給水ネットワーク

給水ネットワークまたは給水システムは、水を供給するために設計された水文学的および水力学的コンポーネントのシステムです。給水システムには通常、次のものが含まれます。

1. 排水盆地（浄水 - 飲料水源を参照）
2. 湖、川、地下帯水層からの地下水など、水が蓄積する原水収集ポイント（地上または地下） 。原水は、覆われていない地上レベルの導水管、覆われたトンネル、または地下の水道管を使用して浄水施設に送られる場合があります。
3. 浄水施設。処理された水は水道管（通常は地下）を使用して移送されます。
4. 貯水施設には、貯水池、貯水タンク、給水塔などがあります。小規模な給水システムでは、貯水槽や圧力容器に水を貯蔵する場合があります。高層ビルでは、上層階に水が届くように、圧力容器に水を局所的に貯蔵する必要がある場合もあります。
5. 地下または地上の貯水池または貯水槽の出口に、ポンプ場などの追加の水加圧コンポーネントを設置する必要がある場合があります (重力流が不可能な場合)。
6. 消費者（個人宅、工業施設、商業施設、公共施設など）やその他の使用場所（消火栓など）に水を配給するための配管網
7. 下水道（地下パイプ、または一部の発展途上国では地上溝）への接続は、通常、水消費者の下流にありますが、下水道システムは給水システムの一部ではなく、別のシステムであると考えられています。

水道供給網は、水道業界の公益事業体によって運営されることが多い。

原水（未処理）は、水資源を供給する流域内の地表水源（湖や川の取水口など）または地下水源（地下帯水層から汲み上げた井戸など）から供給されます。

原水は、屋根のない導水管、屋根のあるトンネル、または地下の水道管を使用して浄水施設に送られます。

事実上、すべての大規模システムでは水を処理する必要があり、これは世界保健機関(WHO) や米国環境保護庁(EPA) などの世界、州、連邦機関によって厳しく規制されています。水処理は、製品が消費者に届く前と、その後 (再び排出されるとき) に行う必要があります。水の浄化は通常、ポンプ費用と処理後に水が汚染される可能性を減らすために、最終配送地点の近くで行われます。

従来の表面水処理施設は、一般的に、浄化、濾過、消毒の 3 つのステップから構成されています。浄化とは、水流から粒子 (汚れ、有機物など) を分離することです。化学物質の添加 (ミョウバン、塩化鉄など) により、粒子の電荷が不安定になり、水流から沈殿または浮上して浄化の準備が整います。砂、無煙炭、または活性炭のフィルターにより、水流が精製され、より小さな粒子状物質が除去されます。他の消毒方法もありますが、推奨される方法は塩素添加です。塩素は、細菌やほとんどのウイルスを効果的に殺し、残留物を維持して、供給ネットワークを通じて給水を保護します。

消費地点に届けられた製品は、人間の消費に必要な水質基準を満たしていれば、飲料水と呼ばれます。

供給ネットワーク内の水は、水がネットワークのあらゆる部分に行き渡り、すべての取水地点で十分な流量が確保され、地中の未処理水がネットワークに流入できないようにするために、正圧に維持されます。通常、水はネットワーク内の最も高い地点に建設された貯水タンクにポンプで送り込まれ、加圧されます。1 つのネットワークに、このようなサービス貯水池が複数ある場合があります。

小規模な家庭用システムでは、水は圧力容器または地下貯水槽によって加圧されることがあります (ただし、後者は追加の加圧が必要です)。これにより、水圧を供給するための 給水塔やその他の強化された貯水タンクが不要になります。

これらのシステムは通常、市などの地方自治体やその他の公共団体によって所有および管理されていますが、営利企業によって運営されることもあります (水道の民営化を参照)。給水ネットワークは、コミュニティ、郡、自治体の総合計画の一部です。その計画と設計には、都市計画者と土木技術者の専門知識が必要であり、パイプ ネットワーク解析やその他のツールを使用して、場所、現在の需要、将来の成長、漏水、圧力、パイプのサイズ、圧力損失、消火流量など、多くの要素を考慮する必要があります。

