2016年熊本地震
地震活動

衛生工学

上水道5：災害時の水道水質（つづき）＆管網解析
2024年5月16日

名古屋大学減災連携研究センター

Disaster Mitigation Research Center, NAGOYA UNIVERSITY

平山修久

1

2

KiK-net益城の地震動

1995年阪神淡路大震災と2016年熊本地震

減災館BiCURI

3©防災科学技術研究所，2016，2018©名古屋大学減災連携研究センター, 2016

活断層

日奈久・布田川断層帯

熊本地震

阪神・淡路大震災

発生日時

2016年4月16日（土）1:25

1995年1月17日（火）5:46

野島断層

地震の規模

Mj 7.3Mj 7.3

地震の種類

活断層型（直下型）地震

活断層型（直下型）地震

死者行方不明270人（関連死含む）【直後50人】

被災自治体

熊本県

建物被害

全壊8,648棟，半壊34,398棟

6,434人【直後5,500人】
2府県（兵庫10市10町，大阪5市）
全壊104,906棟，半壊144,274棟

避難者

震度6弱以上暴露人口

約18万人

約32万人

915,877人

3,596,836人

災害廃棄物

311万トン

2,000万トン（非公共1,450万，公共550万）
4©熊本県危機管理防災課，2018，©兵庫県,
2008

熊本地震でのライフライン被害

供給停止戸数（戸）300,000

電気

ガス

水道150,000

復旧完了
電気：4月21日（1週間）
ガス：4月30日（約2週間）
水道：・・（・・）

75,00000
4月14日

汚水管の被災

熊本県：707,743世帯
うち熊本市：326,873世帯

最大供給停止戸数
電気：47.6万戸
ガス：約10.1万戸
水道：42.2万戸

225,000

益城町惣領地区

1020

30
40
経過日数（日）5060

家屋との接続管被災
汚水
雨水

70

内閣府，平成28年熊本地震に関する被害状況等による

5

益城町寺迫地区

分流式（雨水，汚水）+浄化槽?

