第 64 回(2020 年度)

北海道開発技術研究発表会論文

複数の水理ユニットを受け持つ
分水工の設計構想について
帯広開発建設部 帯広農業事務所 第２工事課 ○佐藤 至
酒井 二央
上原 洋介
芽室川西地区の用水計画は、前歴事業で整備された美生ダムを水源に、芽室区域ではオープンタイプを採用し、川西区域（以下「帯広区域」という。）では適正な送水管理が可能なようセミクローズドタイプの送水形式を採用している。また、ダム地点では、維持管理費の縮減に向け、小水力発電設備の整備を予定している。これらの複数の水理ユニットを受け持ち、かつ効率的な発電が可能となる、分水工の施設配置等の設計構想について報告するものである。
キーワード：施設配置、維持・管理、設計・施工

１．はじめに

２．分水工の概要

国営かんがい排水事業「芽室川西地区」は、北海道帯広市及び河西郡芽室町に位置する農業地帯であり、小麦、ばれいしょ、てんさい、豆類の畑作物を中心に、スイートコーン、ながいも等の野菜類を組み合わせた農業経営が展開されている。
地区内では、国営かんがい排水事業「芽室地区」(昭和56年度～平成19年度)により造成された美生ダムを水源とし、近年の営農状況の変化に伴い水需要が変化している芽室区域と、用水施設が未整備となっている帯広区域を対象とした用水再編を行い、地域の農業生産性の向上及び農業経営の安定を目的とした事業を進めている。
本報告では、地区の水源となる美生ダム下流地点に設置され、複数の水理ユニットを受け持つ減勢分水工の設計構想について報告するものである。
（図-１）(１)施設概要
本地区の分水工は、本事業による用水再編に伴い、美生ダム下流に配置された減勢工を改修し、現在までの減勢工を起点とする伏美導水路（既設・芽室区域受益地に配水）に加え、帯広かわにし導水路（新設・帯広区域受益地に配水）への分水機能を持つ減勢分水工として改修整備し、併せて、小水力発電施設の新規整備を行うもの
である。
（図-２）

図－２ 地区の用水模式概略図(２)施設諸元
導水路諸元を表－１に示す。伏美導水路は、ダム近傍に位置するファームポンドまでの管路配置条件などからオープンタイプが採用されているが、新設する帯広かわにし導水路は、帯広区域のファームポンドまでの長大管路及び路線上の落差を考慮するとともに、末端の水利用の自由度を確保できる需要主導型のセミクローズドタイ
プが採用されている。
図－１ 芽室川西地区と減勢分水工位置図

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表－１ パイプライン諸元一覧表
項目
形式
水理ユニット
境界区分
計画
流量

伏美導水路
(既存設備)
オープンタイプ（供給主導型）
始点分水工～西伏美FP(L=1.9km)
下流：堰による水位制御
上流：越流堰(ゲート)による流量制御

Ｑmax＝3.040m3/s※現況Ｑmax＝3.939m3/s

帯広かわにし導水路(新規設備)
セミクローズドタイプ（需要主導型）
始点分水工～南かわにしFP(L=19.4km)
下流：ディスクバルブによる流量制御（越流堰併用水位制御）
上流：越流堰(ゲート)による流量制御
Ｑmax＝1.478m3/s※ 前歴芽室地区の計画流量

各期別の流量は表－２に示す通りで、発電流量は通年Ⅱ期と同じ計画最大流量となる。つまり、発電流量とかんがい流量の差が余水となる。
表－２ 流量諸元一覧表
期別

期間

期間
日数
Ⅰ期 5/1～5/15
15
Ⅱ期 5/16～7/25 71
Ⅲ期 7/26～8/31 31
Ⅳ期 9/1～4/5
217
Ⅴ期 4/6～4/30
25

ダム取水量(m3/s)
農業流量内訳(m3/s)
農業流量 発電流量 伏美導水 帯広導水
3.225
4.518
2.236
0.989
4.518
4.518
3.040
1.478
2.029
4.518
1.360
0.669
0.010
4.518
0.006
0.004
0.204
4.518
0.112
0.092

