JP2006177060A

JP2006177060A - 合流式下水配管清掃システム

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Publication number: JP2006177060A
Application number: JP2004371797A
Authority: JP
Inventors: Shiyunsuke Mizumi; 俊介水見; Ryuichiro Iwano; 龍一郎岩野; Satoru Nomoto; 悟野本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】雨天時の越流合流水による河川への汚濁物負荷を低減する。
【解決手段】下水配管網外部より下水配管内を清掃するための洗浄水を流入させる洗浄水供給手段１０ａ〜１０ｅを上流側小口径合流式下水配管３０ａ〜３０ｃ、中流位置中口径合流式下水配管３１に分散配置するとともに、洗浄水供給手段１０ａ〜１０ｅを遠隔制御する中央制御装置５０を設け、配管内での水の流下速度と流達時間と流量を、数値シミュレーションにより事前に予測し、下流に行くたびに各支流部から流れてきた水の先頭部分がほぼ同時に合流部分に到達できるように、各洗浄水供給手段の洗浄水供給開始タイミングを決める。各洗浄水供給手段１０ａ〜１０ｅの貯水槽１４には雨水あるいは河川より引き入れた水を蓄え、予想降雨量が基準値以上の場合に、降雨開始以前に下水配管に前記タイミングに基づき洗浄水を流入させる。
【選択図】図１

Description

本発明は合流式下水配管清掃システムに係り、特に洗浄水を下水配管内に流入させて配管内に堆積した汚濁源となる物質を除去する合流式下水配管清掃システムとその運用方法に関する。

雨水と汚水を同一の配管を利用して排水する合流式下水道は、雨水と汚水をそれぞれ専用の配管を用いて排水する分流式下水道と比較して、短期間で設置が可能であり経済的にも有利であることから、多くの都市で採用されている。合流式下水道では雨天時に雨水と合流して増加した未処理の汚水を含んだ下水のうち、下水処理場での処理能力を上回る分が、途中の自然吐き口や排水ポンプ場から公共用水域に直接排出（越流水と言う）される。そのため、流出先での水質悪化や水域における水の利用者に対する公衆衛生上の問題など、周辺公共水域へ与える汚濁負荷の影響が大きいと指摘されるようになった。

ところで、大雨が降った場合の配管内の一般的な汚濁物質濃度の傾向は、初期降雨流出（ファーストフラッシュ）時に急激に増加しその後、一気に減少し、やがて一定値になる。これは、晴天時の一般生活排水では、管内清掃に十分な排水量を確保できないために、途中の配管内部に堆積した汚物・きょう雑物が初期降雨流出により一気に押し流され、その後は配管内部が清掃されたために、ほぼ雨水のみが流下するようになるためである。

したがって越流水対策は、種々の方法により、この初期降雨流出時の高濃度汚濁水の河川への直接放流を削減することが直接の目的となっている。従来、越流水対策として、（１）下水施設の処理能力を超える水を一時的にどこかに蓄えておき、雨がやんだ後に徐々に処理を行う方法や、（２）下水配管内の堆積物を事前に除去することで、降雨時の未処理水による河川汚濁負荷を軽減させる方法などが提案されている。

（１）の一時的に水を蓄える方法は、更に幾つかの種類に分かれる。まず、一般住宅地周辺部あるいは下水処理場などにある調整池を利用する方法がある。更に大規模になると、非特許文献１に記載されているように、地下に体育館のような滞水池と呼ばれる巨大な貯留施設を設け、そこで大量の汚水を貯留する方法がある。また、下水配管内に堰を設け、配管内を一時的にせき止めることにより貯留する方法（配管内ゲート方式）も考えられている。また、特許文献１には、管渠内の流体の一部を槽内に引き込んで貯溜し、前記管渠内の流体水位が槽内の流体の水位より低下した状態で、槽内の流体を管渠内に吐出させて管渠内に堆積する土砂等を除去清掃する管渠の洗浄方法が開示されている。

（２）の下水配管内の堆積物を事前に除去する方法としては、特許文献２に開示されている、下水道管渠内の水量の少ないときに、前記下水管渠の流れ方向に対し、加圧された水または水と空気の混合水を注入し、下水道管渠内の汚物を含む汚水を常時流下させて降雨時の未処理水による河川汚濁負荷を軽減させる技術がある。なお、特許文献３には、配管の途中に堰を設け、せき止めた水を一時に放水して、従来ほとんど人手で行われてきている配管内部に堆積した土砂などの清掃を、人手を使わず自動的に行なう技術が開示されている。