液状化?による汚水管の被災
6

水道施設の被災（西原村）
減圧弁

78©小仲，2016

配水管の被災（抜け）配水管の被災（抜け）©小仲，2016

9断水率の推移©小仲，2016

10

熊本地域の上水道システムの特徴
消毒のみ

水源

取水 導水

浄水

送水

配水

給水

ダム
河川水

断⽔率
5⽉05⽇18時00分（断⽔⼾数/世帯数）

取水塔

0.0

4月15日16時

0.1
0.2
0.3
0.4

断⽔率

0.5

0.6
4⽉15⽇16時30分
0.7（断⽔⼾数/世帯数）0.8

４月19日19時

4月16日15時

4月17日19時

4月18日21時

断⽔率

断⽔率

4⽉17⽇19時00分

4⽉18⽇21時00分（断⽔⼾数/世帯数）（断⽔⼾数/世帯数）（断⽔⼾数/世帯数）

0.0
0.9

0.0

0.0

0.0

1.0
0.1

0.1

0.1

0.1

1.1

0.2

0.2

0.2

0.2

0.30.3

0.3

0.3

0.4

0.4

0.4

0.4

0.5

0.5

0.5

0.5

0.6

0.6

0.6

0.6

0.7

0.7

0.7

0.7

0.8

0.8

0.8

0.8

0.9

0.9

0.9

0.9

1.0

1.0

1.0

1.0

1.1

1.1

1.1

1.1

断⽔率

４月23日09時

断⽔率

11

浄水施設
消毒施設

断⽔率

4⽉16⽇15時00分

４月29日15時

断⽔率

4⽉19⽇19時00分

4⽉23⽇09時00分

4⽉29⽇15時00分（断⽔⼾数/世帯数）（断⽔⼾数/世帯数）（断⽔⼾数/世帯数）

5月05日18時©平山修久，2016
断⽔率

5⽉05⽇18時00分（断⽔⼾数/世帯数）

0.0

0.0

0.0

0.0

0.1

0.1

0.1

0.1

0.2

0.2

0.20.2

0.3

0.3

0.3

0.3

0.4

0.4

0.4

0.4

地下水

井戸

沈殿池
緩速・急速ろ過
オゾン＋活性炭消毒（UV）
12

配水池

受水槽

熊本の水道水源

あなたならどうする？

健軍水源地

あなたは水道技術管理者です。地震後，原水の濁度が上昇し，配水・給水の水質が，水道水質基準（濁度2度以下）に適合することができません。

A.給水停止（断水）する。
B.摂取制限を伴う給水継続を行う。
緊急遮断弁

ポンプ室

13

原水の濁度上昇と摂取制限

14

上水道システム

飲用不可

本日の範囲

原水の濁度上昇

水源

取水 導水

ダム
河川水

取水塔

送水

配水

送水管

配水本管
配水支管

導水管

浄水場

地下水

原⽔濁度
Turbidity
摂取制限

原⽔濁度上昇なし
原⽔濁度上昇あり

原⽔濁度上昇なし

井戸沈殿池
緩速・急速ろ過
オゾン＋活性炭UV
消毒

原⽔濁度上昇あり

原水濁度

15Turbidity
原水濁度上昇なし©平山修久，2016

16配水池

給水給水管

受水槽

我が国の水道管路

管水路の平均流速公式- 管路の総延長：712,290km 地球17.77周分- 導水管：11,684km，送水管：33,924km，配水管：630,888km- 一日平均給水量1,000㎥当たりの配水管延長：16.3km• 局部損失を無視しうる長管では，管内流量Qと摩擦損失水頭hh = rQ m• ヘーゼン・ウイリアムズ（Hazen-Williams）の式
V = 0.35464CD 0.63I 0.54

- 給水人口一人当たりの管路長：5.74m

Q = 0.27853CD 2.63I 0.54

- 管種：鋳鉄管1.9%，ダクタイル鋳鉄管54.8%，鋼管2.6%，石綿セ

メント管0.6%，硬質塩化ビニル管32.9，ポリエチレン管6.4%，その他0.8%- 耐震管：24.9％，耐震適合性：39.3%

I = 10.666C −1.85D −4.87Q 1.85
V：平均流速（m/s），Q：流量（m3/s），D：管径（m），I：導水勾配，C：流速係数- 法定耐用年数40年を越えた管：16.3%
1718

配水管の設計水圧

管種・継手

配水管の水圧は，「技術的基準を定める省令」で定められている。

配水管路✓配水管には，ダクタイル鋳鉄管，鋼管，ステンレス鋼管，硬質ポリ塩化ビニル管及び水道配水用ポリエチレン管✓浸出基準を満足する✓水圧，外圧に対する安全性• 最大静水圧，水撃圧• 土圧，路面荷重及び地震力

19✓配水管から給水管に分岐する箇所での配水管内の最小動水圧は，150kPa（0.15MPa）以上を確保する。

✓配水管から給水管に分岐する箇所での配水管内の最大静水圧は，740kPa（0.74MPa）を超えないこと。

✓2階：0.15〜0.20MPa✓3階：0.20〜0.25MPa✓4階：0.25〜0.30MPa✓5階：0.30〜0.35MPa
日本水道協会，水道施設設計指針，201220

日本水道協会，水道施設設計指針，2012

管径

管網計算の分類• 管路の動水圧は，平常時においては，その区域に必要な最小動水圧以上になるよう，かつ，水圧の分布ができるだけ均等となるよう決定する。

• 管径の算定にあたっては，配水池，配水塔及び高架タンクの水位はいずれも低水位をとる。
• ヘーゼン・ウイリアムズ公式-

流量を未知数として解く方法-

接点エネルギー位を未知数として解く方法

古典的なHardy-Cross法はこれ
方程式の種類が多い
エネルギー位を指定しにくい

エネルギー位法

h = 10.666C −1.85D −4.87Q 1.85L
h：摩擦損失水頭（m），C：流速係数，D：管径（m），Q：流量（m3/s），L：延長（m）
21

流量法

方程式の種類が少ない
直接エネルギー位を計算
管網解析ソフトEPANET2はこちら

日本水道協会，水道施設設計指針，2012

管網解析

22

ハーディ・クロス法（Hardy-Cross method）
計算の理論• ハーディ・クロス法（Hardy-Cross method）✓配水管網（閉管路）における流量，損失水頭を計算するための逐次近似法。

✓管網をループごとに解析する。
✓管網を構成する各管路の管径，流量，流向を仮定し，この仮定流量にしたがって補正計算を反復して，流量，流向，損失水頭を決定する方法。

