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大地震の二次災害の研究

2011年 7月 7日

趙振東

趙振東(Zhao Zhendong):大連大学教授、博士課程指導教官

1946年8月生まれ。1970年中国科学技術大学を卒業。1970年~2007年にかけて中国地震局エンジニア力学研究所勤務。2007年から今まで大連大学勤務。1986年~1990年中国政府の派遣研究者として京都大学、竹中技術研究所で研究。1995年に教授、1999年に博士課程指導教官。主に構造と媒介などの相互作用、接触問題非線形性、エンジニア構造地震反応分析、都市総合防災、震災予測、耐震鑑定などについて研究。1990年以来、中国の国家レベルのプロジェクトは4つ、部レベルのプロジェクトは6つ主宰。それらは中国の重要な基礎研究プロジェクト(973)と自然科学基金とサーフィスプロジェクト、科技部公益特別プロジェクト。発表した論文は80篇以上、省レベル科技進歩賞一等賞は1回、二等賞は2回、三等賞は4回受賞。1999年から、政府による中国国務院政府の特別手当を享有。

共著者:王 桂萱、余 世舟、趙 傑

 大地震の災害は、建物の倒壊にとどまらず、火災、水害、有毒ガスの漏えいと拡散、爆発、土砂崩れ、土石流、津波などの二次災害にも及ぶ恐れが十分ある。二次災害の種類は多いが、それを引き起こす原因も異なり、災害が起きてから、広がるプロセスも異なり、それによる損失も異なる。それゆえ、総合的な数学的物理学的なモデルでシミュレーションをするのは難しい。二次災害の特徴によって、それぞれの研究をする必要がある。

 中国の高度経済発展とともに、都市化も進んでおり、人口と財産も都市に集中してきている。都市では燃えやすい、爆発しやすい危険源がどんどん増え、その規模も大きくなってきた。都市部において直下型または近海の壊滅的な地震が起きたら、二次災害が起こる恐れも一段と高まる。それで、震災二次災害についての対策と研究が必要になってきた。

 本文では、いままでの研究を踏まえ、二次災害の研究状況を総合的に述べたい。とくに二次災害の火災や、水害、有毒ガスの漏えいと拡散、爆発、山地災害、津波などについての研究と重要な成果を述べることにする。現在の震災二次災害の研究における問題点を指摘し、これからの研究を提案しようと考えている。

1、震災二次災害

 壊滅的な地震によって、建物が壊されたり、建造物や基礎施設も壊されたりという恐れの他に、死傷者が出る可能性もある。それに二次災害を伴う可能性がある。主な二次災害は、火災、水害、腐蝕物質と有毒ガスの漏えい、爆発、放射性物質汚染、土砂崩れ、土石流、津波などである。二次災害が起きたら、その破壊力と影響力は恐ろしい。地震による直接的な物質と人員の損失を超えた場合もあり、地震の救済が困難になることもある。

 世界の地震史をさかのぼると、二次災害は大昔にもある。その最も大きな二次災害は、この100年以内に起きた都市の震災二次災害である。たとえば、1923年9月1日、関東地方に起きたマグニチュード8.3の地震である。地震の後、東京と横浜に400個所の火災が起きて、大規模な火事になった。横浜はほぼ焼失した。東京の2/3の地域は灰になってしまった。地震による死亡者は10万人にも上るが、その90%は火災によるものであった。破壊された70万棟の家屋のうち、50万棟は火災によるものであった。1964年新潟地震では、新潟市のガスタンクの破壊と電力支障による火災が起きて、その付近の工場に引火し、広範囲に火災が広がり、500人以上の死者が出た。80基の石油タンクが焼失し、75%のガス供給施設と11個所の変電所が破壊した。1994年、アメリカのノースリッジ地震では、グラナダ・ヒルズの22センチものガスポンプが破裂し、ガスが漏えいして、トラックに引火し、その付近の17棟の住居ビルが焼失した。1995年の阪神淡路地震、台湾の集集地震、それぞれ多くの二次災害が起きた。2003年中国四川省汶川の大地震では、深刻な岩崩れ、土砂崩れなどの災害が起き、堰き止め湖を現出させた。幸い早く適宜な処置をし、重大な水害にはならなかった。2011年3月東日本に起きた大地震は、地震観測史上最大の津波が発生し、大津波が及ぶところ建物は全滅した。それに、世界を震撼させる緊迫した核危機が起き、重大な放射性物質汚染となった。今回の地震では、前にも述べた火災や、水害、有毒ガスの漏えい、爆発、放射性物質汚染、津波などの災害が起きた。