特開２００２-２８５６３６号公報特開２００３-３４９７９号公報特開２００３-１３８６４１号公報下水道協会誌Ｖol37 No.452・2000／6・Ｐ38−45。

（１）の調整池や、滞水池を用いる方法も有効な方法ではあるが、やはり、土木費用の問題や新規の土地確保の問題があるため、利用できる自治体が限られている。一方、配管内に堰を設ける配管内ゲート方式は、現在最も現実的な方法の一つと考えられ、積極的に研究が行われている。しかし、この方法により途中の配管を完全にせき止めてしまうと、上流側の取水口へ水が逆流したり、場合によっては内部に閉じ込められ圧縮された高圧の空気によりマンホールが吹き上げられるなどの事例も報告されている（非特許文献１のＰ４６−５３参照）。そのため、堰の上部は常に開いた状態にしておく必要があり、また、可動式にする必要もあるため、設置可能な配管径はおよそ２ｍ以上と、比較的大規模なものに限定されてしまう。さらに、効果の高い設置場所の選定が非常に困難であるなどの問題がある。

特許文献１に記載された方法では、管渠内の水位が高い状態、つまり降雨時に管渠内の水を槽内に引き込み、一時貯溜するため、槽内に汚濁物が沈殿、堆積し、この槽内の清掃が必要になってしまう。

（２）の、特許文献２に記載された方法は、注入する水あるいは空気を加圧するためのポンプを設ける必要があり、設置コスト、保守コストの面で好ましくない。また、加圧送水することによる洗浄は局所的で短い距離でしか効果が期待できず、長い距離で効果を得るためには、数多くの送水口とそれに対応するポンプが必要になる。

また、特許文献３に記載された、配管内でせき止めた水により配管内部を清掃する方法は、元々越流水対策のための特許ではなく、配管内きょう雑物除去の自動化が目的であり、この目的のためには効果があると考えられるが、配管内をせき止める方式を採っているため、配管内ゲート方式と同様の問題が存在する。例えば、この方法も配管内に堰を設けるため、設置可能な配管径はおよそ２ｍ以上の下流部にある大口径の配管に限定される。そのため、下水管網の上流部は清掃の対象にはならず、また、一般に下流部ほど配管の勾配が緩いため実際に配管内部を清掃可能なほどの流速を確保できるかどうかも疑問である。

本発明の課題は、コスト増の要因となるポンプを用いることなく、かつ新たな汚染源を発生させることなく、雨天時の越流合流水による河川への負荷を低減するにある。

上記課題は、汚水と雨水とを同一管路に合流させて処理場まで流下させる合流式の下水配管にそれぞれ異なる箇所から洗浄水を流入させる複数の洗浄水供給手段と、前記複数の洗浄水供給手段それぞれから洗浄水を流入させるタイミングを制御して異なる箇所から流入させた洗浄水を洗浄水合流位置に同時に到達させる制御手段とを有してなり、前記洗浄水供給手段は、下水配管網外部から供給される洗浄水を下水配管に流入させるものである合流式下水配管清掃システムにより達成される。

まず、本発明の合流式下水道保守管理システムは、下水配管網外部より下水配管内を清掃するための洗浄水を流入させる洗浄水供給手段を複数備えている。この洗浄水供給手段により降雨以前に下水管内に蓄積した汚泥などの汚濁物質を下水処理場まで流下させておけば、降雨時には下水管内に汚濁物質が堆積していないので、越流水が発生しても汚濁濃度が低く環境を汚染することがない。また、洗浄水供給手段から供給される洗浄水の量は、下水処理場の処理能力を超えることが無いので清掃時には越流水は発生せず、環境を汚染することはない。

また、本発明の他の特徴は、下水配管に流入させる洗浄水は洗浄対象の下水配管網の外部から取水した水を用いる点である。外部から取水した水としては、雨水、河川水あるいは遊水地の水が用いられるが、洗浄対象の下水配管網の外部から取水した水を用いるので、この水を洗浄水として貯溜する場合でも、下水配管内の水を貯溜する場合に比べ、槽内に汚濁物が沈殿堆積することが少ない。外部から取水した水の一部または全部を貯水槽に貯溜して用いるようにしてもよいし、河川水あるいはを遊水地の水を自然流下により送水して用いることも可能である。

本発明ではまた、制御手段により前記複数の洗浄水供給手段それぞれから洗浄水を流入させるタイミングを制御して、異なる箇所から流入させた洗浄水を洗浄水合流位置に同時に到達させるから、上流側から下流側に向かって配管合流位置で管径が大きくなる場合でも、合流する管から大きくなった管に洗浄水が同時に流入するので、大きくなった管に流れる流量も大きくなり、管径が大きくなっても洗浄効果の低下が少なく、上流側から下流側まで、一度に洗浄できる。

また、制御手段により各洗浄水供給手段からの洗浄水供給開始時刻を制御して連携動作させることでシステムの効率的運用が可能であり、単一の制御手段により、複数の洗浄水供給手段からの洗浄水の注水を遠隔地から指示するために、各洗浄水供給手段と制御手段を結ぶ有線或いは無線の通信手段を設けることが望ましい。洗浄水供給手段それぞれにタイマーを設け、設定時間を前記洗浄水供給開始時刻の差に合わせて設定し、制御手段からは、ひとつの信号ですべての洗浄水供給手段のタイマーを同時にスタートさせるようにしてもよい。

