自然災害科学 J. JSNDS 40 -2 223 -242（2021 ）巨大津波発生時の淀川における化
学物質拡散予測に関する2DH-3D
ハイブリッド解析
田窪 亮介1・米山 望2・伊藤 理彩3・東海 明宏3

2DH-3D hybrid numerical analysis of the chemical substancetransport in Yodo River during a huge tsunami attack
Ryosuke TAKUBO1, Nozomu YONEYAMA2,
Lisa ITO3 and Akihiro TOKAI3
Abstract
In the event of an earthquake in the Nankai Trough, chemical substance may leak fromthe facilities and ﬂow out into the Yodo River. One of the problems is the water intake trouble
due to chemical substance distribution and contamination of the water in puriﬁcation plants as
the Tsunami runs up the river over the barrage. In this study, the chemical substance transport
was analyzed by 3D density current analysis method and the influence on water intake
was examined in Yodo River during a Tsunami attack. As a result, the quantity of chemical
substance reaching the plant was predicted. Moreover, it was evaluated that water intake may
be affected. In conclusion, Analysis by this method was proven to be necessary to predict
accurately chemical substance behavior due to river run-up Tsunami.
キーワード：津波，化学物質，三次元密度流，浄水場
Key words:

tsunami, chemical substance, 3D density current, water puriﬁcation plant

1 ．はじめにの際，化学物質を取り扱う事業所から河川へ化学平成23年 3 月に発生した東日本大震災では，地物質の流出も確認された1）。

震や津波によって多くの人命が奪われただけでな

河川に化学物質が流出すると，周辺住民の健康

く，社会基盤施設にも甚大な被害が発生した。そ

被害や環境汚染など様々な影響が懸念される。そ

1

3

2

京都大学工学研究科都市社会工学専攻
Department of Urban Management, Graduate school ofEngineering, Kyoto University
京都大学防災研究所
Disaster Prevention Research Institute, Kyoto University

大阪大学工学研究科環境エネルギー工学専攻
Division of Sustainable Energy and Environmental
Engineering Graduate School of Engineering, Osaka
University

本報告に対する討議は 2022 年 2 月末日まで受け付ける。

223

224

田窪・米山・伊藤・東海：巨大津波発生時の淀川における化学物質拡散予測に関する2DH-3D ハイブリッド解析の影響の 1 つとして浄水場取水口に化学物質が混の研究が挙げられる。

入することによる取水障害が挙げられる。平成24東ら6）は2011年 3 月11日に発生した東日本大震

年 5 月には利根川水系で，多量の HMT を含んだ

災の津波被害が大きかった仙台湾沿岸を対象に津処理排水が取水口上流側で河川へ流出したことに

波氾濫解析・化学物質輸送解析を行い，津波堆積よって水質事故が発生した 。この事故により，物が被災施設から漏出した化学物質で汚染されて複数の浄水場において数日間にわたり取水・給水いる地域とそうでない地域をゾーニングする方法

停止の処置がとられ，千葉県内では 5 市（36万戸）

について検討した。化学物質輸送解析では，対象で断水や減水が生じた。欧州では，1986年11月に化学物質を仮想的な数値トレーサとして設定し，ライン川上流に立地していた農薬工場の火災消防

平面二次元で流動解析を行うことで，化学物質の活動における，農薬の大量流出への対応を契機と拡散範囲を推定した。被災施設の情報が限られた

2）

して Water Framework なる水資源の管理枠組み中での解析においてもゾーニングに活用できる情の構築につながっている3）。2014年 1 月米国ウエ報は得られたが，より正確な汚染範囲特定のため

ストヴァージニア州チャールストンの化学物質貯には，化学物質漏出のタイミングや漏出量などの蔵施設で公称容量175 m3タンクが漏えい事故を起

現実的で物理的意味が明確なトレーサおよび発生

こし，水道水禁止令が発動され 4 日～ 9 日間施設

源条件を設定することや，施設の化学物質貯蔵量

閉鎖がおきた。このように非定常的漏えいは潜在などのデータ整備が重要であると述べている。
中久保ら7）は，大阪府によるリスク評価1）によ的なリスクとして関心が高まっている 。
4）

近い将来，南海トラフ地震の発生が懸念されてり，化学物質の災害時流出が給水停止を引き起こ

おり，地震発生時には中部地方から九州地方を中す可能性が示されているとした上で，取水口の上心とする広範囲において，地震動や津波等による流側に多数の事業所が存在する淀川水系におい甚大な被害が想定され，経済的な被害規模は阪神て，流出した化学物質が取水に与える影響を対象

淡路大震災や東日本大震災等の既往災害を超えるとした解析を行った。流出ケースを踏まえた影響と予想されている 。被害想定 によると西日本

度解析では，貯蔵施設からの流出を防ぐ対策としの太平洋沿岸広範囲には10 m を超える巨大津波て緊急遮断弁の設置の必要性を指摘した。また地の来襲が予想される。淀川河口付近の化学物質を震による化学物質の突発性流出の際には，急性毒取り扱う事業所においては，配管・タンク等の破性基準での給水停止判定が行えるという考えか損・容器の流出・製造施設の転倒等により化学物

