長岡市における地下水節水型消雪パイプ制御システムの実証試験
水工学研究室
指導教官

石川有貴子
福嶋祐介

（冬季の初期と終期）と水位等を測定する．

1.はじめに長岡市は湿潤な雪が降る典型的な豪雪地帯であ（５）外気温…節水型制御盤に設置し，ポンプ運転る．このような地域での除排雪方法として消雪パイ強度と外気温との相対関係を調べる．

プは極めて有効である．しかし，この方法では地下（６）管内圧力…揚水管内に設置し，流量計との相水を大量に汲み上げて散水するため，冬季後期には関を調べることにより，流量計の代替として地下水位が下がり，消雪パイプそのものが機能しな使えるか否かを検討する．

い，また，地盤条件によっては深刻な地盤沈下が発（７）積雪深…中島中央公園内に測量用のスタッフを取り付け，これを 10 分おきに撮影し，後に生することなどが欠点となる．
従来の消雪パイプは，地下水の揚水ポンプをオ読み取ることにより，積雪深を測定した．

ン・オフするだけであり，その結果，無駄に地下水を汲み上げていたことになる．このような現状から，3.測定したデータの解析地下水節水型消雪パイプの発想が生まれた．すなわ

図-1 に 2003 年度のアメダスデータおよび中島 6

ち，降雪強度計の出力によって，揚水インバータ制丁目（中島中央公園内）に設置されたカメラの画像御をすることで使用する地下水の総量を節約しよより判読した積雪深の経日変化を示す．

うとするものである．

1 月中旬および 3 月上旬に短期的なまとまった降本研究では，従来型と地下水節水型とを比較し，雪があり，1 月下旬および 2 月上旬に比較的大きな新システムの有効性を検証し，実用化への検討を行降雪があった．しかし，2003 年度は例年に比べ，うことを目的とする．また散水施設設計施工マニュ小雪であったといえよう．

アルに記載されている必要散水量算定式の各係数100を検討することで，より効果的な融雪量算定方法の9080確立を目指すものとする．

新システム(節水型)を長岡市中島 4 丁目に設置し，隣接する中島 6 丁目の従来型消雪パイプと比較し70積雪深(cm)2.実証試験の概要と測定項目

実証試験地
長岡アメダス

60504073020た．検討は，2003 年度（平成 15 年 1 月 18 日から10平成 15 年 3 月 15 日），2004 年度（平成 15 年 12012/15 12/30 1/14

月 15 日から平成 16 年 3 月 31 日）の実証試験結果

1/29

2/13

2/28

3/14

3/29

日付に基づいて行った．

図-1

2003 年度積雪深主たる測定項目は次の通りである．
（１）降雪量…節水型に取り付ける降雪強度計（茅ら，1995）のデータを収集する．
（２）揚水流量…節水型，従来型両方に流量計を設置し，実際に使用された水量（揚水量）を計測

図-2 に従来型と節水型のポンプによる揚水量の日変化，図-3 に従来型と節水型のポンプによる使用電力量の日変化，表-１に節水型と従来型の揚水量と使用電力量の比較を示す．

する．
（３）使用電力量…節水型のみに設置し，既設電力

表-1 計測結果のまとめ使用量との比較に用いる．
（４）地下水位…節水型側に投げ込み圧力式水位計を設置し，揚水量と水位との関係および季節

節水型
従来型

総揚水量（m3） 使用電力量（kWh）
9.546
2.248
18.1944.824

3

積算総揚水量（m ）

1400
1200
1000
800
600
400
200
012/15

節水型

12/30

1/14

1/29

日付

2/13

2/28

従来型

3/14

3/29

使用電力量（kwh）

図-2 消雪パイプ 1m 当たりの積算揚水量
350
300
250
200
150
100
50012/15

節水型

12/30

1/14

1/29

2/13

日付

2/28

従来型

3/143/29

図-3 消雪パイプ 1m 当たりの使用電力
従来型と節水型を比較すると，若干の例外はある

5.現場試験による係数の同定と流量の算定

が，揚水量には大きな差があり，節水型の揚水量はノズルからの流出に伴う損失係数c0 の算出には従来型に比べ，1/2 から 1/3 にも減少している．特平成 15 年 12 月 15 日から平成 16 年 1 月 27 日の間に降雪強度が小さい場合には節水型の消雪パイプの降雪があり，揚水が行われている時間，かつ揚水は盛んに揚水量を変化させるため，節水効果は大き量が 1.0〜1.125m3/minの範囲のデータを使用した．

い．使用電力についても同様の効果が見られ，省エ2003 年度試験における一分間隔の瞬時値データのネルギーのシステムとなっていることがわかる．こ内，上記の条件を満たすデータは 2244 個あった．

