天災は忘れた頃にやって来る

災害科学 disaster science

自然災害natural disaster (natural hazards)の構造

誘因・外力(破壊力) |  | 地域的素因         |  | 災害
豪雨・強風・豪雪・ |→| 自然条件:          |→| 水害・
高潮・地震 …      |  |   氾濫源・         |  | 風害・
                   |  |   軟弱地盤・       |  | 地盤沈下
                   |  |   0 m地帯          |  |
                   |  | 社会条件:          |  |
                   |  |   必ず拡大要因・   |  |
                   |  |   阻止減殺要因     |  |
                   |  | 災害ポテンシャル・ |  |
                   |  |   被害             |  |

災害区分

1. 気象災害(天変) meteorological disaster: 異常気象等、大気中に原因

   Ex. 雪崩, 台風(ハリケーン), 洪水, 竜巻
   

   内水災害

   内水: 堤防内側(= 居住地)で氾濫 overflow in flood する水 → 浸水 inundation
   外水: 海、河川等の居住地外側の水
   洪水 flood: 大河川洪水 > 中河川洪水 > 内水氾濫 → 都市周辺・新開地

   地質災害(地異): 火山, 地震, 津波, 地滑り
2. 人的災害: 人によりもたらされる → 戦争, 都市型災害
   + 二次災害

[災害, 火山噴火, 地震, 防災 (砂防), 地形]

災害期間

シビアアクシデント(過酷事故, severe accident)

チェルノブイリ, スリーマイル島, 福島第一原発
(これらがシビアアクシデントかについては議論の余地が多々ある)

火山名                噴火年 死者数 備考
                            fatality
メラピ(Indonesia)      ?1006   1000 火砕流・火山泥流 mudflow
長白山                  ?11C        世界最大級噴火(詳細不明)
エトナ(Italy)           1169  15000 爆発的噴火・溶岩流
ケルート(Indonesia)     1586  10000 火山泥流
ベスビオス(Italy)       1631 ?18000 爆発的噴火・溶岩/火山泥流
エトナ(Italy)           1669 ?10000 Catania市に溶岩流
メラピ(Indonesia)       1672    300 熱雲・火山泥流
アウ(Indonesia)         1711   3200 火山泥流
パパンダヤン(Indonesia) 1722   2957 山体崩壊
渡島大島(日本)          1741  >1467 津波
浅間山(日本)            1783   1377 熱雲・洪水
ラカギガル(Iceland)     1783  10000 大規模溶岩流(餓死発生)
雲仙岳(日本)            1792  15190 山体崩壊・津波発生
タンボラ(Indonesia)     1815  92000 大規模噴火(餓死病死発生)
ガルンガン(Indonesia)   1822  >4000 火山泥流
アウ(Indonesia)         1856   2800 火山泥流
クラカトア(Indonesia)   1883  36417 カルデラ形成 → 津波
アウ(Indonesia)         1892   1500 熱雲・火山泥流
モンプレー(West Indies) 1902  28000 St. Pierre市に熱雲
スフリエール            1902   1565 熱雲
    (West Indies)
ケルート(Indonesia)     1919   5000 火山泥流
ラミントン              1951   3000 爆発的噴火・熱雲
    (Papua New Guinea)
アグン(インドネシア)    1963   2000 熱雲・火山泥流
セントヘレンズ(合州国)  1980     60 岩屑雪崩 debris avalanche
エルチチョン(メキシコ)  1982  >2000 火砕流
ネバドデルルイス        1985 >23000 火山泥流
    (Columbia)

火山噴火と他の自然災害との違い (荒牧 1997)

1. 発生頻度低 (1/2/3 → 4/5)
2. 災害規模・範囲大
3. 異なる物理モデルに基づく現象が同時に出現することがある
4. 住民の常識を超える未経験現象に遭遇しパニックに陥る傾向がある
5. 物質的・経済的被害に加えマスコミ等の不正確情報により無形の社会的混乱や損害を生じうる

期間(開始点) 火山 (死者)
1888.7.15 磐梯山噴火 (461/477)
1900.7.7 安達太良山 (72)
1902.8 伊豆鳥島海底爆発 (125)
1914.1.12 桜島 (58-59)
1926.5.24 十勝岳水蒸気爆発 → 岩雪崩 (144)
1930.8.20 浅間山 (6)
1931-34 口永良部島水蒸気爆発 (8)
1940.7.12-8.6 三宅島 (11)
1947.8.14 浅間山爆発 (6)
1952.9.24-28 明神礁(ベヨネーズ列岩) (31)
1953.4.27 阿蘇山 (6)
1958.6.24 阿蘇山 (噴石) (12)
1958.12.14 浅間山
1962.6.17 焼岳
1962.6.29 十勝岳 (5)
1962.8.24-26 三宅島
1974.6.17 桜島 (3)
1974.7.28 新潟焼山 噴石 (3)
1977.8.7-14 有珠山 (3)
1979.9.6 阿蘇山 (3)
1979.10.28 木曽御岳山
1983.10.3 三宅島
1986.11.15 伊豆大島三原山 (全島民避難)
1988.12.16 十勝岳
1989.7 伊豆半島東方沖海底火山
1990.11- 雲仙雲仙岳 (43)
2000.3.31 有珠山 M2
2000.7 三宅島(恐山) (全島民避難)
2014.9.27 御嶽山 M1.7 (63)
2015.5.29 口永良部島 M1.4 (全島民避難)

地震学 seismology

地震記録 seismogram

ラブ波 Love wave ≈ S波
レイリー波 Reileigh wave = P波 + S波

Eq. 大森公式: 震源浅い場合k = 7.42で概ね成立
→ 波通過部分により異なる → 推定値からずれる

図. 地球内部における地震波の密度

震源 earthquake foci

浅発地震 shallow earthquake: 70-300 (大部分の地震 > 数10)

= 花崗岩質層

深発地震 deep earthquake: 300-700 (既知最深 = 700)

→ 火山は地震の安全弁?