✓計算手順が簡単。
✓計算時間がかかる。

✓ 仮定流量Q，補正量ΔQとすれば，実際流量はQ + ΔQ
✓ 損失水頭は，h = rQ = r(Q + ΔQ)✓ 二項定理によって展開し，ΔQを微少量とするとmmr(Q + ΔQ) = rQ m + mrQ m−1ΔQm=h+✓ ひとつの閉管路についての損失水頭の総和は0である。
∑h+mΔQ = −23mhmrQ mΔQ = h +ΔQ
QQh
ΔQ = 0∑Q∑
24h/mh∑Q管網計算例

ハーディ・クロス法
計算手順+300 l/s

1. 各管路に流量Qとその方向を仮定する。ループの時計回りを正とする。二つの網目の共通管は，それぞれの流量の符号が逆になる。

2. 管路ごとに損失水頭hとh/Qを計算する。
∑h，4. ΔQを計算する。

∑h/Qを計算する。

5. 各ループ毎に補正流量Q + ΔQを計算する。共通管の場合には，当該管のみ二度修正されることになり，ΔQの符号も逆にして加える
6.

∑−↓φ400mm
l=200mDφ300mm
l=180m
φ350mml=250m−25

ハーディ・クロス法

ループを構成する管路径），L（管長），Q（流量）を入力する．Qは各節点でのマスバランスを考慮して設定する。r = 10.666C −1.85D −4.87L，

h = rQ 1.85，h/Qは計算式で計算する。ただし，損失水頭の正負情報を残すため，h = rQ Q0.85∑として計算する。

h，∑h/Qを計算する。

4. 各管路の流量Q + ΔQを計算する。

∑h ≒ 0となるまで，繰り返し計算する。
27160 l/s

管路別に，管路番号，始点終点，C（流速係数），D（管径），L（管長），Q（流量）を入力

1. 管路別に，管路番号，始点終点，C = 110（流速係数），D（管5.

C

26

エクセルで計算する管網解析

3. 補正流量ΔQを計算する。

φ300mml=300m

100 l/sh ≒ 0，すなわち許容範囲内になったとき，計算は終了。

2. 全ての管路について計算し，B+3. 各ループ毎に，

A40 l/s28

全ての管路でr, h, h/Qを計算∑h，∑h/Qを計算し，補正流量ΔQを計算
ΔQ = −29

各管路の流量Q + ΔQを計算

31

∑

30

2回目

32h/1.85h∑Q2回目のQの設定

2回目の補正流量ΔQの算出

1回目のQ + ΔQ

33

2回目：各管路の流量Q + ΔQを計算

35

34

3回目

36

３回目の補正流量ΔQの算出

管網計算結果300 l/s

40 l/s99.9 l/s
A

200.1 l/s φ400mm

φ300mml=180ml=200mD
100 l/s

φ350mml=250mB
φ300mml=300m59.9 l/s

C

100.1 l/s
160 l/s

37

管網解析ツール

38

EPANET2について✓USEPAが提供するPublic domain software（完全にフリEPANET2
is software that models the hydraulic and water quality
behavior of water distribution piping systemsU.S. EPAー）✓Windows, MacOS X, Linux✓コードも提供されている。改変自由。
✓多くの市販管網解析ツールの解析エンジンとして利用されている。

✓エネルギー位法で解いている。
✓水質計算もできる。
39
EPA, https://www.epa.gov/water-research/epanet#main-content

40

EPANET2の入手

火災時における流量計算
水道システム設計における考え方• EPANET2で検索したら出てくるサイト• 計画給水人口100,000人を超える場合は，計画時間最大配水量

https://www.epa.gov/water-research/epanet• ダウンロードとしたファイルをダブルクリックしてOKを何回か押すとインストールされる。

41に十分余裕があり，平常時の場合と同様に計算する。

• 計画給水人口100,000人以下の場合は，各管路の分担する流量は，計画一日最大給水量と消火用水量との合計とするのが望ましい。

42

日本水道協会，水道施設設計指針，2012

計画一日最大給水量に加算する人口別消火用水量

JWRC

水道施設設計指針
人口（万人）

消火用水量（㎥/min）

0.5未満

1以上

122435465768788999101043

Rainbows プロジェクト
将来の不確実性に対応した水道管路システムの再構築に関する研究

新技術を取り入れた管網管理に向けた研究

管網管理研究委員会
44JWRC

対象エリアの概要（１／３）（管網状管路）
配水エリア面積
約1.49km2
総管路延長35.8km
管路口径
φ100～φ350
配水方式
自然流下方式
減圧弁有無
なし
配水池水位
68.0m（解析に用いる水位）
配水池出口の残塩濃度 0.52mg/l
地盤高TP＋22.7m～48.9m

