JP6779815B2 - 配水管理支援システム - Google Patents

Description

本発明は、浄水場でできた水道水を、配管を通じて需要家に給配水することを支援する配水管理支援システムに係り、特に、水道水中の残留塩素濃度の低下に着目し、所定の残留塩素濃度以下になる前に需要家に水道水の使用促進を促す情報を提供する配水管理支援システムに関する。

各水道事業体が有している浄水場で浄水された上水は、浄水池もしくは配水池から配水管網を通り、水道水として需要家に供給される。供給に際し、世界各国では塩素等の薬剤、オゾン、紫外線等の様々な手段で上水を消毒している。日本では水道法により、給水栓での残留塩素濃度を遊離残留塩素の場合は０．１ｍｇ／Ｌ以上、結合残留塩素の場合は０．４ｍｇ／Ｌ以上に保持することが義務付けられており、感染症による健康被害の発生を防止している。一方、味や臭気の観点から、水質管理目標値として遊離残留塩素の上限の目標値として１ｍｇ／Ｌが設定されている。

日本では消毒に用いる塩素剤として、塩素や次亜塩素酸ナトリウムが使用されている。水道事業体等では、浄水処理した後または原水に直接塩素剤を注入し、給水栓における残留塩素濃度が法令を満足する濃度となるよう管理している。

これに対し、残留塩素濃度は、配水池や配水管網の管の材質、上水に含まれる有機物などの水質に応じて分解が進み、配水管網の末端になるほど消毒性能が低下する傾向がある。また、配水管の中には敷設後長期間が経過しているものもあるが、財政上の制約（水道料金収入の減少）等により、配水管の更新が必ずしも十分でなく、経年化が進んでいる場合もある。経年化した配水管の内、ライニング管等は内面の保護層の劣化や剥離が生じ、腐食が生じてしまうと、残留塩素と腐食物質との反応が起こりやすくなり、残留塩素の分解速度が増す。

また、近年、配水区域のブロック化が進められている。ブロック化は、配水区域が広大な場合に生じるデメリット、すなわち、管路の摩擦損失による圧力の低下、地形の標高差による水圧・水量の不均衡、事故時の影響範囲が大きいといったことの低減に有効とされている。また、ポンプ加圧による配水方式において、標高差があると、最も高い地点の圧力を確保するように運転せざるを得ないため、ポンプ運転エネルギーのロスとなる。そこで、これらのデメリットの解決策として、配水区域を適当な広さに分割して管理することが有効と考えられている。このような施策を、一般的に「配水区域のプロック化」と呼んでおり、通常、一つの配水池と配水本管で構成される配水ブロックと、これをさらに細分化し、配水支管で構成される配水支管ブロックとがある。

ブロック化は上記のデメリット解消に有効であるが、配水管網が閉じた構成になることから、水道水が滞留する箇所が生じやすい。そのため、設計段階での管網の配置や送配水の適切な制御が求められる。しかし、非特許文献１の報告事例では、給水栓での残塩濃度０．１ｍｇ／Ｌ以上を遵守するために、この基準を満足しない可能性がある水を放水している。

その量は例えば全体の水道水量の０．０６％程度と報告されている。この放流される水は無収水となるが、事業体にとっては取水・浄水・送配水にかかるエネルギーの無駄であり、一方、需要家にとっては水道料金が高くなる要因の一つとなる。さらに通常は職員が広範な給水エリアで放水作業を実施する必要があることから、職員の作業負荷やコストが高くなるという問題もある。

給水栓において残留塩素を適正な濃度に管理する手法としては、例えば、管網で消費される残留塩素量を見積もり、管網全体で所定の残留塩素濃度を維持できるだけの注入率を設定する方法がある。水道法では給水栓での残塩濃度を１日に一回以上測定することが義務付けられており、この計測値等を用いて注入率の設定がなされている。また、別の方法としては、給水栓、特に残留塩素濃度が低下しやすい地点に残留塩素の自動計測装置を設置し、モニタリングし、計測値を用いて注入率を補正する方法が実施されている。さらに、管網計算により配水計画に従った運用を行った場合の残留塩素の分布を求め、管網全体で残留塩素濃度を維持できるように塩素剤を注入する方法もある。