れらより，節水型の消雪パイプシステムの節水効果

これらの実験データから算出した流出に伴う損失が十分にあるといえる．

係数c0の平均は 0.06520 となった．
図-4 は節水型消雪パイプシステム揚水量制御を流量計の出力から圧力センサーの出力に切り替え4.消雪パイプの流れに関する水理学的検討
消雪パイプ内の流れを水理学的に解析すると，全て運転した結果を示す．

揚水量，すなわち全散水量Q0は次のようになる．
121.4
降雪強度

いては，実験結果より算定することにする．c0を求める式は次のようになる．
⎧ ⎛ P0⎫⎞− H ⎟⎟2⎪ ⎜⎜⎪
⎛a ⎞
⎪ ρg
⎠ − f ⎛ L 2 N − 1 + H ⎞ + 1⎪ (2)c0 = ⎜⎜ 0 ⎟⎟ n0 N ⎨ ⎝⎜⎟ ⎬2d ⎠ ⎪⎝ d 6N⎝ A0 ⎠
⎪ U0
⎪⎩
⎪⎭2g

3

流量 (m /min)ては，よくわかっていない．そこで，この係数につ実測流量

1.2(1)

ここで，ノズルからの流出に伴う損失係数c0につい

目標流量10180.860.6
40.420.2011:00

降雪強度 (cm/h)

1⎧
⎫2
⎛ P0⎞
⎪⎪
⎜⎜
− H ⎟⎟2 gA02
ρg⎪⎪⎝⎠
Q0 = ⎨2 ⎬c0 ⎛ A0 ⎞ ⎪⎪ ⎛ L N −1 H ⎞⎪ f ⎜ d 6 N + d ⎟ − 1 + n N ⎜⎜ a ⎟⎟ ⎪⎠0⎝ 0⎠ ⎭⎩ ⎝

12:00

13:00

14:00

15:00

016:00時刻

図-4 圧力センサーによる流量制御の計測結果

標揚水量通りの揚水を行えることがわかる．短期間
で激しく揚水量が変化すると目標流量と実測流量が一致しない場合もある．これは式(1)の算定にあたり，流れが定常であると仮定したためである．
6.必要散水量算定式

1614121086420ｋʼ

この図より，圧力センサーによる制御によって目現在，消雪パイプの必要散水量は式(3)により決定

00.05

している．

q=hs ⋅ ρs ⋅ (J + Cs ts + Cw ⋅ t 2 )

0.1

0.15

0.2

0.25

降雪強度ｗ(g/cm2・h)

図-5 温度差，降雪強度と k′(3)6 ⋅ α ⋅ k ⋅ ρw ⋅ Cw(t1 − t 2 − tr )8.通行車両による撹はん効果係数αの検討結果

式(3)は降雪の融解に必要な熱量と，散水が噴水点か通行車両による撹はん効果係数は路面露出率β

ら側溝に落ちるまでに失われる熱量によって表わと交通量によって決定される．ここで，交通量をγされたものである．しかし，散水で失った熱量は全とし，通行車両による撹はん効果係数を路面露出率てが降雪の融解に使用されるわけではなく，外気やと交通量の関数とし，次式で表した．

路面への伝導，あるいは熱交換にも使用される．散α γ = a1(γ )β 2 + a 2(γ )β + a3(γ )

水した路面では，落下してくる雪片が全て融解され（6）ず，一部は未融解のまま側溝に流される流雪現象もなお上式の a1,a2,a3 については以下の通りである．

ある．この流雪の効果と融雪の効果を含めた係数がa1 = 1.4 × 10 −7 γ 2 − 7.0 × 10 −6 γ + 2.0 × 10 −4融解係数 k である．
また，車両の通行により融解と流雪効果が大幅に促進され，その撹はん効果を係数として表わしたも− a 2 = 288.2 × 10 −7 γ 2 − 121.1 × 10 −5 γ + 54.1 × 10 −3のが通行車両による撹はん効果係数αである．
本研究では，これら融解係数 k，通行車両による撹はん効果係数αおよび設計時間降雪深ｈs につい（8）

a3 = 1.5 × 10 −5 γ 2 − 48.3 × 10 −3 γ + 4074.3 × 10 −3て検討を行った．

（9）

7.融解係数 k の検討結果

式（6）より，交通量別に通行車両による撹はん効

融解係数は気温と散水温差別に降雪強度によっ

果係数αと期待する路面露出率βの関係を図-6 に表わした．

く河川水，加温水，地下水の 3 つに分けられている．

8

そこで，これを１つにまとめることとした．融解係数に気温と散水温の差を乗じ，k′とし次式のように表わした．このことにより，これまで 3 種類に分けられていた融解係数を 1 つにまとめることができた．またこれより作成した図を図-5 に示す．
（4）

