JPS5944643B2 - 上水道における送水システムの運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は上水道における送水システムの運転方法に関
するものである。

上水道での水の取扱いは取水、貯水、導水、浄水、送水
、配水の各課程に分類される。

ここで取扱うのは送水に関するものであるが一部浄水、
配水に関する事項を含んでいる。すなわち送水システム
は浄水池、配水池、ポンプ、電動弁から主に構成される
が、この運用には浄水課程の運転特性と配水池関係の需
要水量を充分考慮しなければならない。この発明は上水
道の送水システムの運用に関するもので、水位、水量に
関する制約条件の下でポンプ、電動弁の水量を最適に調
整しようとするものである。

元来、水資源は人間にとつて欠くべからざるものであり
水を入手しやすいところに住んでいたが、最近のように
ある地域に人間が集中することになると入間数に比し供
給しうる水量が少なくなりょり遠方から水を導いてくる
必要性が出てくる。

これが広域水道システムの出現理由であり、その内容は
まず有限水資源の有効活用である。したがつて、従来の
ように単に池水位を監視し、運転水位上限又は下限にく
れば水量を減らす又は増やすというようなことでは上記
目的を満足しない。

一方、人手不足の傾向が強まることも考えられ運転員が
常時監視しなくても良いようにしたいので、電子計算機
の導入によりこの点を処置することが考えられる。この
場合、送水システムの電動弁やポンプの水量を決定する
に際し単に池の空容量に従属させる方法とか池の流出量
にのみ従属させる方法がまず考えられる。池の空容量に
従属させて水量を決定したときには池水位が上限水位に
近ずいた時には流入量を零に近い値としなければならな
い。しかし需要水量がその値に比し大きいときにはその
不足分を池保有量から給水することになり水位が急に下
がることになる。したがつてこの場合でも需要水量に近
い値を流入量とした方が水位変動を小さくすることが出
来るので運用上望ましいものとなる。一方、池の流出量
にのみ従属させると初期水位を中心に水位が上下するこ
とになり、初期水位が低い場合には下限水位を下まわる
危険が多くなるので充分な監視が必要となり上記条件を
充分満たすものとならない。従つてこの発明の目的は、
池流入量を決める場合に需要水量と初期水位とを合せて
考慮し、且数時間ごとにまとめて調整量を決定すること
により少ない調整回数で池水位を中位に保つように運転
することにより安定な運用を行えるようにすることにあ
る。

この発明を実施するための送水システムは第１図に示す
如く、浄水池１、配水２、ポンプ３、電動弁４及び配水
池２の水位計５から構成される。

６は需要家群を示す。

これらの組合せ方は個数も含み無数にあるが浄水池１を
除く他の配水池２、ポンプ３及び電動弁４の組合せ方は
大別すれば同図に示す如く次の４種に分類しうる。（１
）ポンプ圧送複数配水池送水 （）ポンプ圧送配水池送水 （１１０配水池付自然流下 （助自然流下 ここでは説明の便宜上１ケ所の浄水池に対し上記配水池
２、ポンプ３、電動弁４を１つずつ含むものを考える。

ポンプ３は誘導電機で駆動されるが台数制御が速度制御
されるものとする。運転指令は中央制御盤７及び電子計
算機８を有する中央監視室９から無線又は有線通信機に
より伝達され、ポンプ３や電動弁４を動作させ操作量を
調整する。また逆に水位、水量はデータとして中央監視
室９に送られるから運転員は異常事態の発生を注意する
必要がある。ここで考える送水システムは一例として前
述の１ケ所の浄水池１に対し４種のものを各１本ずつ組
合せたものであり、まずこの４種の要素について制御す
べき量と制約条件を記し次いで制御方式について説明す
る。

ポンプ圧送複数配水池送水方式（１）では複数配水池２
の流入量とポンプ３の吐出量を決定しなければならない
。

すなわちまずはポンプ３の吐出量を決定してからこの値
を各配水池２に配分し流入量としなければならない、こ
の場合ポンプ３の吐出量が決定すればその１駆動電動機
への指令を出すことが付随した作業としてある。台数制
御ではポンプ吐出量に見合う台数を運転すべく電動機開
閉装置へ開閉指令が出され、速度制御ては速度制御盤へ
の速度基準の変更という形で指令が出される。この際の
制約条件としては各配水池２の最大流入量、各配水池２
の運転水位上限値および下限値、ポンプ吐出量の最大値
および最小値（ポンプ速度制御）かまたは量子化値（ポ
ンプ台数制御）である。ポンプ圧送配水池送水方式（１
１）ではポンプ３と配水池２が１対１に接続されており
ポンプ３の吐出量は配水池２の流入量と等しい。