４．分水工設計の課題事項
本分水工の施設設計については、伏美導水路と帯広かわにし導水路のパイプライン形式が異なるため、水管理方式が統一できないことと、新たに小水力発電の導入により、発電流量と期別流量の違いによる取水コントロールにも留意する必要があり、これらの課題点を整理して施設設計に反映する必要がある。
(１)過渡水理現象予測と課題定常流から次の定常流に移行する過渡水理現象については、十分な予測を行い、操作管理上対応が可能であることを確認しておく必要がある。
また、十分操作管理可能な構造とする必要がある。
a)かんがい需要量変化の対応
パイプラインは応答速度が速いため、セミクローズドパイプラインでは、需要量の変動が即座に始点分水槽水位変化に影響する。以下に示す岩崎の記述1)では、設計上の注意が必要であるとしている。
「水管理がうまく機能するには最上流水槽への供給が、需要量にうまく追従させる必要がある。しかしながら、一般的にはこの種のダム放流バルブは短いインターバルで微妙な操作をすることは難しく、比較的長いインターバルで、１日に数回の操作で対応することが多い。すなわち、あるスケジュールに従って操作されるべきものであろう。したがって、（図-4）の設計案でうまく機能させるには、最上流端の水槽を調整池と呼ばれるべき大きな調整能力をもったものにしなければならないはずである。しかしながら、現実に見聞する設計案の中には、圧力調整水槽としか考えてないものがあるので十分な注意が必要である。しかし、現地の用地等の諸条件からこの水槽を大きくできない場合も考えられる。このような時は、水槽に余水吐を設け、需要の予測値をいくぶん上回る放流を続ける必要がある。
」

３．分水工の基本構造
本分水工は、目的別に大きく分けると次の３つの集合体となる。
①芽室町を受益地とする既設伏美導水路へ、一定の流量を確保し送水を可能にする施設②帯広市を受益地とする新設帯広かわにし導水路へ、必要なエネルギーを確保して送水可能にする施設③ダム取水後の減圧施設としての既設にあるジェットフローゲート（以下、JFG）と通水の切り替えが可能な小水力発電施設
その他、JFGと減勢工、パイプラインの起点に当たるため除塵施設（ネット式）、発電流量の余水を放水するための放水工がある。
これらの施設を配置した模式図が図－３となる。発電施設を通過した水は一端減勢工～整流部に入り、必要なかんがい用水は除塵機を通過して分水工へ行き、余水は放水工から美生川へ流れる。
帯広

図－３ 分水工基本構成図

図－４ 貯水池に連結したセミクローズドパイプライン系の一事例

本地区にあっては、水管理の観点から採用できず、本分水工においても、同様の課題を解消する必要がある。

SATO Itaru,SAKAI Humio,UEHARA Yousuke－ 903 －b) 小水力発電との連携
小水力発電は、図－５で示すとおり、期別最大かんがい用水を最大使用水量とする従属発電と、かんがい用水との差分の非従属発電を予定している。つまり、発電用水からかんがい用水を分水した後は、基本的に発電用水は変化しないが、かんがい用水は期別で変わるため、適切に河川へ放流しなければならず、流量変化に応じた余水の放水が必要である。

図－５ 発電使用水量 取水パターン図（案）c) 緊急遮断弁作動時の対応
帯広かわにし導水路は長大・高圧パイプラインとなり、緊急遮断弁を設置する必要がある。そこで、緊急遮断弁作動時においても、分水槽水位を一定に保つための留意も必要となる。
(２)複合分水施設の課題
本分水工は、オープンタイプとなる伏美導水路とセミクローズドタイプとなる帯広かわにし導水路の上流境界点となっており、これら共同運用については、次の課題が発生する。
a) 伏美導水路は、これまでJFGの開度により期別流量の制御を行っていた。新設する帯広かわにし導水路は需要主導型であり、必要な流量を必要な時だけ通水することになるので、伏美導水路に対して同一時期に分水比率の変動が生じる。
b)帯広かわにし導水路の需要に追従した供給が行えるように、起点水槽水位がほぼ一定の範囲内に操作する必要がある。これがうまくできないと、余水が発生する時間が生じて、伏美導水路に設定した流量以上が流れる、あるいは、呑口水位の低下による空気混入の問題が生じる。

５．分水工設計の検討項目
本分水工の設計課題事項に対し、次の手順にて検討を行った。
①パイプライン形式が異なる送水系パイプラインへの分水形式の検討②各水槽の制御水位又は設定流量③帯広かわにし導水路呑口水槽水位制御方式の検討④期別流量変化に併せた放水流量制御の検討⑤緊急遮断弁作動時の分水槽水位制御方式の検討