走時曲線 travel-time curve

図. 走時曲線

走時曲線折れ曲がり + シャドウゾーン + S波消失

地震発生機構

1. 地殻運動(断層・褶曲) [大部分の地震]
2. 火山活動(噴火)
3. 衝撃(地滑り・山崩れ) [小規模地震]

図. 四象現分布

_____
1) シングルカップル 2) ダブルカップル

アスペリティ asperity: 断層面で特に大きなずれがあった部分
バリア barrier: 破壊が伝わるのを阻止する強い部分

群発地震

大規模地震の余震は数年続くと考ええるべき

Ex. 1973 ロシア東海岸地震: 日本海側 = 震度1-2 ↔ 太平洋側 = 2-3
∵ プレート中通る地震波は地盤を伝わるより効率よく遠くまで伝播

地震エネルギー

地震波 E (+ 津波 E + 地殻変動 E + 摩擦熱 E + その他歪 E)

logE = 11.8 + 1.5M (→ E = 10^{(11.8 + 1.5M})

M: magnitude [経験式] → M = 1↑ → ≈ E × 30倍

Ex. logE = 11.8 + 1.5 × (9.5) = 20.65 ∴ 1.12 × 10²⁶ erg

→ F_M-1 = alog(F_M) + b

F_i: マグニチュードiの地震の発生頻度

マグニチュード (earthquake) magnitude, M or m

(計測)震度計: 震度を算出できる地震計

1. 変位地震計: 変位(動いた)距離測定 → 3次元変位 + 固有周期
   水平動地震計 ↔ 上下動地震計 ⇔ 短周期地震計 ↔ 長周期地震計 → 組合わせ使用
   Ex. 標準捩れ地震計 (WATS)

   固有周期0.8秒、減衰乗数0.8、基本倍率2800

2. 速度地震計: 地面移動速度を測定
3. 加速度計accelerometer: 地面移動加速度を測定
4. 高感度地震計(ネットワーク): 増幅器により微少地震測定可能

多数観測値平均値から決定 → 地震波種類、深さ、観測条件等の違いに対応し各種公式提案

1. ローカルマグニチュード, ML (リヒター・スケール Richter scale): カリフォルニア工科大学Richter CF (1935
   震央距離100 kmに置くWATS最大振幅をμm単位で測り常用対数表現(近地地震のみ適用可)
2. 遠地適用公式(GutenbergやRichter): 共にMLに一致するよう系統的ずれに対する換算式存在
   a) 表面波マグニチュード MS: 周期20秒前後の表面波最大地動振幅
   b) 実体波マグニチュード MB: 実体波の最大地動振幅と周期

   MBは、元々周期4-20秒位が対象 → 最近はより短周期(≈ 1秒)のP波最大振幅を用いたものを使用

3. 実体波マグニチュード, Mb (気象庁独自公式): MSに合うよう日本の観測条件に合わせ作られた
4. モーメントマグニチュード, MW (金森博雄提唱、現在よく使用)
   地震規模↑ ∝ 断層運動に要する時間↑ ⇔ マグニチュード: 特定周期から決める → 大地震で頭打ち
   短周期地震波を用いたマグニチュードほど著しい → 地震モーメント(M₀)を基に改良

   M₀ (N·m) = S·D·m
   S = W × L

   S: 断層面面積   D: 断層変位(滑りの量)   m: 剛性率(岩硬さ)

   → MW = (log₁₀M₀ – 9.1)/1.5

   MWは断層運全体の規模を表すスケールで頭打ちなし

   Ex. 史上最大MW = 9.5 (チリ地震 1960)

震度 intensity, I

ガル: 地動の最大化速度の目安値

= 体感・物の揺れ具合に基づく必要なし + 迅速な発表可能

液状化現象

噴砂: 液状化により地面亀裂からすなが噴出すこと

日本地震活動期

1596.9.1 慶長伊予地震 M7.0
1596.9.4 慶長豊後地震 M7.0-7.8
1596.9.5 慶長伏見地震 M7.0-7.1

液状化(北大構内にも液状化跡) + 津波(実際はなかった)

中島飛行機山方工場、三菱重工業道徳飛行機工場倒壊 - 耐震無視設計

地震被害報道規制 - 行政を含めた組織的救護動実施記録なし

震源三陸沖 - M9.0
東北地方太平洋沖地震 + 津波 + 余震

死者・行方不明者数 > 2万人

福島第一原発事故

震源胆振中東部震源 37 km - M6.7
震度 7 → 土砂崩れ・液状化

死者 = 41名

地震工学 Engineering seismology

Ex. 耐震設計

予測精度向上

FM電波(VHF帯): 地震直前に電波異常変動 - 研究必要(串田 2000)

札幌市で想定される震度7の地震

• 市直下地盤に波打つ形状見つかる
• 液状化跡見つかる

津波 tsunami

→ ゼロメートル地帯* 増加に伴い深刻化 (* 平均満潮位より低い土地)
地下街の増加

→ 津波に対する警戒必要

津波予報

日本

マス・ムーブメント mass movement

ラピッド・マス・ムーブメント

斜面崩壊

移動速度 = 大きな土石塊が長時間かけ緩慢に移動 ⇔ 山崩れ
地滑りも山腹荒廃だが地滑り防止工事として別に取り扱われる

Fs: 静摩擦力
Fk: 動摩擦力
Fd: 流体抵抗力

1) 第三紀層地滑り、破砕帯地滑り、温泉地地滑り
2) 形態的分類 - 防止対策工法選択のための分類

図 104. 地滑り地形 (大栃図幅, 吉野川右支南小川)

予測できても山崩発生を確実に防げる施工方法を決めるのは困難。しかし、山崩が起こると大きな直接被害を与える危険地には保全工事は必要。主に渓流に防災ダムを築き被害軽減化を計る

日本の地滑り分布 (林野庁 1968.3.31現在)

● 第三紀層地滑り
× 破砕帯地滑り
△ 温泉地滑り

構造帯 (小出による)
イ 灰葉破砕帯
ロ 棚倉破砕帯
ハ 石巻-島津線
ニ 相馬中村-鶴岡線
ホ 利根川構造線
ヘ フォッサ・マグナ地帯
ト 中央構造線
チ 庄川破砕帯
リ 舞﨑帯

土壌侵食 tarrain, degradation

Ex. 土壌劣化degradation、砂漠化desertification

土壌流出標準値

E: 年間生産量(ガリー形成による)
R: 降水要因
K·LS·P·S: 土性要因

Q (ラショル式による流出量)
C: 流出計数 Ex. 急傾斜山地 0.75-0.90, 緩傾斜山地 0.70-0.80
I: 降雨強度
A: 排水面積 (m², or km²)
→ 雨水の流水量 run-off rate

