給水システム
給水システムの例：ポンプ場、給水塔、給水本管、消火栓、給水管[ 1 ] [ 2 ]

給水システムは、住宅、商業、工業、消防の要件を満たすために、集中処理施設または井戸から消費者に飲料水を運ぶコンポーネントを備えた給水ネットワークの一部です。 [ 3 ] [ 4 ]

定義

配水網とは、多くの消費者が集まる大口消費者または需要ノードへのサービスポイントまでの配水システムの一部を指す用語です。[ 5 ]世界保健機関（WHO）は、水処理場からサービス貯水池に水を送るために使用される、一般的に樹木のような構造のパイプのネットワークに対して水伝送システムという用語を使用し、サービス貯水池と調整貯水池から消費者に水を供給するために一般的にループ構造を持つパイプのネットワークに対して配水システムという用語を使用しています。[ 6 ]

コンポーネント

水道本管

給水システムは、パイプライン、貯水施設、ポンプ、その他の付属品で構成されています。[ 7 ]

公共の道路内に敷設されたパイプラインは水道本管と呼ばれ、配水システム内で水を輸送するために使用されます。一次給水管と呼ばれる大口径の水道本管は、水処理施設とサービスエリアを接続するために使用されます。二次給水管は一次給水管と分配器の間に接続されます。分配器は水を使用する人の近くにある水道本管で、個々の消火栓にも水を供給します。[ 8 ]サービスラインは、水道本管から小さな蛇口を経由して使用者の位置にある水道メーターに接続するために使用される小口径のパイプです。道路の縁石近くにあるサービスラインには、使用者の位置への水を遮断するためのサービスバルブ（カーブストップとも呼ばれる）があります。 [ 9 ]

貯水施設、または配水池は、必要な水処理プロセスを経て、清浄な飲料水を貯留する施設です。これにより、変動する需要（サービス貯水池）に対応して十分な水量を確保したり、運転圧力を均等化したりすることができます（調整貯水池）。また、停電時には消火活動の需要に応えるために一時的に利用することもできます。配水池の種類は以下のとおりです。

  • 地下貯水池または覆式完成貯水池：完全に覆われた地下貯水施設または大規模な地上掘削貯水池。これらの貯水池の壁と底は、地下水の浸入を防ぐため、不透水性材料でライニングされている場合があります。[ 10 ]
  • 非蓋式完成貯水池：地表水の流出と地下水の浸入を防ぐための適切な対策またはライニングが施されているものの、上部の蓋を持たない、地上掘削式の大型貯水池。このタイプの貯水池は、配水前に水がさらに処理されず、鳥の排泄物、動物や人間の活動、藻類の繁殖、空気沈着などの汚染物質の影響を受けやすいため、あまり望ましくない。[ 10 ]
  • 表面貯水池（地上貯水タンク、地上貯水池とも呼ばれる）：地上に設置され、壁面はコンクリート、吹付コンクリート、アスファルト、またはメンブレンで覆われた貯水施設。表面貯水池は通常、汚染防止のために覆われている。通常、配水に十分な水頭を持つ高地に設置される。地上レベルの表面貯水池では配水システムに十分な水頭を供給できない場合は、ブースターポンプが必要となる。[ 4 ] [ 11 ]
  • 給水塔（高架式貯水槽とも呼ばれる）：高架式の貯水槽。一般的なタイプとしては、小径の鋼柱の上に鋼製の球形タンクを載せた球形高架貯水槽、大径のコンクリート柱の上に鋼製タンクを載せた複合高架貯水槽、大径の鋼柱の上に鋼製タンクを載せたハイドロピラー高架貯水槽などがある。貯水槽下の大柱内の空間は、複数階の事務所スペースや倉庫など、他の用途にも利用できる。給水システムにおいて給水塔を使用する際の主な懸念事項は、その地域の美観である。 [ 11 ] [ 12 ]
  • スタンドパイプ：地上貯水槽と給水塔を組み合わせた貯水槽。スタンドパイプは地上からタンク上部まで貯水できる点で、高架給水塔とは若干異なる。下部貯水域は支持貯水域と呼ばれ、高架給水塔と同等の高さとなる上部は有効貯水域と呼ばれる。[ 4 ]
  • 貯水槽：これは緊急時の貯水施設であり、直接配水するためには使用されません。通常は地下に円形に建設され、地上にはドーム状の頂部があります。貯水槽から貯水された水は、必要に応じて配水池にポンプで送られます。[ 12 ]

