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水利施設を次世代に
中島 賢二郎
7.農業水利と性能設計■農業水利施設に関する基本的な性格の説明と用語の再定義をします。農業水利施設（以下「水利施設」といいます。）は、古く農民が自力で建設してきた時代から多くの変遷を経て、国や都道府県が事業の実施を支援する現在の事業制度に至っています。この間時代の要請に応えて改築を繰返してきましたし、今後も改築が繰返されていくでしょう。 現在の事業制度では、水利施設の利用者である農民や土地改良区（以下「利用者」）が、国、都道府県等に事業の実施を申請し、国や都道府県等が事業計画を策定し利用者の同意を得た後事業が実施されます。国や都道府県等（以下「発注者」）は、事業を実施するに当たり、調査・設計を調査会社や設計会社（以下「コンサルタンツ」）に発注し、その成果に基づき工事費の積算を行い、建設工事を建設会社（以下「施工者」）に発注し工事を完成させます。（なお、本書では「コンサルタンツ」と「施工者」を「発注者」に対して「受注者」と呼びます。）完成した水利施設は「利用者」が維持管理を行っています。 水利施設は、ダム、頭首工、水路、揚水機場等多くの種類の構造物で構成されます。これら一連の施設群が、一定の面積を対象として機能することにより、その目的が達成されます。この一定の面積を対象とした水利施設の一群とその機能を「水利システム」と呼びます。 現在水利施設は、水路延長40万km、資産総額25兆円に及ぶ量に達し、その整備水準は、一定の段階に到達したと理解されています。特に第二次大戦後、近代的技術で全国的に整備された水利施設が、整備後長年月が経過し大規模な更新期に達しています。このように地区内の水利施設が一定の整備水準に到達し根本的な整備を必要とはしていませんが、部分的な機能の低下の回復や新たな機能の追加を地区全体にわたって必要とした場合に行われる改築事業を、二期事業と呼んでいます。 ここで改築に関する用語を定義しておきます。 補修： 予定供用期間内に部分的に失われた機能を補うこと。改修： 予定供用期間内に失われた機能を補いまたは追加（補強を含む）すること。 更新： 予定供用期間後に従前の機能または新たな機能を新たな施設で置き換えること。 改築： 補修、改修、更新を包括したもの。 ■性能設計と水利事業との関係を再度説明します。まず性能設計の視点から見た水利事業、同じく性能設計の視点から見た二期事業を、次に性能設計が導入された場合の、技術者の役割分担を説明し、さらに技術基準で定めるべきものは何かを述べます。 性能設計の視点から見た水利事業 （1）選択の自由 ■性能設計とは、これまでのような手段や方法を示す仕様基準に基づいた仕様設計に対して、手段や方法の自由を尊重し、結果としての「要求性能」の達成を目的としています。このことを改めて言えば、結果としての「要求性能」を達成できるのであれば、受注者は達成の手段方法を拘束されないことになります。逆に発注者は、「要求性能」を達成するためには、受注者に対して手段や方法を不当に強制しません。 水利事業の場合、発注者と受注者のほかに利用者が存在します。この三者の間で一体誰に工法の選択権があるのでしょうか。過去に性能発注された堆肥化施設の場合には、要求性能を達成するという前提で、工種や工法の選択権は受注者にありました。この場合は、個別農家の特定機種に対する好き嫌いや要望を要求性能に置換える作業が必要となり、工種や工法の選択権を受注者に帰属させています。 一方農家の圃場に施工する暗渠排水施設については同一効果を達成するのであれば、管材料や疎水材料の選択権は各農家に帰属させることも考えられます。しかしどこまで個別農家の要望を取入れるべきかについて理論的な整理が必要です。 水利事業には、発注者と受注者との関係、発注者と利用者との関係、利用者と受注者との関係の三種類の契約関係が存在します。この関係のうち、どこに工種や工法の選択権を配置しそのどちら側に帰属させるべきでしょうか。実態を把握した議論が必要でしょう。 ■性能設計の基本理念が情報の開示、説明責任、自己責任であること、またこの理念の背景にはリスクの存在を認めなければなりません。このリスクの存在を認めることは、認めたリスクの程度や内容を情報として開示し説明することなのです。また自己責任とは利用者がリスクを負い事業費と維持管理費を負担することです。 たとえば、基礎、ポンプ、建屋からなる揚水機場の場合どのくらいの確率で故障が発生し、何年後には改築しなければならないかを明らかにすることです。