現場踏査時に全地球測位システム (GPS) を使用して測定し その情報を GIS 上に反映させることで既存施設の位置図を作成した ( 図 3) これにより 施設の位置を把握するとともに水理計算に必要な管路位置の標高を得た また 送配水幹線等の基幹施設については 改めて測量調査を実施し 詳細な情報を基

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1 低 高水圧地区を考慮した送配水施設の効率的な更新計画の策定事例 東京設計事務所河村正士 佐藤弘孝 1. 背景と目的本計画の対象地域は 中東のヨルダン国内 ( 以下 ヨ 国と呼ぶ ) の南部地域に位置する この地域は砂漠気候または砂漠性ステップ気候に属し また 起伏の激しい (1,000~ 1,600m) 高原地帯に位置するため 年間降水量が約 120mm 以下であり 蒸発量も非常に多く水資源に非常に乏しい環境にある この地域の既存の水道施設は 地下水を水源として配水池からの自然流下による配水及びポンプ圧送によって給水を行っているが 減圧設備や配水区が適切に配置されておらず 最大 3.4MPa の高水圧により漏水が多発し 無収率が 47% と高く 更に 一人一日実平均給水量が 84L 1 週間の給水時間が2 4~72 時間と過酷な水使用となっている また 本計画の対象地域は図 1に示す通り南北に広がるため 水道事業体による水道施設や設備の維持管理が十分に行き届かず 漏水や出水不良が対象地域の各所で放置される状況であった そこで ヨ 国の要請により我が国の無償資金協力事業において本計画の策定が実施された 本論文では 限られた水資源を有効利用するため漏水量の低減 起伏の激しい地域において適正水圧による安定給水を目的とした送配水施設の更新計画を効率的に策定した事例を述べる 図〇対象地区の位置図 2. 本計画の策定方法と課題の抽出本計画の策定フローを図 2 示す 対象地域における水道事業体は地形図や既存施設の配置図を所有していないため 地形図上に施設配置を示す図面から作成する必要があった なお 現地調査時には 全域を踏査し 全ての施設 管路情報を職員の記憶に図 1 本計画の対象地域より復元する必要があった まずは 既存施設の位置を投影する基本地図を作成した 基本地図は標高データを含む最新の航空写真 (2,500 分の 1) を購入し 地理情報システム (GIS) を利用して作成した 既存施設の位置情報は - 7 -

2 現場踏査時に全地球測位システム (GPS) を使用して測定し その情報を GIS 上に反映させることで既存施設の位置図を作成した ( 図 3) これにより 施設の位置を把握するとともに水理計算に必要な管路位置の標高を得た また 送配水幹線等の基幹施設については 改めて測量調査を実施し 詳細な情報を基に水理解析 計画施設配置の検討を行った 一方 南北に点在する給水区域毎の計画給水量を算定し その水量に対し既存の配水池 ポンプ設備の容量及び配管口径が十分であるか評価を行った 送配水システムについては適切に送配水量が把握できるシステムであるか 維持管理性が確保されているか評価を行った この結果 問題のある既存施設を抽出し その施設を対象に更新計画を策定した 図 2 本計画の策定フロー 図 3 GIS に投影した航空写真 等高線及び現地調査で補足した既存配管 3. 既存施設の機能評価 1,600m 既存施設の機能評価を行った結果 1,500m 給水明らかになった主な問題点は以下の配水池既存送配水管 2 区域 1,400m (A) 給水 (C) ポンプ場とおりであった 区域 1,300m (B) 既存送配水管 1 (1) 対象水道システムの基幹施設の口径 :200mm 1,200m 延長 :10.4km 給水概要を図 4に示す 配水池 (A) から区域 1,100m (A) 伸びている既存送配水管路 1の口径 1,000m は 200mm であり 目標年次における図 4 基幹施設の概要計画送配水量 7,500m 3 / 日に対して 動水勾配は 50 パーミリ以上となることから 既存送配水管路の口径が計画送水量に対して著しく不足し 給水区域 (A) において水圧が確保できない箇所が発生することが分かった (2) 既存送配水管路 12( 図 4) は 送配水機能が分離されておらず 管路の補修時は送配水を共に停止して実施しなければならず 維持管理性に乏しい状態であった さらに 既設送配水管がこれまでの水需要増及び給水区域の拡張に合わせてつぎはぎ的に更新されてきたため 各所でスパゲッティ配管のような複雑な管路を構成していた ( 写真 1) また 給水区域 (A) は配水池 (A) からの距離が約 10km あり 配水管理が難しい状況であった 配水池 (B) - 8 -