Ex. 土壌中に農薬等の残存物質が含まれる危険 → 土壌: 非再生資源
氷期遺存物(10000年位前)と考えられる。沖縄の赤土では10^4-5年前に形成されたと考えられる
→ 過去の気候下で形成されたものは再現性に乏しい

→ 土砂災害防止法

土砂災害

土石流氾濫域

土砂災害危険箇所

土石流危険渓流
急傾斜地崩壊危険箇所: 斜面傾斜30°以上、高さ 5 m以上 → 崖崩れ
地すべり危険箇所

砂漠化 desertification

砂漠化 = 砂漠化ポテンシャル(土地固有) + 利用過剰(人間活動) + 旱魃・異常気象

Human impact: over-cultivation, over-grazing, fuel wood Ex. Sahal desertification (anidification)

1. 超長波: 地球をとりまく波の数が数個程度 → 大規模、長期間
   寒冬、暖冬、冷夏、酷暑、長雨、旱魃drought等
2. メソ気象現象(中規模気象現象)/極地気象現象: 地形影響 → 局所的、短時間
   集中豪雨、集中豪雪 → 洪水、土砂災害、雪崩、電線着雪、竜巻、落雷、降雹、フェーン現象等

8.30 16号鹿児島県上陸
10.20 23号高知県上陸

積雪

沈降力: 積雪が自重で沈む力 (平坦地) - 植物が積雪に覆われれば変形
クリーピング(匍行現象) (傾斜地): 積雪が滑り落ちる - 植物も道連れ

雪崩

裏日本に多く、山地開発が奥地に延びるに従い多発傾向
日本海沿岸は世界でも稀な多雪地(1-5 m) → 年降水量に占める割合は小雪年でも20%以上を占める
豪雪地帯特別措置法: 雪対策推進対象地域 = 豪雪地帯

なば(苗場): 雪崩により現れた草付き - 春先の動物餌資源

台風 typhoon

瞬間風速 40-60 m

海岸

高潮 storm tide

主に気圧低下による海水吸い上げと風による海水吹き寄せにより発生
規模は最高潮位や最大潮位偏差等で表す

異常潮 abnormal tide，unusual tide

副振動 secondary undulation: 湾・海峡等で発生する水面の振動現象で、比較的短周期の固有振動

周期は潮汐より短く波浪よりは長い
多くは原因と振幅規模不明 → 港湾発生副振動: 外洋域から伝わる気象や海洋撹乱等が原因と推定

異常潮位 abnormal sea level，unusual sea level: 数日-10数日程度継続する海面昇降現象

量的には小さいが発生原因が多岐にわたるなど予測が困難な現象

海水運動計算 + その運動を駆動する大気からの外力を与える計算
1998.7.1: モデル運用開始 → 高潮ガイダンスとし配信

河岸

ダム貯水位は一般に洪水期直前に低くくし貯水準備
⇔ 非洪水期: 冬期など雨が少ない時期

積雪のない地域では4-5月のピークはない

降雨量の大部分はまとまった時期に供給 → この時期に洪水害集中
逆に中間期には水不足が生じることがある

水利用

江戸時代 → 明治時代
御留山 (禁伐林) → 保安林制度
水野目林・田山 → 水源涵養保安林
土砂山林・砂除林 → 土砂流出・崩壊防備保安林

Ex. 合州国テネシー州某流域試験: 壮齢林で総流出水量は荒廃地の1/8位に減りかつ平準化行われる
減少 = 土中への浸透高い

→ 森林成長に伴うもの

→ 大部分は降雨時に流出
他流出成分より時間的に早く流出するので洪水ピークの主要部分となる

⇔ これに対し森林は根が杭・緊縛材の機能を果たすため崩壊少ない
→ 森林土壌形成作用 → 透水性にも関係 → 良好な森林で崩壊は少

標高 高所 - 年間降水量多、年蒸散量少 → 水資源の中心部(水源地帯)

災害防災史 history of disaster prevention

1718 France: 山林乱伐禁止
1882 Austlia: 砂防, German: 砂防と林業, Italia: 火山性荒廃地

16c.末: 海岸砂防植栽
17c.中: 山巻工・石巻工(岡山) - 植樹・木根掘取禁止(幕府)
17c.末: 禁伐・土砂留・砂除 → 保安林の基礎、山腹工・張芝の方式
M.7: 治水事業 → 内務省所管
M.24: 森林法公布
M.44: 第1期治水事業

防災 disaster prevention

自助・共助・公助

災害弱者 disaster vulnerable (要配慮者): 自力避難困難 - 避難支援要

災害情報弱者 disaster information vulnerable Ex. 日本語理解困難な留学生・技能実習生 - 英語も困難なことがある

減災 disaster mitigation (or reduction)

学術マップ (火山地質図、火山災害実績図) + シュミレーション
行政マップ
広報マップ

縮災 disaster resilience

危機対応・業務継続(大学版)

ハザードマップ
被害想定・被害シナリオ (地域防災計画)

勤務時間外に発災: 役職員1割(400人)参集不可能
勤務時間中に発災: 役職員負傷60人

JR: 1ヶ月程度の運行停止か間引き運転
地下鉄: 1週間程度の運行停止か間引き運転

事前準備

災害図上演習 Ex.

クロスロード(状況判断ゲーム)
イメージトレーニング
災害想像力ゲーム (disaster imagination game, DIG)
避難所運営ゲーム (HUG)
マップマヌーバー (MM)
ロールプレイング図上訓練

出勤停止要件 Ex. 家族安否・家屋安全確認を参集

釜石の奇跡「津波てんでんこ」

緊急時統合調整システム (incident command system, CIS)

├[ 情報作戦 planning ]
├[ 資源管理 logistics ]
└[ 庶務財務 finance/administration ]

• 統制範囲 control span
• 用語標準化 common terminology
• 機能管理 functional management
• 目標管理 objective management
• 指揮一元化 command unity
• 統合指揮 unified command

[ 災害時心理 ]