初期建設費を十分投下すれば耐震性は向上し耐久年数も長くなり、リスクは小さくできますが、初期投資に対する費用負担は増加します。また、逆に初期建設費を節減すれば、耐震性は低下し耐久年数も短くなり、維持管理費もリスクも増大し、さらに改築時期が早く到来します。そもそも、自己責任とはこのリスクの程度を選択する代替に発生するものであり、選択の自由が存在しないときには、自己責任を負わせることは片手落ちです。また時として忘れがちなことですが、この選択の自由は、選択の結果がどのような事態を生じるかの詳細な説明で裏付けられている必要があります。 水利事業は他の公共事業に比べ、現在でも事業計画の内容については十分情報の開示、説明責任を果たしていると言えるでしょう。しかし真の意味でのリスクの開示は十分でしょうか。たとえば上述の揚水機場の耐久年数を明示していませんし、選択の自由も与えていません。情報の開示、説明責任、自己責任を実現するためには、水利事業の計画を確定値を前提にしたものから、リスクの存在を前提にしたものに変更します。また選択の自由を与えるためには、選択肢を用意します。また、選択肢を用意するための技術的蓄積が必要です。そのためには、過去の補修改修履歴の実績値を蓄積することを手始めに、リスクマネージメント手法等を導入していく必要があります。 次に、選択の自由については、たとえば農家個々か、集落単位か、事業地区全体で与えるのか、また一般市民の意見を聞くべきか等単位の問題があります。また、たとえば揚水機の型式・台数の組合せについても与えるのか、揚水機場建屋の色彩・デザインに限るのか等程度の問題があります。 （2）不確実性を前提にした計画設計■性能設計とは、必要な機能と性能を示しそれらに応じた信頼性を追求するものです。信頼性を追求するということは、不確実性を前提にしていることになります。すなわち性能設計とは、不確実性を前提にした設計法といえます。なお、不確実性には、二つの種類があるといわれています。一つは、偶然による不確実性で、もう一つは、知識の不足による不確実性です。この二つの不確実性に起因する結果の不確実性に対しては、異なった対応を準備するべきではないでしょうか。 ■不確実性を前提にした計画設計には三つの課題があります。一つは、不確実さの評価ができる計画手法の確立です。二つは、不確実性に起因する結果の不確実性に対する対応手法です。三つは、何について不確実性を問題とするかです。 ［不確実さの評価］ ■一つ目の不確実さの評価については、確定値を前提にしている現在の計画設計手法の対極にあります。たとえば、水理計算では流下流量、水路の流送能力等を確定値として扱います。水路の流送能力に大きく影響する粗度係数は、経年変化や推定値の変動幅については考慮せず、一定値を用いています。このため、新設、改築された水路では推定粗度係数より実際の粗度係数が良好なために水面が下がり、取水が困難となり、暫定的な堰上げ施設を設置して水位を確保しなければならないことが多々あります。 発注者は、許容応力度設計法の考え方に長年馴れ親しんでいるために、常に安全側を採用しがちです。しかし、発注者が安全と考えた方向が自然界では必ずしも安全ではなく、危険側になる場合があります。放流施設の放流管の設計では最大流量より最小流量への対応が困難です。ボックスカルバート側壁の応力計算では軸力を想定する方が危険側になることがあります。確定値を用いるときには、総合的な判断の基に数値を決定しているという意識はありますが、その確定値がずれた時について考えが及ぶことは非常に稀です。 不確実性を前提にした計画設計とは次のように推定値がずれた時について考慮するということです。 設計値として推定値を用いる場合に、その推定値がどの程度の範囲で変動し得るのかを検討します。そしてその変動の予測範囲で起こり得る現象に対する対策を考えます。この変動の範囲を推計するためには、過去の事例を調査することが重要です。過去の水利事業を検証することで確定値を用いたことの問題点が明らかになります。推定値がずれた時の対応について、上述した水路の粗度係数を例にして説明します。たとえば、水路の改修に当たり、推定値の見込み違いや改修直後で表面の摩耗が進行していないために粗度係数が設計値と一致せず所期の分水位が確保できない場合に備えて、一定間隔ごとに堰上げ用の転倒堰を設置し、これの操作で粗度係数のずれに対応することです。また最小流量時の分水位の確保にもこの転倒堰は有効に作用します。 ［結果の不確実性］ ■二つ目の不確実性に起因する結果の不確実性について考えてみます。