2019 Fiscal Year Research-status Report
火山噴火災害時の港湾BCP立案の基礎となる水域内降下火砕物の流動解析
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19K04952
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| Research Institution | Kagoshima University |
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Principal Investigator |
浅野 敏之 鹿児島大学, 地震火山地域防災センター, 特任教授 (40111918)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長山 昭夫 鹿児島大学, 理工学域工学系, 助教 (40621438)
加古 真一郎 鹿児島大学, 理工学域工学系, 助教 (60709624)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 港湾防災計画 / 事業継続計画 / 火山噴火災害 / 移流拡散降下解析 / 潮流解析 / 航路啓開 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、地震や津波などの大規模自然災害に対して、道路・鉄道・港湾・空港などの社会基盤施設は、事業継続計画（BCP)を立案して備える体制が整えられつつあるが、火山噴火災害に対するBCPはほとんど検討されていない。鹿児島港は地域の物流の中心であるが、大規模噴火が予想される桜島の火口から10km隔てているに過ぎず、火山噴火災害に対する港湾BCPを策定する必要がある。本研究は、鹿児島湾域に降下する火砕物(特に軽石）の風と潮流による流動メカニズムを明らかにし、BCP立案に資する知見を得ることを目的とするものである。
本年度は、まず、大正噴火規模の火砕物総質量を与え、火山噴煙柱内火砕物の移流拡散降下を表現する数値モデルを開発した。そこでは、噴煙柱高度・火砕物の粒径分布・風速・風向等を入力条件として、鹿児島湾内に降下する軽石や火山灰の堆積層厚・堆積重量を定量的に算定できることを示した。次いで、鹿児島湾内の潮流を時空間的に再現する数値モデルを開発した。さらに、計算された潮流の条件下で、鹿児島湾内に降下した軽石成分が、どのように漂流し、陸上のどこに堆積するかを表現する数値モデルを開発した。
以上より、想定する火砕物総噴出量に対して風向・風速別の鹿児島湾内に堆積する軽石量が算出されたが、次に、その軽石群総量を揚収し航路を啓開するために必要な作業日数を調達可能作業船量と関係づけて概算し、災害後の港湾機能回復に関わる課題について考察した。
本年度の段階で、全体研究の基盤となる数値解析プログラムを整備することができた。湾域に降下した火砕物の風と潮流による流動メカニズム、狭窄部における軽石群の閉塞機構、素因を総合した上での時間軸で捉えた水域全体の軽石群の物質収支について、現時点では大把みな点が残されているものの、かなり解明を進めており、次年度以降の検討課題についても明確にすることができた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1) 軽石群の風と潮流による流動機構 噴火火砕物総質量を与え、風による火砕物の移流拡散と粒径ごとの特性を考慮した降下に関する数値モデルを完成させた。一方で、北緯30.9°の潮位を境界条件として、鹿児島湾内の潮流の時空間変化を再現する数値モデルを作成した。吹送流の効果を無視した場合の、湾内各点の潮位・潮流速について、再現性の良い結果を得ることができた。さらに、得られた降下軽石の堆積量分布と潮流の時空間変化を与条件とした、軽石群の漂流・陸上堆積シミュレーションモデルを開発した。本年度は、軽石の吹送流による輸送や水面上の部分への風圧力、軽石群の密集による相互効果などは考慮できなかったが、基本的な漂流特性については十分に再現することができた。
(2) 狭窄部における軽石群の閉塞機構 西桜島水道や鹿児島港の防波堤開口部などの狭窄域に軽石群が閉塞すると、航行や航路啓開作業の不全の直接的な原因となる。本年度は、閉塞機構メカニズムの準備的検討として、さまざまな寸法・形状・比重を持つ軽石サンプルを用いて、風による流送特性について風洞水槽を使って実験的に検討した。その結果、軽石の比重が1に近くなると水面より上に浮かぶ部分が少なくなり、流送速度が減少すること等がわかった。
(3)時間軸上での軽石群の物質収支の解明 開発した火砕物の移流拡散降下のシミュレーションモデルを用いて、風向・風速を入力条件として鹿児島湾水域上に降下する軽石群の堆積量とその質量換算値の定量的評価を行った。得られた軽石総量に対して，航路啓開に必要な揚収作業の日数を調達可能な作業船量と関係づけて示すことができた。時間軸上で変化する湾内の浮遊軽石群の物質収支を定量評価するために、潮流・吹送流による軽石群の陸上への打上げ、湾口からの流出、軽石空隙部への海水侵入による沈下など、解明すべき課題を明確にした。
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| Strategy for Future Research Activity |
(1) 軽石群の風と潮流による流動機構 風による火砕物の移流拡散降下の数値モデルについては、現地風を代表する風向・風速の鉛直分布をクラスタリング等により特定させる。また桜島の実際の降灰量分布の観測値と比較検証を行うことによりモデルの信頼性向上を図る。鹿児島湾の潮流シミュレーションモデルについては、吹送流の効果を取り込む。軽石群の漂流・陸上堆積モデルでは、潮流・吹送流による軽石群の陸上漂着ならびに堆積の再現精度を向上させる。鹿児島湾口からの軽石の流出は、湾内の軽石群の物質収支を考える上で重要であり、この定量評価を目的とした解析を実施する。
（2) 狭窄部における軽石群の閉塞機構 多数の軽石を用いた風洞水槽による流送実験を行う。実験水槽内にアクリル板などで狭窄部を設けたり、水槽端部に陸上斜面模型を置くことで、軽石群が狭窄部で閉塞したり、斜面上で重なり合って堆積するメカニズムを検討する。
(3)時間軸上での軽石群の物質収支の解明 吹送流による軽石群の陸上への打上げ、湾口からの流出、空隙部への海水侵入による沈下、軽石間の摩擦粉砕による沈降促進などの特性を、数値シミュレーションや物理モデルなどから明らかにし、時間軸上で揚収すべき軽石量の総量を定量評価する。港湾BCP策定に関わる課題として、噴火災害の発生から日・月・年単位で変動する海面上に浮遊する軽石総質量を踏まえた、避難誘導，航路点検，航路啓開，揚収物の仮置場確保，揚収物処分などのタイムライン対応を検討する。
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| Causes of Carryover |
消耗品の購入において端数が生じたため3816円の残額となった。翌年度に他の物品費と併せて使用する予定である。
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