初動

• 自己の安全確認 + 安否確認
• 被害状況確認

業務継続

→→→→→→→→危機発生 [初動対応-復旧体制]→→→
事前対策↑___危機対応↑________業務継続対応↑

自然の動的認識 (地表変動論)

a. 自然観察の方法

新第三紀       第四紀
               洪積世       沖積世
                   1万年前         500-200万年
日高造山運動   海水準変動   地表変動┐局地気候 人為 ハゲ山(中国・近畿)
グリンタフ変動 緩慢な陸地上昇   │  │土性       │ 煙害地(足尾) 100年
 │            火山活動         │  │生物       │ 造林地･崩壊(北海道)
 │            地震             ↓  └┼───┐ │               15年
 ↓             ↓          侵食阻止↖ ↓      ↓ ↓
 地質────→地形 ────────→森林(天然林)─→荒廃山地(人工林)

b. 現地形の時間的・空間的見かた

Ex. 年輪、テフラ、航空写真、測量

c. 地表変動に対する認識(石れき指標)

            ┌変異樹形┌外観     樹冠不整・梢頭枯損
   植物指標╱│        │         生育不整
植物群変化╱ │        │         立ち枯れ
 地表変動╱  │        │         樹幹傾斜・屈曲・偏心成長
気象変動╱   │        │         上伸枝
            │        │         樹幹基部の外傷
            │        └年輪解析 年輪幅の広狭
            │                   年輪の損傷
            │                   偏心方向の変化
            │                   アテ形成方向・強度・方・断続
            │                   上伸枝の年齢
            │                   心材部腐朽
            ├根系異常┌外観     不定根形成 - 耐埋没性樹種
            │        └年輪解析
            └木本侵入┌群落┐   針葉樹 耐陰性樹種
                      └樹齢┘          陽性樹種
                                 広葉樹 先駆樹種
                                        耐陰性樹種

生態系を活用した防災・減災 (Eco-DRR)

表. 人工物インフラとのと比較。◎大きな利点 〇利点 △ 比較すると欠点 (日本学術会議 2014)
△ 単一機能の確実な発揮(目的とする機能とその水準の確実性)
◎ 多機能性 (多くの生態系サービス同時発揮)
〇 不確実性への順応的対処 (計画時予測不能事態への対処容易)
◎ 環境負荷の回避 (材料供給地や周辺生態系に低負荷)
△ 短期的雇用創出・地域経済効果
◎ 長期的雇用創出・地域経済効果

森林による災害軽減

1. 木材等生産機能: 健全森林生態系から、木材、特用林産物、薬草、動物、林間作物、昆虫等を持続的生産
2. 水源涵養機能: 渇水・洪水緩和 + 河川流量安定化 → 良質水供給
3. 山地災害防止機能(国土保全機能): 土砂崩壊・土砂流出・雪崩・流水等を抑制し、山地荒廃化を防ぎ森林が発生源となる災害発生防止
   
   _____________________経過時間
   図. 荒廃流域の造林による直接流出量減少と流出時間延長(TVA 1962)
4. 生活環境保全機能: 強風、飛砂、塵埃、騒音等森林外で発生する要因による生活環境悪化防止。樹木の生物活動通じ酸素供給し、湿度維持等により快適な生活環境を保全・形成
5. 保健文化機能: 文化、教育、保健休養的諸活動の場提供、感銘与える優れた自然環境維持・形成等を通じ、精神的、肉体的健康の維持・増進や資質向上に寄与。原生的環境保護、貴重動植物生息地保存等を通じ、森林生態系構成する生物の遺伝子資源保全と共に学術振興に寄与

森林区域は市町村森林整備計画で定められる
→ 機能に応じ「水土保全林」又は「森林と人との共生林」に区分 → それ以外は「資源循環利用林」

複層林施業森林、長伐期施業森林を市町村森林整備計画で規定

要転換森林、特定広葉樹育成施業森林を市町村森林整備計画で定める

効率的・安定的な木材資源活用と施業集約化・団地化や機械化を通じた効率的な森林整備を図るために設定

防災関連研究施設

足寄強震観測施設

防災科学技術研究所

火山噴火情報

活動レベル(2007以前, 6段階)

噴火警戒レベル

予知 perception

バンド状微動 banded tremor 低周波微動・ハーモニック微動 harmonic tremor

地質学的噴火予測

1. 火口下ガス圧直前上昇 → 微小変動精密地下観測
   爆発的小噴火; 1-2 (数分-数時間, 数十分間) 桜島 1985-, 十勝岳 1988-89
2. 繰り返し膨張・収縮 → 傾斜と高周波地震
   周期的溶岩流噴出; 1 (数日-数週間) キラウエア 1982-
3. 地下水火道接触(-) → 長尾地震増加
   爆発的小噴火; 1-2 (数日-数週間) ガレラス 1992
4. 溶岩供給圧力増加 → 繰り返し加速変形等
   溶岩ドーム成長; 1-3 (数日-数週間) セントヘレンズ 1980-86, ペズィミアニイ 1955-61
5. ドーム崩壊連続拡大 → ドーム監視火砕流伸張
   溶岩ドーム崩壊型; 火砕流; 2-3 (数十分-数日) 雲仙岳 1991-93, メラピ 1994, スフリェールビルズ 1997
6. 溶岩地表接近・隆起 → 浅発地震群・地割れ
   実例広範囲; 2-4 (数時間-数日) 有珠山 1944, 77, 雲仙岳 1991, 伊豆大島 1986 (割目噴火)
7. 軽石噴火シナリオ → 小 → 噴火柱 → 火砕流
   (サブ)プリニー式火砕流噴火; 3-5 (数分-数時間) 駒ケ岳 1929, ペスビァス 1631
8. 山体不安定化 → M5地震とバルジ変形
   山体崩壊・爆風・大噴火; 4-5 (数週-数カ月) ペズィミアニイ 1955-56, セントヘレンズ 1980
9. 軽石噴火拡大過程 → 間欠的垂直噴火先行
   大火口-カルデラ形成噴火; 5-7 (数日-数週間) ピナツポ 1991, カトマイ 1912, タンボラ 1815, ベスビアス 79

→ 噴火の時期・様式・規模

→ 火山発達史・噴火輪廻

→ マグマの性質・挙動

⇓ 噴火予測: 時期・地点・様式・規模

⇓ 噴火災害の事前計画 / 災害予想地図

小田原土木センター

大涌沢の地滑り対策事業 (Owakuzawa)