 経済発展に伴って、中国の都市では地震による災害の危険源がますます多くなってきた。その災害源には、燃えやすい、爆発しやすい、有毒物質、放射線成物質などの危険源が特に重視されねばならない。現在、危険源には設備の老化、期限済み、管理不全などの問題がある。近年、危険化学品事故が頻繁に起きていて、地震、経済高度発展、人口過密などを考えると、潜在的な震災二次災害がさらに深刻になり、社会と公共の安全を脅かしている。

 地震そのものの要素が、不確かで、複雑であり、重大危険源による火、水、爆発、毒、放射性物質汚染など典型的な二次災害の研究は多くの研究分野の協力が必要であり、研究の遂行には問題も多い。今までの研究成果はそれほど多くはないので、これでは震災の予防、緊急対策には満足ではない。このため、危険源の管理の強化、震災後の危険性の定量分析と予測、評価方法を研究し、直観的、定量的な災害のプロセスと結果を提供する数値シミュレーションが急務となっている。

2、研究の現状

 地震には、不確定であり、蓋然性が低いという特徴があるので、研究に利用できるような二次災害のデータは不十分である。それに、二次災害の種類が多く、その研究範囲や手段も多くの研究分野の融合が必要となり、多くの問題点が存在する。そのため、二次災害についての研究はまだ多くない。国内外のこれまでの研究では関連する理論とモデルは一般自然災害の研究成果に沿っていて、地震の要素はあまり考えられていない。

二次火災

 地震火災は地震二次災害の最も典型的な災害であり、火災の特殊な形式でもある。その研究は一般的な火災の研究成果と切り離せないが、簡単なモデルがある森林火災の延焼については、多くの研究成果がある。国内外ではGISに基づいた延焼のシミュレーションが多いが、都市火災のシミュレーションに使用できるモデルもある。国外では、ホイヘンスの原理が20世紀90年代に火災の延焼プロセスのシミュレーションに広く使用されてきた。それをもとに、GIS型の延焼モデルが開発された。国内では、中国技術大学が、さまざまな研究をして、Arcviewプラットフォームで森林火災の延焼モデルを開発した。このモデルは坂の斜面の角度、風向きなどの要素を考慮に入れている。ほかの研究所も森林火災延焼についてのモデルを開発した。しかしそのモデルは、森林を燃やす媒介は単一であり、火を止める要素をあまり考えていないので、火がずっと全部の森林が燃えるまで延焼する。

 国内では、都市地震の二次災害の火災についてのモデルは少ない。アメリカでは、それぞれの要因で起こった地震を同じシミュレーションで表わすのは容易ではないと考える研究者がいる。彼らは、その起きうるさまざまの原因に応じて、別々の数値モデルを立てるよう主張する。そういうモデルは地震の後の火災の発生と延焼の多様の要素の関連は考えられていない。日本の浜田は建物についての調査を行い、都市延焼速度式を開発した。それに基づいて、アメリカ緊急事務管理局はGISに基づいて、地震の二次火災延焼速度式FFE(HAZUS99に含まれる)を開発した。その延焼速度式は、建物が規則的に並んでいて、その間の距離は同じで、その建物は全部燃えて、建物の属性も同じであると仮定しているため、火災は円形に進んで延焼することになる。名古屋市消防局は関連する大学と共同開発をし、名古屋市の地震災害予測システムを開発した。それによれば、火災電話で迅速に地図に出火地を確定し、火災延焼範囲の予測をシミュレーションする。

 中国の趙振東、余世舟らは都市地震の火災出火点の確率についての予測モデルについて研究し、地震の二次火災について、建物出火点と地面での延焼加速度(PGA)との二次関係式を出した。かれらは、二次火災発生の確率モデルについても研究している。GISに基づいて、建物セルが出火する確率を求めている。同時に二次火災の地域危険性を研究し、建物のセルについて二次火災が発生する確率を確定し、都市の自然行政区域をセルにし、同じ地域の人口密度、財産分布密度などの危険性に影響する要素を考慮に入れ、火災の危険指標を計算している。ここでは、異なる地域の特徴と需給を考慮して、危険性に影響する要素を加えている。閾値を与える方法で、その地域が二次火災の発生するリスクの高いエリアかどうかを確定することができる。許建東らは伝統的な延焼式と統合して、ArcViewプラットフォームにおいて、GISに基づいた都市二次火災延焼形式を開発した。

二次水害

 本研究は、水利、水文の研究に基づいている。アメリカ地質調査局(USGS)は、GIS、CCHE2Dモデルを利用し、1993年のミシシッピ川洪水の影響を分析している。アメリカミシシッピ大学国家水科学と工学コンピュータセンターはCCHE2Dモデルを用いて洪水推進の数学シミュレーションを行っている。アメリカテネシー州のシェルビービルの降雨径流の計算結果を利用し、地質構造と地下水の特徴、地下水質と水量の地表での特徴、ARC/INFOソフトプラットフォームに人々の地表活動による地上水と地下水汚染、異なる降雨量によって起こりうる洪水とその水没範囲を予測する。日本では、RAMS™デジタルシミュレーションシステムを洪水の予防と分析、予報、観測に広く使用している。

