Loading article…
給水ネットワークまたは給水システムとは、給水を行うための、設計された水理学的および水力学的構成要素からなるシステムです。給水システムは通常、以下の要素で構成されます。
原水（未処理水）とは、水資源を提供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る井戸など）から得られる水のことです。
原水は、むき出しの水道管、覆われたトンネル、または地下水道管を使用して浄水施設に送られる。
ほぼすべての大規模システムでは水の処理が必要であり、これは世界保健機関（WHO）や米国環境保護庁（EPA）などの国際機関、州機関、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（再び排出される時）の両方で行われなければなりません。水の浄化は通常、ポンプ輸送コストを削減し、処理後に水が汚染される可能性を減らすために、最終供給地点の近くで行われます。
従来の地表水処理施設は、一般的に浄化、ろ過、消毒の3つの工程から構成されます。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（例えば、ミョウバン、塩化第二鉄）を添加することで粒子の電荷を不安定化させ、沈殿または浮上によって水流から分離し、浄化の準備を整えます。砂、無煙炭、または活性炭フィルターは、より小さな粒子状物質を除去して水流を浄化します。消毒には他の方法もありますが、塩素添加が最も好ましい方法です。塩素は細菌やほとんどのウイルスを効果的に殺菌し、残留塩素濃度を維持することで、給水網を通して水源を保護します。
消費地点に届けられた製品は、人間の飲用に必要な水質基準を満たしていれば、飲料水と呼ばれる。
給水網内の水は、網の隅々まで水が行き渡り、各取水地点で十分な流量が確保され、地下の未処理水が網に流入しないように、正圧に維持されています。水は通常、網内の最高地点に設置された貯水槽にポンプで送り込むことで加圧されます。一つの給水網に、このような貯水槽が複数設置されている場合もあります。
小規模な家庭用給水システムでは、加圧容器、あるいは地下貯水槽（ただし、後者の場合は追加の加圧が必要）によって水を加圧することができる。これにより、給水塔やその他の高所にある貯水槽を設置して水圧を確保する必要がなくなる。
これらのシステムは通常、市町村などの地方自治体やその他の公共団体が所有・維持管理していますが、商業企業によって運営される場合もあります（水道民営化を参照）。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、都市計画家や土木技師の専門知識が必要であり、配管ネットワーク解析などのツールを用いて、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、消火用流量など、多くの要素を考慮しなければなりません。
水が配水システムを通過する過程で、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管が腐食すると、金属が水中に溶出し、見た目や健康に悪影響を及ぼす可能性があります。内張りのない鉄管から鉄が溶出すると、蛇口から「赤い水」が出てくるというお客様からの報告があります。銅管から銅が溶出すると、「青い水」が出てくる、または金属臭がするというお客様からの報告があります。鉛は、銅管の接合に使用されるはんだや真鍮製の器具から溶出することがあります。消費者の健康を守るため、消費者の蛇口からの銅と鉛の濃度は規制されています。
水道事業者は、配水前に水の化学組成を調整して腐食性を最小限に抑えることがよくあります。最も簡単な調整方法は、pHとアルカリ度を制御して、炭酸カルシウムの層を析出させることで腐食を不動態化させる水を作り出すことです。また、水中への金属の溶出を抑えるために、腐食抑制剤が添加されることもよくあります。水に添加される一般的な腐食抑制剤には、リン酸塩とケイ酸塩があります。
生物学的に安全な飲料水の維持は、配水におけるもう一つの重要な目標です。通常、浄水場から出る水には、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。配水システム全体に十分な消毒レベルが維持されるよう、配水システム内に加圧ポンプを設置することができます。
送電線、道路、マイクロ波無線ネットワークと同様に、水道システムもループ型、分岐型、あるいはその両方の組み合わせといったネットワークトポロジーを持つ場合があります。配管ネットワークは円形または長方形です。配水本管のいずれかの区間が故障したり修理が必要になった場合でも、その区間だけを隔離することで、ネットワーク上のすべての利用者に影響を与えることなく給水を行うことができます。
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、水理、テレメトリーシステム、履歴、人口密度などがあります。システムは特定のエリア向けに設計され、その後開発に合わせて変更されることがあります。地形は水理や一部のテレメトリーに影響を与えます。各ゾーンは独立したシステムとして動作する可能性がありますが、機器の故障やシステムの障害を管理するために、通常はゾーンを相互接続する何らかの仕組みがあります。
水道網は通常、水道事業体の資産の大部分を占める。コンピュータ化された保守管理システム（CMMS）を用いた保守作業の体系的な記録は、水道事業体の円滑な運営にとって不可欠である。
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、都市部への給水においてますます重要になっています。給水システムに革新的な水技術を組み込むことで、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 ]
水は人間の生存に不可欠な天然資源です。石油精製、湿式冶金プロセスにおける液液抽出、冷却、鉄鋼業における洗浄、食品加工施設における様々な工程など、あらゆる工業プロセスや自然プロセスにおいて必要とされます。
今後数十年間で水不足が予想され、水利用や廃水処理に関する環境規制がますます厳しくなるため、都市給水ネットワークの設計には新たなアプローチを採用する必要がある。
持続可能な給水ネットワークを実現するためには、新たな水源の開発と環境汚染の削減が必要である。
水の価格が高騰しているため、水の無駄遣いを減らし、パイプラインの漏水を防ぐための対策を講じる必要があります。漏水修理のために給水サービスを停止することは、消費者の許容度がますます低くなっています。持続可能な給水ネットワークを構築するには、淡水消費量と廃水発生量を監視する必要があります。