3 3 給水区域 A C の 末端部は配水池からの標高 差が最大で約 350m あるも のの 減圧設備がないため 給水圧が約 3.4MPa 最大静 水圧 と非常に高く 漏水事 故が多発していた 写真2 写真1 複雑な露出分岐配管 写真2 継ぎ手破損漏水 既存の配水管路には減圧弁が設置されている箇所はあるものの 全て故障していた 4 既存の水道施設からの送配水量は把握されておらず 適切な配水管理及び維持管理 を実施するための基礎的なデータが不足していた 以上の問題点を解消するため 経済性及び将来の維持管理性能に優れ 且つ漏水を削減 することができる送配水管路計画を策定するため 次に示す検討を行った 4 既存施設の更新計画の検討 1 送配水機能の分離と維持管理性の高い送配水方法の提案 計画送配水量に対する管路口径の不足 送配水管機能の未分離などの問題を改善するた め 表1に示す通り3つの基幹送配水施設の更新案を提案した そして 経済性及び維持 管理性等の比較を行い 最適案を選定した 以下に各案の概要を述べ 提案された3つの 更新案の比較結果を示す 案① 1計画配水池案 送水管を 1 本補強し 配水池 A からポンプ場まで給水区域 A B C の需要水 量分を送水し 計画配水池 B 及び配水池 C へポンプ送水する 計画配水池 B から 給水区域 B A へ配水する 案② 2計画配水池案 送水管を 1 本補強し 配水池 A から計画配水池 A 及びポンプ場までそれぞれ給 水区域 A B C の需要水量分を送水する ポンプ場から計画配水池 B 及び配 水池 C へポンプ送水する 各々の配水池から各地域に配水する 案③ 1計画配水池及び送配水完全分離システム 送水管を一本増強し 配水池 A からポンプ場まで給水区域 B C の需要水量分 を送水する 更に 配水池 A から配水管をもう 1 条布設し給水区域 A へ直接配 水する ポンプ場から計画配水池 B 及び配水池 C へポンプ送水し その後 各 地区へ配水する 3つの案を比較すると 経済性では 案③の事業費が最も高く算定された 案①と案②と はほぼ同額であった 機能性では a 水理的に案②は給水区域の流入部の水圧が案①と 比べて約 50m 低くなるため 流入部に減圧弁が不要となること b 配水池が各給水区域 に近くになり 管路事故等の非常時において応急給水拠点が確保できること c 送配水 機能の分離により 維持管理性が向上すること 以上のことから案②を採用した 9

