こうえいフォーラム第 21 号 / 2013.3

排水機場における新たな改修計画の検討手法
EXAMINATION TECHNIQUE OF THE NEW REPAIR PLAN AT DRAINAGE PUMP STATION

大澤陽介 *・石川紳二 *・山崎祐一 **・涌井

健 * 川越典子 ***Yosuke OHSAWA, Shinji ISHIKAWA, Yuichi YAMASAKI, Takeshi WAKUI and Noriko KAWAGOE

As for the drainage pump station, the need of deterioration measures is growing moreand more. However, the situation that repair work is suffering includes a recent curtailed
budget under becoming it. We examined the new repair plan technique that examined costeffectiveness from the calculation of the expense to need for calculation and repair of thebeneﬁt by the inland waters ﬂooding analysis while. We maintained a conventional drainage
function as for the thing of such a background, and improving.

Keywords ： drainage pump station, repair plan, maintenance plan, cost effectiveness, cost reduction,functional improvement, analysis of inundation

1.

はじめに

2.

国土交通省、農林水産省及び地方自治体が管理する排水機場は、建設後、30 年以上経過している機場も少なくない

対象施設概要対象施設は機器の老朽化が進行し、近く改修が必要とされる以下に示す排水機場とした。

ため、老朽化対策を施すべき排水機場が増加傾向にある。

排水機場名：N 排水機場

従来、排水機場改修工事は、機器の耐用年数を目安にして、（国土交通省 九州地方整備局 管内）

機器更新が行われてきた。しかしながら、老朽化施設が多建 設 目 的：本川左岸に支川が合流する地点に設置され、数となった現在、耐用年数を目安に更新・修繕を行うと施内水排除を目的としている。

工費用が膨大になり、近年の緊縮財政下では改修工事計画
表－ 1 N 排水機場概要の立案が難しい状況にある。
一方で、国土交通省の統計 1）によると、排水機場が多く
1 日に 200mm を超える降雨の回数が増加傾向にあり、集形
主ポンプ

このような緊縮財政と集中豪雨頻度の増加のもと、効果的な改修計画の立案が必要であり、新たな立案手法の検討が望まれている。

※建設後 39 年経過
5.0m3/s

計画排水量

中豪雨が増え、内水氾濫の危険性は建設当初の想定より高まっている。

昭和 48 年（1973 年）度完成

建設年

建設された 30 年前に比べ 1 時間に 50mm を超える降雨や3.

式

横軸斜流ポンプ

吐出量

2.5 m3/s

台2台数

検討概要近年で最も被害の大きかった洪水をモデルとした内水氾

従来の排水機場の改修（更新・修繕）計画は、建設当初濫解析を行い、排水機場が機能することによる被害軽減額の排水量を維持し、既設機能と同等な製品で更新・修繕を（＝総便益（B））と、機場改修に要する費用（C）を求め、行うことを前提とした、ライフサイクルコスト（LCC）の費用対効果（B/C）を算出し、目標の費用対効果が発現可能算出による検討が殆どであった。

な範囲で、改修計画を立案する新たな手法を検討したので、ここに報告する。

今回の検討では、必要排水量を機械的な側面と水理的な側面から検討し決定した。水理的な解析手法として内水氾
濫解析を用い想定被害軽減額を算出し、機場改修に要する費用との対比による費用対効果の算出から改修範囲（改修*
プラント事業部 機械・情報通信技術部** 流域・防災事業部 河川・水工部*** 福岡支店 技術第一部する機器）を検討し改修計画を立案した。改修計画の概略
検討フローを図－ 1 に示す。
25

排水機場における新たな改修計画の検討手法
水量を増量した場合、ポンプケーシング内にキャビテーショ総便益(B)の増大を目的とし、機能増強を検討

ンが発生し排水量の減少や故障の原因となる。そのためキャ総便益(B)の増大を目的とし、機能増強を検討
内水氾濫解析によ
新技術の採用によるコスト縮減

り総便益(B)算出
内水氾濫解析によ新技術の採用によるコスト縮減
仮設定した改修範囲のり総便益(B)算出
コスト(C)算出
仮設定した改修範囲のコスト(C)算出

費用対効果(B/C)≧1NoYes
費用対効果(B/C)≧1
改修計画の決定Yes

ビテーションが発生しない範囲での最大量を排水量とした。
既設ポンプの性能曲線よりキャビテーションが発生しない最大排水量を算出した結果、ポンプ 1 台あたりの吐出量を現状の 2.5m3/s から 2.9m3/s まで約 16% の増量が可能であることを確認した。したがって、本排水機場はポンプ 2 台設置であることから、機場全体での機能増強量は、No