 関連する研究をする中国の学者もいる。馮民権らは蓄滞洪区の洪水をシミュレーションして研究を行っている。王新宏らは、Preissmannの4ポイントリニア陰的スキームでSaint-Venant 方程式を活用した。鄧程林らは、「太子川流域のダム群防災高度研究」において、洪水の数値シミュレーションをしている。龍志雨、謝正輝らは、改善したTOPKAPIモデルで淮河流域の洪水を数値シミュレーションしている。

二次震災の有毒ガス漏えいと拡散

 地震の二次災害の有毒ガス漏えいと拡散については、環境流体力学の質量密度輸送モデルを理論根拠として用いている。主なモデルはKモデル(勾配輸送モデル)や、ガウス(Gauss)モデル、ランダム輸送モデル、急流拡散の統計学の形容―タイラー(Taylor)公式などである。

 国際的に流行している有毒ガス漏えいと拡散モデルはALOHA、SLAB、DEGADISなどである。イタリア電力署(ENEL)Giuseppe Brusasca博士らのチームは先進的な粒式モデルを開発した。ラグランジュの粒の半不規則性運動を利用して、大気の雲流拡散をシミュレーションした。モンテカルロ法を利用して、粒が排出源から計算域に拡散し、運送や、拡散、化学反応、地面沈澱プロセスについてシミュレーションした。

 中国北京都市危険源コントロール技術研究センターでは、重い気体漏えいの風洞実験と、拡散モデル、有毒ガス漏えい、拡散モデルについて研究している。また、北京大学環境科学センターと、風洞シミュレーションについて2年間連携して研究している。このシミュレーションによって、異なる条件についての出力と分析ができる。2次元画像で平面汚染拡散領域を表わしたり、3次元画像で立体汚染拡散領域を表したりすることができる。

 都市大気汚染のシミュレーションについて、欧米では20年来、多くの大気組成のモデルを発展させてきた。ラグランジュの汚染拡散型からオイラーの三次元域化学流れモデルに発展させてきた。よく使われていたオイラーモデルはSTEM-II、RADM2、CAMx、CITとUAM-IVなどである。最初のモデルは主に具体的な汚染問題に対して開発されたが、新しい大気組成モデルであるModel-3/CMAQは古いモデルの欠点を補完している。オゾン、酸の沈降、エアロゾルなどのを含めた総合的なモデルを開発した。近年、ラグランジュ・オイラー総合モデルは大いに発展している。Peters(1995)は、年来のオイラーモデルの現状と進展を評価した後、総合モデルから次世代の化学―輸送モデルに新しく、ユニークな方法を提供する可能性があると述べている。現在では、このモデルを用いて大気汚染の転化と流れの研究をする諸外国の研究者は多い。たとえば、Hess(1989)はメルボルン(オーストラリア)の光化学スモッグを研究した。Pressman (1991)はヨーロッパの窒素酸化物の化学変化と流れ域について研究した。Stein(2000)は化学変化のプロセス(たとえばCB4)と結合して、更に複雑な化学変化プロセスを研究している。しかし、ラグランジュ・オイラー総合モデルについての研究は中国国内ではまだ少ないようである。

 中国ではハイレゾ気象モデルMM5と地域化学モデルRADMを利用して、都市及びその周辺の一次、二次汚染物(オゾン、硫酸塩など)についてシミュレーションしている。動力学、熱力学モデルを市街地と建築群の風環境と熱環境の研究、市街地の大気汚染の流れと拡散の計算に利用している。ラグランジュの軌跡拡散モデルを利用して、北京の大気の一次汚染物の流れと拡散をシミュレーションしている。趙新東、余世舟らは有毒ガスの漏えいする確率を研究した。普通、有毒ガスの漏えいする確率は、二つの要素で決まる。一つは、有毒ガスの発生源のリスクのレベルであり、もう一つは消防能力である。一般的に、有毒ガスのリスクのレベルが高いほど、漏えいする確率が高くなり、消防レベルが高いほど、有毒ガスの漏えいする確率が低くなる。新東、余世舟らは、連続的安定的な漏えいと拡散モデル、有限期間安定漏えいと拡散モデル、瞬時漏えいと拡散モデルを開発した。

二次爆発

 地震二次災害のうち爆発の災害の研究は少ないようだが、その論理的な根拠は、爆発災害の衝撃波の損害――破壊原則(よく見られるのは、超圧原則、衝撃原則、圧力――衝撃原則)であるが、あまり地震の影響を考えていないようである。