上記点に関連して、特許文献１では、「残留塩素追加設備を備えた配水池から配管を通して需要家へ水を送り、前記配管の途中で捨水を行って配管内の塩素濃度を維持する水道システムにおける残留塩素濃度管理方法であって、前記配水池から前記需要家までの滞留時間と、予め測定して求めた残留塩素濃度の減少速度とから、前記需要家への残留塩素濃度を目標値に固定した場合の各水温での前記配水池における目標残留塩素濃度と捨水量との関係を求めておき、前記配水池の水温を測定すると共に、前記配水池内の残留塩素濃度を測定し、当該配水池の残留塩素濃度が測定した水温に対応した目標残留塩素濃度となるように、前記残留塩素追加設備の塩素添加量を制御することを特徴とする。」ように構成することを提案している。

特開２００９−１８３８６１号公報

武内ら、平成２８年度全国会議（水道研究発表会）平成２８．１１、予稿集Ｐ７４４

然しながら、特許文献１に記載の発明では、末端まで十分な残留塩素を維持することができるものの、残留塩素追加設備が必要となる。特にブロック化された地区で、滞留時間が長くなってブロック毎にこの追加塩素の設備が必要となった場合は、高コストとなることが問題であった。

以上のことから本発明においては、水道水の有効利用を図りながら残留塩素濃度の確保を可能とする配水管理支援システムを提供することを目的とする。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであり、「上水道施設から給配水の管網を経由して需要家に至る給配水を制御する給配水の監視制御装置に連携された配水管理支援システムであって、給配水の管網の情報を格納する第１のデータベースと、需要家の情報を格納する第２のデータベースと、第１および第２のデータベースの情報及び監視制御装置による給配水の濃度の情報を用い、管網内の残塩濃度を予測し、予測した残塩濃度が所定の残塩濃度を下回ることが予想される需要家を抽出する需要家選定処理手段と、抽出された需要家に水の使用を推奨する通知を行う通知手段を有することを特徴とする配水管理支援システム。」としたものである。

本発明によれば、水道水の有効利用を図りながら残留塩素濃度の確保を可能とする配水管理支援システムを提供することができる。

本発明の実施例によれば、水道の使用を推奨し、かつ、使用のためのインセンティブを与えることで、水需要家による水使用量が増加するため、無収水の低下、および、その結果としての省エネが得られるといった効果がある。

また、本発明の別の実施例によれば、放水の計画に応じて需要家への水使用の推奨を通知することから、放水作業による無駄が少なくなる、すなわち、残塩濃度が十分高い水を無収水として放流してしまうことが少なくなるという効果がある。

本発明における配水管理支援システムのシステム構成と維持管理支援装置の構成例を示す図。 本発明の実施例１に係る、需要家選定処理部における処理フローを示す図。 実施例１の変形例に係る、需要家選定処理部における処理フローを示す図。 需要家の設備機器にセンサを設置する場合のシステム構成例を示す図。 本発明の実施例２に係る、需要家選定処理部における処理フローを示す図。 監視制御装置２の監視対象範囲を複数の給水エリアに分割して示す図。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る配水管理支援システムのシステム構成と維持管理支援装置の構成例を示す図である。同図には、配水管理支援システム１のシステム構成、および、関連する監視制御装置２、外部サーバ３、上水道施設４、および、ネットワーク５が示されている。

このうち上水道施設４は、浄水場やポンプ場などを含む施設であり、浄水処理から給配水を実際に担う。

監視制御装置２は、上水道施設４における設備機器の状態監視と運転制御を実行する。定期的に水質や水量などの計測データを取り込み、これらに基づいて運転条件を決定、薬剤注入率や水量・水圧等の制御を実行する。また、計測データなどが所定の範囲を逸脱した場合、ユーザに警報を発報する。

外部サーバ３は、ユーザが行う水質の手分析結果や、設備機器の巡回点検結果等を格納するサーバである。配水管裡支援システム１、監視制御装置２、外部サーバ３および上水道施設４はネットワーク５を介して相互に接続されており、ユーザは監視情報として監視制御装置２、外部サーバ３、および、配水管裡支援システム１に格納された情報を確認することができる。

配水管裡支援システム１は、通信インターフェイス２１、残塩予測部２２、需要家選定処理部２３、需要家通知処理部２４、管網データベースＤＢ２５、需要家データベースＤＢ２６、放水作業データベースＤＢ２７を有し、これらは内部バス２８により相互に接続されている。

通信インターフェイス２１はネットワーク５に接続されており、監視制御装置２、外部サーバ３にアクセスし、これらの情報を取得することができる。また、逆に配水管理支援システムからの出力をネットワーク５経由で外部に発信できる。

