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配水システムは、中央浄水場や井戸から飲料水を消費者に運び、住宅、商業、産業、消火活動の需要を満たすための構成要素からなる給水ネットワークの一部です。 [ 3 ] [ 4 ]
配水ネットワークとは、配水システムのうち、大量の水を使用する消費者の給水ポイントまたは需要ノード（多くの消費者が集まっている場所）までの部分のことを指します。[ 5 ]世界保健機関（WHO）は、浄水場から配水池に水を送るために一般的に樹木状の構造を持つパイプのネットワークを「送水システム」と呼び、配水池と調整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を「配水システム」と呼んでいます。[ 6 ]
配水システムは、パイプライン、貯水施設、ポンプ、その他の付属設備から構成される。[ 7 ]
水道管と呼ばれる公共用地内に敷設されたパイプラインは、配水システム内で水を輸送するために使用されます。一次フィーダーと呼ばれる大口径の水道管は、浄水場と給水区域を接続するために使用されます。二次フィーダーは、一次フィーダーと配水管の間に接続されます。配水管は、給水利用者の近くにある水道管で、個々の消火栓にも水を供給します。[ 8 ]サービスラインは、水道管から小さな蛇口を通って利用者の場所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。サービスラインには、利用者の場所への給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）が道路の縁石の近くに設置されています。 [ 9 ]
貯水施設、または配水池は、必要な浄水処理を経たきれいな飲料水を貯蔵し、変動する需要に対応して十分な水量を確保したり（給水池）、運転圧力を均一化したり（平衡池）するために利用されます。また、停電時には一時的に消火用水として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。
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管の長さが短縮されます。これにより、水道管を通して水が輸送される際の摩擦損失が低減されます。[ 4 ]
一般的に、配水システムは、グリッド型、リング型、放射状型、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、道路網の一般的なレイアウトに従い、水道本管と支線が長方形で接続されています。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、ネットワークの一部が故障した場合でも水の循環と冗長性を確保できます。このトポロジーの欠点としては、システムの規模設定が難しいことが挙げられます。[ 13 ]
リングシステムでは、各道路に水道本管があり、そこから分岐した支管が顧客に水を供給します。このトポロジーはグリッドシステムの利点をいくつか備えていますが、サイズ決定が容易です。[ 13 ]
放射状システムは複数のゾーンに水を供給する。各ゾーンの中心から、水は放射状に顧客に供給される。[ 13 ]
行き止まりシステムは、長方形のパターンではなく道路沿いに水道本管が敷設されている。これは、道路網が規則的でない地域で使用されている。本管間に相互接続がないため、水の循環が少なくなり、そのため停滞が問題になる可能性がある。[ 13 ]
システムの健全性は、物理的、水力学的、水質に分類される。[ 3 ]
物理的完全性には、外部からの汚染物質が配水システムに侵入するのを防ぐバリアの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 ]
水力学的健全性とは、配水システム全体を通してパイプ内の適切な水圧を維持する能力のことです。また、配水システム内での水の循環と移動時間も含まれ、これは消毒剤の効果に影響を与えます。[ 3 ]
水質の健全性とは、配水システムを通過する水質の劣化を制御することです。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。水質の劣化は、微生物の増殖、硝化、パイプの内部腐食など、配水システム内でも発生する可能性があります。[ 3 ]
分析は、配水システムの設計、運用、保守、最適化を支援するために実施されます。分析には、配水システムを流れる水の水理的挙動と水質挙動の 2 つの主要なタイプがあります。[ 14 ]配水ネットワークの設計を最適化することは複雑な作業です。しかし、メタヒューリスティクスを主軸とした多数の手法がすでに提案されています。[ 15 ]数学的最適化技術を採用することで、このようなインフラストラクチャの建設コストを大幅に削減できます。[ 16 ]
水道配水システムにおける危険は、微生物学的、化学的、物理的な形態をとる可能性がある。[ 6 ]
ほとんどの微生物は配水システム内では無害です。しかし、感染性微生物がシステム内に侵入すると、バイオフィルムを形成し 、利用者に微生物による危険をもたらします。バイオフィルムは通常、水の循環が少ない配水システムの末端付近で形成されます。これにより、バイオフィルムの増殖が促進され、消毒剤の効果が低下します。配水システムにおける一般的な微生物による危険は、相互接続、破損、水道本管、開放型貯水槽などを介し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起因します。[ 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溶出、水処理薬品などが挙げられる。 [ 6 ]