復旧治山: 既荒廃山地等を復旧整備し、災害防止・軽減を図る治山事業
予防治山: 荒廃の兆しのある荒廃危険山地の崩壊等を未然に防止する治山事業

復旧治山事業

崩壊地復旧事業
はげ山復旧事業

予防治山事業

はげ山防止事業(荒廃防止第1)
山腹崩壊防止事業(荒廃防止第1)
渓流崩壊防止事業(荒廃防止第2)

海岸砂地造林事業

防潮林造成事業
防風林造成事業 (海岸防風林造成事業) (内陸防風林造成事業) (水害防備林造成事業)

保安林改良事業 (保安林改良事業) (水源林造成事業)

平成25年度______改植 3.00 ha
アカエゾマツ___1.80 ha 7,200本
ケヤマハンノキ_1.20 ha 4,800本
水源かん養保安林 平成22年5月14日 北海道告示 第387号

北海道宗谷総合振興局 水源涵養保安林: 2017年11月1日確認

堂徳山国有林の治山事業

堂徳山国有林では昭和24年から治山事業を行っている。

• 中層の多すぎる樹種を選択的に間引く(間伐)。
• 林内が明るくなり、バランスよく様々な植生が成育する。

治山設計基本原則

1. 構造物の力学的、耐久的安全
2. 水理学的条件の適合
3. 土質力学的安定
4. 適地適工法
5. 完全緑化
6. 経済性

社会資本としての意義

林業(木材生産)との関連

砂防工学 erosion control engineering

林業学 → 森林生態学 + 造林学 + 森林保護学

↔ 地形学・地質学・土壌学・気象学

森林影響学 - 砂防工学 (+ 水理学・水文学)

森林厚生学 - 応用力学(材料力学・土質力学)・統計的方法

砂防 erosion control, sabo

陸上地における土砂礫の移動に伴い起こる諸害を防止すること

1. 表面侵食・崩壊・地滑り等による荒廃の予防と復旧
2. 渓流における流れが安全であるための諸工事
3. 飛砂や海岸砂地侵食の防止
4. その他雪崩や落石など山地に起こりやすい災害の防止

保全サイドの論理

1. 土地利用の安全策を探る (場の保全)
   森に学び川に習う(自然を知る-条件付け) → 年輪を読み(時間的要因)、石ころに問い(空間的要因)
   → 認識論
2. 観光(開発)と防災の関係を探る
   砂丘に立って木の命を考える Ex. 砂防林造成(最適化 = 防災)に伴い砂丘紋が消滅する → 観光(≈ 開発)
   価値観設定(認識) - 緑の哲学 → 観光砂防/都市砂防 開発か保護か
   実行 (計画・施工) → 復旧 → 予防 (予防措置 precaution)
   Ex. 発寒川: 農村 → 都市 (含、公園・緑地) - 水田は侵食が発生しにくいが、畑・荒地は発生しやすい

科学方法論

地域容量 space capacity

自然地域容量: 生態的容量, 形態的容量
計画地域容量(= 地域区分計率): 自然地域計率, 人工地域計率

人間標準空間: 肉体的空間, 精神的空間
施設標準空間: 固定施設空間, 移動施設空間

植生理論

Ex. 極相林に先駆樹種混入 - それらが加わった地表変動の考察が必要

土砂移動に関する理論

R: 径深
Ie: エネルギー勾配(I: 水面勾配)
ρ·g: 水単位重量
τ0: 掃流力
τc: 限界掃流力
U*c: 限界摩擦速度
→ これらのある値を越えると土砂は動き始める

d: 砂密度
v: 動粘性係数

下線部の値が大きくなると → gB/U*d = 10{(U*² - U*c²)/(σ/ρ - 1)gd}

vs = vw/{w + α(ws - w)} 式成立しないこと多(無理がある)

α: 土砂の水に対する堆積比
ws: 土砂の単位重量

海岸砂丘の変動

vm(z) = mlog10(z + z0) + β … (1)

z0: 高度0、即ち海面の粗度
m, β: 係数

v* = √(τ/ρ): 合理的 … (2)

v*: 摩擦速度
τ: 流軸に平行な平面におよぼす摩擦力
ρ: 空気密度

(1), (2)より
vm(z) = 5.75v*{log10(z + z0) - log10z0} … (3)
(1), (3)より
v* = m/5.75, log10z0 = -β/m
風の流れ d/vm(z) = √(Σ(v - v_m(z)))/(v_m(z))√n), n: 観測回数

丘砂・飛砂

地表土砂移動 → 植物定着できない
+ 砂丘では、更に水分等の条件が成長を阻害

森林および土地に関する理論

森林観の変遷

「木があるから山が崩れない」⇔「山が崩れないから木が育つ」こともある

環境林

防災林

海岸防災林

= 林帯幅・地形・森林構造が重要 (カシワ林)

海岸砂防(砂丘固定)

1. 土木方法

堆砂工

↔ 風下面は25°以上にせねば、飛砂侵入・砂丘前進防げない。海水浸入を防ぐには前丘の高さを大潮満潮線上4 m以上とすることが必要。飛砂は植生が海岸線のすぐ側に行きつくまで継続するから波防止の目途の立つ限りは、なるべく海岸線に近づけるのがよい

図. 堆砂垣の例

2. 生物的工法

水分・養分要求性低く、高温・乾燥耐性強く、強風・飛砂・飛塩に対する抵抗性大きい樹種を選択
+ できれば、土地改良効果もある
クロマツ・アカマツ・ミズナラ・カシワ・ポプラ・クスノキ・ヤマモモ・トベラ・モクマオウなど。ハンノキ・ネムノキ・ニセアカシア等が根粒菌による窒素供給をはかるため10%程度混植される

播種造林は弱風の所でしか使えない
砂防含む総合緑化計画(砂坂海岸林、エリモ岬): 長期的展望(> 数10年)必要

3. 各種工法の組合せ

保護・管理

空間 space + 時間 temporal = 自然の動き知る(時期・場所・規模)
→ 対策
= 空間的防災工事 - 攻撃型・守備型 ⇔ 時間的防災工事 - 遊離型

→ 防災対策

↓ 経験の集積
↓ 経験則 Ex. 火山噴火類型化(羊蹄山 ↔ 富士山･三宅島 ↔ 大島)
現在の砂防技術で地滑り等の根源を止めることはできない
動き出した時または動きの大きくなる前にその動きを止める(小さくする)のが限界