図－ 1 概略検討フロー
改修計画の決定0.8m3/s で総排水量は 5.8 m3/s が期待された。
（2） 水理的な側面から求められる排水量
水理的な側面から求められる排水量は、内水氾濫解析か検討内容は、以下のとおりである。

ら必要な排水量を算出した。

①総便益（B）の増大を目的とし、機能増強を検討

1） 対象地区地盤高機能増強（排水量増量）することにより、浸水被害が軽減される。したがって、総便益（B）の増大が期待できるため、機能増強の検討を行う。

内水氾濫解析の対象地区の地盤高を図－ 2 に示す。
N 排水機場最低地盤標高箇所
本川
最低地盤標高箇所

N 排水機場本川②内水氾濫解析より総便益（B）算出
機能増強（排水量増量）を踏まえて、内水氾濫解析から総便益（B）を算出する。
③新技術の採用によるコスト縮減
総便益（B）の算出と並行し、総コスト（C）の算出を行う。
総コスト（C）の算出にあたり、新技術を適用し、コスト削減を図る。
④仮設定した改修範囲の総コスト（C）算出

図－ 2 対象地区地盤標高

老朽化した機器や新技術の適用により更新が必要な機器を優先し、改修範囲を決定する。その改修範囲における、

2） 解析条件

更新や修繕の改修計画を立案し、総コスト（C）の算出を

内水氾濫解析の諸条件を表－ 2 に示す。

行う。
表－ 2 内水氾濫解析諸条件⑤「費用対効果（B/C）≧ 1」
費用対効果（B/C）を算出し、B/C が 1 以下であれば、費用対効果が見込めないため、改修範囲を見直し、総コスト（C）を再度算出する。B/C が 1 以上になるまで、改修範囲を検討し、総コスト（C）の算出を繰り返し行う。
⑥改修計画の決定
費用対効果（B/C）が 1 以上となれば、経済的に事業の有効性が認められる。したがって、その案を改修計画とする。

対象洪水名

昭和 51 年 7 月洪水（ピーク水位が最も高い洪水を選定）

内水解析モデル1 池モデル※ 1

24 時間雨量323.6mm

本川（本川）流量

5120m3/s

目標水位※2T.P.+1.95m ※ 3※ 1：「1 池モデル」とは、内水区域を 1 つの池と見なし、流域に降った降雨による流入量と本川に接続する排水施設を通じての排水量の出し入れにより、池4.

機能増強 （排水量増量） の検討（1） 機械的な側面から求められる排水量
機能増強は、内水の排水能力を向上させ、内水氾濫の浸水被害の軽減効果がある。機能増強として主ポンプの上位（内水区域）の貯留量を算出し、これを水位～流量曲線に当てはめ、内水位を算出する方法※ 2：目標水位は、対象地区内の全ての一般家屋が、床上浸水しない水位と設定した機種への更新やポンプ増設では、費用が多大となり費用対※ 3：T.P+0.00 ｍ＝東京湾中等潮位効果が 1 以上となることが見込めないケースが多い。した

3） 内水氾濫解析のフローがって、既設主ポンプを流用し、ポンプの回転数を増速す検討する排水量ごとに内水氾濫解析を行い、内水のピーることによる排水量増量を図る工法を検討した。ただし、ク水位以下となる排水量を算出した。その内水氾濫解析の排水量の増量に比例し、便益が増加するものの、過度に排検討フローを図－ 3 に示す。

26こうえいフォーラム第 21 号 / 2013.3

内水氾濫解析は、既存資料から内水氾濫モデルを構築し、3.5
3.0い水位を設定した。これらの条件を基に、内水位が目標水2.5位を超えない条件を満足するように排水量を変化させ、繰り返し計算により排水量を確定した。

標高(TP.m)