したがつて配水池流入量を需要水量と初期水位から決定
し、ポンプ３が速度制御のときにはポンプ吐出量の最大
値と最小値の間にあることを確認してからポンプ吐出量
を配水池流入量と等しくすれば良い。ポンプ３が台数制
御のときには配水池流入量をポンプ吐出量の量子化値と
の絶対差値が最も小さい値とするように決めれば良い。
この際の制約条件は前項（１）と同一で配水池２の最大
流入量、配水池２の運転水位上限値および下限値、ポン
プ吐出量の最大値および最小値かまたは量子化値である
。配水池付自然流下方式（Ｉ［）では配水池２への流入
量を決めれば良い。

制約条件は配水池２に関するもので最大流入量と運転水
位土限値および下限値である。自然流下方式（ＩＶ）は
制御しえないものである。

この場合配水管の最大通水量がその制約条件となるが現
実には予測需要水量に含まれるものであり、予測需要水
量が与えられるものとの条件下ではこの予測値の中に制
約条件が含まれているものと考えられる。ついで浄水池
１について考える。

以上の４種の要素におけるある時刻における流入量和が
浄水池１の流出量となつており、これに見合つた浄水池
流入量を決定しなくなはならない。この場合の制約条件
は浄水池水位に関する運転水位上限値および下限値であ
る。ただし浄水池１の流入量は浄水池以前にある。図示
しない淵過池など単位処理量の整数倍を流出量とする場
合には量子化をほどこさなくてはならない。次いで制御
方式であるが、この内容は大きく分けて３つある。

まず第１は操作量変更回数の低減であり、第２は水量の
最適決定法であり、第３には制約条件の処理に関するも
のである。操作量変更回数の低減は現実の需要水量変動
曲線を基にして考えたものであり、その基本的な考え方
は次のようなものである。

以下の説明は便宜的に１日２４時間とし１時間に１点計
２５点をもつて需要水量変動曲線が出来ているものとす
る。る。すなわち予徂１］盃要７Ｋ重から一口の鯰雪侵
丞菫χ訃匍１．★借が中冷決なるための水沓を加藍すれ
こで水位が低い又は高いときには初めの時間区間でこの
水位修正分を多量に又は少量に処理すれば良い。水量の
最適決定法は第１図の方式（１）のようにポンプ３の吐
出量を複数の配水池２に配分する場合と、ポンプ３の吐
出量波形とか方式（１１），（ＩＯの配水池２への流入
量波形とかを決定するため一日の総水量を各時間区間に
配分する場合の２つに分かれる。そこで前者を空間的配
分、後者を時間的配分と呼ぶことにする。第１図の力式
（１）の場合にはポンプ吐出量曲線をうるために時間的
配分を行い、次いで各配水池２へ配分のため空間的配分
を行う。

まず時間的配分について説明する。これは送水システム
では池の流入量を決定するためのものであるから、一日
の総水量は池個々の一日の総流出量に池水位の中位修正
のための水量を加算したものであり、前述の操作により
決定した時間区間に配分することになる。ここで、目的
関数として時間区間１（ｉ＝１，２，・・・・・・，Ｎ
）における流入量Ｑｉと目標値Ｑｉの差の２巣を重み係
数ＡＩで割つた値を全時間区間について加算した値Ｓ（
＝？ （Ｑｉ−Ｑｉ）シｉミ１ａｉ）を用いる。

この値Ｓを、流入量Ｑｉの全時間区間について加算した
値（．Σ Ｑｌ）が一定ＱＴｌ＝１Ｎ という条件（ＱＴ＝．Σ Ｑｉ）のもとで、最小化ｉ−
：ｓ：１↓運ニ：諦Ｃ：２二＝＝需： 定過程の最適配分間題として定式化されたことになるの
で、ダイナミツクプログラミングの手法により解を得る
ことが出来る。

この結果、得られた解としての流入量Ｑｉは一日の総水
量ＱＴから目標値Ｑｉの各各時間区間について加算した
値ＮＮ（ Σ Ｑｉ）を差引き（ＱＴ−Σ ｑｌ）、全
時間ｉミ１１：リ：１Ｎ 区間の重み係数和（ Σ ａ１）で割り、その時間ｉ−
：．１Ｎ 区間１の重み係数ａｌを掛けた値（ａｌ／Σａｌ）；＝
１に目標値を加えた値（Ｑｉ＝Ｑｉ＋｛Ａｉ／へ
１ＮΣ ａ１｝Ｘ｛Ｑ
Ｔ−．Σ Ｑｉ｝）となる。