発展途上国の多くの都市部の水道網は、人口増加、水不足、環境汚染に関連する問題に直面している。
1900年には、世界人口のわずか13%が都市部に住んでいました。2005年までに、世界人口の49%が都市部に住んでいました。2030年には、この統計は60%に上昇すると予測されています。[ 3 ]政府による給水拡大の試みは費用がかかり、多くの場合十分ではありません。新たな違法居住地の建設により、給水網の地図作成や接続が困難になり、不十分な水管理につながります。[ 4 ] 2002年には、1億5800万人が不十分な給水を受けていました。[ 5 ]スラム街に住む人が増え、不十分な衛生状態に置かれているため、病気のリスクにさらされています。
飲料水は世界中で十分に分配されていません。WHOによると、毎年180万人が安全でない水の供給が原因で死亡しています。 [ 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にアクセスできないか、質と量の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、主要な河川の近くに住んでいたり、降雨量の多い地域に住んでいたりしても、飲料水に全くアクセスできない場合があります。また、水不足によって毎年何百万人もの人が死亡している地域に住んでいる人々もいます。
水道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、汲み井戸、川、運河、沼地、その他あらゆる水源から水を汲み上げています。ほとんどの場合、水質は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、遠隔地から水が取水されています。水不足のもう一つの原因は気候変動です。降水パターンが変化し、川の水量が減少し、湖が干上がり、帯水層が枯渇しています。
発展途上国では、多くの政府が腐敗しており、貧困状態にあり、これらの問題に対して政策を頻繁に変更したり、明確な合意を結ばなかったりして対応している。[ 7 ]水の需要は供給を上回り、家庭用および工業用の水供給が他の用途よりも優先されるため、水不足が生じる。[ 8 ]飲料水には市場価格があり、水はしばしば民間企業にとってビジネスとなり、企業は水に高い価格を設定することで利益を上げ、低所得者層にとって障壁となる。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、「すべての人に水と衛生設備の利用可能性と持続可能な管理を確保する」ことである。[ 9 ]これは、水と衛生設備に対する人権を認めたものであり、2010年の国連総会で「清潔な飲料水と衛生設備は、すべての人権の認識に不可欠である」と正式に認められた。[ 10 ]持続可能な水供給には、すべての人に水の利用可能性、アクセス可能性、手頃な価格、および水質を確保することが含まれる。
先進国における課題は、既存の供給ネットワークを最適化することにある。これらの経済圏は通常、継続的な発展を遂げており、それによって人々に水を供給するためのインフラを構築することが可能になった。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ている。
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するため、それらは実行に移されていない。[ 11 ]国連は、水と持続可能な開発に関するダブリン声明などの勧告を行っている。
システムの成果は、その価値または純便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、すなわち純便益とは、十分な量と良質な水を提供する信頼性の高い給水サービスです。例えば、ある都市の既存の給水網を拡張して新たな自治体に給水する必要がある場合、新しい給水網は、既存の給水網への供給を維持しながら、新たなニーズを満たすように設計されなければなりません。
システムの設計は複数の基準によって決定され、その一つがコストです。便益が固定されている場合、最小コスト設計が最大の便益をもたらします。しかし、最小コストアプローチは通常、給水ネットワークの容量を最小化することにつながります。最小コストモデルは通常、必要な出力圧力、最大パイプ流量、パイプ流速などの水力学的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）を探索します。コストはパイプ径の関数であるため、最適化問題は、許容可能な最小容量を提供するようにパイプサイズを最適化することによって、最小コストソリューションを見つけることにあります。
しかし、「配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らによると、「将来の需要の不確実性から、最小限の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」とのことである。[ 12 ]予期せぬ需要の増加や断水に対応するために、追加のパイプ容量を用意することが望ましい。問題は、単一目的最適化問題（コストの最小化）から、多目的最適化問題（コストの最小化と流量容量の最大化）に変わる。
多目的最適化問題を解くには、目的関数の加重和やε制約法などの調整を用いて、問題を単目的最適化問題に変換する必要があります。加重和法では、異なる目的関数に一定の重みを与え、これらの重みをすべて考慮して、単一因子最適化で解ける単一の目的関数を作成します。しかし、この方法は完全に満足のいくものではありません。重みを正しく選択できないため、元のすべての目的関数に対する最適解を見つけることができないからです。
2つ目のアプローチ（制約法）では、目的関数のうち1つを単一の目的関数として選択し、他の目的関数は制限値を持つ制約として扱います。ただし、最適解は事前に定義された制約の限界値に依存します。
多目的最適化問題では、コストとベネフィット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解を導き出します。しかし、両方の目的の全体的な最適性を満たす単一の最適解は存在しません。両方の目的はある程度矛盾しているため、一方の目的を犠牲にすることなく他方の目的を改善することは不可能です。場合によっては、別のアプローチ（例えばパレート分析）を用いて、最適な組み合わせを選択する必要があります。