水が配水システムを通過すると、化学反応や生物学的プロセスによって水質が劣化することがあります。配水システム内の金属パイプの腐食により、金属が水中に放出され、美観や健康に好ましくない影響を及ぼすことがあります。ライニングされていない鉄管から鉄が放出されると、蛇口から「赤い水」が出ると顧客から報告されることがあります。銅管から銅が放出されると、「青い水」や金属の味がすると顧客から報告されることがあります。銅管を接合するために使用されるはんだや真鍮の固定具から鉛が放出されることがあります。消費者の蛇口の銅と鉛のレベルは、消費者の健康を保護するために規制されています。

水道事業者は、腐食性を最小限に抑えるために、配水前に水の化学組成を調整することがよくあります。最も簡単な調整は、炭酸カルシウムの層を堆積させることで腐食を不活性化する水を生成するためにpHとアルカリ度を制御することです。水中への金属の放出を減らすために、腐食防止剤が添加されることがよくあります。水に添加される一般的な腐食防止剤は、リン酸塩とケイ酸塩です。

生物学的に安全な飲料水を維持することも、給水におけるもう 1 つの目標です。通常、処理施設から出る水には、次亜塩素酸ナトリウムやモノクロラミンなどの塩素系消毒剤が添加されます。配水システム内にブースター ステーションを設置することで、配水システムのすべてのエリアで適切なレベルの消毒が維持されます。

電力線、道路、マイクロ波無線ネットワークと同様に、水道システムにはループまたは分岐ネットワーク トポロジ、あるいはその両方の組み合わせがあります。配管ネットワークは円形または長方形です。給水本管のいずれかのセクションが故障したり修理が必要になったりしても、ネットワーク上のすべてのユーザーを中断することなく、そのセクションを分離できます。

ほとんどのシステムはゾーンに分割されています。^[1]ゾーンの範囲やサイズを決定する要因には、水力、テレメトリシステム、歴史、人口密度などがあります。特定のエリア向けに設計されたシステムが、開発に合わせて変更されることもあります。地形は水力や一部のテレメトリに影響を与えます。各ゾーンは独立したシステムとして動作する場合がありますが、通常は機器の故障やシステムの故障を管理するためにゾーンを相互接続する何らかの取り決めがあります。

給水ネットワークは通常、水道事業体の資産の大部分を占めます。コンピューター化された保守管理システム(CMMS) を使用して保守作業を体系的に文書化することが、水道事業体の運営を成功させる鍵となります。^{[なぜ? ]}

持続可能な都市給水ネットワークは、飲料水の供給に関連するすべての活動を網羅しています。持続可能な開発は、都市部への給水にとってますます重要になっています。革新的な水技術を給水システムに取り入れることで、持続可能な観点から給水が改善されます。革新的な水技術の開発は、給水システムに柔軟性をもたらし、統合されたリアルオプションアプローチに基づく持続可能性の基本的かつ効果的な手段を生み出します。^[2]

水は人類の存在にとって不可欠な天然資源です。あらゆる産業プロセスや自然プロセスで必要とされ、例えば石油精製、湿式冶金プロセスにおける液液抽出、冷却、鉄鋼業界での洗浄、食品加工施設でのさまざまな作業に使用されます。

都市の給水ネットワークを設計するには、新たなアプローチを採用する必要があります。今後数十年で水不足が予想されており、水の利用と廃水処理に関する環境規制はますます厳しくなっています。

持続可能な給水ネットワークを実現するには、新たな水源を開発し、環境汚染を削減する必要があります。

水の価格が上昇しているため、水の無駄を減らし、パイプラインの漏水を防ぐ対策を講じる必要があります。漏水を修理するために供給サービスを停止することは、消費者にとってますます容認されなくなっています。持続可能な給水ネットワークでは、淡水消費率と廃水発生率を監視する必要があります。

発展途上国の都市の水道網の多くは、人口増加、水不足、環境汚染に関連した問題に直面しています。

1900年には世界人口のわずか13%が都市部に住んでいた。2005年までに世界人口の49%が都市部に住んでいた。2030年にはこの統計が60%に上昇すると予測されている。^[3]政府による水供給拡大の試みは費用がかかり、十分でないことが多い。新たな違法居住地の建設により、水供給の地図作成や接続が困難になり、水管理が不十分になる。^[4] 2002年には、1億5800万人が不十分な水供給を受けていた。^[5]スラム街や不十分な衛生状態で暮らす人々の数が増えており、そのため病気のリスクにさらされている。

