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農業用管水路における圧力変動を利用した漏水検知に関する研究

浅田, 洋平 東京大学 DOI:10.15083/0002006890

2023.03.24

概要





















浅田

洋平

国内で戦後から高度経済成長期にかけて整備された多くの農業水利施設が耐
用年数を迎える中、それらの事故や機能低下が近年の問題となっている。中で
も農業用管水路については、毎年多くの漏水事故が報告されており、その漏水
位置の迅速で正確な特定は喫緊の課題といえる。本論文は、水理学的手法を用
いて新たな漏水検知法の提案を行ったもので、以下の結果が得られている。
第 1 章では、研究の背景と対象が述べられている。農業用管水路の漏水に起
因して発生する事故は、周辺環境への被害補償や管の修理に多大な費用がかか
るため、その存在と位置をできるだけ迅速かつ正確に検知することの重要性が
指摘されている。このため他手法と比べ、低コスト、少労力での漏水検知が期
待 さ れる 「管内の過渡現象 を利用した漏水検知法( Transient Test-Based
Techniques、TTBTs)
」についての研究開発の重要性が提起されている。
第 2 章では、漏水検知に関する既往の研究とそれらの問題点が整理されてい
る。管路内の過渡流れに関する既往の研究と本研究で使用する 1 次元水撃作用
モデルが詳述され、TTBTs における 4 つの既往手法の特徴が議論されている。
そして、適用が容易で迅速な漏水検知を可能とする手法として、漏水部からの
反射波を利用する手法と周波数領域の圧力波減衰を利用する手法の問題点を改
め、これらを発展させた二つの漏水検知法を開発することが提案されている。
第 3 章では、圧力変動を用いた新たな漏水検知法の開発を行っている。一つ
目は、漏水部からの反射波と最適化手法を組み合わせた漏水検知法(手法 1)で
ある。漏水部からの反射波による圧力変化の式と最適化手法を組み合わせるこ
とによって、漏水がない場合とある場合の圧力波形の比較から自動的に漏水に
よる圧力変化を捉え、漏水検知を行うアルゴリズムを開発している。二つ目は、
時間領域の圧力波形の減衰を利用する漏水検知法(手法 2)である。漏水部の圧
力変化が摩擦による Line Packing の影響で、圧力波の通過後も圧力上昇を続け
るという現象を考慮し、漏水によるエネルギー減衰をモデル化してそれに基づ
く圧力波形の減衰式を導出している。そして、圧力の計測値から摩擦による減

衰係数と漏水による減衰係数を求め、後者と解析的に求めた漏水の減衰係数か
ら漏水位置を推定する手法を開発している。数値シミュレーションによる検証
では、いずれの手法も一定の条件の下に漏水を検知でき、十分に現場へ適用可
能な手法であることを確認している。
第 4 章では、模型管路実験や現場管路実験による新たな漏水検知法の有効性
検証を行っている。模型管路実験では、全長 900m、管径 24.2mm のステンレ
ス鋼管を対象に、手法 1 では 1~3 箇所の漏水位置を 2%以下の誤差で、手法 2
では 3 つの異なる位置にある 1 箇所の漏水位置を 6%以下の誤差で検知できた。
また現地管路実験では、新潟県佐渡市にある全長 18km の鋼管とダクタイル鋳
鉄管を対象に、手法 2 の漏水検知法が適用された。排泥弁による模擬漏水の位
置を 3 パターンの制水弁初期開度に対する閉塞による圧力変動で推定したとこ
ろ、その誤差は 0~0.2%であった。以上の結果から、これらの手法が管水路の
漏水位置の絞り込みに十分に有効であることが示されている。
第 5 章では、新たな漏水検知法の適用範囲と今後の課題が整理されている。
手法 1 では、多点漏水や管路構造による圧力波形の変化にも対応できるが、現
場での適用試験を増やすことが課題であること、また手法 2 では、漏水 1 箇所
の圧力波形の減衰と漏水位置との関係を簡便かつ瞬時に求めることができるが、
漏水量の測定誤差が漏水位置の推定に大きく影響するため、管路構造や圧力波
形の影響を考慮した減衰モデルの改善が課題であることが指摘されている。
本論文では、二つの新たな漏水検知法が提案されるとともに、それらに関す
る深い学術的な考察、数値シミュレーションによる検証が行われ、さらに室内
実験や、これまで報告されたことのない現地管路を用いた実証試験など、実務
上の応用に向けて精力的に取り組んだ成果が取りまとめられている。また、本
論文の研究に関連して、7 報もの原著論文が上梓されている点も評価に値する。
公開発表および審査会においては、本論文が農業用管水路における水理学的な
手法に基づく漏水検知法に新たな学術的な知見を与えるとともに、応用上もそ
の実用化に向けて大きく貢献する貴重な成果であるとする高い評価を受けた。
また、今後の研究の展開に対する期待や要望も複数挙げられた。一方で、論文
に使用されている用語の定義や体裁に関する改善点が複数出されたが、このう
ち改善が必要な点については、すでに修正がなされている。
よって、審査委員一同は、本論文が博士(農学)の学位論文に値するもので
あると認める。