貯水施設は通常、給水地点の中心に位置します。中心に位置することで、給水地点までの水道本管の長さが短縮され、水道本管を流れる際の摩擦損失が低減されます。[ 4 ]

  • 保管施設
  • 地下貯水池
    地下貯水池
  • 完成した貯水池（蓋なし）
    完成した貯水池（蓋なし）
  • 地上貯蔵タンク
    地上貯蔵タンク
  • 球形高架貯蔵タンク
    球形高架貯蔵タンク
  • 複合高架貯蔵タンク
    複合高架貯蔵タンク
  • ハイドロピラー高架貯蔵タンク
    ハイドロピラー高架貯蔵タンク
  • スタンドパイプ
    スタンドパイプ

トポロジー

一般的に、給水システムはグリッド型、リング型、放射状、または行き止まり型のレイアウトに分類できます。[ 13 ]

グリッドシステムは、水道本管と支線を長方形に接続した、道路網の一般的な配置に従います。このトポロジーでは、複数の方向から水を供給することができ、水循環と、ネットワークの一部が故障した場合の冗長性を確保できます。このトポロジーの欠点は、システムの規模設定が困難であることです。[ 13 ]

環状システムは、各道路に水道本管が設けられ、そこから支管が分岐して顧客に給水します。このトポロジーはグリッドシステムの利点の一部を備えていますが、規模の決定が容易です。[ 13 ]

放射状システムは複数のゾーンに水を供給します。各ゾーンの中心から、水は放射状に顧客に供給されます。[ 13 ]

行き止まり方式では、道路に沿って水道本管が長方形のパターンをとらない。これは、道路網が規則的でない地域で用いられる。本管間の相互接続がないため、水の循環が悪くなり、滞留が問題となる可能性がある。[ 13 ]

システムの整合性

システムの完全性は、物理的、水力学的、水質的の3つに分類されます。[ 3 ]

物理的完全性には、バリアが外部から給水システムへの汚染を防ぐ能力に関する懸念が含まれます。劣化は物理的または化学的要因によって引き起こされる可能性があります。[ 3 ]

水理学的完全性とは、配水システム全体にわたって配管内の適切な水圧を維持する能力を指します。また、配水システム内における水の循環と移動時間も含まれ、これらは消毒剤の有効性に影響を与えます。[ 3 ]

水質の健全性とは、配水システムを通過する際の水質劣化を抑制することです。水質への影響は、物理的要因または水力学的要因によって引き起こされる可能性があります。また、微生物の増殖、硝化、配管内部の腐食など、配水システム内でも水質劣化が発生することがあります。[ 3 ]

ネットワーク分析と最適化

配水システムの設計、運用、保守、最適化を支援するために解析が行われます。解析には主に2種類あり、配水システムを通過する際の水理挙動と水質挙動を解析します。[ 14 ]配水網の設計を最適化することは複雑な作業ですが、メタヒューリスティックスを中心とする多くの手法が既に提案されています。[ 15 ]数理最適化技術を用いることで、このようなインフラの建設コストを大幅に削減することができます。[ 16 ]

危険

給水システムにおける危険性は、微生物的、化学的、物理的の形で現れる可能性がある。[ 6 ]

配水システム内の微生物のほとんどは無害です。しかし、感染性微生物がシステムに侵入すると、バイオフィルムを形成し 、利用者に微生物による危害をもたらします。バイオフィルムは通常、水循環が低い配水管の末端付近で形成されます。バイオフィルムはバイオフィルムの増殖を助長し、消毒剤の効果を低下させます。配水システムにおける一般的な微生物による危害は、交差接続、破損、水道本管工事、開放型貯水タンクなどを通じてシステムに侵入するヒトの糞便病原体や寄生虫の汚染によって引き起こされます。[ 6 ]

化学的危険性としては、消毒副生成物、配管材料や継手からの浸出、水処理薬品などが挙げられる。 [ 6 ]

物理的な危険性としては、水の濁り、悪臭、色、腐食によってパイプ内に蓄積した物質であるスケール、沈殿物の再浮遊などが挙げられる。[ 6 ]