飲料水は世界で十分に行き渡っていません。WHOによると、毎年180万人が安全でない水の供給が原因で亡くなっています。 [ ^6]水自体は豊富にあるにもかかわらず、多くの人々は飲料水へのアクセスがないか、質と量の面で飲料水にアクセスできません。発展途上国の貧しい人々は、大きな川の近くや降雨量の多い地域に住んでいても、飲料水をまったく利用できない場合があります。また、水不足により毎年何百万人もの人が死亡している地域に住む人々もいます。

給水システムがスラム街まで届かない場所では、人々は手押しポンプを使って、井戸、川、運河、沼地、その他の水源にたどり着きます。ほとんどの場合、水質は人間の飲用に適していません。水不足の主な原因は、需要の増加です。都市部のニーズを満たすために、水は遠隔地から汲み上げられます。水不足のもう 1 つの原因は、気候変動です。降水パターンが変化し、川の水量が減り、湖が干上がり、帯水層が空になっています。

発展途上国では多くの政府が腐敗し貧困であり、これらの問題に対して政策を頻繁に変更したり合意が不明確であったりする。^[7]水の需要が供給を上回り、家庭用や工業用の水の供給が他の用途よりも優先され、水ストレスにつながる。^[8]飲料水は市場で値段が付けられ、水は民間企業のビジネスになることが多く、民間企業は水に高い値段を付けることで利益を上げ、低所得者層には障壁となる。ミレニアム開発目標は必要な変化を提案している。

国連の持続可能な開発目標の目標6は、「すべての人々に水と衛生へのアクセスと持続可能な管理を確保する」ことです。^[9]これは、2010年の国連総会で正式に承認された「清潔な飲料水と衛生はすべての人権の承認に不可欠である」という水と衛生に対する人権の認識に基づいています。^[10]持続可能な水供給には、すべての人々にとっての水の利用可能性、アクセス性、手頃な価格、品質の確保が含まれます。

先進国では、既存の供給ネットワークを最適化することが課題となっています。これらの国では通常、継続的な進化を遂げており、人々に水を供給するためのインフラを構築してきました。欧州連合は、将来予想される問題を克服するための一連の規則と政策を策定しました。

興味深いものの、あまり具体的ではないアイデアを盛り込んだ国際文書は数多く存在し、そのため実践されていません。^[11]国連からは、水と持続可能な開発に関するダブリン宣言などの勧告がなされています。

システムの収益は、その価値または純利益のいずれかで測定できます。給水システムの場合、真の価値または純利益は、十分な量と高品質の製品を備えた信頼性の高い給水サービスです。たとえば、都市の既存の給水を拡大して新しい自治体に供給する必要がある場合、システムの新しい分岐の影響は、古いシステムへの供給を維持しながら、新しいニーズを満たすように設計する必要があります。

システムの設計は複数の基準によって決まりますが、その 1 つがコストです。利益が固定されている場合、最小コストの設計は最大の利益をもたらします。ただし、最小コストのアプローチでは通常、給水ネットワークの容量は最小になります。最小コスト モデルでは通常、必要な出力圧力、最大パイプ流量、パイプ流速などの水力制約を満たしながら、最小コスト ソリューション (パイプ サイズ) を探します。コストはパイプの直径の関数であるため、最適化の問題は、パイプ サイズを最適化して最小許容容量を提供することで最小コスト ソリューションを見つけることです。

しかし、「給水システムの設計と改修を最適化する方法」と題された論文の著者によると、「将来の需要の不確実性のため、最小容量は長期的に持続可能な給水ネットワークにとって望ましい解決策ではない」とのことです。^[12]予想外の需要増加や断水に対処するために、余分なパイプ容量を提供することが望ましいです。問題は、単一目的の最適化問題（コストの最小化）から、多目的の最適化問題（コストの最小化と流量の最大化）に変わります。

多目的最適化問題を解決するには、目的の加重和や ε 制約法などの調整を使用して、問題を単一目的最適化問題に変換する必要があります。加重和アプローチでは、さまざまな目的に一定の重みを与え、これらすべての重みを考慮して、単一要素最適化で解決できる単一の目的関数を形成します。この方法は、重みを正しく選択できないため、元のすべての目的の最適解を見つけることができないため、完全に満足できるものではありません。

2 番目のアプローチ (制約法) では、目的関数の 1 つを単一の目的として選択し、他の目的関数は制限された値を持つ制約として扱われます。ただし、最適なソリューションは、事前に定義された制約の制限によって異なります。