4 表 1 提案された更新案 案 案 1 案 2 案 3 概念図 施設概要 直接工事費比率 維持管理費 送配水制御 漏水制御 総合判断 送水管 : 1) 配水池 (A)- 給水区域 (A) 口径 200mm-300mmx10.7km 2) ポンプ場 - 計画配水池 (B) 口径 250mmx3.6km ポンプ場 :2.8m 3 /s 計画配水池 :(B)1,800m 3 送水管 : 1) 配水池 (A)- 給水区域 (A) 口径 200mm-300mmx10.7km 2) ポンプ場 - 計画配水池 (B) 口径 150mmx3.6km ポンプ場 :0.95m 3 /s 計画配水池 :(A)1,200m 3 (B)600m 3 送水管 : 1) 配水池 (A)- 給水区域 (A) 口径 150mm-300mmx19.7km 2) ポンプ場 - 計画配水池 (B) 口径 150mmx3.6km ポンプ場 :0.95m 3 /s 計画配水池 :(B)600m3 減圧弁 :1 箇所 給水区域 (A) の配水量を計画配水池 (B) まで送水するためその分のポンプ費用が案 2に比べ増送配水が分離し 給水区域 (A) には計画配水池 (B) からの自然流下配水となり 配水制御が容易である 給水区域 (A) へは計画配水池 (B) からの自然流下となり 適切な位置に減圧弁を設置すれば漏水も減少する 建設費及び維持管理費とも高い 送配水が分離し 給水区域 (A) には計画配水池 (A) からの自然流下配水となり 配水制御が容易である 給水区域 (A) は計画配水池 (A) からの自然流下配水であるため 最大静水圧が低くなり 漏水量も少ない 建設費は最も安く 送配水制御 漏水制御の面で優れている 加えて 配水池が 2 池となり 日本の広報効果も高い ( 採用 ) 2 案で同じ 送配水が分離するが 配水池 (A) と給水区域 (A) が遠隔地にあり タイムリーな配水制御はできない 給水区域 (A) の最大静水圧が案 2より約 50m 増加する 漏水制御のため 給水区域 (A) への配水の前に減圧弁が必要となる 建設費が最も高い (2) 最適な減圧設備の選択とその設置位置の考案 1 減圧設備の選択対象地域では高水圧に伴い減圧施設は キャビテーションの発生により破損等の被害が多発していた そこで 近隣の事業体を対象に減圧施設の減圧幅やキャビテーショ 表 2 提案された更新案 諸言 減圧弁 減圧水槽 構成品 減圧弁 (φ100mm) 水槽 (L7.4xW2.7xH2.75)+ 水槽水位調整弁 (φ100mm) 据付場所 任意 ( 道路下 道路側道下 ) 同左 必要据付スペース 約 7m 2 ( 弁室 ) 27m 2 ( 弁室 ) 1 次側圧力 12~20Bar. 同左 2 次側調整圧力 5 Bar 以下 0 Bar 耐用年数 約 3-4 年 約 3-4 年水位調整弁は約 3 年 維持管理方法 パイロットバルブの調整 同左 ンによる被害の調査を行った 調査対象となった減圧施設の諸言を表 2に示す 減圧水槽の場合 減圧弁に比べ弁室の面積が約 4 倍近く必要となり 2 次側圧力は0となるため 配水区域内に設置するには不利である 現在使用されている減圧弁及び減圧水槽ともに故障の原因はキャビテーションの発生にあり 弁座が激しく侵食され弁の使用が不可能となっていた 写真 3にその被害状況を示す 本計画での最も留意するべき問題はキャビテーション対策である 一般的にキャビテーション係数 (σ) は以下の式で計算される

5 σ 1 H1: バルブの 1 次側水頭 (m) H2: バルブの 2 次側水頭 (m) v: 管内流速 (m/s) g: 重力加速度 (9.8m/s 2 ) 写真 3 キャビテーションによる破損上記計算によるキャビテーション係数 (σ) とは別にバルブ固有のキャビテーション係数 (σ 2) がある これらの関係は σ σ 2 の場合においてはキャビテーションが起きないとされている 被害調査を行った事業体で入手できた減圧施設の情報から キャビテーション係数とその被害状況を下表のとおり関係付けた 表 3 被害調査を行った対象事業体の減圧設備 減圧装置 1 次圧力水頭 2 次圧力水頭圧力差キャビテーショキャビテーションに (m) (m) (m) ン係数 (σ) よる被害 弁 100mm 弁 100mm 弁 100mm 弁 100mm 〇 水槽 ( 流入管口径 150mm) 注記 ) キャビテーションによる被害の状況 : 大〇 : 中 : 小 上表ではこれらの侵食が 5 年以内に使用できないくらい進行したものを被害大としてい る その結果 減圧水槽の場合 2 次側水頭が 0m であるために 減圧弁に比して圧力差が 大きくなり 固有キャビテーション係数を下回る事が多い 1 次側水頭が 100m を超える場 合 σ が小数点以下となりキャビテーションは確実に起きることになる よって 本計画で は地域の特色として1 次側圧力が高い場合 減圧水槽の使用は避けるべきであると結論付 けた 被害調査を行った事業体では減圧弁 水位調整弁ともキャビテーション係数を考慮 せずに計画したものと考えられる 被害調査の結果より 本計画では減圧弁のキャビテー ション係数 (σ) は 0.5 が境界であり 0.7 以上を設計基準とする 最適弁開度は流量 差 圧によって決定するものとした 2 減圧弁の設置位置の検討 現状 計画 減圧弁の設置位置については減圧幅が 配水池 配水池 100m 以上の場合 キャビテーション係数は危険領域である 0.5 未満となり 減圧弁の被害が大きかった ( 図 5の左側 ) 本対象水道事業体では以前 このような設置方法を採用していたため キャビテーションが頻発していたことが判明した また 予備 配水管路減圧弁 減圧後の残圧 減圧幅 h=100m 以上 図 5 減圧弁の配置 減圧後の残圧 配水区 (DMA) 配水管路減圧弁 減圧幅 h=40m 程度