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、このコストは揚水のためのエネルギーコストが支配的です。「運用上の制約には、最低供給圧力などの顧客サービス基準に加え、それぞれ溢水や空になるのを防ぐための貯水槽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性能を最適化し、同時にエネルギーコストを最小限に抑えるためには、ポンプやバルブの設定の違いがネットワークの挙動に及ぼす影響を予測する必要がある。
線形計画法や非線形計画法以外にも、持続可能な給水ネットワークの設計、管理、運用には、適切な技術の採用と効果的な運用・保守戦略の導入など、さまざまな方法やアプローチがあります。これらの戦略には、効果的な管理モデル、家庭や産業界への技術支援、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構築などが含まれる必要があります。これらの対策はすべて、システムの耐用年数、保守サイクル、機能の継続性、修理のための停止時間、水量、水質といった点を確実に満たすものでなければなりません。
持続不可能なシステムでは、水道網、特に都市部の主要な送水管の維持管理が不十分です。そのためシステムが劣化し、改修または更新が必要になります。
家庭と下水処理場はどちらも、給水ネットワークの効率性と持続可能性を高めることができる。雨水と廃水を体系的に分離することで、環境効率を大幅に向上させることができる。廃水のリサイクルには膜分離技術を利用できる。
市町村政府は、雨水管理の現在のアプローチである「市町村水再利用システム」を開発することができます。これは、処理済み廃水に対して市町村規模で水再利用スキームを適用し、産業、家庭、および市町村での使用に非飲料水を提供します。この技術は、衛生廃水から尿分を分離し、その栄養素をリサイクルするために収集することから成ります。[14] 糞便と雑排水分は、家庭からの有機廃棄物とともに重力式下水道システムを使用して収集され、非飲料水で継続的に洗浄されます。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、インドにおける点滴灌漑の普及など、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、個々の技術導入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向上させる拡張可能なソリューションを提供します。
利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参加と抵抗を促進することです。さまざまな国で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、より社会的に公正で生態学的に公正な水管理慣行を提唱する上で重要な役割を果たします。[ 15 ]
自治体やその他の地方自治体も、廃水リサイクル用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策定すべきである。実施例からもわかるように、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ネットワークに統合するための有望な手段となる。[ 15 ]
持続可能な給水システムは、取水、水利用、排水・処理、水環境保護を含む統合システムです。これは、あらゆる消費部門における淡水および地下水の使用量を削減することを必要とします。持続可能な給水システムの開発は、人々の長期的な利益に資するため、ますます重要性を増しています。[ 16 ]長期的な持続可能性を実現するために、水を再利用・リサイクルする方法はいくつかあります。例えば、
都市部全般に適用可能な、給水モデルの範囲設定に関するその他のアプローチとしては、以下のようなものがある。
水と持続可能な開発に関するダブリン声明は、水供給問題の克服に向けた新たな潮流の良い例である。先進国が提唱したこの声明は、都市の水供給にとって非常に重要な原則をいくつか提示している。それらは以下のとおりである。
1992年に策定されたこれらの声明に基づき、水資源を重視し、都市水システムの管理を持続可能な開発へと導くための様々な政策が策定されてきた。欧州委員会による水枠組み指令は、こうした過去の政策から生まれた好例と言えるだろう。
より持続可能な給水システムが強く求められている。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る。これらの要因はすべて変化を促し、利用可能な水資源の管理に圧力をかける。[ 18 ]
従来の給水システムを変革する上での障害の一つは、変革に要する時間の長さである。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らないが、これらの機関も常に短期的な解決策を必要としている。給水システムの持続可能性を実現する上でのもう一つの障害は、必要な技術に関する実践的な経験の不足と、組織運営や移行プロセスに関するノウハウの欠如である。
都市の水インフラは、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ます。最近の研究で強調されている重要な問題の一つは、水ネットワークが気候変動や異常気象に対して脆弱であることです。パナマ運河の閘門とダムのインフラの場合に見られるように、季節的な降雨量の不足は、不十分な水供給がいかに水集約型のインフラに負担をかけ、工学的正当性や水システムの信頼性について疑問を投げかけるかを示しています。[ 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開発です。こうした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立ち退かせ、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「収奪による蓄積」という現象は、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ための方法としては、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、関連するコストと得られたメリットからの学習などが考えられます。
{{cite book}}: CS1 メンテナンス: その他 (リンク){{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=(ヘルプ) CS1 メンテナンス: その他 (リンク)が必要です