さらに、前記制御手段を、洗浄対象の下水道配管網の空間的配置、管の勾配、長さ、管径、配管断面形状、配管連結状態、洗浄水供給手段の接続位置などをデータベースとして格納する記憶手段と、前記データベース及び指定された条件、例えば洗浄範囲、洗浄開始時刻等に基づいて各洗浄水供給手段から下水配管の各合流位置までの洗浄水流下時間を予測し、予測された洗浄水流下時間に基づいて下流部合流地点に同時刻に洗浄水が到達するような注水開始タイミングを洗浄水供給手段毎に決定する演算手段と、演算結果を表示する表示手段と、演算結果に基づいて各洗浄水供給手段に注水開始を指示する通信手段と、を含んで構成するようにしてもよい。

前記複数の洗浄水供給手段それぞれから洗浄水の流入を開始する時刻の差を、予め記憶手段に格納しておき、記憶手段に格納されている時刻の差に基づいて、演算手段が通信手段を介して各洗浄水供給手段に注水開始を指示する構成としてもよい。

また、前記構成の合流式下水道保守管理システムの運用方法としては、次の降雨時の予想降雨量を確認し、予想降雨量があらかじめ指定された降雨量以上の場合には、降雨開始以前に下水配管に洗浄水を流入させることが望ましい。前記指定された降雨量とは、その降雨量の降雨の結果、越流水が生じるような降雨量である。

以上のような構成によれば、大雨で越流水が生じてもその日の生活排水が雨で希釈された時の濃度以上には汚濁しない状態を維持することが可能になり、そのまま河川に放流されたとしても問題にはならなくなる。

本発明によると、コスト増の要因となるポンプを用いることなく、かつ新たな汚染源を発生させることなく、雨天時の越流合流水による河川への負荷を低減することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る合流式下水道システムと合流式下水道配管清掃システムの概略構成とその動作を示す概念図である。

図示の合流式下水道システムは、下水処理場６０と、下水処理場６０に接続された下流側大口径合流式下水基幹配管３２と、下流側大口径合流式下水基幹配管３２に分岐して接続された中流位置中口径合流式下水配管３１と、中流位置中口径合流式下水配管３１に分岐して接続された上流側小口径合流式下水配管３０ａ〜３０ｃと、下流側大口径合流式下水基幹配管３２に設置され越流水を河川に放流する自然吐き口４０と、同じく下流側大口径合流式下水基幹配管３２に設置され越流水を河川に吐出する排水ポンプと、を含んで構成されている。下水処理場６０は処理水を河川に放流するとともに、処理能力以上の流入水があった場合、越流水として河川に放流するように構成されている。

図示の合流式下水道配管清掃システムは、前記上流側小口径合流式下水配管３０ａ、３０ｂ、３０ｃにそれぞれ接続された洗浄水供給手段１０ｂ、１０ｅ、及び１０ａ、１０ｃと、前記中流位置中口径合流式下水配管３１末端に接続された洗浄水供給手段１０ｄと、制御手段である中央制御装置５０と、を含んで構成されている。

洗浄水供給手段１０ａ〜１０ｅは、いずれも、図２に示すように、貯水槽１４、貯水槽１４を下水配管に接続する注水管１３、注水管１３に介装された自動流出弁１２、及び通信手段である通信装置１１を含んで構成されている。自動流出弁１２は信号線で通信装置１１に接続され、通信装置１１から自動流出弁１２に出力される信号で開閉されるようになっているとともに、開閉状態を示す信号が自動流出弁１２から通信装置１１に送られるようになっている。通信装置１１はまた、貯水槽１４の水位を示す信号及び自動流出弁１２の開閉状態を示す信号を前記中央制御装置５０に送信するようになっている。また、各洗浄水供給手段には、それぞれ固有のあるいは、設置地域やサイズなど何らかの自己識別コード番号が割り振られており、中央制御装置５０から、この識別番号の情報を含んだ開閉指示の情報を受信することにより、個々の貯水槽は、他の貯水槽とは独立に適切な自己の弁開閉時期を知ることができる。

貯水槽１４は、建物の屋上、側面、地下あるいは敷地内外のいずれに設置してあるものでも利用可能である。また一部家庭などに既設の貯水槽を利用することも可能である。特に近年、公共施設や一般家庭の敷地内や建物の屋上などに雨水利用目的で貯水槽を備え付けることが多くなってきている。こうした貯水槽に浄化装置を取り付けて水道水として利用するのは非常に高価なので、通常はそれほど十分に利用されていない。そこで、むしろ定期的にこれらの余剰の貯溜水を使用することにより、常時ある程度タンク内の水位を低く保つことができる。それにより、実際の大雨の際には地域全体としてある程度の貯溜能力を持つことが可能となり、結果的に洪水被害を緩和する効果も期待できる。洗浄水供給手段としては、少なくともその一部に、このような雨水を貯溜する貯水槽を利用することが望ましい。