            現在 →→→→→→→→→→→→→→→→→→→ 過去
            植生 →→→→→→→→→ 地形 →→→→→→→ 地質
┌────────────┐ ┌───────┐ ┌───────┐
│幼齢林     → 老齢林    │ │沢口   → 渓流│ │土壌   → 母材│
│先駆樹種   → 耐陰性樹種│ │扇状地 → 斜面│ │火山灰 → 基盤│
│軽量級種子 → 重量級種子│ │山麓   → 山頂│ │              │
└────────────┘ └───────┘ └───────┘

1. 拡幅部の堆積形態と木本群落(洪水段丘と年齢)
2. 旧堆積地の洗掘傾向(樹幹傾斜、あての形成、偏心成長の年代)
3. 既往洪水時の水位(樹幹の傷痕)
4. 既設ダムの堆砂、洗掘状況
5. 崖錘の消長と大型草本の侵入
6. 渓岸斜面の地すべり地形の判別 (狭窄部の安定度の判別)

→ 諸調査との関連: 資源調査、素表の活用

計画の種類

• 渓間工事計画: 経常計画、応急計画、予防計画
• 経常計画: 一定の計画の下に荒廃渓流を治めて行く
• 応急計画: 取り敢えず流出土砂被害を与えぬよう要所に渓間工事行う
• 予防計画: 現状は未荒廃だが荒廃可能性極めて濃厚な渓流に対し行う

モデル工法

1. 渓床勾配を緩和し渓流の侵食を防止
   堰堤・床固を階段状に配列する
   堰堤・床固を近接して階段状に配列する(一般的)
   堰堤・床固の嵩上げまたは高堰堤を施設する
2. 山脚を固定し山腹の崩壊防止: 堤填より渓床を上昇し山脚部を固定､護岸工により山脚を固定
3. 流出土砂礫貯留: 貯留施設 Ex. ダム、遊水地、調節池 - 一般に高堰堤計画し基礎は良質岩盤で上流に広貯砂地有する個所がよい
   

   ---

   流域貯留浸透: 雨水を一時的に溜め河川氾濫を防ぐ貯留施設
   Ex. 幌北小学校グラウンド、美香保公園

   都市化による水害: 都市化 = 道路アスファルト化 + 緑地(貯水機能)減少 ⇒ 短時間に降水は河川に流入

   ---

4. 砂礫堆積地の乱流防止、渓床固定: 床固を階段的に配列する、護岸工、水制工により乱流を防止
5. 現渓床の維持: 床固を階段的に計画する

山地斜面調査

1. 林内地滑り地履歴の判別 (ササ生地と大型草本群落、先駆広葉樹の侵入、尾根の針葉樹、不成績造林地、天然更新地の年齢差、腐朽材の出現頻度)
2. 崖錘の消長 (大型草本の群落)
3. 既設林道法面形態 (風化土層の厚さ、新規火山灰層、基盤の立体的形態、流れ盤と受け盤)

1 設計説明書. 2 施行経費内訳表. 3 明細表. 4 単価表. 5 数量計算表
6 個所別工種数量表. 7 労務資材調書 8 図面及び構造物計算諸表

地震探査法(弾性波探査法): 屈折法、反射法。重力探査法。電気探査法。磁気探査法。地温探査法。放射能探査法: 地下構造判定、ラジオ・アイソトープ調査法

資料調査: 気象資料、既設気象観測所データ
極値予測: 降雨予測、確率降雨計算法
気象観測法: 雪・積雪、治山現地における特殊観測: 気温・温度、風、雨、積雪、土壌凍結

荒廃調査

斜面下部に流出土砂受箱設置
侵食ピン
地上写真測量
低空航空写真 → 精度はカメラの性能・撮影高度により異なる

土木方法

斜面安定

表面侵食防止: 裸地侵食深は10 mm/yr程度。寒冷地では凍上による脱落土量も多いが全体としては水食が多。表土水食は雨滴水食と地表流下水の掃流による

1. 雨滴水食防止: 雨滴が直接土粒子に当たらないよう → 地表が草類・落葉等で覆われていればよい
2. 侵食力の低下
   a) 斜面の傾斜を緩くする
   b) 雨水を分散流下させる
   c) 表面を被覆する
   d) 雨水を特定流路に集め、裸出面を流れる水量を減少させる

種類
荒廃地を安定させて侵食をある程度抑制する基礎工事
斜面を植生被覆し土壌侵食防ぎ、森林に復帰できる状態にする緑化工事
樹木を植栽するなどの砂防造林

山腹基礎工事

1. 花崗岩質の土層はできるだけ緩く切り取る。25°以下が望ましい
2. 火山灰質・岩礫屑は15°以下に切りとるか、ほとんど垂直に切り取る
3. その他の地層は地形に応じ無理のない程度に法切りをする

1. 山腹積工: 山腹練積、山腹空積、山腹コンクリートブロック積
2. 山腹コンクリート工
3. 山腹柵工: 山腹木柵、山腹網柵(cf. 植生工)
4. 山腹方角積工、PNC、板積工

1. 水路工: 崩壊地凹部で集水効果大きい部分に傾斜方向に沿い設ける

   
   図. 水路断面

   断面積 = 集水する水量を完全に流せる大きさ → 下部ほど広げる
   土砂混入等で流路が塞がれることがあるので十分余裕をとる(水路工は期待ほど効果あがらないこと多いので注意必要)
   張石水路、コンクリート水路、コンクリー半円管水路、コルゲート管水路、張芝水路、網柵水路
2. 暗渠工: 浸透水の排水

• 排水工: 暗渠排水・開渠排水・ボーリング排水・トンネル排水・集水井排水 → 地すべり誘因除去
• 抑止工: ダム工・埋立工・擁壁工・パイル工等 → 地すべり滑動力に対する抵抗力増大
• 切取工: 安定工法・促進工法 → 地すべり土塊の一部を除去

長期予知: 地質構造による予知、周期による予知
短期予測: 応力変化、地下水異変、クラック新生・地層の急沈昇等

防止
雪崩発生防止工: 杭工、柵工、階段工等
雪崩誘導工: 誘導工、分割工、雪留工、雪覆工
雪崩防止林

渓床固定

• 集水地域: 渓流上流部にある砂礫生産地 → 土砂生産の根元を治めるため渓流工事・山腹工事併用必要
• 流送地域: 日本では峡谷をなすこと多 → 流送土砂の貯砂調節のため砂防ダムをうつ
• 堆積地域(氾濫地域): 河床勾配緩やか。一般に流路工channel work施工。過分流出土砂あれば砂溜工を設ける