６．分水工形式の検討(１)分水形式
伏美導水路は帯広かわにし導水路に比べて必要エネルギーが低いため、同一水面を供用した場合、伏美導水路への流量が多くなるので流量制御が必要になる。流量制
御は、バタフライ弁を既設パイプラインに新設して期別毎に開度を設定する方法がある。ただし、小流量に対しては、φ1650mmのバタフライ弁では調整ができないので、小型のバタフライ弁を併設する必要がある。
また、超音波流量計設置のためには既設管路の布設替え延長が長くなる欠点がある。そこで、流量把握が容易な四角堰を用いて越流分水形式を採用した。小流量時には三角堰を用いることとした。一定流量とするために、水位計の情報から堰高を自動制御して、越流水深を保持する。
帯広かわにし導水路は分水槽水位が一定であれば通水に問題ないが、水需要の変動による水位変化の影響が伏美導水路に影響させないために、伏美導水路と同様に越流形式とし、両導水路の呑口水槽水面は完全に分離する。
(２)水槽水位の設定
分水時の水利計算結果を踏まえ、次の水位を基本に最も優位な（分水標高が高い）水槽水位を設定する。
WL1＝366.400m：整流水槽水位（減勢水槽から限界水深を経た後の水位）
WL2＝366.250m：分水槽水位（WL1から除塵機の損失水頭を減じた水位）
WL3＝365.767m：帯広かわにし導水路呑口水槽水位（G2を越流した後の水位で、WL2へ影響を与えないためにG2の越流堰高以下とする。
）(３)分水槽内水位調整機能の追加
前述岩崎の課題事項として述べている「需要量にうまく追従させるための最上流水槽への供給」を可能にするためのゲート操作が肝要となる。
これまでは、管理者が期別流量に対するJFGの手動操作が行われているが、今後は、水需要に追従した供給が行われるよう、既設JFGの管理設備に分水槽内水位を感知して供給量を調整する機能を追加する。
本機能の追加により、発電を行っている時は、計画最大量を取水しているので、「需要の予測値をいくぶん上回る（ダムからの）放流を続ける」状態と同じである
が、かんがい流量の計画最大となるⅡ期は、それを上回

SATO Itaru,SAKAI Fumio,UEHARA Yousuke－ 904 －

る需要が発生した時に、うまく機能するものと考えられる。
(４)分水ゲートの配置と役割形式の異なるパイプラインへの分水管理を、越流堰（ゲート）を用い行うものとし、以下の条件を与えることとした。
（図-６）
G1：伏美導水路へ期別流量を越流形式により確保するためのゲートである。
期別流量に対して必要な越流水深を確保する堰高を期別毎に設定する。したがって、分水槽水位(WL2)は一定水位を保つ機能をJFGにより行うこととし、ゲート操作遅れによるWL2の水位変動に対しても流量確保するために、G1は越流水深を自動制御するものとする。※越流水深を容易に測定するために、中・大流量はG1-1、小流量はG1-2が受け持つものとする。
G2：帯広かわにし導水路呑口水槽水位(WL3)の水位低下に対して制御を行うためのゲートである。また、WL3の水位低下に伴い、ゲートが下降して越流量が増加し、WL2の水位低下が生じるため、JFGへ間接的に流量増加を伝達する。
G3：帯広かわにし導水路呑口水槽水位(WL3)の水位上昇に対する制御を行うためのゲートであり、帯広
かわにし導水路の需要低下と緊急遮断弁作動に伴う余剰水を放水する。放水量は、越流水深と時間により演算する。
G4：期別流量変化に併せた放水流量制御を行うためのゲートである。整流水槽水位(WL1)は、除塵機の目詰まり状況により損失水頭が変化するため、制御はG4の越流水深に対して行い、適切に放水流量を管理する。発電急停止時には、信号を受けて全閉する。
JFG：発電を行わない場合のダム取水ゲートである。
また、WL2の低下を防ぐ水位調整機能を有する。

流量計

WL1
整流水槽

除塵機

WL2a)シール高空気の混入を防ぐために、セミクローズドタイプではLWLから管頂までのシール高さを以下の通り定めている。なお、水槽内水位はJFGにより低下することはないので、HWLからシールを確保する。
シール高Ｓ 2)＝1.3Ｄ＋0.5＝1.3×1.100＋0.5＝1.93m以上b)調整容量
原則的にはJFGの機能により呑口水槽の水位低下は生じないので、調整容量は不要とする。ただし、ゲー
ト開度調整後等の流況確認するために必要な15分程度3)のゲート開度修正時間を設けるものとする。
なお、流況の制御では過小・過大流量の発生が10％程度3)生じるものとし、以下の調整容量を付加し、有効水深は、管頂50cmからHWLまでとする。
調整容量Ｖ＝1.481m/s×10％×60s×15min＝133.29 m3→140m3以上