中央制御装置５０は、演算手段である演算・制御装置５３と、演算・制御装置５３に接続されデータベースを格納する記憶手段５４と、演算・制御装置５３に接続された表示手段である画像表示装置（ＣＲＴ）５５と、演算・制御装置５３に接続された通信手段である通信装置５１と、演算・制御装置５３に接続された入力手段である入力装置５６と、を含んで構成されている。通信装置５１は前記通信装置１１との間で制御電波５２として、自動流出弁１２の開閉を指示する自動流出弁開閉指示信号や自動流出弁１２の開閉状態信号、貯水槽１４の水位信号の送信を要求するコマンド信号を送信すると共に、前記通信装置１１から送信される開閉状態信号、貯水槽１４の水位信号を受信する。本実施の形態では、通信装置５１は前記通信装置１１と無線通信を行なうが、有線で通信するシステムであってもよい。

前記演算・制御装置５３は、前記入力装置５６から入力される指示や条件に基づき、記憶手段５４に格納された、下水道配管網の、空間的配置、勾配、管径、長さ、配管断面形状、配管連結状態、洗浄水供給手段の下水配管への接続位置などの水理的な情報を含んだデータベースを参照して、配管内流れの数値シミュレーションを行い、放水（洗浄水供給手段からの洗浄水供給、以下同じ）対象区域、放水時期、放水順序、放水時間などの計画を行うよう、構成されている。

配管内流れの数値シミュレーションに関し、詳しくは後述するが、ここでも簡単に説明する。一般に河川の様な自然界における流れに比べ、下水配管内の流れの予測は比較的簡単であり、基本的には配管の断面形状、管内面の水理的抵抗値、配管勾配、空間的配置状況、といった土木情報と、下水水深が分かれば平均流速や単位時間あたりの流量が求まり、さらに配管長が分かれば先に求めた平均流速から流下時間も分かる。逆に言うと、ある配管内を清掃するのに必要な水深と水を流す時間を与えれば、その配管の上流での必要な流量と放水時期、放水時間が求まる。

一般に下水配管網は、下流に行くに従い合流を繰り返し、配管径も大きくなっていくが、ここで述べたような方法を用い、下水管の下流部から遡って上流部に向かって計算を繰り返してゆけば中流位置中口径の下水配管や、上流部小口径下水配管で、配管内を清掃するのに必要な水の流量、放水時間、放水時期などが次々に求まる。あるいは上流部から順に個別の貯水槽に対する放水量、放水時期、放水時間を与えることにより、下流部での流量、水深等を予測し、上流部での条件を次々に調節しながら計算を繰り返すことにより下流部での流れが適正になるようにシステムの運転計画を立てることも可能である。言い換えると、下水配管系統のある区域が指定されたら、その区域に属する下水配管内部を清掃するのに必要な水の流量、放水時間が求まり、それだけの流量、放水時間を実現するためには、その領域に設置されている洗浄水供給手段それぞれから洗浄水をどのようなタイミングで供給すべきかが決まる。このタイミングは、一番早いタイミングで供給開始する洗浄水供給手段から、それぞれ何秒遅れで供給開始し、何秒後に停止するかのデータとして、各洗浄水供給手段に対応して、前記記憶手段５４に格納される。

このようにして得られた結果を基に放水対象区域、時期、タイミング、時間などの計画が行われ、その計画に基づき複数の洗浄水供給手段に対し、通信装置５１を介して統一的な遠隔操作が行われる。こうして、決められた順序で各洗浄水供給手段の貯水槽１４の自動流出弁１２を開いて放水することにより、上流側小口径合流式下水配管、中流位置中口径合流式下水配管のそれぞれ異なる位置に流入させた洗浄水を下水配管網の上流部から順に合流させる。合流の際、合流する水流の先頭部を合流点に同時に到達させることで、合流するたびに水位と流速を増加させることが可能となる。この結果、下流の配管を清掃するに十分な水位と流速を確保するために必要な最小限の貯水量と放流量の予測が可能となる。必要な最小限の貯水量と放流量の予測により設置すべき貯水槽のサイズを小型化でき、放水量を、遠隔操作によって必要な放水量に制限することにより、経済的な運用が可能になる。

放水による下水配管洗浄は、理想的には配管内部が常時清潔に保たれるように行なわれるのがよいが、少なくとも、越流水が生じると推定されるような降雨量が予測される雨の前には行われるのが望ましい。実際には、貯水量に余裕があれば、常時配管内部が清潔に保たれてさえいれば、晴れた日ならいつ放水しても構わない。実施の形態１では気象庁の天気予報の情報を基に晴れている日を選び、予め定められた間隔を超えない間隔で放水を行う。また、予想降雨量が予め指定された、越流水が生じると推定されるような降雨量異常の場合には、降雨開始以前に下水配管洗浄を行なう。