残塩予測部２２は、管網データベースＤＢ２５のデータ、監視制御装置２および外部サーバ３に格納された管路情報と水質・流量の情報を用いて管網計算し、管網内の残留塩素濃度の分布を算出する。ここで管網内の有効塩素は、水温、流量、管の材質、管の内径、管内面の腐食状況、水質（初期残塩、有機物濃度、次亜塩素酸によって酸化される物質の濃度）などによりその分解速度が異なるが、これを求める手法について過去に多くの反応モデルや反応速度定数の値が報告されているので、本発明ではこれらの手法を用いることができる。このため本発明では、管網内の残塩濃度分布を取得する手法としては特に限定しない。

需要家選定処理部２３は、残塩予測部２２の計算結果と需要家データベースＤＢ２６の情報を用いて、水の使用を推奨する相手（需要家）を抽出する機能を有する。ここでは管網内の残留塩素濃度が低下しており、将来上水としての使用が不適切な状態になることが予想される地域の需要家に対して、早めに使用することを推奨すべく、当該地域内の需要家を抽出する。本処理部の処理フローは後述する。

この需要家選定処理部２３の結果に基づき、需要家通知処理部２４は抽出した需要家に対して、水使用の推奨情報および料金（またはキャッシュバック金額）を提示する。具体的には電子メール送信、ＳＮＳ送信などがある。

管網データベースＤＢ２５は、管網の仕様や工事履歴を格納するデータベースＤＢである。格納する項目としては、管路・消火栓・給水栓の地理情報（分岐・合流、接続点情報を含む）、管路敷設時期、補修／更新時期、管の仕様（材質、長さ、口径）、消火栓や給水栓のセンシングの種類、施工業者とする。

需要家データベースＤＢ２６は、水需要家の情報を格納するデータベースＤＢである。格納する項目としては、契約番号（ＩＤ）、契約の水道口径、水道使用量（水道メータを読む頻度）、使用量の時間変化パターン、業種、住所、氏名、電子メールなどの連絡方法、需要家が保有する給水施設などを備える。使用量の時間変化パターンとしては、準備した典型的な形の中から選択する。例えば、朝と晩の使用量が多いパターン、時間変化が小さくほぼ一定のパターン、正午頃のみ使用量が多いパターンなどが例として考えられる。また、需要家が保有する給水施設としては貯留槽や計測器などがある。

放水作業データベースＤＢ２７としては、放水日時、放水場所、放水量（または放水時間）、放水する給水装置の仕様（消火栓、給水栓、口径）、および、残塩濃度（手分析）を格納する。

図２は、需要家選定処理部２３における処理フローである。まず、処理ステップＳ２０１において、残塩予測部２２により求めた給水エリアの残塩濃度を算出する。このとき、管網データベースＤＢ２５から管路情報を、監視制御装置２からは任意の時刻の水質・運転データを取得し、これらのデータを残塩予測部２２に入力する。予測する期間は１２時間後程度とするのがよく、長期間の予測では残塩予測値の精度が低下する傾向がある。

次に、処理ステップＳ２０２において、予測により得られた残塩濃度が所定値Ｃ０となる給水エリアを抽出する。所定値Ｃ０としては、法的に満足しなければならない残塩レベル以上の値をユーザが予め設定しておく。

処理ステップＳ２０３では、抽出された給水エリアに含まれる需要家の情報を需要家データベースＤＢ２６から取得する。そのうえで、処理ステップＳ２０４において、該当する需要家の水道使用量の実績値の合計を算出する。水道使用量の実績値としては、水道料金の根拠となる水道メータの値を使うことができる。この場合、１ヶ月から数ヶ月の単位での使用実績値となる。実績となった時期は、残塩予測の対象日時に最も近い水道メータの値や、一年前の同時期の値を用いてもよい。

処理ステップＳ２０５では、処理ステップＳ２０４で得た水道使用量の実績の合計値が所定の値よりも大きいかどうかを判定する。所定値はユーザが設定し、ゼロ以上の値を取る。使用量が小さい場合（処理ステップＳ２０５、Ｎｏ）は需要家に水使用量の増を依頼しても管網中の残塩濃度を所定値以上に確保することを期待できない。この場合は、残塩を維持するために放水を行う必要がある。この場合には処理ステップＳ２０８に移り、水道職員に対して当該給水エリアにおける放水実施を指示、実行することで、水道使用量の実績の合計値を増加させる対策を行う。