水位修１＝１１＝１従属し、重み係数ａ１はすべて等し
く、１とすれば良い。

しかし、初めの時間区間（第１（ｉ二１）時間区間）で
、水位修正を行なうため、目標値と重み係数を手直しす
る。初期水位ＨＯが低いときには第１時間区間の目標値
Ｑ，は需要水量和ＤｌＮ（＝ｊ？１ｄ，、ここでＤｊは
時間需要量で第１時間区間は開始時刻（Ｊ＝＝Ｏ）から
終了時刻（Ｊ＝ｎ）であるとする。

）に水位修正用水量ＱＨ（一｛Ｈａ−ＨＯ｝×Ａ；Ｈａ
は中位水位、Ａは池面積）を加えた値とし（ｑ１二Ｄ１
＋ＱＨ）、重み係数ａ１は需要水量和Ｄ１を分母に需要
水量和Ｄ１と水位修正用水量ＱＨを分子とする値にする
（ａ１＝（Ｄ１＋ＱＨ）／Ｄ１）。そこで、これら目標
値ｑ１と重み係数ａ１を用いて、上述の流入量Ｑｉの式
で得た値が大きな値となり、送水管などの許容最大通過
水量Ｑｐを超えるような時（Ｑｉ＞Ｑｐ）には、流入量
Ｑｉとして、最大通過水量Ｑｐを用い（Ｑｉ＝Ｑｐとす
る）、不足分（ΔＱ−Ｑ１−Ｑｐ）は次の時間区間（１
−２）で同様に、目標値Ｑ２と重み係数Ａ２に修正を加
える。逆に、初期水位Ｈ。が高いとき（ＨＯ＞Ｈａ）に
は、水位修正分ＱＨ（−｛ＨＯ−Ｈａ｝×Ａ＝−｛Ｈａ
−ＨＯ｝×Ａ）を需要水量和Ｄ，から引算した値（＝Ｄ
１−ＱＨ）を目標値ｑ１とし、重み係数ａ１は目標値ｑ
１を分子とし、需要水量和Ｄ１を分母とする（ａ１＝｛
Ｄ１−ＱＨ｝／Ｄ１）。この場合、目標値ｑ１が負数と
なることがある（Ｄ１〈ＱＨのとき）が、そのときには
、目標値ｑ１を零（ｑ１−０）とおき、次の時間区間（
ｉ一２）でも水位修正を行えば良い。ポンプが台数制御
をする場合には最適配分後にポンプ単位吐出量の整数（
台数）倍の値に量子化する。空間的配分も考え方は同じ
である。すなわち第１図の方式（１）において初めの時
間区間でポンプ吐出量を配分する場合の目標値として初
めの時間区間における区間総需要水量に水位調整水量を
加えた値を用いる。重み係数は目標値を用いる。したが
つて他の時間区間では目標値として区間総需要水量を用
い重み係数としてもこの目標値を用いる。実際の流入量
は単位時間に対する水量であるからこの計算によつて得
た値をその時間区間で割算すれば良い。この場合にもあ
る配水池で最大通過量をこえることがあるが、このとき
にはその過剰分を他の配水池へその目標値に応じて配分
する。この過剰分の修正は次の時間区間で目標値として
水位調整分を再び考慮することにより行なわれる。この
ようにし、すべての水位は可及的すみやかに運転本位範
囲の中位へ保持される。この方法によつた例として一つ
の池についてその流入量、流出量およびその水位変化を
示したものが第３図ａと第３図ｂである。この発明は、
（１）切換回数を減少させることと、（２）水量配分に
よる流入量決定を需要水量と水位調整を合せて行う最適
な方法の２つが骨子となつている。そこで変形例を示し
これら２項との関係を加味しながら説明する。（１）送
水システムで浄水池が複数の場合浄水池１（第１図）が
複数個所ある場合としては、下流に位置する構成要素組
合せ（（１）卜（５））のうちの１組が単一の浄水池の
みから送水される時と複数の浄水池から送水される時が
ある。

前者の時には浄水池毎に群化出来るので前述の演算を浄
水池の池数と等しい回数実行することで解が得られる。
後者の時には１組の構成要素の組合せが必要とする流量
を複数の浄水池に割当てること、すなわち予め構成要素
組合せと浄水池との結び付きの割合を決定することによ
つて、この方法．をそのまま適用して、流量を決定する
ことが可能である。（２）送水システムの一部に特別な
要素を含んでいる場合特別な要素とは第１図の方式（１
）（）（ＩｌＸＩＶ）以外の要素をいい、その例として
は自動開閉弁付受水槽であり、これが浄水池１とポンプ
３の間に介在したときなどにもこの方法を適用しうる。