下水配管洗浄の実施は、システム運用者が入力装置５６により、洗浄対象領域と洗浄開始時刻を指示することにより開始される。各洗浄水供給手段から下水配管への注水開始タイミングは、洗浄水供給手段が下水配管に接続された場所によってそれぞれ異なるが、この場合の洗浄開始時刻は、指定された領域で注水を開始するタイミングが最初になるように設定されている洗浄水供給手段から注水が開始される時刻である。

演算・制御装置５３は、洗浄対象領域と洗浄開始時刻が指定されると、指定された洗浄対象領域に接続されている洗浄水供給手段の注水タイミングを読み出し、一番早いタイミングが指定されている洗浄水供給手段に、通信装置５１を介して前記指定された時刻に注水開始の指示を出す。次いで、指定されているタイミングに従って、順次、各洗浄水供給手段に、通信装置５１を介して注水開始の指示を出す。

各洗浄水供給手段の通信装置１１は通信装置５１から送信される注水開始の指示（自動流出弁開閉指示信号）を受信し、当該洗浄水供給手段を示す自己識別コード番号が付されている注水開始の指示であるとき、対応する自動流出弁１２に、弁を開く信号を出力する。自動流出弁１２に弁を開く信号が入力されたら、弁が開き、下水配管への洗浄水供給が開始される。弁が全開されるとタイマーがスタートし、予め設定されている時間が経過した後、自動流出弁１２は自動的に閉じられる。タイマーによる自動閉止でなく、中央制御装置５０からの弁閉を指示する信号によって閉止するようにしてもよい。なお、自動流出弁１２は開動作を開始したら開閉状態を通信装置１１に自動的に出力し、通信装置１１は自動流出弁１２の開閉状態を示す開閉状態信号及び貯水槽１４の水位を示す信号を、前記自己識別コード番号を付して通信装置５１に送信する。

各洗浄水供給手段の貯水槽１４から上流側小口径合流式下水配管、中流位置中口径合流式下水配管に供給された洗浄水は、放流洗浄水２０ａ〜２０ｅとなって下水配管内を流下し、下水配管内の堆積物を伴って下流側に進む。放流洗浄水２０ａ〜２０ｅは流れ下りながらお互いに合流するが、２つの流れが合流するときは双方の流れの先頭部が同時に合流点に到達し、合流点以降の配管における単位時間流量は、合流する２つの流れの、合流前の単位時間流量を合計した値になる。したがって、合流点以降の配管の径が大きくなっても、それに対応して流量が大きくなるから、洗浄効果が低下する恐れがない。

放流洗浄水２０ａ〜２０ｅは、最終的に下流側大口径合流式下水基幹配管３２を経て、下水処理場６０に流入し、処理されたのち、処理水として河川に放流される。図１では、下流側大口径合流式下水基幹配管３２に接続された中流位置中口径合流式下水配管３１は１系統しか示されていないが、実際は複数の中流位置中口径合流式下水配管３１が下流側大口径合流式下水基幹配管３２に接続されている。したがって、すべての中流位置中口径合流式下水配管３１に洗浄水を供給することにより、下流側大口径合流式下水基幹配管３２内の堆積物をも下水処理場６０に洗い流すことができる。

演算・制御装置５３は、注水開始の指示を出すとともに、図１に示すような洗浄水供給手段を含む下水配管の系統図を画面表示し、受信した弁の開閉状態信号及び貯水槽１４の水位を示す信号に基づいて、各洗浄水供給手段の自動流出弁の開閉状態と貯水槽の水位を画面の対応する洗浄水供給手段に表示する。なお、前記予め算出されたデータに基づいて、各洗浄水供給手段の自動流出弁が開かれた後、洗浄水の流れ状況を、放流洗浄水２０ａ〜２０ｅのように、動画表示することで、より具体的に洗浄の実行状況を把握することができる。

洗浄を行なっていないときでも、システム運用者が入力装置５６から定められたコマンドを入力すると、演算・制御装置５３は、各洗浄水供給手段にその貯水槽１４の水位、自動流出弁１２の開閉状態を問い合わせ、図１に示すような洗浄水供給手段を含む下水配管の系統図を画面表示し、受信した弁の開閉状態信号及び貯水槽１４の水位を示す信号に基づいて、各洗浄水供給手段の自動流出弁の開閉状態と貯水槽の水位を画面の対応する洗浄水供給手段に表示するよう、構成されている。これにより、システム運用者は常にシステムが利用可能な状態にあるかどうかを把握できる。

次に、配管内の流れを予測する方法を、数式を用いてより具体的に説明する。演算・制御装置５３には、以下に説明する演算を行ない、演算結果を記憶手段５４に格納するプログラムが格納されている。