世界には配電システムの危険を制限するための規格を策定している団体がいくつかあります。北米ではNSFインターナショナル、ヨーロッパでは欧州標準化委員会、英国規格協会、環境連邦局、アジアでは日本規格協会、オーストラリアではオーストラリア規格協会、ブラジルではブラジル国家規格機構です。[ 6 ]

鉛配管

飲料水の鉛汚染は、古い水道本管、給水管、配管継手、配管部品、備品に使用されていた鉛の浸出によって引き起こされる可能性があります。WHOによると、多くの国において、水道水中の鉛の最も大きな原因は鉛製の給水管です。[ 6 ]

メンテナンス

内部腐食制御

配水システムにおける金属管の表面や接続部の腐食により、水質が悪化する可能性があります。配管の腐食は水の色、味、臭いとして現れ、いずれも健康被害を引き起こす可能性があります。[ 17 ]

健康問題は、鉛、銅、カドミウムなどの微量金属が水中に放出されることに関連しています。鉛への曝露は、子供の身体的および精神的発達の遅れを引き起こす可能性があります。銅への長期曝露は、肝臓や腎臓に損傷を与える可能性があります。カドミウムへの高濃度または長期曝露は、様々な臓器に損傷を与える可能性があります。鉄管の腐食は、錆びた水や赤い水を引き起こします。亜鉛や鉄管の腐食は、金属味を引き起こす可能性があります。[ 17 ]

内部腐食を抑制するには、 pHレベルの調整、炭酸塩とカルシウムの調整による炭酸カルシウムの配管表面コーティング、腐食抑制剤の塗布など、様々な技術が用いられます。例えば、配管表面に膜を形成するリン酸塩製品は腐食抑制剤の一種です。これにより、配管材料から微量金属が水中に浸出する可能性を低減します。 [ 18 ]

消火栓の洗浄

錆びた水を流す消火栓

消火栓洗浄とは、水道本管から鉄分やその他の鉱物の堆積物を除去するために、消火栓または専用の洗浄用消火栓から定期的に水を放出することです。消火栓を水道本管洗浄に使用するもう一つの利点は、消火活動に必要な水圧で消火栓に水が供給されているかどうかをテストできることです。消火栓洗浄中は、鉄分や鉱物の堆積物が攪拌されるため、消費者は水道水が錆色になっていることに気付くことがあります。[ 19 ]

水道管の更新

水道本管は長期間使用すると、構造、水質、水圧性能が劣化します。構造劣化は多くの要因によって引き起こされる可能性があります。金属製の配管は内部および外部に腐食が生じ、管壁が薄くなったり劣化したりします。最終的には漏水や破裂につながる可能性があります。セメント製の配管は、セメントマトリックスと鉄筋の劣化が起こります。すべての配管は接合部の破損の可能性があります。水質劣化には、スケールの付着、沈殿、バイオフィルムの形成が含まれます。スケールとは、配管の内壁に硬い堆積物が形成されることです。これは、配管の腐食と水中のカルシウムが結合した副産物である可能性があり、結節形成と呼ばれます。沈殿とは、固形物が配管内に沈殿することであり、通常はスケールの堆積物間の凹部に沈殿します。水流の速度が変化すると（消火栓の急な使用など）、沈殿した固形物が巻き上げられ、水が変色します。スケールが付着しやすく表面が粗い配管では、細菌の増殖を許し、バイオフィルムが発生する可能性があります。これは、内壁の粗さが大きいほど、消毒剤が配管表面の細菌を殺菌しにくくなるためです。水圧や流量に影響を与える水理学的劣化は、水の流れを妨げる他の劣化の結果として生じる可能性があります。[ 20 ]

水道管の更新時期が来たら、更新方法の選択には多くの考慮事項があります。開削法や管路更生工法のいずれかを選択できます。管路更生工法には、パイプバースト、スリップライニング、パイプライニングなどがあります。[ 20 ]

  • 水道管の更新方法
  • 開削式水道本管の交換
    開削式水道本管の交換
  • 給水栓は一時的なバイパス配管に水を供給する
    給水栓は一時的なバイパス配管に水を供給する
  • 仮バイパス配管のサービス接続
    仮バイパス配管のサービス接続
  • 仮設消火栓
    仮設消火栓