７．分水操作の検討
分水操作により生じる分水工の水位変化への対応は、配置する各ゲートの連携にて対応するものとし、次の要素を踏まえ、管理ポイントを整理した。
（表-３）(１) 水位変動時の各ゲート操作頻度
各用水路への分水は、分水槽にて越流ゲートにより行われ、分水槽内水位調整機能が追加される。
一方で、用水路形式の特徴から、伏美導水路に比べ帯広かわにし導水路の水位変化が大きく現れる。このことを踏まえ、伏美導水路へ安定した分水が可能か
つ、帯広かわにし導水路の水位変動に対し、ゲート操作が容易な管理・操作手法とする。
(２) 帯広かわにし導水路呑口水槽水位が低下する場合
JFGの水位一定制御機能を用い、帯広かわにし導水路呑口水槽の水位(WL3)低下に対応可能な構造とする。

流量計

減勢
水槽満足する施設規模とした。

帯広かわにしWL3 導水路

かわにし導水路

伏美導水路

図－６ ゲート平面配置図(５)その他配慮事項
分水工の設計にあっては、パイプライン（管路内）への空気混入防止が可能な水位を確保するものとし、次を(３)帯広かわにし導水路呑口水槽水位が上昇する場合
JFGの水位一定制御機能を用い、帯広かわにし導水路の緊急遮断弁が作動した場合も含めて、帯広かわにし導水路呑口水槽の水位(WL3)が上昇を感知し、取水量を制御する構造とする。なお、発電取水を実施している場合には、河川への放水量を増やす連携した操作が可能な構造とする。

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(４)発電急停止の場合
発電取水時に発電停止が行われた場合、かんがい用水を含め取水が停止となるため、JFGの水位一定制御機能により、水槽内水位は保つよう対応可能な構造とする。なお、発電中はかんがい用水以外を余水放水として扱うことから、余水放水を停止する機構を備えるものとする。
上述の検討を図り、図－７の様に分水槽水位に追随するJFGの制御機能に加え、図－８及び表－３に示す
帯広かわにし導水路呑口水頭を管理ポイントとし、分水ゲート操作を行うことで取水管理を可能とした。

表－３ 各ゲートの管理ポイント

名称

WL3
下降

WL3
上昇

G2

G3

発 WL3以下で自堰高365.767m
電動制御
固定開有
発電
無WL3
自動制御

発電
有

作動しない

発電
無WL3
自動制御

発電急停止

期別設定値
一定水深

堰高
全閉

365.767m
固定一定水位固定
堰高=WL2-期別越流水深

G4
越流水深
自動制御

期別設定値
一定水深

堰高一定水位

WL3
自動制御

WL2
自動制御

全閉

WL2
自動制御

365.767m
固定

全閉

堰高

停止信号により

WL2
自動制御

全閉

一定水位

365.767m
固定一定水位

全閉

一定水位

越流水深
WL3超過で自動制御
自動制御
開JFG

一定水位

※G1:越流水深期別設定値自動制御(通年)帯広かわにし導水路本報では、水利再編に伴う既存施設の改修として、複数の水理ユニットを受け持ち、かつ効率的な分水管理設備として、水の需要量の増減に各施設が追従する分水工のシステムの設計構想について報告を行った。
この検討結果を基に、本年度から分水槽の水位一定制御に向けた施設改修を進めており、今後は、分水工整備と関連する導水路工事、小水力発電施設工事とこれらの管理設備との連携、実管理における課題点を確認し、用水施設の維持管理の軽減と用水の安定確保となる整備に向けたフォローアップを行うこととしている。

図－７ 発電急停止時のゲート操作

減勢水槽

美生
ダム

JFG

発
電
水整流水槽

分水槽

WL1

WL2

G4

除塵機

G2

かわにし
呑口水槽

WL3
G3

図－８ 縦断図

おわりに帯広かわにし導水路

謝辞：本報告の作成に当たり、土木研究所寒地土木研究所水利基盤チーム、設計担当技術者の方々に多大なるご協力を頂きました。ここに記して深く感謝申し上げます。
引用文献1) 岩崎和巳:パイプラインの水理設計(その５), 農業土木学会誌（1982年第50巻第1号）
2) 3)土地改良事業計画設計基準及び運用解説平成21年3月：設計「パイプライン」技術書P.456，P.135

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