ら，その効果を定量的に示した。

5）5）質の漏出被害1）が懸念されており，その化学物質

濱本ら8）は，自然災害起因の産業事故（Natech）9）

が淀川へ流出する可能性もある。河川水を生活用のリスク管理に関わる研究の重要性と津波リスク

水や農工業用水に利用している日本にとって河川評価モデルの構築の必要性を示した。その上で，の水質保全は重要な課題であり，巨大津波発生時

地震により淀川河口付近の事業所から流出した化の河道内における化学物質の拡散挙動予測を正確

学物質が河川を流下した後，津波に伴って河川をに行うことは，取水への影響を最小限に抑えるた

遡上し，浄水場取水口に達する可能性を挙げた。

めに重要である。

予備的解析として，事業所のタンクからの化学物

巨大津波発生時における河川に流出した化学物

質の漏洩量と流出にかかる時間を推算した上で，質の挙動に関する既往の実験的研究は見当たらな淀川を対象に定常流下でのホルムアルデヒドの動い。一方，解析的研究の例として，東日本大震災

態解析を行い，高濃度のホルムアルデヒドが河口を対象として化学物質輸送解析を行った東ら6），まで拡散することが示された。しかし，津波遡上

化学物質流出が水道取水源の水質に与える影響評

による化学物質の拡散についての解析は行われて価を行った中久保ら7），淀川上流部での直下型地いない。

震を想定して化学物質動態解析を行った濱本ら

8）

上記の研究で論じられているように，地震発生

225

自然災害科学 J. JSNDS 40 -2（2021 ）時に取水口より下流側に位置する事業所から化学用いることで，計算負荷を大幅に増大させること物質が流出した場合，津波の遡上に伴って取水口なく，流体密度の空間分布を考慮した長時間にわに到達する可能性があり，それによって取水・給たる化学物質の三次元挙動解析が可能となる。こ

水に影響が生じることが考えられる。しかしこの

こでは，同モデルの基礎式のみを示し，広域津波

ような事象に対し，根拠を持って想定できるほど

伝播解析手法，河道内塩水挙動解析や広域津波伝の知見は乏しいといった状況であった。

播解析の連動方法の詳細は永島らの論文10）を参照

そこで本研究では，巨大津波発生時に淀川を遡上する化学物質の挙動解析を行い，空間分布と時間変化を定量的に予測し，取水への影響を検討すされたい。
本モデルの基礎方程式は以下のとおりである。
なお，j に総和の規約を適用する。

る。また，複数条件で化学物質の挙動解析を行い，様々な要因によって挙動が変化することを明確に●連続方程式することで，本研究で用いる解析手法の有用性を（2.1）

示すことを目的とする。解析手法は，永島ら10）の広域津波連動型河道内塩水挙動解析モデルを採用●運動方程式（i＝ 1 ，2 ，3 ）する。永島らは本解析モデルを用いて南海トラフ
巨大地震津波来襲時の淀川大堰周辺を対象に，河道内の塩水の空間分布・時間変化を定量的に予測（2.2）

し，浄水場での取水停止時間を評価した。空間的に流体の密度分布がある非圧縮性流体を解析対象としているため，塩水を本研究で対象とする化学

ここに，ρ 流体の密度，ui：流速の各方向成分，

以下では。まず本研究で用いる解析手法の概要

G：
単位質量あたりの外力の各方向成分，p 圧力，v：i
動粘性係数，vt：渦動粘性係数，－：レイノルズ
平均量，～：ファーブル平均量である。

について述べたのち，基本となる条件における化

なお，レイノルズ平均量とファーブル平均量には学物質挙動解析を行い（以下，基本ケースと呼ぶ），

以下の関係がある。

物質に置き換えて解析を行うことで化学物質の挙動予測が可能であると考えられる。

取水への影響を検討する。さらに，複数の異なる（2.3）

条件下で解析を実施し，基本ケースと化学物質の挙動を比較する。最後に，取水への影響が大きいと考えられる取水口での化学物質濃度の時間変化に着目して各ケースを比較する。

2 ．解析手法の概要
2. 1

ここに，Sc ：乱流シュミット数である。
t●乱流評価式（標準 k-ϵ モデル）（2.₄）

河川内の化学物質拡散挙動の予測解析法

本研究では，巨大地震発生時に河川を遡上する
津波に伴う塩水挙動を予測評価するために永島らが開発した解析モデル（広域津波連動型河道内塩水挙動解析モデル10））において塩分を他の化学物
質に置き換えて用いる。本モデルは，津波来襲時の河道内塩水挙動解析に実績のある米山らの三次
元数値解析手法11）と非線型長波理論に基づく平面
二次元解析手法を組み合わせており，この手法を

（2.₅）
（2.6）
（2.₇）

226

田窪・米山・伊藤・東海：巨大津波発生時の淀川における化学物質拡散予測に関する2DH-3D ハイブリッド解析

こ こ に，： 乱 流 エ ネ ル ギ ー，

面高さである。

： 乱 流 エ ネ ル ギ ー 散 逸 率，''：ファーブル平均量からの変動量，Pk：乱流エネル

タ ン ク 底 面 の 半 径 を ［m］とrすると上式は（2.12）のように変形できる。

ギーの生成項であり，σk＝1.0, σϵ＝1.3, Cϵ1＝1.45,（2.12）

Cϵ2＝1.92, Cμ＝0.09とした。

，タンクの高さ
時刻 t での液面の高さを h［m］t
●化学物質の移流拡散方程式

を H［m］とすると ht は（2.13）と表せる。
（2.13）（2.₈）

したがって，時刻での単位時間あたりの流出量
ここに，C：化学物質濃度［mg/L］，α：分子拡［
q m3/s］は散率である。'：レイノルズ平均量からの変動量（2.14）