多目的最適化問題では、コストと利点のトレードオフを計算し、感度分析に使用したり、さまざまなシナリオでテストしたりできる一連のソリューションを作成します。ただし、両方の目的のグローバル最適性を満たす単一の最適ソリューションは存在しません。両方の目的はある程度矛盾しているため、もう一方の目的を犠牲にすることなく、一方の目的を改善することはできません。場合によっては、異なるアプローチを使用する必要があります。(例:パレート分析)、最適な組み合わせを選択します。

コスト目的関数に戻ると、運用上の制約に違反することはできません。一般的に、このコストはポンプのエネルギーコストによって左右されます。「運用上の制約には、最小供給圧力などの顧客サービスの基準に加えて、それぞれ越流と空になるのを防ぐための貯水タンクの最大水位と最小水位などの物理的制約が含まれます。」^[13]

給水ネットワークの運用パフォーマンスを最適化し、同時にエネルギーコストを最小限に抑えるには、さまざまなポンプとバルブの設定がネットワークの動作に与える影響を予測する必要があります。

線形計画法と非線形計画法以外にも、持続可能性を実現するために給水ネットワークを設計、管理、運用する方法やアプローチはあります。たとえば、適切な技術を採用し、運用と保守のための効果的な戦略を組み合わせることです。これらの戦略には、効果的な管理モデル、世帯主や産業への技術サポート、持続可能な資金調達メカニズム、信頼性の高いサプライチェーンの開発を含める必要があります。これらすべての対策により、システムの耐用年数、保守サイクル、機能の継続性、修理のためのダウンタイム、水量と水質が確保される必要があります。

持続不可能なシステムでは、水道網、特に都市部の主要なパイプラインのメンテナンスが不十分です。システムは劣化し、修復または更新が必要になります。

世帯主と下水処理場はどちらも、給水ネットワークをより効率的かつ持続可能なものにすることができます。雨水と廃水を体系的に分離することで、環境効率が大幅に向上します。膜技術は廃水のリサイクルに使用できます。

自治体は、雨水管理の現在のアプローチである「自治体水再利用システム」を開発することができます。これは、処理済み廃水の再利用スキームを自治体規模で適用し、産業、家庭、自治体用に非飲料水を提供します。この技術は、衛生廃水の尿部分を分離し、それを収集して栄養素をリサイクルすることです。[14] 糞便と中水部分は^、重力下水システムを使用して、家庭からの有機廃棄物とともに収集され、非飲料水で継続的に洗い流されます。水は嫌気的に処理され、バイオガスはエネルギー生産に使用されます。

持続可能な水管理を実現する効果的な方法の1つは、インドの点滴灌漑普及のような分散型水プロジェクトに重点を移すことです。^[15]このプロジェクトは、個々の技術採用の決定に依存しながら広大な空間領域をカバーし、水不足を緩和し、農業生産性を高めることができるスケーラブルなソリューションを提供します。

活用できるもう一つの方法は、持続不可能な水インフラプロジェクトに対するコミュニティの関与と抵抗を促進することです。さまざまな国のダム反対運動に見られるように、草の根運動は、支配的な開発の物語に異議を唱え、より社会的かつ生態学的に公正な水管理慣行を主張する上で重要な役割を果たしています。^[15]

自治体やその他の地方自治体も、廃水リサイクルのための膜技術などの革新的な技術に投資し、環境効率の高い慣行を奨励する政策枠組みを開発する必要があります。実施で実証されているように、自治体の水再利用システムは、廃水処理と資源回収を都市の水道網に統合するための有望な手段を提供します。^[15]

持続可能な水供給システムとは、取水、水利用、廃水排出と処理、水環境保護を含む統合システムです。消費のあらゆる分野で淡水と地下水の使用を削減する必要があります。持続可能な水供給システムの開発は、人々の長期的な利益に役立つため、ますます増加傾向にあります。^[16]長期的な持続可能性を実現するために、水を再利用およびリサイクルする方法はいくつかあります。