これに伴い，式（3）を次式のように改定した．

hs ⋅ ρs ⋅ (J + Cs ts + Cw ⋅ t 2 )q=
6 ⋅ α ⋅ k ′ ⋅ ρw ⋅ Cw(t1 − t 2 − tr ) (t1 − t a )交通量による撹はん効果係数αγて決定される．散水温は水源によって異なり，大きk ′ = k (t1 − t a )（7）765432100（5）204060801 00

期待する路面露出率β(%)

図-6 交通量別通行車両による撹はん効果係数

これは交通量が 0 台/ｈから 100 台/h までを，552 年のデータでは，現在の降雪状況を的確に表わ台/ｈごとにプロットしたものである．交通量が 0しているとは考え難く，データの更新が必要であり，〜15 台／ｈにおいては，期待する路面露出率が 40

その解析が不可欠である．

〜25％以下で通行車両による撹はん効果係数が一つ上のグラフに重なるように増加している．しかし10.まとめ

実際，必要散水量の決定に用いられる値は，期待す地下水節水型消雪パイプシステム有効性検証のる路面露出率が 70％以上の値である．そのため，結果，従来の消雪パイプシステムと比較し，揚水量，このグラフの重なりは問題にならないと考えられ

運転時間，電力量を 1/2 程度にできることがわかり，る．またそれ以外の交通量においても，十分に通行地下水節水効果とともに，省エネルギー効果も高い

車両による撹はん効果係数と期待する路面露出率こともわかった．また，圧力センサーによる地下水の関係を表わすことができている．

揚水量測定法の理論を検討し，超音波流量計で測定

これらのことより，通行車両による撹はん効果係された実際の値と比較したところ，かなりの精度で数は従来の交通量別の図からではなく，式（6）〜一致した．この理論を節水型消雪パイプシステムに式（9）で決定することが出来るようになった．

導入し，検証試験も行い，圧力センサーを用いても流量計を使用した場合と同等の値を得ることができた．

9.設計時間降雪深 hs の検討結果

必要散水量算定式において，融解係数 k を k′とパイプシステムの実証試験において，得られた降雪

して，散水温と気温の差を乗じることで一つの数式

強度を時間降雪深および累積日降雪深として集計をして表わすことで，水源の温度に依らず，一つのし，図-7 を作成した．黒線で示された曲線が 2003

関数式として扱うことができた．また，通行車両に年度の降雪データより求めたものであり，赤線で示よる撹はん効果係数αは，これまで交通量別に示さされた曲線が昭和 50 年〜52 年のデータにより作成れていたが，交通量の関数として表わすことができ，された散水施設設計施工マニュアルに示されてい簡便化を図ることができた．設計時間降雪深についるものである．ては，近年の冬期における降雪状況を十分に反映で最大降雪強度以後3時間平均降雪深h (cm)

2003 年度に長岡市において行われた節水型消雪きていないと考えられる．

5h=0.32Hs0.7
h'=0.15Hs0.77
2003年度データ

4.5
48.今後の課題

3.5

必要散水量算定式における設計時間降雪深の決3定については，今後の降雪データ収集が不可欠であ

2.5

る．近年の降雪の傾向を把握し，設計時間降雪深を2決定する必要がある．

1.5
10.5・参考文献

00図-7

10203040
日降雪深(累積日降雪深) Hs (cm)501)

福嶋祐介・木本二郎・原正栄・小林敏夫・酒井龍市・石丸民之永・八戸剛志・石川有貴子

2003 年度における累積日降雪深 Hs と（2004）：地下水節水型消雪パイプ制御システ

時間降雪深ｈの関係

ムの実証試験（その 2），雪氷（日本雪氷学会誌），66 巻４号，pp.495-502.

両者を比較すると前者の傾きは小さくなってい2)

八戸剛志（2004）：降雪強度を考慮したインバる．2003 年度は比較的小雪であったことと，日降ータ制御による消雪パイプシステムの実証試

雪深は降雪強度から算定した累積日降雪深である

験，長岡技術科学大学大学院工学研究科修士論

ため，実際の積雪深より大きな値となっていること

文，pp.1-44.

から，このような結果となったと考えられる．近年

3)

散水消雪施設設計施工マニュアル編集委員会

では小雪傾向にあることに加え，集中的な強い降雪（2000）：散水消雪施設設計施工マニュアル，も少なくなってきおり，多雪であった昭和 50 年〜

建設省北陸地方建設局道路部監修，pp.10-16.