である。本研究では細田12）の研究を参考に Sct＝1.0/1.2とした。

と表せる。よって，時刻 t から t＋dt の間に，円柱型タンクから漏出する化学物質体積 dV［m3］は●化学物質濃度と流体密度の関係式（2.15）
（2.9）

と表せる。

］
：水の密度，ρ［kg/m］：化学
ここに，ρ［kg/m
0
c
3

3

2. 3

物質の密度である。
なお ρ0 については，T：温度［℃］として，以下の推定式13）を用いる。

漏出した化学物質の河川流出量評価法

本研究では，工場から漏出した化学物質は，漏出終了まで常に河川沿岸付近のある地点の水面に流出するとする。ここでは，流出地点における水面を含む計算セルを化学物質流出セルとする。
時刻 t においてタンクから漏出した体積 dV の
化学物質の全量が河川に流出すると仮定する。化
3
学物質流出セルの時刻 t における体積：V［m］，t（2.10）

化学物質濃度：C［mg/L］，化学物質を含んだ河t3
川水の見かけの密度：ρ［kg/m］，化学物質流出t～～

3後の体積：V［m］，化学物質濃度：C［mg/L］
，密度：
t
t

2. 2

事業所からの化学物質漏出量の評価法14）

～

～

～

～

3
ρ［kg/m］とすると Vt，Ct，ρt はそれぞれt

ここでは，石油コンビナート災害分野で標準的（2.16）

手法として用いられている評価法14）に従って漏出量の時間変化を評価した。地震動によって円柱型（2.17）の貯蔵タンクの側板下部が損壊することによる全量漏出を想定する。タンクは円柱型を想定する。
タンク内部を加圧していない場合の単位時間あたりの流出量 ［q m3/s］は簡略化すると（2.18）（2.11）と表される。ここで a［m2］: 破口面積，h［m］: 液3と表せる。ここで ρ［kg/m］：水の密度，ρ［kg/0cm3］：化学物質の密度である。

227

自然災害科学 J. JSNDS 40 -2（2021 ）～

化学物質流出の際に，Vt が化学物質流出セルのセル体積を超える場合は，鉛直方向に 1 つ上のセ
ルに超過分の体積を加える。なお， 1 つ上のセルの化学物質濃度，見かけの密度は化学物質流出セ
ルと同じとする。

3 ．巨大津波発生時の淀川における化学
物質拡散挙動分析
本章では，淀川大堰周辺を対象に，本研究で設定した基本ケースについて南海トラフ地震による巨大津波発生時の化学物質挙動解析を実施し，化学物質の空間分布・時間変化を定量的に予測した。
さらに，対象化学物質の取水口位置における濃度を水質基準15）と比較することで取水への影響についても検討した。
3. 1

解析領域と境界条件および評価位置

内閣府の「南海トラフの巨大地震モデル検討
会」16）
（以下，
「検討会」
）において検討されたモデルのうち，平面直角座標第 VI 系（JGD2000）に基づく地形データ，粗度データおよび堤防データを基に解析データを設定した。
広域津波伝播解析を実施する平面二次元解析領域を図3.1に示す。平面二次元解析領域は，西日本を含む最大領域から淀川を含む領域まで， 5 層のネスティングを行っている。その間の格子サイ

図3.1

平面二次元解析領域10）（背景図は Google
Map から引用）

ズは，810 m →270 m →90 m →30 m →10 m と変化させた。西日本を含む最大領域の境界条件は，高が最も高いケースを用いた。津波波源における北端を固定端，それ以外を自由端とした。

断層破壊方法について，検討会の解析では断層破河道内の化学物質挙動解析を実施する三次元壊の伝播を考慮しているのに対し，本研究では同領域を図3.2に示す。三次元領域は，格子サイズ

時に破壊し地盤が変動するものとしているが，検10 m の平面二次元解析領域の中に，淀川大堰を討会と同様な水位変化が得られることは，永島ら含むように水平格子サイズ 5 m，鉛直格子サイズにより検証済み10）である。

1 m の領域を設定した。
本研究では，図3.2に示す柴島取水口（工水），
柴島取水口（上水）で取水する恐れのある化学物
質濃度を評価する。具体的には，両取水口を含む
計算格子の濃度を用いた。

本研究では，地盤変位量を検討会と同等のケースおよび検討会の変位量を 2 倍したケースで解析を行った。
津波発生直前の潮位は T.P.＋0.9［m］とし，地震発生時の地盤変動に伴う水位変化および淀川大堰のゲート位置の変化を考慮した。