管内の流れは、質量保存則、運動量保存則、およびエネルギー保存則に従い、質量保存則からは連続の式が導かれる。また管内の流れを一次元の開水路流れ(水が満管ではない状態)で表すと、一次元の連続の式は、数式１の形に書け、運動方程式はサンブナン式と呼ばれる数式２で表すことができる。

Ｑ：流量(ｍ／ｓ)
ｔ：時間(ｓ)
ｘ：管の長さ方向の距離(ｍ)
Ａ：管の長さ方向に垂直な流れの断面積(ｍ^２)
θ：下水管と水平面のなす角
Ｓo：管の勾配（sinθ）
Ｓf：摩擦勾配
ｇ：重力加速度(ｍ／ｓ^２)
ｈ：水位(ｍ)

これらの式を差分法、有限要素法、有限体積法などで離散化し、数値シミュレーションを行ってもよいが、本発明のように、想定した量の水を、想定した時間に配管に流すような解析の場合、比較的単純な流れ場として以下に示す近似式で表すことも可能である。

例えば、円形断面水路を流れる開水路流れにおいて平均流速を求める場合、径深と水路勾配から経験則に基づいて算出することが一般に行われている。その経験則のうち、次に示す二つの式がよく利用される。一つ目はマニング(Manning)の式と呼ばれるもので平均流速は数式３で与えられる。

n：マニングの粗度係数
Ｒ：径深
Ｉ：水路の動水勾配（Ｉ＝ｈ_ｆ／Ｌ、ｈ_ｆ：動摩擦損失水頭(ｍ)、Ｌ:経路長(ｍ))
もう一つの経験則はシェジー(Ｃhezy)の式と呼ばれるもので平均流速は数式４で与えられる。

Ｃはシェジーの係数と呼ばれており、代表値として例えば３１が用いられる。

なお、配管網内の流体の挙動を予測するには、汎用の市販解析ソフトウエアを用いてもよい。

ここで、これらの式を用いて適切な流量、流速を求めるために必要な係数の値を一般的な下水道の例を用いて示しておく。

一般家庭から出た直後の下水配管の口径は通常２５ｃｍ程度で、配管の口径は下流に行くに従い大きくなり、下水処理場近くでは小中規模の処理場の場合で直径１ｍ〜２ｍ、都市など大規模な場合で３ｍ〜５ｍ程度である。

また、下水道は原則として自然流下方式をとっているため、下水を支障なく流下させるためには適切な管径、勾配とする必要がある。例えば、勾配をゆるくし流速を小さくすると、配水管に沈殿物が堆積し易くなり、流速が大きすぎると、配水管を損傷させることになる。そのため、(社)日本下水道協会の下水道施設計画・設計指針と解説によると、管内流速は０．６〜１．５ｍ／ｓ程度となるようにし、最大でも３．０ｍ／ｓを超えないようにすると定められている。通常、下水管は地下に埋設されているが基本的に道路に沿って作られているため、多くの場合、道路の勾配とほぼ同程度の勾配を持っている。しかし、隣接道路の勾配がきつく、直線的な単独の配管では適切な勾配が取れない場合は、段差接合あるいは階段接合と呼ばれる多段階に段差を設けて複数の配管をつないでゆく方式により、適切な勾配、流速が得られるように設置されている。

ところで、配管には粘土を用いた陶管と、鉄筋コンクリートでできたヒューム管がある。配管内に水を流す場合の床面の流動抵抗値を決定するマニングの粗度係数は、配管の材質や仕上げの方法により異なり、コンクリート床の場合、およそ０．０１２〜０．０１７程度の値となる。

このような状況を踏まえて配管の勾配の大きさを見積もってみると、下水の流速を１．０ｍ／ｓにするためには、２５ｃｍの小口径の下水管で、０．８％程度、３．０ｍの大口径の下水管で０．０３％程度の勾配が必要である。次に、具体例を用いて放水用にどの程度の水を確保すればよいのか見積もる。以下、流れを時間的にも位置的にも変化しない等流とみなして近似した場合で説明するが、非定常の不等流として見積もった場合でも必要な水の量が大幅に変わるわけではない。

まず、図３に示すように、配管断面として直径Ｄ(ｍ)の円形を仮定し、配管内の水深をＨ(ｍ)、水面と配管中心点が作る中心角をφとする。径深Ｒは、流れの断面積（通水断面積）Ａと水に接している水路の壁の長さＳ（潤辺長）の比で、数式５で定義される。

また、流れの断面積Ａと、水に接している水路の壁の長さＳは、配管の直径Ｄと中心角φを用いて、それぞれ数式６と数式７で表すことができる。

したがって径深Ｒは、数式８で表せる。

中心角φは次の数式９で与えられているとする。

ところで、流速に数式３で示したマニングの式を用いると、流量Ｑは、数式１０で表すことができる。

そして、配管を清掃するのに必要な配管各部の水の通水時間をＴとすると、一つの注目する配管当り、最終的に必要な水の総量Ｖは数式１１で計算できる。

Ｑ：体積流量(ｍ^３／ｓ)
Ｖ：水の総容量(ｍ^３)、
Ｔ：放水時間(ｓ)
Ａ：通水断面積(ｍ^２)
Ｓ：潤辺長 (ｍ)