目標水位は対象地区内の全ての一般家屋が、床上浸水しな

2.0
1.5
外水位

1.0

内水氾濫モデルの構築

目標設定

現況排水施設の設定

計画対象洪水の設定

内水位：施設故障時0m3/s
内水位：施設改善時5.0m3/s

0.5

内水位：施設改善時5.8m3/s
目標水位

0.0

外水位・流入量の設定

1

目標水位の設定

3161121151181211241271301

331361391421

図－ 4 内水計算結果

排水量の仮決定表－ 4 内水氾濫状況
項目

内水計算

内水ピーク水位＜目標水位

91

内水区域図

NoYes

施設故障時

排水量の確定0.0 m 3 /ｓ

図－ 3 内水氾濫解析フロー
内水氾濫水位 2.0～5.0m 未満の区域が家屋のある地域に及んで、床上浸水被害が発生している。

4） 内水計算結果
各流出量（＝排水量）における内水計算結果を図－ 4 に示す。図－ 4 は、対象洪水における外水位と内水位の時間経過の推移を排水量毎に表す。表－ 3 に各排水量のピーク水位を示す。また、各排水量の内水氾濫状況を表－ 4 に示す。

施設増強前

解析結果の概要は以下のとおりである。

5.0 m 3 /ｓ

①施設故障時：総排水量 0.0 m /s
3

床上浸水が発生している地域

ポンプ故障時のピーク水位（T.P+2.21m）は目標水位

内水氾濫水位 0.5m 以上の区域が施設故障時に比べ減少しているが、一部で家屋の床上浸水が発生している。

（T.P+1.95.m）を超過した。よって、一般家屋、事業所に床上浸水被害が発生する。
②施設増強前：総排水量 5.0 m3/s
ポンプ増強前（既設）のピーク水位（T.P.+1.95m）は目標水位（T.P+1.95.m）と同水位であった。したがって、一

施設増強後般家屋、事業所に床上浸水被害が発生する可能性がある。

5.8 m 3 /ｓ

③施設増強後：総排水量 5.8 m /s
3

ポンプ増強後のピーク水位（T.P+1.91m）は目標水位

対象区域において、家屋の床上浸水が解消される。

（T.P+1.95m）に達しなかった。よって、一般家屋、事業所に床上浸水被害発生しない。内水氾濫解析より、施設を増凡例（内水氾濫水位）

強し総排水量 5.8 m3/s にすることにより床上浸水被害が発生しないことを検証し、施設の増強量の妥当性を確認した。
表－ 3 ピーク水位一覧
単位：T.P.
故障時
ピーク水位

増強前
ピーク水位

増強後
ピーク水位

目標水位

+2.21 ｍ+1.95 ｍ+1.91 ｍ+1.95 ｍ5.

0.5m 未満の区域

1.0～2.0m 未満の区域

0.5～1.0m 未満の区域

2.0～5.0m 未満の区域

新技術 （機場の無水化） の採用によるコスト縮減
主原動機等の大型機器は稼動に伴い発熱し、そのままではオーバーヒートするため冷却する必要がある。N 排水機場は、冷却水の給水により機器の熱を吸収・発散させているため、冷却水用の上水設備が不可欠であるが、建設時にはなかった機場無水化技術を採用することにより、水冷・27

排水機場における新たな改修計画の検討手法
封水系統が不要となり、設備の簡素化が図れ、信頼性の向上及びコスト縮減効果が期待できる。

表－ 7 主な改修機器
施工区分

施工内容

台数

主ポンプ

改造

2台

真空ポンプ

更新

2台

冷却水ポンプ撤去

3台

無水化及び簡素化

監視操作
制御設備

更新

1式

によって、機場全体の故障率が低下し設備の信頼性向上が機能増強

主原動機

更新

2台期待できる。無水化を想定した場合の機器の仕様を表－ 6

老朽化による更新

可とう管

更新

2本に示す。

無水化：無水化のため、更新または改造が必要な機器及検討の結果、機場の無水化により、初期投資費及び改修
後 50 年の維持管理費を含めて、約 1％のコスト縮減が可能