原位置補修工法を用いる場合の利点の一つは、水道本管全体にわたって掘削する必要がないため、コストが低いことです。既存の水道本管にアクセスするために、小さなピットを掘削するだけで済みます。しかし、補修期間中は水道本管が使用できないため、被災地域の水道本管として機能する仮設の給水バイパスシステムを構築する必要があります。[ 21 ]仮設給水バイパスシステム（仮設バイパス配管[ 22 ]とも呼ばれる）は、プロジェクト対象地域の顧客に十分な水供給を確保するために、慎重に設計する必要があります。給水栓から仮設配管に水が供給されます。配管が私道や道路を横断する場合は、車が仮設配管を通過できるように、カバーまたはコールドパッチを設置する必要があります。仮設配管には、住宅への仮設給水接続部を設けることができます。仮設接続には多くの方法がありますが、一般的な方法は、仮設給水接続部を庭用のホースに接続することです。また、仮設配管には、防火対策として仮設消火栓も設置する必要があります。[ 23 ]

水道本管工事により鉛配管が損傷し、飲料水中の鉛濃度が上昇する可能性があるため、水道事業者が水道本管の更新プロジェクトを計画する際には、土地所有者と協力してプロジェクトの一環として鉛配管を交換することが推奨される。[ 24 ]

参照

参考文献

  1. ^ 「飲料水配給システム」 . 米国環境保護庁. 2019年10月20日閲覧。
  2. ^ 「市とS&WBがキャロルトン水道プラントの新給水塔の内覧会を開催」ニューオーリンズ市2017年5月25日. 2019年10月20日閲覧。
  3. ^ a b c d e飲料水配水システム：リスクの評価と削減. National Academies Press. 2006. doi : 10.17226/11728 . ISBN 978-0-309-10306-0. 2019年10月6日閲覧。
  4. ^ a b c d「配水網 CE370」（PDF）キング・ファハド石油鉱物大学。 2019年10月6日閲覧。
  5. ^ Bhave, Pramod R.; Gupta, Rajesh (2006).配水管網の分析. Alpha Science International. p. 4. ISBN 9781842653593。
  6. ^ a b c d e f g機関、世界保健機関（2014年）。配水システムにおける水の安全性（PDF）。世界保健機関。ISBN 9789241548892. 2015年10月22日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2019年10月7日閲覧。
  7. ^ 「配水」ブリタニカ百科事典。 2019年10月6日閲覧。
  8. ^ Rowett, Anthony Jr. 「ホースラインから消火栓まで：給水を理解する」Firehouse . 2019年10月7日閲覧。
  9. ^ 「用語集」 . Mueller Water Products . 2019年10月7日閲覧。
  10. ^ a b未蓋完成貯水池ガイダンスマニュアル. DIANE Publishing. 1999. ISBN 9781428903067. 2020年11月29日閲覧。
  11. ^ a b Water Storage Feasibility Study Charter Township of Commerce (PDF) . Giffels-Webster Engineers, Inc. 2011年6月14日. pp.  6– 8 . 2020年11月29日閲覧。
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  13. ^ a b c d e Adeosun, O. Oyedele (2014年9月9日). 「給水システムの課題と解決策」 . Water Online . 2019年10月6日閲覧。
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  18. ^腐食抑制と隔離のための水処理におけるリン酸塩の利用(PDF) Carus Corporation. 2017年4月13日. 2019年10月7日閲覧。
  19. ^ 「消火栓の洗浄に関する事実とよくある質問」セントチャールズ市。 2019年10月6日閲覧。
  20. ^ a b水道本管の改修（PDF）（第3版）。アメリカ水道協会。2014年。ISBN 9781583219706. 2019年10月14日閲覧。
  21. ^ 「マサチューセッツ州水資源局加盟地域向け地方水道システム支援プログラム（LWSAP）」マサチューセッツ州水資源局。 2019年10月14日閲覧。
  22. ^ 「ITEM C660.5X: 一時バイパス配管」(PDF)ニューヨーク州モンロー郡2019年10月14日閲覧。
  23. ^セメントモルタルによる水道本管の清掃とライニング(PDF)。テラス建設。2019年10月14日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2019年10月14日閲覧。
  24. ^鉛配管に関するコミュニケーション：水道管の修理・交換に関する水道システムガイド（PDF）アメリカ水道協会、2014年。 2019年10月13日閲覧。
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