3. 2

津波断層モデル，水位条件

津波断層モデルは淀川河口付近に到達する津波

228

田窪・米山・伊藤・東海：巨大津波発生時の淀川における化学物質拡散予測に関する2DH-3D ハイブリッド解析

表3.1

淀川流量と淀川大堰の運用の関係
淀川流量［m3/s］

大川流量［m3/s］

62

196

62

120

淀川大堰越流量［m3/s］

076

調節ゲート天端高※［T.P.m］

2.3（2.13）

1.0（0.83）

制水ゲート天端高※［T.P.m］

2.5（2.33）

2.5（2.33）※括弧内は地盤変動後の天端高

図3.2

三次元解析領域（文献10）に加筆；背景図は Google Map から引用）

3. 3

淀川大堰の周辺の流れ条件

図3.3

淀川流量に対する大川流量および淀川
大堰越流量の関係10）

図3.4淀川流量と淀川大堰ゲート位置の関係10）淀川大堰は河川流量に応じてゲート開度を調整している。今回解析に用いた河川流量62，196［m3/s］の場合の流れの配分を表3.1および図3.3に，淀川大堰各ゲートの開度を図3.4に示す。
なお，地震発生によりゲート操作が困難になることを想定して，各ゲートの開度は地震発生後も変化させず通常期の値のままとした。
3. 4

河川水および化学物質に関する条件

河川水は淀川大堰上下流側ともに塩分 0 の淡水と設定し，水温は化学物質の水中での分解や水面から大気への揮発が起こりにくい低水温の時期を想定して15 ℃とした。
化学物質の分子拡散率 α（式（2.8））は，永島

た。したがって，短時間（津波作用時間内）に出現し得る最大濃度の推定に相当する。

ら と同様に2.0×10 と設定した。また本研究で本研究で設定した仮想の化学物質流出地点を

は，化学物質の分解や反応，大気中への揮散 , 水

図3.2に示している。流出シナリオとして，円柱

中の懸濁物質への吸着などは考慮しないものとし型タンクからの全量流出を想定した。高さ h を

10）

－9

229

自然災害科学 J. JSNDS 40 -2（2021 ）

表3.2

解析ケース

化学物質
（密度［kg/m3 ］）

断層すべり量の倍率（津波強さ）

62

ホルマリン（1100）

1.0（内閣府の想定と同等）

62

トリエチルアミン（700）1.0（内閣府の想定と同等）

ケース 3

62

ホルマリン（1100）

2.0

ケース 4

62

トリエチルアミン（700）

2.0

ケース 5

196

ホルマリン（1100）

1.0（内閣府の想定と同等）

ケース 6

196

トリエチルアミン（700）1.0（内閣府の想定と同等）

ケース 7

196

ホルマリン（1100）

2.0

ケース 8

196

トリエチルアミン（700）

2.0

ケース名

河川流量
［m3/s］

ケース 1
ケース 2

3.78［m］，半径 r を1.89［m］，破口面積 a を0.001［m2］

表3.3

断層すべり量とモーメントマグニ
チュードの関係と設定し，タンクは11個存在するとした。なお，
このシナリオは実在する施設の貯蔵量として妥当なものとするために，第一種指定化学物質排出量・
移動量および取扱量データ17）を参考に設定した。

断層すべり量の倍率

モーメント
マグニチュード

大阪市域の
地盤変動量

1.0

9.1

約－17 cm

2.0

9.3

約－33 cm

したがって，本条件は現実的な漏出量における最大の被害想定に相当する。この時，式（2.15）にしたがい，約5.5時間かけて約467［m ］の化学物
3

質が漏出する。

3. 6		基本ケース（ケース1）の解析結果および考察
基本ケースは，表3.2に示すように，河川流量

対象化学物質として，PRTR（Pollutant Releaseを62［m3/s］，化学物質をホルムアルデヒド濃度

and Transfer Register：化学物質排出移動量届出

37％のホルマリン（密度：1100［kg/m3］），断層す制度）対象化学物質に指定されているホルムアル

べり量の倍率を1.0（内閣府の想定と同等）としたデヒドを選定した。ホルムアルデヒドは，ヒトのものである。

健康を守るという視点で設定された水質基準項目

図3.5に淀川大堰地点の流量の時間変化を示す。

15）に該当しており，社会的・技術的にも関心が高

なお，流量は淀川の流下方向を正としている。同い化学物質である。水質基準によると，ホルムア

図より，25,200秒までに， 2 度津波が淀川大堰をルデヒドは8.0×10－2［mg/L］以下と定められてい下流側から上流側へ越流することがわかる。第一る。本解析では，対象化学物質をホルムアルデヒ

波来襲時には，約9,470秒～約11,000秒で越流が確

ド濃度37％のホルマリンとして挙動解析を行った

認される。

ため，取水への影響を評価する際，ホルムアルデ

図3.6に化学物質流出開始（地震発生）から3,600
秒後までの化学物質流出地点の縦断面における化

ヒド濃度は式（3.1）として検討した。

学物質拡散の様子（ケース 1 ）を示す。同図より，河川に流出した化学物質はまず岸にそって沈下

ホルムアルデヒド濃度［mg/L］＝ホルマリン濃度［mg/L］×0.37（3.1）

し，その後水面方向に広がりながら水平方向へも拡散することが確認された。これは流出化学物質

3. 5

解析ケース

の密度が水より大きいためと考えられる。

本研究で行った解析ケースを表3.2に示す。断層すべり量とモーメントマグニチュードの関係

18）

図3.7に淀川大堰周辺の水面近傍における化学
物質拡散の様子（ケース 1 ）を示す。同図より，を表3.3に示す。すべてのケースについて地震発

津波の遡上によって化学物質が大堰上流側へ拡散

生から25,200秒（ 7 時間）後まで現象を解析した。

する様子が確認された。その際，河道右岸側の調230

田窪・米山・伊藤・東海：巨大津波発生時の淀川における化学物質拡散予測に関する2DH-3D ハイブリッド解析

うに拡散し，高濃度で分布したと考えられる。
図3.8に取水口（工水）と取水口（上水）における対象化学物質濃度の時間変化を示す。同図から，取水口（工水）では化学物質が検出されたが，取水口（上水）では検出されなかった。取水口（工水）
でのホルマリン濃度から，式（3.1）を用いてホ
ルムアルデヒド濃度を算出すると最大で約4.74×
図3.5

