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水利施設を次世代に
中島 賢二郎
3-2.水理的機能■水理的機能に関する項目には、取水口、分水工、サイホンの水理、放水工、余水吐の機能、沢水を導入している水路における降雨時の洪水処理等があります。このうち水利構造物の水理と放水工、余水吐の機能について述べます。 取水口の水理 ■取水口に設置された水門が有するべき水理的機能は、最大取水量から最小取水量まで要求された精度で取水することです。これらの機能を満たすためには、次のようないくつかの条件を満足する必要があります。 最大取水量： 河川の流量、河川の水位、水門幅、水門数、扉体制御可能最小幅最小取水量： 河川水位、扉体最小開度、最大許容流速、扉体制御可能最小幅 取水量精度： 流量測定精度、扉体制御可能最小幅 ■このうち特に最小取水量については、河川水位が高いときの取水に問題があります。最小取水量が発生する時期に河川水位が高くなる確率を考慮し、扉体の最小開度での流入量が最小取水量を上回ることの無いようにする必要があります。最小取水量の継続日数が長くなる場合には、戸当たり部の最大許容流速に配慮が必要です。 普通期の取水量に関しては門数を考慮する必要があります。たとえば、普通期水量が最大取水量の2割以下であれば、通常は取水門5門を必要とするでしょう。中間開度での取水が扉体周辺や下流取り付け水路内の流況を不安定にしないことが確実であれば、中間開度での取水を考慮して取水門数を減じることができるでしょう。 取水量精度について基本的な問題があります。一つは、水利使用許可表示に記載してある取水量が有効数字小数点以下3桁に及ぶものを散見することです。まずこの取水量はどのような流量測定装置を用いて確認できるのでしょうか。通常は測定器の測定精度は、5％程度といわれています。二つは、この有効数字を確保するために、河川水位の制御と取水門扉の制御が対応できるかという問題です。 現実的な取水量精度の確保については、三通りの対処方法があります。一つは、小水量専用の水門扉を設置する等の水門扉の取水量精度を直接改善する方法です。二つは、水門扉の制御可能最小幅の範囲で継続時間を操作することにより、累積取水量で制御する方法です。ただし後者の場合には、取水門後方に開水路区間が一定区間存在することが必要条件です。いずれにしても、流量測定可能最小流量を下回る流量を制御しようとすることの矛盾には気づくべきでしょう。三つは、取水方法を基本的に再検討することです。現在大方の施設では、河川に接する制御ゲートで直接取水量を制御していますが、このこと自体を再検討します。すなわち、制水ゲート設置地点は河川法上変更することは困難です。しかし制水ゲート地点で流量制御を行うことは、ごみの問題、接近流速の問題、ゲートタイプの制限の問題等多くの問題が存在します。特に制水ゲートが澪筋に直接接している場合にはこれは大きな問題です。 ここで取水ゲートの制水機能と流量制御機能とを分離することを考えます。制水ゲート後方に別途制御ゲートを設置することにより、河川地点での接近流速を制御できるし、ごみや土砂の流入量の制御も可能です。さらに制水ゲート前のスクリーンのバーを水平にすることや、スクリーンの前にごみ流入防止フロートを設置すること、流量制御ゲートのタイプを転倒型にすること、取水庭の形状を工夫すること等によりさらに効果が上がります。また制水ゲートの保守管理や制御ゲートの保守等も格段に容易になるでしょう。流量制御ゲートは水密を問題にする必要がありません。また、下流水位一定制御型ゲートを導入することも可能になります。 分水工の水理 ■分水工の水理については、水利的機能に関する課題で述べたような構造上の問題と分水精度の問題とがあります。構造上の問題は、上流水位一定装置との組合せで「筍水路」を回避するための検討が必要と考えられます。精度上の問題は、特に分水比率の小さい分水工では定量分水工になりがちであり、幹線水路水位の変動や波浪に対して如何に安定した精度で分水を行うかの水理学的検討が必要です。特に普通期や最小流量に対する精度の確保には、二重オリフィスや二段オリフィスの採用の検討が有効でしょう。またディストリビュータの検討も有効でしょう。なおいずれの場合もゴミに対する安定性が最大の問題です。 また最小分水量や分水量精度の問題、制水ゲートと制御ゲートの分離問題は、取水口水門と同様です。特に制水ゲートと制御ゲートの分離は幹線水路において大きな効果を持つと考えられます。 