6 の減圧弁を設置するために並列配置としていたが どちらもキャビテーションにより短期間で両方故障する事態が発生していた しかし 減圧幅が 60~70m の場合 同係数は 1.5 ~1.7 となり被害は比較的少なかった この結果を踏まえ さらに配水圧の均等化 適正化も考慮して 計画減圧幅を 40m 前後に設定した ( 図 5 右側 ) また キャビテーション発生リスクの低減効果により予備弁を不要としたため 弁の配置を並列から直列に変更し 設置数量を少なく抑えることを考案した (3) 効果的な配水管理の検討漏水量 無収水量の減少 公平な水配分を行うためには DMA( 配水区 :District Metering Area) の設定が有効である DMA 内で一定の範囲に水圧が収まるように DMA を設定した その際 減圧弁の間を1つの DMA として設定し 配水圧の均等化 適正化を図ると共に配水管路網の維持管理性を高めた 計画対象地域に合計 26の DMA を設定した 更に 配水池及びポンプ場の流出側 配水区間に流量計及び水圧計を設け その流量 水圧データを中央監視室に送信するモニタリングシステムの導入を計画した これにより 基幹施設からの送配水量及び DMA での水圧を把握し 各給水区域の無収水量の推計や異常水圧を効率的に把握できる維持管理体制を構築した 5. 検討により期待される効果 (1) 制限給水の解消 適正な水圧の確保及び維持管理面に配慮した送配水計画の策定本送配水の更新計画により公平な水配分が可能な計画を策定することができた また 減圧弁の適切な配置計画により 給水区域内において当該国の指針である最小動水圧 0.25MPa 以上 最大静水圧 0.6MPa 以下を概ね確保できる計画となった (2) 水資源の有効利用と地球温暖化対策減圧弁が設置されれば 適正な水圧が確保され漏水量の低減が期待できるため 水源である地下水の取水量が節減され 取水ポンプの電力消費量を抑えられることで 年間 7 百万円の維持管理費の削減が見込まれた このエネルギー消費量の減少は 我が国の地球温暖化対策の方針に合致するものであり 本計画による CO2 削減量は年間約 2,132 トンと試算された 6. おわりに本検討により 送配水施設の分離 ポンプ圧送による配水方法の廃止 配水池からの自然流下配水の導入 DMA の設定 減圧弁の設置 モニタリング設備による配水量 水圧の監視という総合的な更新計画を策定することができた 施設建設完工後は モニタリング設備で得られたデータを基に送配水量を算定し その結果から適切な配水管理計画及び維持管理計画の検討を行うための技術移転も計画されている 本業務では GIS データベースを用いており これにより 地図や既存施設の情報の少ない国で かつ広域に及ぶ水道施設の整備計画を効果的 効率的に策定できたと考えている 今後も海外における水道計画では 実際の現場状況の把握と情報技術の活用を重視して展開していきたい

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