水利事業の計画設計において不確実性を前提にすれば、当然のこととして一定割合で要求性能を達成できない場合が存在することを認めざるを得ません。しかし、この常識はまだ共通の常識とはなっていません。 医療や公共土木事業に関しては、医師や国の無謬性が虚構として存在しています。そのため、医療ミスの存在を医師・患者双方が認めることができません。公共事業に失敗は存在しないことになっています。このため医療ミスや公共事業の失敗は正しい処理を不可能としています。またそれら事故を減少させるための努力を払うこと自体を不可能としています。 ■水利事業の計画設計において、一定割合で要求性能を達成できない場合を想定し、その対応をあらかじめ準備することを考えるべきではないでしょうか。もちろんこれまで、「壊れないものを作る」という考えできたものを、「壊れることもあり得る」に転換することは容易ではなく、また発注者や受注者のモラル・ハザードを引起すことも想像できます。 しかし理論的に起こり得る事態に対してその対策を用意しないのは、合理的ではありません。起こり得る困難への対処には、リスクへの対応と同じく、起こり得る困難を低減する、起こり得る困難を転嫁する、起こり得る困難を受容する等の方法があります。具体的には、次のような対応方法があります。
■上述のことは、具体的な対応方法として発注方式の見直し、契約法の見直し、第三者機関の設立等多くの問題が存在しますが、長期的視点で改善していくべきものでしょう。 ［何についての不確実性か］ ■三つ目の、何について不確実性を問題にするかを考えましょう。性能設計が、必要な機能と性能とを示しそれらに応じた信頼性を追及するものであるため、性能設計と信頼性設計とを直接結びつけて考えがちです。そのため、性能設計とは、信頼性設計法の一種である限界状態設計法のことであると思い込まれることがあります。 しかし、限界状態設計法は構造計算法の一種で、破壊状態（限界状態）を確率論的に制御しようとするものです。ISO2394（構造物の信頼性に関する一般原則）は限界状態を設定して行う設計法として、確率論的評価、部分係数形式、実験モデルに基づく設計の三つを推奨しています。荷重と耐力の不確実性を確率論的に取扱い、部分安全係数を用いる限界状態設計法は、このうちの部分係数形式に該当します。 本来限界状態設計法の導入は、限界状態を制御しようとするものですから、終局限界状態、すなわち破壊状態を制御する必要性が存在しなければその導入には余り意味がありません。代表的な水利施設であるコンクリート開水路が、終局限界状態（破壊状態）を制御しなければならない場合は、水路橋等を除いてほとんどありません。さらにコンクリート開水路の構造的信頼度は非常に大きく、また地震時の被害は地盤の液状化によるものを除いて皆無に近い状態です。 それにも関わらず、耐久性や水利的機能の低下を原因として改築が行われようとしています。すなわち、コンクリート開水路は力学的、構造的な不確実性は非常に小さいにも関わらず、耐久性等の不確実性が大きいことを示しています。 このことからも、水利施設については、優先して要求性能として掲げるべきものは耐久性に関するものであり、構造に関するものではなさそうです。 水利施設は、構造的要求性能だけではなく、水理的、水利的要求性能を満たす必要があります。この水理的、水利的要求性能の性能照査法（設計法）はこれから開発しなければならないのです。 ■性能設計では、発注者や利用者にとって重要度の高い事項を優先的に要求性能とするべきです。水利施設については、水理的不確実性、水利的不確実性が優先して議論されるべきでしょう。 すなわち性能設計においては、不確実性を問題にする順番、要求性能の順位を明らかにすることが重要です。 性能設計の視点から見た二期事業 ■性能設計の視点から見た二期事業の計画設計には、次のような四つの課題があります。それらは、改築を前提にした計画設計、実績値を考慮した計画設計、時代の変化に対応した計画設計、機能や性能の低下を見込んだ計画設計です。 「改築を前提にした計画設計」 ■水利施設は、歴史的に度々改築を繰返してきています。これからも改築を繰返すことが十分予測できます。これからの水利事業は改築が主となります。しかし現在の技術基準は、新設を前提にしており、すでに一定水準に整備された水利施設の改築を前提にしていません。また、改築を行う事業制度は、一定面積の改築を要件としています。必ずしも各種施設の適切な時期に改築を行えるようになっていません。また今後再び訪れる改築に対して、施設の構造も十分考慮されていませんし、改築時に必要となるであろう材料や構造に関する引継ぎ資料の整理方法も十分ではありません。 