調整したりする必要がない。

【0022】

すなわち、水管理システム１００によれば、配水ゲート２０の開閉を制御するのみで、末端用水路３００に隣接する圃場４００への給水を制御することができる。また、末端用水路３００に隣接する複数の圃場４００のそれぞれの給水栓３０を開いた状態とし、それぞれの複合堰１０の堰高Ｈを固定して、配水ゲート２０の開閉を制御することで、複数の圃場４００への給水を一括して制御することができる。さらに、水管理システム１００によれば、末端用水路３００から各圃場４００への給水地点の水深を一定に保つことができるので、配水ゲート２０を開閉するのみで、各圃場４００への一定給水を実現することができる。

【0023】

配水ゲート２０の開閉は、制御装置４０により制御され得る。末端用水路３００に隣接する圃場４００の水位並びに末端用水路３００内の水位及び流量の少なくとも一つに基づいて、制御され得る。制御装置４０は、一例として、配水ゲート２０に設けられた駆動装置（図示せず）を遠隔操作することにより、配水ゲート２０の開閉を制御してもよい。

【0024】

制御装置４０は、測定装置５０が測定した末端用水路３００に隣接する圃場４００の水位並びに末端用水路３００内の水位及び流量の少なくとも一つに基づいて、配水ゲート２０の開閉を制御してもよい。測定装置５０は、一例として、圃場４００に設けた水位計のような水位測定装置、並びに、末端用水路３００に設けられた水位計のような水位測定装置及び流量計のような流量測定装置の少なくとも一つである。測定装置５０は、測定したデータを制御装置４０へ出力する。また、測定装置５０は、測定したデータをクラウドサーバ上の記憶装置（図示せず）に格納してもよい。制御装置４０は、一例として、無線通信又は有線通信により測定装置５０から出力されたデータを取得する。

【0025】

制御装置４０は、一例として、測定装置５０が測定した末端用水路３００に隣接する圃場４００の水位が低い、末端用水路３００内の水位が低い、又は、流量が少ない場合には、配水ゲート２０を開いて末端用水路３００の流量を増やし、圃場４００への給水量を増加させる。また、制御装置４０は、一例として、測定装置５０が測定した末端用水路３００に隣接する圃場４００の水位高い、末端用水路３００内の水位が高い、又は、流量が多い場合には、配水ゲート２０を閉じて末端用水路３００の流量を減らし、圃場４００への給水量を低減する。

【0026】

また、制御装置４０は、圃場４００の水位並びに末端用水路３００内の水位及び流量の少なくとも一つに基づき、圃場４００の水位並びに末端用水路３００内の水位及び流量の少なくとも一つを所定の範囲内に維持するように、配水ゲート２０の開閉を制御してもよい。

【0027】

このように、水管理システム１００は、圃場４００の水位並びに末端用水路３００内の水位及び流量の少なくとも一つを監視し、これらのデータに基づいて配水ゲート２０の開閉を制御することで、末端用水路３００に隣接する圃場４００への給水を一括自動制御することができる。

【0028】

〔複合堰〕
本発明の一態様に係る複合堰は、支線用水路から分岐した末端用水路に設けられる複合堰であって、堰板の下端と前記末端用水路の底との間に、堰板の下部を流れる底流が通過する底流通過領域と、堰板の上部を超える越流が通過する越流通過領域とを有する。すなわち、上述した水管理システム１００が備える複合堰１０は、本発明に係る複合堰の一態様である。したがって、本発明の一態様に係る複合堰の詳細は、上述した複合堰１０の説明に準じる。

【0029】

〔水管理方法〕
本発明の一態様に係る水管理方法は、支線用水路から分岐した末端用水路の流量を制御する水管理方法であって、堰板の下端と前記末端用水路の底との間に空隙を有するように設けられた複合堰により、堰板の下部を流れる底流と堰板の上部を超える越流との両方により前記末端用水路内の流量を制御する。また、水管理方法は、支線用水路と前記末端用水路との分岐点に設けられた配水ゲートの開閉により、前記支線用水路から前記末端用水路への水流を制御し得る。さらに、水管理方法は、末端用水路に隣接する複数の圃場のそれぞれに対して設けられた複合堰により、末端用水路内の流量を制御し得る。

【0030】

また、水管理方法は、前記末端用水路から圃場への給水を制御する給水栓を開いた状態とし、前記複合堰の高さＨを固定して、前記配水ゲートの開閉により、前記末端用水路から前記圃場への給水を制御する。さらに、水管理方法は、前記末端用水路に隣接する圃場の水位並びに前記末端用水路内の水位及び流量の少なくとも一つに基づいて、前記配水ゲートの開閉を制御する。

【0031】

すなわち、上述した水管理システム１００は、本発明に係る水管理方法を実行するための水管理システムの一態様である。したがって、本発明の一態様に係る水管理方法の詳細は、上述した水管理システム１００の説明に準じる。