機器名

無水化となった（表－ 5 参照）。なお、表－ 5 は、給水型の合計金額を 1 とし、各費用を示した。
また、無水化技術により設備の簡素化（機器点数の削減）

表－ 5 無水化コスト比
項目

び不要になった機器の撤去

給水型（既設）

無水化型

0.270.33

修繕工事

0.280.23

更新工事

0.450.43

1.000.99

初期投資費
維持管理費（50 年）

合計金額

機能増強：機能増強（排水量増量）のため、更新が必要な機器老朽化による更新：近い将来に更新または修繕が必要と予想される機器（3） 設備維持管理費
機器・部品の更新・修繕周期は ｢ 河川ポンプ設備点検・表－ 6 無水化機器仕様
項目
主ポンプ（軸封装置）主原動機

整備・更新検討マニュアル（案）2008.3｣2）を参考にし、耐給水型（既設）

無水化型

用年数を迎えた時点で機械・電気設備を同機能・同性能品グランドパッキン

無注水軸封装置に更新・修繕する方針とした。また、維持管理費は、「治水

水冷式ディーゼルエンジン

ラジエータ式ディーゼルエンジン

満水系統
水封式真空ポンプ（真空ポンプ）
水冷式減速機
歯車減速機

乾式真空ポンプ
空冷式歯車減速機3）に準拠し、50 年間に更新・経済評価マニュアル（案）2005.4」

修繕に要する費用を計上した。
（4） 現在価値化
各費用は、2012 年現在を基準とし社会的割引率を 4％とし、以下の式により現在価値換算した。

6.

総コスト （C） の算出

t（1+r）
C0 ＝ Ct ／C0：基準年度に現在価値化した費用

総コスト（C）は、機場建設費、設備改修費、改修後 50

Ct ：t 年度の費用
r ：割引率（＝ 4％）

年間の設備維持管理費を求め、それらを現在価値換算し、その合計とした。
総コスト（C）＝機場建設費+ 設備改修費+ 設備維持管理費（改修後 50 年間）（5） 総コスト （C）
総コスト（C）を 1 とした場合の各コストの費用の割合を表－ 8 に示す。

（1） 機場建設費
総コスト（C）は、設備改修費や設備維持管理費のみでなく排水機場建設費用も含めて計上し、排水機場建設から改修までの一連のイベントを一体として評価することで、施設改修による効果が過大評価になることを避けた。
（2） 設備改修費
設備改修費を想定するために計上した機器を表－ 7 に示す。

28

表－ 8 総コスト （C）
初期建設費

設備改修費用設備維持管理費用

総コスト（C）（合計）

0.600.180.221.00

こうえいフォーラム第 21 号 / 2013.3

7.

表－ 9 年平均被害軽減期待額算定式

総便益 （B） の算出
湛水（1） 総便益 （B） 算定フロー

流量規模

改修工事を全く実施しない状態を継続した場合、機器は老朽化等により故障し、機場の機能は喪失する。総便益は、その排水機能喪失状態（排水量：0.0m3/s）の想定被害軽減
期待額が、排水機能を有し増量した状態（排水量：5.8 m /s）
3Q1Q10Q20

Q1 ～ Qn +1

Q1 ～ Qn +1に対応するの年平均の年平均想定被害額

超過確率

被害額

湛水流量

年平均超過確率N 1 − N 10

L1 = 0Q1N 10 =1101N 20 =201=1− 10 
L10N 10 − N 20
 1 1 = − 
 10 20 

L20N 20 − N 30での想定被害軽減期待額との差額とする。その総便益の算定フローを図－ 5 に示す。
想定氾濫区域の設定
資産数量の設定
資産額の設定Q30

1N 30 =301 
 1− = 20 30 

L30

N 30 − N 40

Q40

1N 40 =
40

L40Q50N 50 =

150

L501 
 1− = 30 40 
N 40 − N 50
1 
 1− = 40 50 

超過確率×平均被害額

L1 + L102(N 1 − N 10 )× (L1 + L10 )L10 + L202(N 10 − N 20 )× (L10 + L20 )L20 + L302(N 20 − N 30 )× (L20 + L30 )L30 + L402(N 30 − N 40 )× (L30 + L40 )L40 + L502(N 40 − N 50 )× (L40 + L50 )22222（4） 残存価値の算定
残存価値は、評価対象期間終了時点において評価できる被害額の算定ものについて算定する。
年平均被害軽減期待額の算定

今回対象とする排水機場については、治水機能が低下しないように維持管理を行うため、評価対象期間終了時まで残存価値の加算価値は低下しないものとした。以下に算定式を示す。
S −1

S −1
S −1

∑
∑CCCtt t∑
tt = 01Ct∑ C=
C SC+50 == (1 t+ rC)tt S + 49t

総便益（B）の算定
図－ 5 総便益 （B） 算定フロー

CC

資産数量は、基礎となる家屋数および事業所数を 1/2,500まとめている住宅・土地の調査資料からの各種統計情報を)r

乗じて算定した。

8.