等流の場合は水路の動水勾配Ｉと勾配iは、ほぼ等しいので、Ｉ＝i＝tanθであり、さらに通常の下水道配管のように勾配がゆるい場合は、tanθ＝sinθと表せる。

いま、標準的な下水管の場合を考え、配管内径５０ｃｍ、勾配０．８％、通水時間5秒、マニングの粗度係数を０．０１４、また、清掃すべき配管内面を内面全体の３分の1として計算すると、必要な水の流量Ｑは０．０４３ｍ^３／ｓ、総量Ｖは０．２１ｍ^３となる。一般家庭に取り付けられる小型の雨水貯水槽の場合、容量は０．１ｍ^３〜１ｍ^３程度なので、もし一度にこの程度の水を流すことが可能であれば、ひとつの家庭に設置した貯水槽で、内径５０ｃｍの配管一つの清掃を賄える計算になる。なお、内径５０ｃｍの配管は、多くの都市では比較的下流部に用いられるサイズの配管であるため、上流側の枝管より水が合流してくることを考えると、各々の貯水槽から単位時間あたりに流すべき水の流量は上で見積もった量より遥かに少ない量で十分であることが分かる。

また、上記実施の形態では管内の流速、流量、水位など、貯水槽の制御情報は数値計算で得られる予測値に基づいていたが、より精度を高めるために管路途中に測定機器を設け、これら測定機器から得られた実測値により補正を行うことにより、より高い効果が期待できる。

本実施の形態によれば、分散配置された複数の洗浄水供給手段、例えば雨水を蓄える貯水槽から放水のタイミングを制御して洗浄水を下水配管に供給することにより、コスト増の要因となるポンプを用いることなく、かつ新たな汚染源を発生させることなく、雨天時の越流合流水による河川への負荷を低減することが可能になる。
（実施の形態２）
ところで、実施の形態１では、清掃に用いる水として、雨水を用いているが、実際には必ずしも雨水である必要はない。本実施の形態が前記実施の形態１と異なるのは、清掃用水として河川の水を利用する点であり、洗浄水供給手段を、河川の水を各洗浄水供給手段に導く導水管を含んで構成した点である。他の構成は前記実施の形態１と同様であり、図示と説明を省略する。本実施の形態は、洗浄水供給手段が取水源となる河川の通常の水位よりも低い位置にあって自然流下が可能である場合が対象であり、いったん貯水槽に水をためてもよいが，貯水槽を省略した構成も可能である。

各洗浄水供給手段は、前記実施の形態１の場合と同様に、通信装置１１と、この通信装置１１の出力信号で開閉される自動流出弁１２とを含んで構成され、中央制御装置５０により遠隔制御されるようになっている。

本実施の形態によれば、前記実施の形態１と同様の効果が期待できるとともに、雨水を蓄える貯水槽を設置できない場合にも、下水配管網の遠隔操作による洗浄が可能になる。

なお、自然流下により下水配管網に水を引き込むことが期待できない場所には、前記実施の形態１の場合と同様に雨水を蓄える貯水槽を設け、自然流下により下水配管網に水を引き込むことが期待できる場所には、自然流下により下水管網に水を引き込む導水管と自動流出弁を設ける構成としてもよいことは言うまでもない。
（実施の形態３）
また、上記実施の形態１では洗浄水供給手段の貯水設備として比較的小型の貯水槽を想定したが、基本的に最低放水量の貯水が可能な設備でありさえすれば洗浄水供給手段の貯水設備の規模構造は任意である。実施の形態３は、比較的大型の貯水槽を小数の拠点個所に設置したものである。貯水槽の一部または全部に既設の遊水地を利用してもよい。他の構成は前記実施の形態１と同様であり、図示と説明を省略する。本実施の形態は、上流側小口径合流式下水配管のすべてを対象とする必要がない場合に適用するのが望ましく、中流位置中口径合流式下水配管や下流側大口径合流式下水基幹配管の洗浄を行なう場合に適する。

本実施の形態によれば、中流位置中口径合流式下水配管や下流側大口径合流式下水基幹配管について、降雨時の合流水越流による河川への負荷を低減することが可能になる。

以上述べたように、上記各実施の形態では、大規模な土木工事および用地確保などを必要とせず、また、適用個所の選定、あるいは適用先の配管サイズなどの制限を受けることなく、下水配管内の堆積物の洗浄除去が可能となる。また、既設の貯水槽に弁開閉の命令を受け実行するための、通信装置および自動流出弁を新規に付加するか、あるいはそのような通信装置および自動流出弁を備えた小型の貯水槽を複数用意し、それら通信装置を介して前記自動流出弁を遠隔制御する制御装置を設置することにより、他の越流水対策方法に較べ比較的低コストで、しかも段階的に導入することが可能である。