【0032】

従来、開水路形式の末端用水路での堰板（例えば、全幅堰）を用いた圃場への給水操作においては、必要な給水量を確保するために、圃場における給水箇所数の調整が実施されている場合もあり、堰板の設置地点の変更に多大な労力が生じている。そのため、灌慨期間をとおして堰板を固定した状態で各給水地点の水位を維持し、必要な給水量を確保できれば、その労力を削減できる。越流部を長く確保した斜長堰やduckbillweirを用いて、流下能力を高めることで水位変動を抑制する従来技術が、幹線用水路において適用されているが、施設構造が大掛かりであり、末端用水路での利用には不向きである。

【0033】

本発明の一態様に係る水管理方法によれば、従来の堰板を用いた簡易な構造により、越流に底流を併用した複合堰により流下能力を高めることができるので、末端用水路にも適用できる簡易な施設構造により水位変動を抑制し、給水量の確保を実現できる。

【0034】

上述した本発明の構成によれば、農業の維持及び発展につながる。これにより、持続可能な開発目標（ＳＤＧｓ）の目標２「飢餓をゼロに」の達成に貢献できる。

【0035】

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【実施例0036】

水理実験及び水理計算により、従来の全幅堰と本発明の一態様に係る複合堰の末端用水路における水位調整施設としての有効性を比較した。

【0037】

（実験方法）
水理実験は、水路延長１０ｍ、水路側壁高３０ｃｍ、水路幅２５ｃｍ、水路勾配無しのアクリル製の長方形断面開水路において、上流端から７ｍの位置に模型の全幅堰及び複合堰をそれぞれ設置して行った。実験ケースは、全幅セキ（堰高Ｈ＝１２ｃｍ）と複合堰（堰高Ｈ＝１３ｃｍ、底流開度ｄ＝１ｃｍ）の２ケースである。全幅堰と複合堰の流量係数Ｃは、流量と堰上流水深の計測結果をもとに、越流堰の流量の関係式を用いて算出した。

【0038】

末端用水路への複合堰の適用を想定し、水理実験から得られた流量係数Ｃを用いて現地水路を対象とした不等流計算を行った。不等流計算は、ベルヌーイの定理に準じた逐次計算法である。計算条件は、表１に示すように、全幅堰を用いた末端用水路での水位調整が実施されているＡ地区の諸元を参考に、水路延長５０ｍ、水路勾配１／５８０、上流端流量０．０３ｍ^３／ｓとした。

【表1】

【0039】

セキＧ１及びＧ２の位置は、３０ａ圃場の短辺３０ｍに１地点を想定し、水路上流から１０ｍ及び４０ｍの地点とし、それぞれの堰高Ｈは各ケースで同一とした。給水はオリフィスによるものとし、その位置はＧｌ及びＧ２のそれぞれ５ｍ上流の地点とした。

【0040】

（結果と考察）
水理実験の結果から算定された越流堰の流量係数Ｃは全幅堰で１．６５、複合堰で２．１０であった。四角堰からの越流に底流を併用した複合堰の流量係数Ｃは、底流流入部の高流速の影響が堰上流に及び、速度水頭が増大することで大きくなると予測されている。今回対象とする越流堰は全幅堰であるが、同様な傾向であると推測される。

【0041】

水理計算の結果を、図３に示す。図３は、従来の越流堰と本発明の一態様に係る複合堰を用いた計算結果を示す図である。図３中のグラフ１００１に示すように、Ｇ１の上流水位はＣａｓｅ１が最も高く、底流開度ｄが大きくなるにつれてＣａｓｅ２－１及びＣａｓｅ２－２の順で低くなった。また、Ｇ２の上流水位も同様な傾向であった。このように、複合堰は、底流開度が大きくなることによる底流流量の増大に加えて、前述の越流堰の流量係数Ｃの増大の効果が発現することで、流下能力が向上し、水位上昇を抑制できることが示された。

【0042】

水深の変化はオリフィスで給水する流量に影響を及ぼすため、図３中のグラフ１００２に示すように、Ｏｕｔ１とＯｕｔ２の給水量は、水深が低下するにつれてＣａｓｅ１、Ｃａｓｅ２－１、Ｃａｓｅ２－２の順に小さくなった。このことから、複合堰は水位上昇を抑制し給水量を低減できることが示された。

【0043】

これらの結果より、図３中のグラフ１００３に示すように、複合堰と全幅堰との水路流量の差は、給水を経るごとに大きくなり、Ｏｕｔ２より下流では０．００２ｍ^３／ｓとなった。このように、複合堰は全幅堰に比べて下流水路の流量を増やせることから、複合堰をさらに多く配置することで下流水路流量の増大が見込めることが示された。

【符号の説明】

【0044】

１０ 複合堰
２０ 配水ゲート
３０ 給水栓
４０ 制御装置
５０ 測定装置（水位測定装置、流量測定装置）
１００ 水管理システム
２００ 支線用水路
３００ 末端用水路

【図1】

【図2】

【図3】