勾配緩和: 階段状ダム群、流路延長
水深減少: 河幅拡大、砂防ダムの堆砂

渓床の舗装 (網柵工、帯工など) → 張石水路、コンクリート舗装水路

上流集水地域工事

侵食防止工事: 階段状ダム工、舗装水路工
貯砂調節工事
土石流抑止工事
洪水調節工事 (横工、縦工)

ダム地点は地盤が固いこと。そうでない場合には人工的に地盤を固める。水路断面は両岸が迫った峡谷間の狭い地点が良い。渓流の合流点の下流はダム地点として良いところ

ダム

貯水池(ダム湖): ダムにより川が堰き止められできた人工湖

有効貯水容量 = 総貯水容量 - (堆砂容量 + 死水容量)

堆砂容量: 一定期間(普通100年)の貯水池への予想堆積土砂容量

堤高: ダムの高さ = 基礎地盤からダムの一番上
堤頂長: ダム堤頂部における右岸-左岸間の距離
堤体積: ダム本体の体積 = ダム構成する材料の合計

Ex. コンクリートダム = コンクリート体積

湛水面積: 常時満水位時に水が貯まった時のダム湖水面面積

堆砂上面の水位 ↔ 通常この水位より下の水は利用出来ない

洪水調節: 貯水池に、洪水を貯めダム下流の洪水防止・軽減をすること
設計洪水位, daily water level (DWL): 1回/200年程度の大洪水発生時のダム貯水池水位
サーチャージsurcharge水位, surcharge water level (SWL): 洪水期に一時的にダム湖限界まで貯水出来る水位
洪水調節容量 = (SWL - 洪水期制限水位)を容量に変換

その容量の範囲内で洪水の調節をする

利水容量 = (常時満水位 - 最低水位)を容量に変換

利水目的毎に分割

L, 水たたきの長さ
H, 砂防ダム有効高
v, 平均流速
Angerholzer式: L = (v + √(2gt))·√(2H/g) + t
経験式(n: 前のり勾配)

高いダム L = 1.5(H + t) - nH
低いダム L = 2.0(H + t) - nH

水たたきの厚さは経験的に0.7-2.0 mとする
先端に垂直壁(止水壁)を設けることがある

副ダム(副堰堤): 本ダムと副ダムの間隔は水たたきと同程度
捨石工: 水たたきに大石・コンクリートブロックなどを置く工法

水害対策

1. 樋門: 堤防中にコンクリートの水路を通し、そこにゲート設置したもので規模の大きいもの
2. 樋管: 樋門より規模小さい (樋門との明確な区別なし)
3. 水門: 堤防を分断しゲートを設置した施設

下流堆積地域

法面の取り方

輪中堤: 特定区域(輪中)を洪水から守るため設けられた、輪中を囲むように作られた堤防
排水機場: 低地盤堤内貯留水、逆流防止施設により自然流下不可能な水を排出するポンプを設置した施設

護岸は高水位より高くし河岸侵食を防ぐ高さ必要。基礎根入れは元河床より1 m以上深くする。凹岸の護岸は流れが衝突するから特に堅固とし凸岸より高く深くする。高くする程度は湾曲部において流水は凹岸側の水位が凸岸側より高くなるというCrashofの式に基づき決める

h = 2.3·(v²/g)·(logR2/logR1)

h: 凹岸側が凸岸側より高い水位差
R1, R2: 凸岸側、凹岸側法線の曲率半径

法覆工: 河岸が流水に接するところ(法面)を保護する。積工等
根止工(法止工): 法覆工の基礎を保護する
根固工: 護岸の基礎が洗掘されるのを防止

Ex. 捨石工、沈床、枠工、籠類
Ex. 床固工、帯工、舗装水路工

堤防嵩上げ: 河道改修法の一種で、堤防をそれまでより高くし、流下断面を確保する方法
引堤: 河道改修法の一種で、川幅を広げるため堤防を堤内地の方に移動させ、流下断面を確保する方法

流身の方向を転向させて安全な水路を形成するのを目的とする
Ex. 流れを河岸より離すために凹岸側のみに水制を設ける

貯留土砂の除去を適宜施す必要

扇状地固定

1. 扇状地判別
2. 林相判別 (先駆樹種広葉樹、林齢)
3. 流路変動判別 (地形横断面と凹地部の木本群落)
4. 二次侵食年代判別 (樹幹傾斜、あての形成、偏心成長の年代)
5. 再堆積年代判別 (樹幹の傷痕、不定根の年齢)
6. 既設ダムの堆砂と洗掘状況

山腹面保全

1. 地表被覆方法

1. 階段工: 植栽樹が失われると荒廃地に戻る危険
   欠点: 10年以上経つと、普通、樹木成長止まる
2. 全面被覆工: 伏せ工、実播工
3. 人工芝工
4. 人工資材と機械力による全面被覆工

図. 地表被覆方法。裸出は植生侵入しづらい

緑化工

1. 積苗工: 花崗岩のように風化による土壌化作用の遅い地質に適
2. 筋工: 水平階段に直接穴を堀り、その前面に侵食防止に芝等を積み階段を保護する方法
   1. カヤ筋工: 傾斜30°以下。土が比較的柔らかい地帯に適する
   2. 石筋工
   3. そだ筋工
   4. 芝筋工
3. 植生盤: 土・肥料・藁を混ぜ圧縮成形したもの → 表面に樹木種子埋込
   安定植生盤: 表面をネットで覆ったもの
4. 表土ブロック → 移植
5. 植生袋: 種子・土・肥料を混合し網袋に詰めたもの
6. 伏工: 凍上・霜柱の起こる地方で行われる
   粗朶を水平方向に敷き並べ押さえ木を縦方向に使い杭木で固定
   資材不足のためあまり実施されない
   粗朶伏せ工: 一時的保護方法。面伏基礎工が必要
   藁伏工: 一時的保護方法
   筵張工
   網伏工
7. 吹付工(航空実播含む)