本発明の実施の形態１に係る合流式下水配管清掃システムを示す系統図である。図１に示す合流式下水配管清掃システムの部分の詳細を示す概念図である。本発明の具体的実施方法を説明するために用いた用語の定義を示す断面図である。

符号の説明

１０ａ〜１０ｅ洗浄水供給手段
１１通信装置
１２自動流出弁
１３注水管
１４貯水槽
２０ａ〜２０ｅ放流洗浄水
３０ａ〜３０ｃ上流側小口径合流式下水配管
３１中流位置中口径合流式下水配管
３２下流側大口径合流式下水基幹配管
４０自然吐き口
５０中央制御装置
５１通信装置
５２制御電波
５３演算・制御装置
５４記憶手段
５５画像表示装置
５６入力装置
６０下水処理場

Claims

汚水と雨水とを同一管路に合流させて処理場まで流下させる合流式の下水配管にそれぞれ異なる箇所から洗浄水を流入させる複数の洗浄水供給手段と、前記複数の洗浄水供給手段それぞれから洗浄水を流入させるタイミングを制御して異なる箇所から流入させた洗浄水を洗浄水合流位置に同時に到達させる制御手段とを有してなり、前記洗浄水供給手段は、下水配管網外部から供給される洗浄水を下水配管に流入させるものである合流式下水配管清掃システム。
請求項１記載の合流式下水配管清掃システムにおいて、前記洗浄水供給手段及び制御手段はそれぞれ通信手段を備え、前記制御手段は前記通信手段を介して前記複数の洗浄水供給手段それぞれに注水を指示するよう構成され、前記複数の洗浄水供給手段はそれぞれ前記通信手段を介して受信した注水の指示に従って注水を制御するものであることを特徴とする合流式下水配管清掃システム。
請求項１又は２に記載の合流式下水配管清掃システムにおいて、前記洗浄水供給手段は、洗浄水を収容した貯水槽を含んでいることを特徴とする合流式下水配管清掃システム。
請求項３に記載の合流式下水配管清掃システムにおいて、前記貯水槽の少なくとも一部は雨水貯留槽であることを特徴とする合流式下水配管清掃システム。
請求項１又は２に記載の合流式下水配管清掃システムにおいて、前記洗浄水供給手段は、河川水を取水して下水配管に流入させる河川水取水手段を含んでなることを特徴とする合流式下水配管清掃システム。
請求項１乃至５のいずれかに記載の合流式下水配管清掃システムにおいて、前記制御手段は、前記複数の洗浄水供給手段それぞれに指示すべき洗浄水供給開始のタイミングの時間差を格納した記憶手段を備えていて、前記時間差に基づいて各洗浄水供給手段に洗浄水供給開始を指示するように構成されているとともに、前記時間差は、ある洗浄水供給手段から供給された洗浄水が他の洗浄水供給手段から供給された洗浄水と合流位置で合流するとき、合流位置に同時に到達するように設定されたものであることを特徴とする合流式下水配管清掃システム。
請求項１乃至５のいずれかに記載の合流式下水配管清掃システムにおいて、前記制御手段は、少なくとも下水道配管網の管径、配管断面形状、長さ、勾配、配管連結状態を格納したデータベースと、前記データベースに基づいて各洗浄水供給手段から供給された洗浄水が下水配管を流下する洗浄水流下時間を予測し、予測された洗浄水流下時間に基づいて下流部合流地点に同時刻に洗浄水が到達するような注水開始タイミングを洗浄水供給手段毎に決定する演算手段と、演算結果の表示を行う表示手段と、を有し、演算結果に基づいて各洗浄水供給手段に洗浄水供給開始を指示するよう構成されていることを特徴とする合流式下水配管清掃システム。
請求項１乃至７のいずれかに記載の合流式下水配管清掃システムにより合流式下水配管を清掃する方法であって、予想降雨量があらかじめ指定された降雨量以上の場合には、降雨開始以前に下水配管に洗浄水を流入させることを特徴とする合流式下水配管清掃方法。
汚水と雨水とを同一管路に合流させて処理場まで流下させる合流式の下水配管に、下水配管網の外部から、下水配管のそれぞれ異なる複数の箇所に洗浄水を流入させて該下水配管内に堆積した汚濁物を下水処理場に洗い流す合流式下水配管清掃方法であって、下水配管のそれぞれ異なる複数の箇所から流入させた洗浄水を下水配管網内で合流させるとともに、異なる箇所から流入させた洗浄水の流れの先頭部を洗浄水合流位置に同時に到達させるように、前記それぞれ異なる複数の箇所に洗浄水を流入させるタイミングを制御する合流式下水配管清掃方法。