他方、処理ステップＳ２０５での判断により使用量の実績値が所定値を超える場合（処理ステップＳ２０５、Ｙｅｓ）は、処理ステップＳ２０６において、当該エリア内需要家の個々の使用量の実績値をキーとして降順に、すなわち使用量が多い順に並び替える。処理ステップＳ２０７では、ソートした順に需要家通知処理部１４の機能を用いて需要家に水の使用を推奨することを通知する。このとき、需要家のインセンティブとして働く事項、例えば所定の時間帯の水道使用量に応じたキャッシュバックの程度なども合わせて通知してもよい。なお通知した需要家の使用量実績の和が所定値を超えるまで通知を行う。

実施例１に拠れば、水道の使用を推奨し、インセンティブを与えることで、水需要家による水使用量の増加が期待でき、無収水の低下、および、その結果としての省エネが得られるといった効果がある。

なお実施例１では、処理ステップＳ２０２で設定した残塩濃度の所定値Ｃ０として、一定の値だけでなく、給水エリアに応じたＣ０を設定してもよい。また、処理ステップＳ２０６、処理ステップＳ２０７の処理では、使用量の実績値が大きい需要家から順に選定することとしたが、ランダムに需要家を選択して順序を設定してもよい。このようにすると大口需要家だけでなく需要家全体に平均的にインセンティブを与えることができる。また、処理ステップＳ２０２では残塩濃度の予測値そのものを判定のための指標としたが、この条件に加え、残塩濃度の時間変化量も指標としてもよい。

図３は実施例１の変形例に係る需要家選定処理部の処理フローである。変形例において、実施例１と同じ記号を付与した処理ステップ（Ｓ２０１からＳ２０３、ならびにＳ２０６、Ｓ２０７）は、実施例１の同記号の処理と基本的に同じことを実行しているので、その説明を割愛する。変形例では、実施例１の処理ステップＳ２０４からＳ２０５に対応する部分の処理が相違しており、変形例ではこの部分の処理を処理ステップＳ３０４としている。

図３に示す変形例の処理ステップＳ３０４においては、通知の対象となる需要家を選択する指標として、水道メータの値に基づく使用量の実績値ではなく、需要家データベースＤＢ２６に格納した使用量の時間変化パターンを用いる。そして、使用量は時間単位の値の和として算出する。需要家に通知を送る際は、時間変化パターンと、実施例１で用いた使用量の実績値とを用いて、時間単位での水使用量の大きさを求め、その値が大きい順で通知する。

このような処理方法にすることで、時間帯に応じて適切な需要家に対して水道使用の推奨を通知することができる。例えば一般家庭は朝と夜に２つのピークがあるが、工場では（業種にもよるが）平均的な水量となるなど、使用量の時間変化パターンが異なるので、その時々に応じた決め細やかな処理ができる。

さらに実施例１とその変形例において、需要家の水使用量の時間変化を正確に知るための手段として、需要家に設置されたスマートメータを利用するのがよい。図４は、需要家の設備機器にセンサを設置する場合のシステム構成例を示す図である。図４において、６３ａ、６３ｂ、６３ｃは需要家であり、その設備機器６２ａ、６２ｂ、６２ｃにセンサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃを設置している。この場合にセンサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃは残留塩素計、流量計、または、貯水槽を保有する需要家においては貯留槽の水位計とするのがよい。これらのセンサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃの設置に係る費用はユーザが負担してもよく、その場合は水道料金やキャッシュバックの程度を算出する際に考慮してもよい。

センサ６１ａ、６１ｂ、６１ｃでの計測情報は、少なくとも時間単位の計測値がネットワーク５を介して監視制御装置２と外部サーバ３に格納される。これらの実測値を用いて、使用量の時間変化パターンを需要家毎に補正し、需要家データベースＤＢ２６に格納する。

このような構成とすることで、典型的な水道使用量の時間変化パターン以外の、より現実に近いパターンを設定でき、水が必要な適切な需要家に通知を送ることができる。

実施例２は、システムの構成は実施例１と同じであるが、放水作業の予定を考慮し、放水が残塩濃度の改善に影響しない給水エリアを優先して、需要家への水使用推奨の通知を行う事について示している。