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147

謝辞

本博士論文は多くの方々の支えの下に 1 つの成果として取りまとめることができました。

この場を借りて深く感謝申し上げます。

岩手大学農学部の飯田俊彰教授には,私が水利研に在籍していた学部時代から現在に至

る約 6 年間大変お世話になりました。

研究のご指導をしていただいたのはもちろんのこと,

水利研における様々な行事(定例ゼミ,現場見学会,小学校への環境教育授業,暑気払い,

水の展示,農業農村工学会大会講演会,五大学ゼミ,五大学ソフトボール大会,PAWEES,

ためしかい,研究室旅行,忘年会,追いコン等‥)に参加させていただけたことで,私は水

利研のメンバーの一員として不自由なく確実に成長することができました。これだけ行事

が多いのは水利研以外になく,飯田先生が水利研にいらっしゃったおかげだと思います。研

究者としてあるべき姿を長い間近くで学ばせていただきました。誠にありがとうございま

す。

近畿大学農学部の木村匡臣講師は,私が水利研に入ろうと思い,また博士課程に進学しよ

うと思ったきっかけになった方です。学部時代からメインで研究を指導していただき,何と

かここまでたどり着くことができました。最近では研究の打ち合わせをすることもなくな

りましたが,いつも気にかけてくださり,おかげさまで論文も多く投稿することができまし

た。木村先生が数多くの研究プロジェクトに参加されているおかげで,ゼミの内容や普段の

会話はいつも新鮮でした。またベトナムやラオス調査等,数多くの調査に同行させていただ

いたことで,研究に対する視野も広がったと感じています。また,飲み会やホームパーティ

にも頻繁に誘ってくださり,精神面ですごく支えになりました。誠にありがとうございます。

東京大学大学院農学生命科学研究科の久保成隆名誉教授には学部,修士時代に水利研教

授として大変お世話になりました。またご退官された今でも水利研のゼミに参加していた

だきとても感謝しております。誰よりも知識と経験の量がすさまじく,いつもゼミでは貴重

な意見を頂きました。実は本博士論文の核となる「管内のエネルギー減衰に着目する」とい

うアイデアは久保先生からご助言いただいたものです。また,

「論文として発表して初めて

一つの研究が完成する」という久保先生のお言葉は今でも心に残っており,研究をする上で

の私の大きな指針となっています。おかげ様で無事に博士論文をとりまとめることができ

ました。色々とご迷惑をおかけすることも多かったですが,最後までご指導いただき誠にあ

りがとうございます。

農研機構農業農村工学研究部門の安瀬地一作主任研究員は私が博士課程に進学しようと

思ったきっかけになったもう一人の方です。私は学部,修士,博士までずっと農工研で実験

をさせていただきましたが,その際安瀬地さんには大変お世話になりました。水理学,特に

管路に関する水理学の知識は安瀬地さんに一番教えて頂きました。私の研究に対していつ

も率直な意見を下さったことは,自分の頭を整理し研究を見直す良いきっかけとなりまし

148

た。すぐに結論を出さずに現象をよく見て考え,論文レビューもよくするようになったのは

安瀬地さんの影響だと思います。現地調査にも数多く同行させていただき,現場の現状や問

題点,理論,模型実験と現場との違いなど色々学ばせていただきました。誠にありがとうご

ざいます。

東京大学大学院農学生命科学研究科の高木強治教授には着任早々,主査をご快諾いただ

き博士論文の学位審査にご尽力いただきまして誠にありがとうございます。また副査を引

き受けていただいた吉野邦彦教授,西村拓教授,吉田修一郎教授には学位審査にあたって大

変貴重なご意見を頂きました。誠にありがとうございます。

水理学の教科書や論文を通じて大変お世話になっている島田正志先生にも本論文を確認

していただきました。論文構成,論理的説明,簡潔な表現についてご助言を頂き,本論文を

より博士論文としてふさわしい形にまとめることができました。突然のお願いにも関わら

ず,論文レビューにご協力いただき心より感謝申し上げます。

水利研在籍中には他大学,他研究室の先生,学生とゼミ,学会,調査等でご一緒する機会

が数多くありました。

新潟大学農学部の鈴木哲也教授には主に佐渡の現場パイプライン調査で大変お世話にな

りました。鈴木先生とその学生の方と計 4 回佐渡で調査,実験させていただいた経験は貴重

であり,何より鈴木先生の研究室のレベルが高く,いつも水利研一同に良い刺激を与えてい