淀川大堰地点の流量の時間変化（ケース 1 ）10－4［mg/L］となる。このことから水質基準15）の8.0×10－2［mg/L］を超過しないため，本ケースでは両取水口において取水停止の措置を取る必要がないとわかる。また同図より，化学物質は約9,950
秒で取水口（工水）に到達し，約10,360秒で濃度が最大となる。その後河川水の流下によって減少
し，約14,400秒で検出されなくなる。化学物質の取水口（工水）への到達時刻から考えると，これは 1 度目の淀川大堰越流によるものと考えられる。
図3.9に柴島取水口（工水）を含む平面における化学物質の拡散の様子（ケース 1 ）を示す。同図（3）より，14,400秒においても化学物質は淀川大堰上
流側に滞留しており，大川への化学物質の流入も確認される。これらは淀川大堰の運用によるもの
で，本ケースでは淀川下流側へは流下しないように設定されているためと考えられる。

4 ．化学物質挙動に影響を与える要因の検討
本章では，津波来襲時の化学物質挙動に影響を及ぼす可能性のある要素のうち，化学物質密度・
河川流量・津波強さについて感度分析を行う。具
体的には，表3.2で示す解析ケースのケース 2 ・
ケース 3 ・ケース 5 を実施し，それぞれについて
図3.6

化学物質流出地点の縦断面における化
学物質拡散の様子（ケース 1 ）基本ケースとの挙動比較を行った。
4. 1

節ゲートからの越流による影響が大きいこともわ

化学物質密度による挙動比較

4. 1. 1

解析ケースの概要

かる。図3.7（2）（3）（4） より，津波来襲前に淀川

本節では，ケース 2 の化学物質の挙動を基本

大堰直下流付近に高濃度で分布していた化学物質

ケースと比較する。対象化学物質は基本ケースがが取水口（工水）付近まで到達したことも確認でホルムアルデヒド濃度37％のホルマリン（密度：きる。淀川大堰直下流付近の河床が周辺より低く

1100［kg/m3］），ケース 2 がトリエチルアミン（密なっているため，津波来襲前にそこに沈み込むよ

度：700［kg/m3］）である。トリエチルアミンもホ

231

自然災害科学 J. JSNDS 40 -2（2021 ）

図3.7

淀川大堰周辺の化学物質拡散の様子（ケース 1 ）232

田窪・米山・伊藤・東海：巨大津波発生時の淀川における化学物質拡散予測に関する2DH-3D ハイブリッド解析

ルムアルデヒドと同様に PRTR 対象化学物質に指定されている。また，その他の条件は両ケースとも同じである。
4. 1. 2

解析結果および考察

図4.1に淀川大堰地点の流量の時間変化を示す。
同図より，淀川大堰地点の流量の時間変化に差異
図3.8 柴島取水口における化学物質濃度の時間変化は見られず，ケース 1 ， 2 とも 2 度の越流が確認された。
図4.2に化学物質流出開始（地震発生）から3,600
秒経過後までの化学物質流出地点の縦断面における化学物質拡散の様子（ケース 2 ）を示す。同図から，化学物質密度により拡散挙動に違いがある
ことがわかる。ケース 2 では，まず水面付近で拡散し，その後河床方向に広がりながら水平方向にも拡散することがわかる。また，沿岸付近の水面ではケース 1 に比べて比較的高濃度で分布しやす
いということも確認される。
図4.3に淀川大堰周辺の水面近傍における化学
物質拡散の様子（ケース 2 ）を示す。同図より，ケース 2 においても津波の遡上によって化学物質が淀川大堰上流側へ拡散する様子が確認された。その際，河道右岸側の調節ゲートからの越流による影響が大きいこともケース 1 と同様である。しかし，津波来襲前の化学物質の分布には違いが見られる。ケース 1 では淀川大堰直下流付近に高濃度で分布していたのに対して，ケース 2 では化学物
質流出地点付近に比較的高濃度で分布していることがわかる。これは，ケース 2 では淀川大堰直下
流付近の河床が低いことによる拡散の影響を受けなかったからだと言える。
図4.4に取水口（工水）と取水口（上水）におけ

図3.9

柴島取水口（工水）を含む平面における化学物質の拡散の様子（ケース 1 ）

図4.1

淀川大堰地点の流量の時間変化

233

自然災害科学 J. JSNDS 40 -2（2021 ）る対象化学物質濃度の時間変化を示す。同図より，ける化学物質濃度が柴島取水口（工水）での最大両ケースともに取水口（工水）では化学物質が検濃度に影響すると言える。