すなわちこの例ではポンプ３の流入量が浄水池流出量の
一部とならず多少、水量一時刻曲線を変形することにな
る。しかしこれは一般に池の流出量は任意の水量一時刻
曲線を与えて良いという前提であるから、この種の要素
が含入してもこの処理を付加するだけで本質的に何ら支
障なくこの方法により処理しうる。（３）ポンプ又は電
動弁以後に自然流下分配管を接続する場合この場合は第
１図の方式（１）（）（１１について考えられるが、自
然流下分を含むことによりポンプ吐出量時刻曲線は単位
時間ごとに変化することになる。

しかし、この自然流下分の含入により配水池流量と自然
流下分流量和が単位時間毎に一定とならなければならな
いので、配水池流量を単位時間毎に変化させることにな
る。これにより、その上流では時間区間毎の処理に手直
しする必要がなくなる。これは現実にＳＣＣ（監視計算
機制御）やＤＤＣ制御（直接計算機制御）にも用いられ
る。（４）単位時間と検討時間の変形 前述の説明では１日２４時間（１時間１点）を対象とし
たが、単位時間として２時間に１点でも３０分に１点で
も良い。

これは単に入カデータをいかに入れるかによるのであり
、この単位時間に対して計算を進めることになる。また
検討時間を１日ではなく数日を対象としても良く或いは
又数十時間を対象としても基本的には何ら手直しの必要
はない。このときの手直しは時間区間をいくつにするか
何時間について計算するかの指示を変えるだけである。
あくまで極値中点方式で切換点を決め、その切換点の数
を予測需要水量時刻曲線に適するように選択、設定し切
換点数を減少させてから次の最適配分課程に移行して計
算を進めれば良い。（５）運転方案の利用法 ここで説明した発明は基本的にはオペレーシヨンガイダ
ンスを得ることであり、運転員に一日の作業内容を示す
ことである。

しかし計算機の活用の方法としてはＳＣＣ制御やＤＤＣ
制御があり、運転経１験によつてもその活用法は変更さ
れる可能性はある。その場合でも空間的配分はそのまま
用いることが出来る。すなわち池からの流出量を何個所
かへ配分するような場合は、いかなる計算機利用法にお
いても空間的配分は利用しうるものである。（６）渇水
期における運用法案の作成 渇水期は１年のうち１０日程度でこの間浄水池の流入量
に制限が加えられることになる。

このような場合にも給水制限率を計算した上でその給水
制限を行つた状態での運用法案を何ら手直しせずに得る
ことが出来る。以上のようにしてこの発明によれば、入
力データとして予測需要水量時刻曲線送水システム、初
期水位を与えることにより出力データとして各電動パル
プ４の水量設定値と各時刻における池水位が得られる。

しかもその内容は設定変更回数は少なく水位は運転範囲
中位を中心に変動するので限界水位に近ずくことが少な
い。また運転方案として５種類のものを入手しうるので
計算条件として考慮しえない人的条件その他諸々の条件
を加昧して運転方案を選定しうる。このことは運転員の
作業内容を適切なものにすると同時により広く多くの作
業を処理することが可能になる。このようにして送水シ
ステムの安定運転と運転員の作業範囲の拡大を可能にす
るのでその利用価値は大きくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による土水道に於ける運転方法の実施
例を説明するためのシステムのプロツク図、第２図ａは
需要水量の変動を示す曲線図、第２図ｂは需要水量和を
示す曲線図、第２図ｃは極値中点方式による時間区分分
割を行なつた時刻一水量曲線図、第２図ｄは時間区間数
を減少させた第２図ｃと同様の曲線図、第３図ａは池流
入量と流出量の関係を説明するための時刻対水量曲線図
、第３図ｂは時刻に対する池水位を示す曲線図である。 １・・・・・・浄水池、２・・・・・・配水池、３・・
・・・・ポンプ、４・・・・・・電動弁、５・・・・・
・水位計、６・・・・・・需要家群、７・・・・・・中
央制御盤、８・・・・・・電子計算機、９・・・・・・
中央監視室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 浄水池からポンプ及び又は電動弁を介して少なくと
   も１つの配水池へ送水するに当り、配水池から需要家に
   配水される需要水量のたとえば１日の如き期間に亘る変
   動曲線を複数の時間区間数に分割し且この時間区間数を
   可及的に少なくするように減少したのち、この変動曲線
   の各時間区間のほぼ中点時刻で、予測需要水量変動曲線
   と前記配水池の初期水位を中心水位とする水位修正分と
   から決定される流量値となるべく前記ポンプ及び又は電
   動弁に流量調整の変更指令を与えるようにしたことを特
   徴とする上水道における送水システムの運転方法。