草本類: 痩地・乾燥に耐える + 根茎・地下茎発達よい + 再生力強く多年生 + 草丈低く広がり性大 + 秋-早春にかけ成長

樹木(木本): 痩せ地・乾燥に耐える + 成長早く活着しやすい + 天然危害に対し抵抗力強 + 根張り良く深根性 + 土壌理化学性改善し得る + 萌芽力強

山腹造林

植栽時期は3-4月の春植えが適当(多雪地では秋植えもある)。施肥必要。間引きを適宜行う

→ 理論的根拠乏しい

施工材料の開発と工法の限界

荒廃調査

補足効率 (trap efficiency) = (貯水池堆砂量)/(流入土砂量) × 100 平均年間流出土砂量 qs ∝ A - α

qs: 流域面積あたりの堆砂量
A: 流域面積
α: 0.8-0.83

洪水流出土砂量

Ex. 阿蘇災害 (1953) 90000-100000 m³/km²
Ex. 富士川災害 (1959) 20000-77000 m³/km²

掃流土砂採取器や浮遊土砂測定のための採水器を使用 → 誤差大きくデータ偏りも考えられ、貯水値の堆砂量をもって流出土砂量とすることも多い
QS1 - QS2 = Qd

QSi: 各位置で一定期間内に通過した土砂量(公式による計算値)
Qd: 両横断面間の同一期間内における河床変動量 (実測値)
理論上は上式となる
多数の流砂量公式中から上式に合う値を探す

荒廃危険地判定調査法 → 目的・方針、概況調査、個別調査、整理
荒廃予測: 因子。荒廃予測に用いる回帰式。荒廃の兆候が認められるところの予測。荒廃の兆候は認められないが今後荒廃する危険のあるところの予測
空中写真による荒廃調査

効用と限界。写真、反射実体鏡、地形図。空中写真による荒廃調査: 一般的方法、図化機利用

室内実験

1. 渓床勾配緩和、縦横の侵食防止
2. 両岸山脚固定と崩壊防止
3. 流送砂礫の貯留と調節
4. 堆積地域では流路整理

3. 石積ダム   4. アースダム   5. 木ダム   6. じゃ籠ダム   7. 枠ダム
8. 鋼ダム

3-8: 比較的小さい渓流に対して用いられる
5-7: 応急処置あるいは小規模荒廃地

直線ダム: 主として重力式ダム
アーチダム: 外力をアーチクッションで支えるもの
混合ダム: 中央部がアーチ、他が直線

1. 堤冠、天端、天場: 転石の衝撃に耐える強度
2. 水通部、水通、放水路: 渓流中心部に設けるのが原則。摩滅が激しいので十分な保護が必要
3. 袖部、袖
4. 下流法、表法、水裏法: 天端から落下する転石の衝突による法面損傷防止のため急傾斜とする
5. 上流法、裏法、水表法
6. 水抜、水抜孔、暗渠: 堆砂中の地下水の排水を良くしダムにかかる過重を軽減するため、流送砂礫調節、および工事中の排水路drainage channelとして使用
7. 堤敷、堤底

S = 1/2・h²B/(tanα - tanβ)

h: ダム有効高  B: 堆砂区域の平均幅
α: 原河床勾配  β: 計画堆砂勾配

雨量から求める式(rational formula)
Qp = (10002 × frA)/(1000 × 50²) = (fr/3.6)·A

Qp: 流量ピーク
f: 流出係数 (流出率) = 洪水ピーク量と降水量の比
r: 豪雨の時間雨量 (mm)
A: 流域面積 (km⊃) → fr/3.6: 流量比 → 普通流域小さいほど大

表. 各地形または各河川の流出係数 (f)

急峻な山地: 0.75-0.90________ 三紀層の山丘: 0.7 -0.8
起伏ある土地・樹林: 0.5 -0.75___平坦な耕地: 0.45-0.6
山地川: 0.75-0.75____________平地小河川: 0.45-0.75
流域の半分以上平地の河川: 0.5 -0.75

l: 地形図に現われた水路延長 (m)
伝わり速度, ω = 72(H/l)^0.6

H: 標高差 (m)

Ex. T = 1 → r = 1時間最大雨量をとる

ダムに働く外力

• 水圧: ダムが貯水impoundmentされるに伴い背面に生じる静水圧
  W = rω/2·h(h + 2h')√(1 + m²)

  h: ダム有功高  h’: 越流水深   m: 上流側面法面勾配 (1:mで示す)

• 土圧: 砂防ダム上流側の堆砂の土圧 (堆砂中に浸透した地下水は土中水圧となる)。一般に静水圧より小さく、土圧は作用方向に有利な方向を採るので一般の重力ダムでは土圧は考慮しない
• 地震力: 最も危険なものはダム満水時に上流方向から働く地震力。砂防ダムは目的からして満水になることはまずなく地震力は考慮しなくてよい
• 揚圧力: 土砂の堆積に伴い底部に働く揚圧力は小さく普通は考慮しない

安定性

1. 転倒しない
2. 滑動しない: tanφ = T/N = μ
   Max(m): 摩擦角
   tanφ, μ < 0.75 (in general): 摩擦係数
3. 内部応力: 外力とダム自重の合力がダム底面の核心middle-thirdの中に作用しなければならない
   核心とは堤底の1/3のところ
4. 地盤支持力: 底面応力より大きいことが必須条件

ダム断面決定法

赤木式
tan²δ + {2·(rw/rm)·sinα × √(1 + tan²α) + tanβ}tanδ

= (rw/rm)·√(1 + tan²α) × (secα - 2tanαsinα) + tanβ

→ tanδ求める →
B = h(tand + tana), b = h(tand + tanb)
→ 天端幅を求め、n: 表法, rm = 2300 kg/m³とおき、ダムの底幅 = hl、ダム天端幅 = hm, 断面積 = h²ξとして関係を決定

天端の長さはダム高の2倍以内であることが望ましい
ダム両岸および底は岩盤で固定された固定版と仮定し、鉛直方向の片持梁群と両岸に固定された水平方向の固定梁群の要素に分割する。この縦横の要素の各交点のたわみが一致するよう外力を両要素に分割荷載させると経済的なダム断面となる(遠藤式3次元法)

円筒理論ダム cylinder theory dam: 水平の薄円環arch ringにより外力に抵抗
弾性理論ダム elastic theory dam: 円環と鉛直方向の片持梁cantileverの共同作業により抵抗

魚道 fish-way

プール式  スロット式  エレベーター式 + 多自然型 + 近自然型
→ ドイツ等ヨーロッパで盛んに施工

防災空間の設定