物理的な危険には、水の濁り、臭い、色、腐食によってパイプ内部に蓄積した物質であるスケール、および沈殿物の再懸濁が含まれます。[ 6 ]
世界中には、配電システムの危険性を制限するための規格を作成する機関がいくつかあります。北米ではNSF International 、ヨーロッパでは欧州標準化委員会、英国規格協会、環境庁、アジアでは日本規格協会、オーストラリアではStandards Australia、ブラジルではブラジル国家規格機構です。[ 6 ]
飲料水中の鉛汚染は、古い水道本管、給水管、パイプ継手、配管継手、器具に使用されていた鉛の溶出によるものと考えられる。WHOによると、多くの国で水中の鉛の最大の原因は鉛給水管である。[ 6 ]
配水システムの金属パイプの表面や接続部の腐食により、水質が悪化することがあります。パイプの腐食は、水の色、味、臭いとして現れ、いずれも健康上の問題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、肝臓や腎臓の損傷を引き起こす可能性があります。カドミウムへの高濃度または長期曝露は、さまざまな臓器に損傷を与える可能性があります。鉄パイプの腐食は、錆びた水や赤い水を引き起こします。亜鉛と鉄のパイプの腐食は、金属味を引き起こす可能性があります。[ 17 ]
内部腐食を制御するために、さまざまな技術が使用できます。たとえば、pHレベルの調整、炭酸塩とカルシウムを調整して炭酸カルシウムをパイプ表面コーティングとして生成すること、腐食抑制剤を塗布することなどです。たとえば、パイプ表面に皮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、パイプ材料から水中に微量金属が溶出する可能性が低減されます。 [ 18 ]
消火栓洗浄とは、水道本管から鉄やその他の鉱物沈着物を洗い流すために、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。水道本管の洗浄に消火栓を使用するもう 1 つの利点は、消火活動に十分な圧力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、鉄や鉱物沈着物が攪拌されるため、消費者は水に錆色を感じることがあります。[ 19 ]
水道本管は長期間使用されると、構造、水質、および水力性能が劣化します。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。金属製のパイプは内外に腐食が発生し、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を起こす可能性があります。セメント製のパイプは、セメントマトリックスと鉄筋の劣化を受けます。すべてのパイプは継手破損の可能性があります。水質劣化には、スケール、沈殿物、およびバイオフィルムの形成が含まれます。スケールとは、パイプの内壁に硬い堆積物が形成されることです。これは、パイプの腐食と水中のカルシウムが結合した副産物であり、結節と呼ばれます。沈殿とは、固形物がパイプ内に沈殿することであり、通常はスケールの蓄積の間のくぼみに沈殿します。水流速度が変化すると（消火栓の急な使用など）、沈殿した固形物が攪拌され、水が変色します。バイオフィルムは、細菌が増殖できるほど表面が粗いスケールの多いパイプ内で発生する可能性があります。内壁の粗さが大きいほど、消毒剤がパイプ壁表面の細菌を殺すのが難しくなるためです。圧力と流量に影響を与える水力学的劣化は、水の流れを妨げる他の劣化の結果である可能性があります。[ 20 ]
水道管の更新時期になると、更新方法の選択には多くの考慮事項があります。これは、開削交換またはパイプライン修復方法のいずれかになります。パイプライン修復方法には、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 ]
現場修復工法を用いる場合、水道本管全体に沿って掘削する必要がないため、コストが低く抑えられるという利点があります。既存の水道本管にアクセスするために小さな穴を掘るだけで済みます。ただし、修復工事中は水道本管が使用できなくなるため、影響を受ける地域で水道本管の代わりとなる一時的なバイパスシステムを構築する必要があります。[ 21 ]一時的なバイパスシステム（一時バイパス配管[ 22 ]とも呼ばれる）は、工事区域内の顧客に十分な給水が確保されるように慎重に設計する必要があります。給水栓から一時的なパイプに水が供給されます。パイプが私道や道路を横切る場合は、車が一時的なパイプ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。一時的なパイプに、住宅への一時的な給水接続を行うことができます。一時的な接続を行う方法は数多くありますが、一般的な方法としては、一時的な給水接続を庭のホースに接続する方法があります。一時的なパイプには、消火活動のために一時的な消火栓も設置する必要があります。[ 23 ]
水道本管工事は鉛製給水管を損傷させ、飲料水中の鉛濃度の上昇につなが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、プロジェクトの一環として不動産所有者と協力して鉛製給水管を交換することが推奨されます。[ 24 ]