サイホンの水理 ■現在我が国の水利施設に用いられているサイホンは、米国開拓局の技術を導入したもので、我が国の農業用水特に水田用水に適用するには、次のような基本的な問題があります。 米国開拓局の水路は長距離を輸送し、乾燥地帯で降雨による需要量の変動要因が少ないこともあり、下流の需要量変動には対応することを考慮していません。水源では一定量を送水し、流下流量の年間変動は極端に少ないことを前提にしています。サイホン上下流部のトランジションは一定流量を対象に設計されています。また水路には中間に水位一定装置を配置しており、分水量の小変動に対しても水位はほとんど変化することがないように設計されています。 これに対して、我が国の水田用水は、降雨の影響もあり、需要変動が大きく最大流量に対して最小流量は極端に小さい値になります。このため最大流量時以外には、サイホン呑口部では、シール高が確保できないため射流を生じています。これが原因で管路中に空気を連行し、種々のトラブルを発生させています。また水理計算の利便のため、開水路系に設置されるサイホンに開水路と同じマニングの平均流速公式を適用しています。マニング式は管路損失を大きく算定するために、シール高不足を発生させやすい性質を持っています。またサイホン上流部には余水吐を設置するのを原則とするべきにもかかわらず、工事費の節減のために、意図的に管路損失の大きいマニング式を用いている面もあります。 我が国の実績を考慮すれば、次のような検討を加えるべきでしょう。
放水工、余水吐の機能 ■放水工の機能と余水吐の機能との分離が必要と考えられます。 放水工は、一般に引上げ式や転倒式の扉体が用いられます。目的は、水路内を完全に空虚にするため、または新たな流出流路を確保することにあります。一般的には人為操作を必要とすることが多いようです。このため操作遅れの発生や誤操作の発生を考慮する必要があります。また放水工は、下流流路の急激な流量の増大を発生するため、放水先河川等の河川利用者に対する安全対策が必須です。 放水工の計画には放水時間を明確に設定することと、水路横断方向制水ゲートとの組合せで放水対象区間を明確にすることが必要です。 これに対して余水吐は、一般的に計画流量を上回る流量の発生に対して、人為操作を伴うことなく余水を処理するものです。場合によっては、越流堰項に扉体を設けることもありますが、操作遅れ等により安全度が低下する可能性が高くなります。特に、配水自由度向上のために分水工に設置する余水吐は自然越流方式が望ましいでしょう。 サイホン上流側に設置する場合には、人為操作を伴わない余水吐が望ましいでしょう。 開水路の流送能力 ■水利システムの設計において開水路の水理計算にはマニングの平均流速公式が用いられています。マニングの平均流速公式は粗度係数nを適正に推定して算定する必要があります。この粗度係数nの値について、第二次大戦後に水利施設を整備した時は、国内に適切な実績値が存在しなかったため、欧米の文献から推定値を採りました。しかし、最近流量観測等を行ってみると、次のような状況であり、この推定値のnはかなり大き目であることが判りました。 （1）コンクリート表面の粗度から推定した粗度係数nと流量観測から得られる粗度係数 nとは比較的良く一致すること。（2）流量観測から得られる粗度係数nは40年経過したコンクリート水路で0.015程度であること。 （3）流量観測から得られる粗度係数nは、新設の場合、現場打設とプレキャストとに大差がなくほとんどn＝0.010～0.013程度であること。 ■このため次のようなことが発生しています。 （1）改修直後は水位が低過ぎるので用水路に角落し等の追加施設が必要であること。（2）開水路系の幹線で0.90～1.0m/sec程度の流速が望ましいにもかかわらず、新設水路では流速が1.5m/secに達するものもあり、分水やゴミの処理が適切に行われにくいこと。 （3）水位を確保するため必要以上の流量を取水するために余水を生じやすく、用水の利用効率が低下していること。 ■これらのことから、開水路の流送能力は水理計算上安全のためと称してn=0.015程度が用いられていますが、少なくとも造成直後は水理的に不安定な状況が出現しており、開水路に堰上げ施設を設置することを検討すべきと思われます。 また逆に、水路の設計では小さ過ぎるnの採用は早過ぎる流速を出現させ、水利システム全体の安定や使い勝手を著しく低下させることになることを考慮すべきでしょう。
中島 賢二郎 H20.5.14
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