地盤高
管網評価指標-∞～24未満24～26未満26～28未満28～30未満30～32未満32～34未満34～36未満36～38未満
38～40未満
40～42未満
42～44未満44～∞

凡例 地盤高（m）

JWRC

管網の評価指標

目標値

（１）水圧

平常時：0.15MPa～0.74MPa
火災時：正圧であること（２）流速

ほぼすべての管路において0.2～3.0m/s（３）残留塩素濃度

0.1mg /L～0.4mg/L※上記は目安として示したものであり、実際の検討に当たっては事業体の特性に応じて設定する必要がある。
配水基点

234546JWRC

計画管網モデルの設定（１／３）（管網状管路）

配水本管

標準動水勾配の設定
配水基点から各節点までの管路最短距離と節点地盤高
配水基点から各節点までの管路最短距離と節点地盤高

注入点

70

配水基点

L＜200m

注入点

消火栓1栓当たりの損失水頭

動水勾配：5‰
動水勾配：5‰ライン

60

L≧200m

有効水頭：約19m
有効水頭：約19m

50

節点地盤高（m)
節点地盤高（m）

JWRC

消火栓設置管路（骨格管路）の最小口径の設定

損失水頭（m）

40L＜200m30L≧200m

20

消火用水量1m3/min：節点高1000500

1000

150020002500

配水基点（左端0m）から各節点までの管路最短距離（m）
配水基点から各節点までの管路最短距離（m)

口径
骨格管路

・各節点の最小動水圧を0.15MPa以上確保するために、配水基点の水頭
TP＋68.0mから、おおむね「5‰」の動水勾配と設定。

φ150

φ100
φ150

φ100

447200（m）
消火栓1栓当たり（1m3/min）
200m当たり
損失水頭（m）
13.6
1.9548JWRC

火災時の評価解析結果（管網状管路）
ケース②（負圧なし）

ケース①（負圧なし）

ケース③（負圧なし）
ケース⑥（負圧なし：12.54m）

ケース⑤（負圧なし）

ケース④（負圧なし）

凡例 有効水頭（m）

JWRC

火災時の評価解析結果（管網状管路）（骨格最小口径φ100）
ケース①（負圧発生：-16.42m）

ケース②（負圧なし：4.27m）

0.0～15.0未満
15.0～17.5未満
17.5～20.0未満
20.0～22.5未満
22.5～25.0未満
25.0～27.5未満
27.5～30.0未満
30.0～32.5未満
32.5～35.0未満
35.0～37.5未満
37.5～40.0未満
40.0～42.5未満
42.5～45.0未満
45.0～∞-∞～0.0未満
0.0～15.0未満
15.0～17.5未満
17.5～20.0未満
20.0～22.5未満
22.5～25.0未満
25.0～27.5未満
27.5～30.0未満
30.0～32.5未満
32.5～35.0未満
35.0～37.5未満
37.5～40.0未満
40.0～42.5未満
42.5～45.0未満
45.0～∞

ケース③（負圧発生：-8.50m）
ケース⑥（負圧発生：-67.95m）

ケース④（負圧発生：-18.18m）

・6ケースの試行解析で、全て負圧なし（有効水頭：14m以上）
・左図は、その中で最も有効水頭が低下したケース⑥の有効水頭の色分け分布

口径適正後：ケース⑥

凡例 有効水頭（m）

・6ケースの試行解析で、ほとん
どのケースで負圧発生
・左図は、その中で最も有効水頭が低下したケース⑥の有効水頭の色分け分布

ケース⑤（負圧発生：-21.18m）

口径適正後：ケース⑥

649750

JWRC

消火用水量を考慮しない場合の検討（１／２）（管網状管路）

JWRC

消火用水量を考慮しない場合の検討（２／２）（管網状管路）
口径別管路延長

現況

・消火用水量を考慮しない場合の適正口径選定手法の検討を行い、消火用水量を考慮した場合との比較を実施
・消火用水量を考慮しない場合の減径限度の口径はφ75

延長（m）

30,000

設定①（現況）設定②（消火用水量考慮）
設定③（消火用水量未考慮）

20,00010,000075100150200250300

350

口径（mm）

管容積変化
口径適正後（消火用水量考慮）

口径適正後（消火用水量未考慮）

凡例 口径（mm）

口径
設定①設定②
設定③75
100150200250
300
350

φ75 φ100 φ150 φ200 φ250 φ300 φ350
0.0 121.7 277.9
95.7
50.3
0.0
58.1
0.0
92.7 407.4
7.7
34.1
6.4
0.0
112.4
38.3
74.0
19.2
34.1
0.5
8.1