 衝撃波による人に対する直接的な損害は肺、耳と体全体の損害である。Pietersenは1990年に肺の損害による致死半径を構想した。Baker、Cox、Westine、KuleszとStrehlowは、LLovelace基金研究者の結果をもとに、肺損害による死亡者の出現カーブを導き出した。それに、適切な条件のもとに、頭部衝撃死亡率が50%のカーブと、体の衝撃死亡のカーブを導き出した。EisenbergとHirschは、50%の耳の鼓膜の破裂を引き起こす入射超圧を導出した。WhithersとLeesは、歴史上の大量の爆発ケースをもとに、統計分析した。その結果として、爆発源の質量、室内の人員密度と建物倒壊による死亡者の数の関係を導出した。

 中国では、宇徳明らは、爆薬による爆発の衝撃波、熱放射と家屋倒壊損害の関係を導出した。燃えやすく、爆発しやすい、有毒な危険品の保管、運送のプロセスのリスクを定量的に評価した。朱建華は爆発波による破壊、損害の効果評価を導出した。趙振東、余世舟らは、地震二次災害爆発数値シミュレーションのモデルを開発して、二次災害の爆発の潜在的な危険エリアを導出した。その結果として、爆発による人員の死亡者、重症、軽傷の危険エリアと安全エリアを推定した。さらに、建物の損害エリア、破壊の甚大な危険エリアを導出した。

二次震災の山地災害

 地震二次災害の山地災害には、いろいろな地質災害が含まれる。それには、土石流、岩石崩壊、地すべりなどがある。土石流についての研究が一番多い。近年、土石流の形成と運動のメカニズムを追及するため、アメリカや、日本、ニュージランド、中国の専門家が土石流理論モデルを用いて多くのシミュレーショント研究を行っっている。そこでは、2次元不規則流れのモデルを開発している。しかし、この実験と結論は、泥流、水石流という極端なモデルに限られている。その二つのモデルの間の土石流は、粒子の大きさが異なり、さらに複雑になっっている。現在の経験と理論に基づいて、砂礫が土石流に与える役割と影響を解釈するとき、土石流についての数学モデルは、ほとんど粘性の弱い粒の媒介物、大きさの範囲が狭い粒、プラスチックの粉の粒子、ガラスシミュレーションの粒を用いて、シミュレーションを行ったものである。中国では、かなりの高濃度で、大きさの範囲が広く、粘性が強い土石流がある。それについてのシミュレーションは始まったばかりである。現地の観測とサンプルの採取を行い、それを用いたシミュレーションは、まだなされていない。雲南の蒋家沟の土石流研究処は、異なる流れの状態で、高濃度の粘性のある土石流の採集と実験分析を行い、この方面の研究の不足を補っている。高濃度の流体の研究に、ビンガム塑性体モデルは広く使用されている。たとえば、Obrien、Qian、費祥俊と康志成らは、それについての研究を行っている。

 雲南地理研究所の唐川では、国内で、最初に土石流数値シミュレーションを行った。ナビエ-ストークス方程式の基本原理と銭寧泥砂理論をもとに、土石流の2次元変動の実流の方程式を立て、土石流の数値シミュレーションのソフトを開発した。精華大学の呉保生は、アメリカ連邦高速道路局の河流シミュレーションと橋の土台を洗い流す流れのシミュレーション(BRI-STARS)をもとに、土石流のシミュレーションの計算能力を高めた。実際に観測した土石流の資料でシミュレーションを実証している。

 中国科学院成都山地災害と環境研究所では、数値シミュレーションとGISの土石流の危険性の動的な分類方法について研究した。土石流の容重と流変性を考慮に入れて、土石流の危険性の動的な分けモデル、土石流モメンタムと土石流の衝撃が建物に対する破壊の影響力のモデルを開発した。GIS技術をもとに、建物の数値標高モデル(DEM)を構築した。建物の影響による土石流の運動数値シミュレーションの方法を開発した。

二次災害の津波の研究

 日本電力中央研究所は津波が発生するとき、津波の高さが正確に予測できるシミュレーションを開発した。シミュレーションは、地上地震計と海底の地震計のデータを参照し、海底の断層の長さと深さを推測し、それに基づいて、立体的に地殻変動の計算方法を利用して、海底の断層のすべりの方向と大きさを算出し、発生する津波の高さを推定する。1993年、北海道南西沖地震で津波が発生した際、研究者たちはシミュレーションシステムで津波が奥尻島に到達するときの高さを正確に予測できた。

 アメリカ南カリフォルニア大学の津波研究ゼミでは、津波を分析し、モデルを作成し、数値シミュレーションの結果を導出した。

 中国上海交通大学船舶及び海洋工学学院の廖世俊博士も、津波と暴風の数値シミュレーションを研究した。最近、東日本ではマグニチュード9.0の大地震大津波が発生し、多くの研究者が津波についての研究に着手するようになった。


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