• グレー水の再利用と処理:グレー水は、風呂、シャワー、シンク、洗面台から出る廃水です。この水を処理すれば、飲用以外の用途の水源として使用できます。グレー水の種類と処理レベルに応じて、灌漑やトイレの水洗に再利用できます。2000年にオーストラリアのニューサウスウェールズ州保健センターが実施した、家庭でのグレー水の再利用が公衆衛生に与える影響に関する調査^[要出典]によると、グレー水には下水よりも窒素や糞便病原菌が少なく、グレー水の有機物はより速く分解されます。
• 生態学的処理システムはエネルギーをほとんど使用しません。ヨシ原、土壌処理システム、植物フィルターなど、グレー水の再利用には多くの用途があります。このプロセスは、メンテナンスが容易で、有機物、アンモニア、窒素、リンの除去率が高いため、グレー水の再利用に最適です。

あらゆる都市部に適用可能な水供給モデルをスコープ設定するためのその他の可能なアプローチには、次のものがあります。

• 持続可能な排水システム
• ボーリングホール採掘
• クラスター間の地下水の流れ
• 運河と河川の採掘
• 帯水層貯留
• より使いやすい屋内水の使用^{[説明が必要]}

水と持続可能な開発に関するダブリン宣言は、水供給問題を克服するための新しい傾向の良い例です。先進国によって提案されたこの宣言は、都市の水供給にとって非常に重要ないくつかの原則を提示しています。これらは次のとおりです。

1. 淡水は有限かつ脆弱な資源であり、生命、発展、環境を維持するために不可欠です。
2. 水の開発と管理は、あらゆるレベルの利用者、計画者、政策立案者を巻き込んだ参加型アプローチに基づくべきです。
3. 女性は水の供給、管理、保護において中心的な役割を果たしています。制度上の取り決めは、水の供給と保護における女性の役割を反映する必要があります。
4. 水はあらゆる用途において経済的価値を持ち、経済的財として認識されるべきである。 ^[17]

1992 年に策定されたこれらの声明から、水を重視し、都市の水道システム管理を持続可能な開発に向けるためのいくつかの政策が作成されました。欧州委員会による水枠組み指令は、以前の政策から作成されたものの良い例です。

より持続可能な水供給システムの必要性が高まっています。持続可能性を達成するには、気候変動、エネルギーコストの上昇、人口増加など、いくつかの要因に同時に取り組む必要があります。これらの要因はすべて変化を引き起こし、利用可能な水資源の管理に圧力をかけます。^[18]

従来の給水システムを変革する上での障害は、変革を達成するために必要な時間の長さです。より具体的には、変革は地方自治体の立法機関によって実施されなければなりませんが、地方自治体も常に短期的な解決策を必要としています。^[要出典]給水システムの持続可能性を達成する上でのもう 1 つの障害は、必要な技術に関する実践的な経験が不十分であることと、組織と移行プロセスに関するノウハウが不足していることです。

都市の水道インフラは、その持続可能性と回復力を損なういくつかの課題に直面している。最近の研究で強調された重要な問題の1つは、気候変動と異常気象に対する水道網の脆弱性である。パナマ運河の閘門とダムのインフラで観察されたように、季節的な雨量の少なさは、不十分な水供給がいかにして水を大量に消費するインフラに負担をかけるかを例証しており、水道システムの工学的正当性と信頼性に疑問を投げかけている。^[19]

もう一つの重要な課題は、ダムや運河などの大規模な水インフラプロジェクトに伴う不平等な発展です。このようなプロジェクトは経済成長を促進することを目的としていますが、実際には農村コミュニティを追放し、先住民を疎外することで社会的および経済的不平等を再生産することがよくあります。^[19]この「剥奪による蓄積」現象は、水インフラ開発に対するより公平で包括的なアプローチの必要性をさらに強調しています。^[19]

この状況を改善する方法としては、ネットワークのシミュレーション、パイロット プロジェクトの実施、関連するコストと達成された利点からの学習などが考えられます。

• 水道橋
• 土木工学
• 導管式水力発電
• 家庭用水道システム
• ハーディクロス法
• 水文学的最適化
• 水文学
• インフラストラクチャー
• 配管工事
• 川
• 水道水
• 水
  • 水道管
  • 水道メーター
  • 井戸水
    • 自動メーター読み取り
  • 逆流防止装置
  • 消火栓
  • ストレーナー
  • バルブ
  • 給水塔
  • 水質
  • 水資源
  • 給水

• DCMMS: 水道および廃水処理ネットワークの保守活動を記録するための Web ベースの GIS アプリケーション。
• 給水システム用のオープンソース油圧ツールボックス
• 給水ネットワーク図