図５は、実施例２にかかる需要家選定処理部２３における別の処理フローである。

図５の処理ステップＳ４０１では、放水作業データベースＤＢ２７から、作業員による放水の予定を取得する。次に処理ステップＳ４０２において、実施例１と同様に、管網データベースＤＢ２５、残塩予測部２２、監視制御装置２の情報を用いて給水エリア内の残塩濃度の予測値を算出する。次に処理ステップＳ４０３では、残塩濃度が所定値未満となる給水エリアを抽出するが、このうち、処理ステップＳ４０１で取得したエリアは除外する。処理ステップＳ４０３以降の処理（処理ステップＳ２０３，Ｓ２０６，Ｓ２０７）は、対象となる給水エリア以外は、実施例１で記述した処理と同様の処理である。

図６は、本実施形態に係る説明図であり、監視制御装置２の監視対象範囲を複数の給水エリア（給水エリア１，２，３，４）に分割して示している。各エリアには１つ以上の消火栓や給水栓などの放水地点５０ａ〜５０ｆが設けられている。処理ステップＳ４０１で述べた作業員による放水は、これらの放水地点で作業員が行うものである。

例えば放水地点５０ａにおいて放水を実施する計画の場合、この放水が影響する範囲を除き、例えば５０ｃ、５０ｄ、５０ｅなどの異なる給水エリアの需要家を対象に通知を行う。放水実施日毎に放水箇所が、５０ａ→５０ｂ→５０ｃ→・・・とする計画であれば、それに応じて通知範囲を変更していく。

実施例２によれば、実施例１で得られる効果に加え、放水の計画に応じて需要家への水使用の推奨を通知することから、放水作業による無駄が少なくなる、すなわち、残塩濃度が十分高い水を無収水として放流してしまうことが少なくなるという効果がある。

１：維持管理支援装置
２：監視制御装置
３：外部サーバ
４：上水道施設
５：インターネット回線
２１：通信インターフェイス
２２：残塩予測部
２３：需要家選定処理部
２４：需要家通知処理部
ＤＢ２５：管網データベース
ＤＢ２６：需要家データベース
ＤＢ２７：放水作業データベース
２８：内部バス

Claims (6)

1. 上水道施設から給配水の管網を経由して需要家に至る給配水の設備機器の状態監視と運転制御を実行する給配水の監視制御装置に連携された配水管理支援システムであって、
   給配水の管網の情報として、少なくとも管路・消火栓・給水栓の地理情報、管路敷設時期、補修／更新時期、管の仕様、消火栓や給水栓のセンシングの種類、施工業者の情報を格納する第１のデータベースと、
   前記需要家の情報として、少なくとも契約番号、契約の水道口径、水道使用量、水道使用量の時間変化パターン、連絡方法、需要家が保有する給水施設を格納する第２のデータベースと、
   前記第１のデータベースに格納された前記給配水の管網の情報、及び前記給配水の塩素濃度を含む水質、前記給配水の水量の情報を用いた管網計算を実行し、前記管網内の残留塩素濃度の分布を算出する残留予測部と、
   算出した残留塩素濃度が所定の残留塩素濃度を下回る給水エリアの需要家の情報を前記第２のデータベースから抽出し、抽出した需要家の水道使用量実績の合計が所定値以上であるときに前記抽出した需要家を選定する需要家選定処理手段と、
   選定された需要家に水の使用を推奨する通知を行う通知手段を有することを特徴とする配水管理支援システム。
2. 請求項１に記載の配水管理支援システムであって、
   前記需要家選定処理手段において需要家を抽出する過程で、当該需要家の水道使用量の実績値を用いることを特徴とする配水管理支援システム。
3. 請求項２に記載の配水管理支援システムであって、
   前記需要家選定処理手段において需要家を抽出する過程で、少なくとも時間単位の水道使用量の時間変化パターンを用い、前記時間変化パターンと、使用量の実績値とを用いて、時間単位での水使用量の大きさを求め、その値が大きい順に抽出することを特徴とする配水管理支援システム。
4. 請求項３に記載の配水管理支援システムであって、
   需要家の設備機器に計測器を設置し、計測結果に基づいて水道使用量の時間変化パターンを設定することを特徴とする配水管理支援システム。
5. 請求項４に記載の配水管理支援システムであって、
   水道使用量の時間変化パターンを設定するのに使用される計測器は、流量計、貯留槽の水位計のいずれかであって、かつ、計測結果がネットワークを介して前記監視制御装置に送信されることを特徴とする配水管理支援システム。
6. 請求項１に記載の配水管理支援システムであって、
   放水作業の計画として作業員が放水を行う消火栓または給水栓の位置を格納する放水作業データベースを有し、放水作業データベースに基づいて、水の使用を奨励する需要家を選定することを特徴とする配水管理支援システム。

Images