ただきました。おかげさまで博士論文に現場管路実験の章を加えることができ,本論文の内

容に厚みを持たせることができました。誠にありがとうございます。

東京農工大学大学院農学研究院の福田信二准教授には主にベトナム調査や石垣調査で大

変お世話になりました。魚の調査をご一緒させていただいたことは普段なかなかできない

貴重な経験でした。また,応用水理部会,YPF 見学会,水工学講演会等でも数多くのことを

学ばせていただきました。飲み会にも何度もご一緒させていただきました。おかげさまでと

ても充実した大学院生活になりました。誠にありがとうございます。

岐阜大学応用生物科学部の乃田啓吾助教には主にラオス調査,石垣調査で大変お世話に

なりました。とくにラオス調査ではかわいがっていただき、いい意味で頭のネジが吹っ飛ん

で,博士課程進学の良いスタートが切れたと思います。また,岐阜大学の研究室ゼミ訪問の

際も快く迎えて下さり大変感謝しております。研究内容だけでなく,研究のテーマ設定の背

景なども教えて頂いたのが印象的であり,課題解決に向けた研究アプロ―チに対する考え

方が大変勉強になりました。誠にありがとうございます。

五大学ゼミや文献ゼミ等では,東京農工大学大学院農学研究院の加藤亮教授,宇都宮大学

農学部の大澤和敏准教授,松井宏之教授,東京大学大学院新領域創成科学研究科の吉田貢士

准教授,筑波大学生命環境系の小林幹佳准教授,岡山大学大学院環境生命科学研究科の宗村

149

広昭准教授に大変お世話になりました。三重大学生物資源学部の岡島賢治教授には,研究室

ゼミ訪問の際に大変お世話になりました。誠にありがとうございます。またこの 6 年間で数

多くの学生の方と交流することができ,いつも刺激を受けて大学院生活を過ごすことがで

きました。誠にありがとうございます。

東京大学大学院農学生命科学研究科の JSPS 特別研究員である杉本卓也さんと農研機構農

村工学研究部門の新村麻実さんには,自身の学振の申請書作成において,資料の提供や申請

書の添削にご協力いただき,大変お世話になりました。おかげさまで JSPS 特別研究員に採

用され,自由に余裕をもって研究に打ち込むことができました。誠にありがとうございます。

福島大学環境放射能研究所の辰野宇大研究員は,私と研究室は違いましたが研究室に籠

りがちな私のところによく来てくださり,昼ごはんによく誘ってくださいました。その中で,

研究や研究生活のことについて色々と喋ったり,相談させていただいたことは私にとって

リフレッシュできる時間でした。また,農業農村工学会大会講演会のサマーセミナーを数年

にわたって,一緒に企画,運営させていただいたことはとても貴重な経験となりました。誠

にありがとうございます。

水利研の学生メンバーである謝文鵬くん,清水海斗くん,玉川怜史くん,中山慶祐くん,

田潤澤くん,小林翔太郎くん,大田脩斗くん,そして卒業してもなお,なぜか水利研ライン

にいてくれる石川貴大くん,奥村直人くん,佐藤清成くん,矢田部沙羅さん,安田花南さん,

山田大介くん,さらに過去に水利研で一緒だったその他の学生さんにも,定例ゼミや学生ゼ

ミ等で大変お世話になりました。飲み会にも何度も付き合ってもらいました。その他,研究

室旅行,五大学ゼミ,環境教育授業‥,挙げれば切りがありませんが,すべてが懐かしい思

い出です。今までありがとうございます。

6 年間水利研に在籍させていただきましたが,その間に久保先生がご退官され,木村先生

が近畿大学に移られ,飯田先生が岩手大学に移られて,水利研も大きく体制が変わりました。

特に今年度は新型コロナウイルス感染拡大に伴い生活様式が大きく変化し,色々と不安が

大きい中で飯田先生が水利研を出られることになったのは,Surprise!でした。このように

取り巻く環境や状況は色々と変化しましたが,自分の研究は何にも縛られることなく,いつ

でも自由でした。おそらく,こういう状況が当たり前ではないと思うので,支えていただい

た方々に感謝したいと思います。人にも恵まれ,自分は運が良かったです。あらためて東大

水利研に来てよかったと思いました。これまでの経験や思いを糧として,今後も研究者とし

て邁進していきます。最後に,博士課程まで進学させてくれた両親に深く感謝致します。あ

りがとうございました。

2021 年

3 月 19 日

浅田 洋平

150

...

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