出されたが，取水口（上水）では検出されなかっ

図4.5に柴島取水口（工水）を含む平面におけるたことがわかる。また，取水口（工水）への到達

化学物質の拡散の様子（ケース 2 ）を示す。図4.4

時刻から考えると，どちらも 1 度目の淀川大堰越より12600秒以降については，濃度の時間変化に流によるものであるとわかる。しかし，柴島取水

大きな違いが見られた。ケース 1 では濃度が減少

口（工水）での化学物質濃度の時間変化には差異していき，約14400秒で 0 となる。一方ケース 2が見られたため，以下で検討する。

では濃度が一度増加し，約14400秒において最大

図4.4より12,600秒までにおいては，最大濃度値を記録した後，減少していく。これは図4.5にに差はあるものの両ケースともに約9,950秒で取示すように，取水口（工水）から淀川大堰までの水口（工水）に到達し，約10,360秒で最大値をと河道右岸部の沿岸域での流速が極めて小さくなっり，その後河川水の流下によって減少していくとていることが原因と考えられる。流速の小さい沿いう同様の特徴を示していると言える。最大濃度

岸域に分布する化学物質は，密度が河川水密度よに約 6 倍もの違いが見られたのは，津波来襲前のり大きい場合は河床の低い方へ拡散しやすく，小化学物質の分布状況によるものと考えられる。しさい場合は沿岸域に比較的滞留し続けやすい。そたがって，津波来襲前の淀川大堰直下流付近におのため，ケース 2 では取水口（工水）より下流側の沿岸域に滞留していた化学物質が取水口（工水）まで拡散してきたことによって濃度が増加したと考えられる。
図3.9と図4.5より，両ケースとも淀川大堰上流側へ拡散した化学物質は大川へ流入することが確認されたが，ケース 2 の方が流入濃度は低いこと
がわかる。
4. 2

河川流量による挙動比較

4. 2. 1

解析ケースの概要

本節では，ケース 5 の化学物質の挙動を基本
ケースと比較する。淀川流量は，基本ケースでは，渇水時に想定される流量である62［m3/s］，ケー
ス 5 では平水時の代表的な流量である196［m3/s］とした。その他の条件は同じである。
4. 2. 2

解析結果および考察

図4.6に淀川大堰地点の流量の時間変化を示す。
同図よりケース 1 では越流は 2 回であったのに対し，ケース 5 では 4 回確認される。また，第一波による越流量は，ケース 5 の方が多いという結果が得られた。これらは，河川流量による淀川大堰の運用方法によるものであり，ケース 5 での調節
図4.2 化学物質流出地点の縦断面における化学
物質拡散の様子（ケース 2 ）ゲート天端高が低く設定されているためである。
図4.7に淀川大堰周辺の水面近傍における化学234

田窪・米山・伊藤・東海：巨大津波発生時の淀川における化学物質拡散予測に関する2DH-3D ハイブリッド解析

図4.3

淀川大堰周辺の化学物質拡散の様子（ケース 2 ）物質拡散の様子（ケース 5 ）を示す。同図より，ケー

ス 5 では，津波来襲前は流出地点より下流側へ拡ス 5 においても化学物質が淀川大堰上流側へ拡散散しており，淀川大堰直下流付近に高濃度で分布する様子が確認され，河道右岸側の調節ゲートかしている様子は見られない。また，津波来襲時はらの越流による影響が大きいこともわかる。しか取水口（工水）より上流側まで拡散している。

し，化学物質の拡散範囲には違いが見られる。ケー

図4.8に取水口（工水）と取水口（上水）におけ235

自然災害科学 J. JSNDS 40 -2（2021 ）

図4.4

柴島取水口における化学物質濃度の時
間変化

図4.6

淀川大堰地点の流量の時間変化

る対象化学物質濃度の時間変化を示す。同図より，ケース 5 でも取水口（工水）では化学物質が検出されたが，取水口（上水）では検出されなかったことがわかる。取水口（工水）でのホルム
アルデヒド濃度の最大値は式（3.1）より約2.83×［mg/L］であるため，取水停止の措置は必要
10－4ない。
以下では，河川流量による取水口（工水）での化学物質濃度の時間変化の違いについて検討する。
図4.9に柴島取水口（工水）を含む平面における化学物質の拡散の様子（ケース 5 ）を示す。図4.6と図4.8より両ケースともに，濃度は 1 度目の越流による遡上によって最大となり，その後減少していくことがわかる。ただし，ケース 5 では 3 度
目までの越流によってもわずかに増加することが確認された。取水口（工水）での化学物質の最大濃度がケース 5 の方が小さくなっているのは，津波来襲前の分布の違いによるものだと考えられる。また，ケース 5 において約10800秒で再び濃度が増加するのは，図4.7や図4.9（1）（2） に示す
ようにケース 5 では取水口（工水）より上流側まで遡上するため，その化学物質が流下してきたことによるものだと考えられる。
約14400秒で両ケースとも取水口（工水）での化
学物質は検出されなくなるが，その後の淀川大堰
上流側の化学物質分布状況は大きく異なっている。図3.9（3） と図4.9（3） より，ケース 1 の方がケース 5 より比較的広範囲に高濃度で分布していることがわかる。また図3.7（6） と図4.7（6） を比図4.5

柴島取水口（工水）を含む平面における化学物質の拡散の様子（ケース 2 ）較してもケース 1 の方が，化学物質が長時間残存している。ケース 5 では大川だけでなく淀川下流