・消火量水量を考慮しない場合、大幅にダウンサイジングが可能となる。
設定②/設定①×100＝約91％

設定③/設定①×100＝約47％851（m3）
合計
603.7
548.4
286.5

952消防水利の基準の緩和に係る告示改正について○ 令和４年度の地方分権提案において、消防水利の基準第３条の規定に基づく消火栓の設置要件に係る水道配管の管径基準を緩和できるよう提案があり、「地域の実情に応じて緩和できるよう、関係者の意見や科学的な検証を踏まえ検討し、令和５年中に結論を得る。その結果に基づいて必要な措置を講ずる。」と閣議決定した。
○ 令和５年８月から10月にかけて意見聴取会及び実地調査を実施。減径した水道配管に消火栓を設置する場合は、取水可能水量が毎分１m3以上を満たさなくなることが懸念されるため、解析と実測の２つの検証を行い、当該取水可能水量を有することを確認する必要があるとの結論が得られた。

課題̲第5回TACTにて提出（締切：5月17日24時）●解析･･･・管網解析ソフト又は水理公式（へーゼン・ウィリアムス等）を活用し、取水可能水量が毎分１m3以上を有することを確認すること。
●実測・・・・水道事業者が使用する流量計又は消防車両の流量計を活用し、取水可能水量が毎分１m3以上を有することを確認すること。

【告示改正（令和５年12月25日付消防消第426号）】
改正後

改正前

第三条 消防水利は、常時貯水量が四十立方メートル以上又は取水可能水量が毎分一立方メートル以上で、かつ、連続四十分以上の給水能力を有するものでなければならない。
２ 消火栓は、呼称六十五の口径を有するもので、直径百五十ミリメートル以上の管に取り付けられていなければならない。ただし、管網の一辺が百八十メートル以下となるように配管されている場合は、管網の管の直径を七十五ミリメートル以上とすることができる。
３ 前項の規定にかかわらず、解析及び実測により、取水可能水量が毎分一立方メートル以上であると認められるときは、管の直径を七十五ミリメートル以上とすることができる。この場合において、消火栓の位置その他の消防水利の状況を勘案し、地域の実情に応じた消火活動に必要な水量の供給に支障のないように留意しなければならない。

第三条 消防水利は、常時貯水量が四十立方メートル以上又は取水可能水量が毎分一立方メートル以上で、かつ、連続四十分以上の給水能力を有するものでなければならない。
２ 消火栓は、呼称六十五の口径を有するもので、直径百五十ミリメートル以上の管に取り付けられていなければならない。ただし、管網の一辺が百八十メートル以下となるように配管されている場合は、七十五ミリメートル以上とすることができる。
［新設］※「地域の実情に応じた消火活動に必要な水量の供給に支障のないように留意しなければならない」
ダウンサイジングすることにより、これまで使用できていた消火栓が活用できなくなり（１基のみであれば必要な給水能力を有するが、近接する２基を同時開栓すると必要な給水能力を有さなくなることもあり得る）、消火活動に必要な水量が確保できないなどといった弊害が生じぬよう、各消防本部における消防戦術や警防計画等に基づき、地域の実情に応じた消防水利の整備を行う（別の場所に新たに消火栓を設けることや、防火水槽等を設置することなど）ことを、留意事項として通知することを想定。

53

1. 以下について知っていることを記述せよ。（数行）1) ハーディ・クロス法
2. あなたは水道技術者です。人口減少で水需要量が減少しており，管網のダウンサイジングを検討しないといけません。しかしながら，消防部局からはダウンサイジングはやめてほしいと言われています。あなたは，A.ダウンサイジングの検討を進める？B.ダウンサイジングの検討をやめる？その理由や条件等とともに示すこと。
54