今後の計画設計は、すでに一定水準に整備された水利施設を改築することを前提とし、さらに再度改築が繰返されることを考慮したものに修正していくべきものと考えられます。 「実績値を考慮した計画設計」 ■第二次世界大戦後近代的な施設を導入した時には、計画設計に用いた定数は、実績値が存在せず、技術基準や参考文献の標準値を用いました。またその当時は、利用者の知識もそれほど高くはなく、事業は利用者の持っている水利技術をそれほど考慮することなく実施されました。しかし水利施設を長く運用してきた利用者は当初用いられた計画設計値と現実との差をさまざまな努力で調整してきています。 これからの水利施設の計画設計においては、この長年に及ぶ蓄積を持つ利用者の水利技術が有効に活用されなければなりません。 「時代の変化に対応した計画設計」 ■現在利用されている水利施設は、そのほとんどが第二次世界大戦後の農業条件を背景に計画設計されたものです。そのため当時の水利施設に要求された機能や性能は、当時の営農条件を前提にしたものです。現在は、たとえば水稲の作期、品種、栽培体系、圃場の区画、営農規模いずれも大きく変化しています。さらに末端でのパイプライン化の進展、冷害対策のための深水灌漑や夜間早朝取水を可能にする新たな水利体系の構築、高温障害対策のための冷水の確保、営農技術の進化等と当時と異なる条件が数多くあります。 水利施設に要求される機能や性能を現在の農業条件を背景にあらためて評価し、また将来の予測に基づいて機能や性能を設定することが必要でしょう。 「機能や性能の低下を見込んだ計画設計」 ■水利施設は、時間の経過とともに機能や性能は低下していきます。しかもその速度は、構造物ごとに大きく異なります。たとえば、揚水機場では、揚水機、電動機、制御施設、土木構造物、建築構造物それぞれの標準耐用期間は異なります。また水利システムとして見た場合には、その構成要素ごとに標準耐用期間は異なりますし、現地の状況でさらに差は大きくなります。 このように異なった耐用期間で構成されている水利システムの改築はどのように考えるべきでしょうか。たとえば、取替えが困難な場所の部品には高い信頼性を与え、取替えが容易な場所の部品はある程度低い信頼性で我慢する等という対応が必要でしょう。今後の計画設計に際し、再改築をどのように捉えるかという思想がなければ、再改築時にまた苦労することになります。 機能や性能は時間とともに低下していくという前提に立った計画設計手法の確立が求められています。 技術者の役割分担 ■性能設計の視点で水利事業を見ると、発注者、コンサルタンツ、施工者の役割分担に大きな変化が生じることが考えられます。性能発注では、デザインビルドの方向に移行することが考えられます。デザインビルドには設計施工に自由度が存在しますから、標準積算は存在しなくなります。しかし発注者は、公会計法の規制から予定価格を作成しなければなりません。予定価格の作成は、必然的に工事費全体の見積り聴取に依存せざるを得なくなり、発注者における積算業務に大きな変更が生じます。一方では、発注者には工事の概算費用算定式の蓄積が求められてくるでしょう。また、発注の条件として価格と同時に性能が要求されるので、発注方式や契約方法を性能発注に対応したものに変えていく試行錯誤の努力が必要とされます。 選択の自由を利用者に帰属させるということは、設計の視点を利用者に移転させるということです。このことは、利用者が、これまでの経験に基づいて要求してくる各種の要望事項を、要求機能や要求性能として理解、整理し、それらがどのような結果をもたらすかの説明をする能力が求められます。 不確実性に対応するために信頼性設計法を水利事業に導入するには、設計に用いた推定値の実績値、ポンプの事故率のような耐久性に関する実績値の蓄積、特に水利や水理に関する実績値の蓄積が必要です。 二期事業を進めていくためには、現行の水利システムが有している機能を調査分析し、また営農や水利条件の変化を要求性能として整理することが必要です。 この他、照査のための第三者機関の問題、選択の自由を帰属させる範囲はどこまでにするのかの問題等が存在しています。 このように性能設計では、発注者、コンサンルタンツ、施工者に新たな役割が求められてきます。 技術基準で定めるべきものは何か ■現在の技術基準類は仕様基準の体系で構成されています。今後性能設計に移行する場合に、これらの技術基準類をどのように整理していくべきでしょうか。基準化に当たり次のことが考慮されるべきです。それらは、「性能設計は技術基準に馴染むか」、「技術基準の目的」、「実行可能かつ検証可能か」です。 （1）性能設計は技術基準に馴染むか ■性能設計は技術基準に馴染むでしょうか。水利事業の分野に限らず、各技術分野で各種技術基準が改定されると同時に、全国一律にその技術基準が適用されてきました。全国一律に適用させるために、基準改定に含まれている新しい概念は、歪められて、無理に現地適応することになります。性能設計が有する地方分権的な特性や性能設計が目指す新しい概念が、基準として規定される過程で形骸化されないように十分に注意する必要があります。性能設計では、設計基準は設計例集の域を越えるべきではないでしょう。多くの設計例を並べること、すなわち、多くの仕様規定を併記することは、選択の自由が存在すれば、性能設計の入口に立つことになりはしないでしょうか。性能設計に移行するための過渡的な対応として、選択の自由度の大きい仕様基準が極めて現実的な対応に思われます。 （2）技術基準の目的 ■技術基準作成の目的は長く議論されてきた論点です。これまで議論されてきたものには、次のようなものがあります。
■これらに加えて、技術基準の国際化を迎えて、国際規格と整合した基準や国際規格として提案できる基準の作成は、当該技術分野の国際的な存在証明としての役割が大きくなってきています。 またこれまでの議論は、設計する側の視点に重みをおいて議論されてきました。設計・施工されたものを利用する立場、水利事業の分野では利用者の立場からの議論には、あまり重点がおかれてきませんでした。選択の自由が設計者ではなく、利用者に帰属するという視点や、基準類の訓令通達系から法令告示系への移行を考慮すれば、基準の目的には、選択肢の提示という目的が含まれてきます。その時により重要なのが、要求性能を選ぶ自由がどのように確保されるのかということです。 このように技術基準を再編成するに当たり、技術基準の目的を明らかにすることは、非常に重要なことです。一般に性能基準を記述するためには、次のような項目を含む必要があります。
■これらの項目のうち、どれを強制規定とし、どれを内部規定とするかの判断は、基準作成の目的を何にするかで決定されることとなります。また併せて、仕様基準に慣れ親しんでいるために、どうしても全国統一的な視点に立ちがちであることも十分注意しなければなりません。 また性能基準の記述方法には、性能規定型と性能明示型とがあるといわれています。性能規定型は、性能設計の基本精神に忠実な方法で、要求機能、要求性能のみを記述し、性能照査法以下の段階に大幅な自由度を持たせたものといえます。これに対して性能明示型は、性能照査について照査に用いる荷重レベルと要求性能のレベルを明確に記述し、より利用者の立場に立ち、選択の目安を明らかにしようとするものといえます。 水利事業は、多様な構造物から構成されるために、どちらかの方法だけで記述することはおそらく困難でしょう。多分、ある構造物については性能規定型で記述し、他の構造物では性能明示型で記述するという、両者の混在が想定されます。なお、どの構造物をどちらの方法で記述するかは、技術水準に応じて現実問題として考えるべきでしょう。また前述したように利用者が要求性能を選択する自由を確保することを忘れないようにすることが大切です。 （3）実行可能かつ検証可能か■性能設計、性能発注は、設計を始める段階や発注の段階で規定しているのは、要求機能や要求性能だけです。しかし具体的に設計や施工を行うには、具体的な方法を仕様の形で表現する必要があります。ここで問題になるのは、要求機能や要求性能を具体化する方法や手段が存在しないのに、高度な要求機能や要求性能を技術基準に記述することは、現実的ではありません。技術基準で掲げた要求機能や要求性能は、実現するための少なくとも一つの方法や手段が存在していることを、技術基準の制定者は確認しておく必要があります。しかし、たとえ参考資料としてでも具体的な仕様を技術基準に記載することは、常に仕様基準に逆戻りする恐れがあります。また記載された仕様は最低基準なのか最高基準なのか解釈が明確でないと混乱が生じます。 次に、設計や施工の結果について要求機能や要求性能を具体的に検証する方法が存在しないとしたら、技術基準に記載した要求機能や要求性能は画餅に過ぎません。また公会計法上は、受取検査の対象は要求機能や要求性能ですから、要求機能や要求性能の検証方法や手段は確実に存在している必要があります。さらに公契約の透明性確保の視点からは、受取検査の方法や手段は事前に公表する必要があります。
中島 賢二郎 H20.5.14
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