236

田窪・米山・伊藤・東海：巨大津波発生時の淀川における化学物質拡散予測に関する2DH-3D ハイブリッド解析

図4.7

淀川大堰周辺の化学物質拡散の様子（ケース 5 ）側へも化学物質が流下していくためであると考え

4. 3

られる。このことから，大川へ流入する化学物質

4. 3. 1濃度はケース 1 の方が高いと予想できる。

津波強さによる挙動比較
解析ケースの概要

本節では，ケース 3 の化学物質の挙動を基本
ケースと比較する。断層すべり量の倍率をケース
1 において1.0（内閣府の想定と同等）とケース 3

237

自然災害科学 J. JSNDS 40 -2（2021 ）

図4.10

図4.8 柴島取水口における化学物質濃度の時間変化

淀川大堰地点の流量の時間変化において，2.0とした。その他の条件は同一である。
4. 3. 2

解析結果および考察

図4.10に淀川大堰地点の流量の時間変化を示す。同図よりケース 1 では越流は 2 回だったの対し，ケース 3 では 3 回確認される。第一波による越流量は，ケース 3 の方が大幅に多いという結果が得られた。
図4.11に淀川大堰周辺の水面近傍における化学
物質拡散の様子（ケース 3 ）を示す。同図より，ケース 3 においても化学物質が淀川大堰上流側へ拡散したが，拡散範囲には違いが見られる。ケース 3
では，化学物質が取水口（工水）より大幅に上流側へと遡上していることがわかる。また津波の遡上の速度も大きくなっていることが確認された。
また図4.11（3） よりケース 3 では，淀川大堰調節
ゲートだけでなく，制水ゲートからも越流していることも確認された。
図4.12に取水口（工水）と取水口（上水）における対象化学物質濃度の時間変化を示す。同図より，
ケース 3 においては取水口（工水）だけでなく，取水口（上水）でもわずかに化学物質が検出された。取水口（工水）でのホルムアルデヒド濃度の最大値は式（3.1）より約4.85×10－4［mg/L］であり，ケース 1 と近い値となった。これは，津波来襲前の化学物質分布は両ケースとも酷似しているためと考えられる。しかし，取水口（工水）への化学
物質の到達時刻には差異が見られ，ケース 3 の方が約600秒早かった。これは津波の遡上速度によ
図4.9

柴島取水口（工水）を含む平面における化学物質の拡散の様子（ケース 5 ）る違いと考えられる。また同図において，ケース
3 で約18,000秒において取水口（工水）での化学

238

田窪・米山・伊藤・東海：巨大津波発生時の淀川における化学物質拡散予測に関する2DH-3D ハイブリッド解析

図4.11

淀川大堰周辺の化学物質拡散の様子（ケース 3 ）物質濃度がわずかに増加するのは，取水口（工水）

め（図3.9参照），大川へ化学物質が流入し始める

より上流側へ遡上した化学物質が流下してきたた

時刻はケース 1 より遅くなると考えられる。

めと考えられる。
図4.13に柴島取水口（工水）を含む平面における化学物質の拡散の様子（ケース 3 ）を示す。ケース 3 ではケース 1 より上流側まで遡上しているた

239

自然災害科学 J. JSNDS 40 -2（2021 ）5 ．柴島取水口（工水）前面での濃度比較
3 章， 4 章で化学物質挙動解析を行った結果，
取水口（上水）より取水口（工水）で化学物質遡上の影響が大きいことがわかった。本章では，取水口（工水）での化学物質濃度の時間変化に着目し，河川流量ごとにそれぞれ比較を行う。
図4.12

柴島取水口における化学物質濃度の時
間変化

5. 1

解析ケースの概要

河川流量 2 ケース，対象化学物質 2 ケース，断層すべり量の倍率（津波強さ）2 ケースの組み合
わせで計 8 ケースの解析（表3.2）を実施した。
5. 2

解析結果および考察

ここでは，河川流量ごとに解析結果を示し，考察を行う。
5. 2. 1

河川流量62［m3/s］のケースの考察

図5.1に 渇 水 時 に 想 定 さ れ る 流 量 で あ る62［m3/s］での解析結果（ケース 1 ～ 4 ）を示す。同
図より，ケース 1 とケース 3 では，津波強さによる化学物質濃度の最大値の変化が小さい。一方，
ケース 2 とケース 4 では，変化が大きくなっている。したがって，密度の小さい化学物質の方が，津波強さによる化学物質濃度の最大値に影響を及
ぼしやすいと言える。また，ケース 1 とケース 2
では，化学物質密度による最大値の差が大きいが，ケース 3 とケース 4 では，差が小さくなっている。
したがって，津波強さが大きい方が，密度による
化学物質濃度の最大値の差が小さくなることがわ
かる。
5. 2. 2

河川流量196［m3/s］のケースの考察

図5.2に平水時に想定される代表的な流量である196［m3/s］での解析結果（ケース 5 ～ 8 ）を示す。同図より，化学物質密度が大きく津波が強い
場合に，化学物質濃度の最大値が最も大きくなる
ことがわかる。さらに，化学物質密度に関わらず，
津波が強い方が長時間にわたって取水口（工水）
で化学物質が検出されることも確認される。また，
図4.13

柴島取水口（工水）を含む平面における化学物質の拡散の様子（ケース 3 ）ケース 5 とケース 6 ，ケース 7 とケース 8 より，値に差はあるものの密度が違っても化学物質濃度