費用対効果 （B/C）
仮決定した改修範囲としての総コスト（C）を 1.00 とし額を用いるものとした。
（3） 年平均被害軽減期待額

11S + 49
S + 491 ++rr)== (1((11 ++ rr ))SS ++4949: 評価対象期間終了時点の残存価値
==00

C
C
CC
C: 機械・電気設備等の建設費
CCC（用地費、補償費、間接経費、工事諸費を除く）
C tCSS
S: 整備期間
Srr
S rr: 割引率（=4%）

地形図及び住宅地図より図上計測し、これに地方自治体が資産額は、「各種資産評価単価及びデフレータ 治水経済(

1 11

1
1S + 50
1 1S + 50
S 1+S50+ 50
1S
1 + 50tt
11 t1t（2） 資産数量、 資産額の設定5）に示される平成 21 年評価調査マニュアル（案）2010.2」

11S + 50
S + 50
11S++ 50
50
SS−−1S= 01=0たとき、対応する総便益（B）は 3.30 となった。つまり、費用対効果（B/C）が 3.30 となり、1 を上回った。

当該地域の資産数量、資産額の設定の結果と内水氾濫解

N 排水機場においては、近年で最もピーク水位の高い検析から導出した浸水地域の結果を踏まえ、1 回の洪水の想討対象洪水に対して、床上浸水を発生させないことを目標定被害額（被害軽減額）を算定した。この結果から機能増とした排水量増強を図った場合、費用対効果が大きくなる。

強することにより、約 15％の被害軽減が期待できた。
年平均被害軽減期待額算出は、洪水・施設ケース毎に算定した想定被害額（被害軽減額）に洪水の生起確率を乗じ、なお、従来の経年に伴う更新・修繕の改修方法では、総コスト（C）が増し、総便益（B）が低くなるため、費用対効果（B/C）は低くなる。

計画外力規模までの被害軽減期待額を累計することにより年平均被害軽減期待額の算定を行った。年平均被害軽減期
待額算定式を表－ 9 に示す。

9.

まとめ
従来、排水機場の更新・修繕計画において実施してきた経年に伴う更新・修繕方法では、総コスト（C）ばかりが増加し、総便益（B）が変化しないことから費用対効果（B/C）
が低くなる傾向にあった。さらに従来の検討では、事業自29

排水機場における新たな改修計画の検討手法体の効果を検討することがそもそも少なかった。
本検討で費用対効果の算出から事業の有効性を評価しつ

2） 国土交通省

総合政策局、河川局：河川ポンプ設備点検・整備・更新検討マニュアル（案）、2008

つ、無駄のない改修計画を立案する手法を検討した。また、

3） 国土交通省

本検討では、排水機場 1 施設の設備のみを対象としたが、4） 総務省

複数機場を併せて検討することも可能である。したがって、

5） 国土交通省：治水経済調査マニュアル（案） 各種資産評価

より事業規模の大きい改修計画へ対応も期待できる。
この新た改修検討手法により、排水機場の老朽化対策の一助になることを期待する。

河川局：治水経済調査マニュアル（案）、2005

統計局：平成 20 年住宅・土地統計調査

単価及びデフレータ、2010
6） （財）国土開発技術研究センター：河川ポンプ設備更新検討
マニュアル、1996
7） （社）河川ポンプ施設技術会：揚排水ポンプ設備設計指針（案）

参考文献
1） 国土交通省：地球温暖化とわたしたちのくらし～地球温暖化対策に向けた国土交通行政の展開～、200830

同解説、2001
8） （社）河川ポンプ施設技術会：揚排水機場整備点検・整備指針（案）同解説、2010