240

田窪・米山・伊藤・東海：巨大津波発生時の淀川における化学物質拡散予測に関する2DH-3D ハイブリッド解析

化学物質流出シナリオ（総流出量・流出時間）に
よっては津波来襲時に化学物質の河川遡上による取水障害発生の可能性があることが示唆された。
2 ）柴島取水口（工水）での化学物質濃度は第 1
波による調節ゲートからの越流の影響が大きいことがわかった。
3 ）本条件では，淀川大堰の運用によって大堰下
図5.1

河川流量62［m /s］の解析結果
3

流側へは河川水が流下しないように設定されているため，大堰上流側へ拡散した化学物質はその後，大川への河川水流入に伴って，大川へ拡散することが確認された。
また，化学物質密度や河川流量，断層すべり量（津波強さ）による化学物質の挙動比較を行った。
4 ）河川水密度より高密度・低密度の 2 種類の化学物質で比較を行った。化学物質密度によって津波来襲前の化学物質分布状況が異なり，取水口（工図5.2

河川流量196［m /s］の解析結果
3水）での最大濃度に差が見られた。具体的には，
津波来襲前に淀川大堰直下流付近に高濃度で分布の時間変化の特徴は類似していると言える。このしていた高密度化学物質の方が，最大濃度は約 6ことから，水が調節ゲートから淀川大堰下流側へ倍の値となった。また，低密度化学物質の場合は，も流れる場合は，密度による拡散挙動の違いが小高密度化学物質に比べて長時間取水口（工水）付

さいとわかる。

近に滞留することも確認された。

以上のことから，淀川大堰のゲート開度によっ5 ）淀川大堰運用方法の異なる 2 種類の河川流量て取水口（工水）での取水に及ぼす影響が変わっで比較を行った。淀川大堰のゲート開度によっててくることがわかる。

津波来襲前の化学物質分布状況が異なるため，取水口（工水）での化学物質濃度の時間変化に差異

6 ．おわりにが見られた。具体的には，河川流量が小さくゲー

本研究では，本解析手法を用いて基本ケースにトによって下流側への河川水の流れが遮断されてついて巨大津波来襲時の淀川における化学物質のいる場合の方が，津波来襲前に淀川大堰直下流付挙動解析を行い，取水への影響を検討した。また，

近に高濃度で分布していたため，取水口（工水）

異なる条件下での化学物質の挙動比較も行った。

での最大濃度は大きい値となった。またゲート開以下に本研究で得られた結果をまとめる。

度の大きい河川流量が大きい場合の方が，化学物質が遡上する際の拡散範囲も大きくなることが分

本解析手法を用いて基本ケースについて巨大津かった。

波来襲時の淀川における化学物質の挙動解析を行

6 ）津波強さを内閣府想定16）と同等のものとそれい，取水への影響を検討した。その結果，を 2 倍にしたもので比較を行った。津波強さを 2

1 ）淀川大堰下流側で流出した化学物質が津波遡倍にした場合の方が津波の遡上速度が大きいた

上によって淀川大堰上流側に拡散し，柴島取水口

め，取水口（工水）への化学物質到達時刻は約600（工水）付近まで到達することが確認された。本秒早くなり，化学物質の遡上距離も長くなること

条件では水質基準 を上回ることはなかったが，が確認された。しかし，津波来襲前の化学物質分

15）

241

自然災害科学 J. JSNDS 40 -2（2021 ）布状況は酷似していたため，取水口（工水）での時刻）の違いが，化学物質の拡散や取水口濃度

化学物質最大濃度には差異は見られなかった。

にどのような影響を及ぼすか検討する必要があ

7 ）津波来襲時の河川における化学物質挙動は，る。

上記のように複数要因（化学物質密度・河川流量・
津波強さ）によって複雑に変化することが明らか謝辞になった。特に，取水影響を検討する際の取水河川への化学物質流出については，大阪大学大口（工水）における化学物質最大濃度の観点では，

学院工学研究科環境エネルギー工学専攻博士前期

津波来襲前の化学物質分布状況を大きく変化させ課程の濱本翔吾氏の予備検討に基づいている。こる因子である化学物質密度及び河川流量は支配的

こに記して謝意を表する。

要因であると考えられる。したがって，化学物質の拡散被害を高い精度で予測するためには，本研

参考文献

究で用いた三次元密度流解析により，化学物質密1 ）大阪府環境農林水産部環境管理室環境保全課：
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www.pref.osaka.lg.jp/attach/4460/00123678/
houkokusho.pdf>，2020年 1 月26日アクセス2 ）金見 拓：利根川水系ホルムアルデヒド水質事
故の概要と提起された課題，日本リスク研究学
会誌23（2），pp.57-64，2013．
3 ）Paul D. Capel, et al.: Accidental input of pesticides
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5 ）気 象 庁： 南 海 ト ラ フ 地 震 に つ い て <https://www.data.jma.go.jp/svd/eqev/data/nteq/index.
html>，2020年 1 月26日アクセス
6 ）東 博 紀・ 小 口 正 弘・ 遠 藤 和 人・ 水 谷 千 亜
紀：津波氾濫解析を応用した津波堆積物の化
学物質汚染の空間分布早期推定に関する考察，土木学会論文集 B1（水工学）Vol.68，No4，
I_1519-I_1524，2012．
7 ）中久保豊彦・多田悠人・東海明宏：地震に伴う
PRTR 対象物質の流出による浄水場機能への影
響評価とその対策効果分析，日本リスク研究学
会誌26（3），pp.131-140，2016．
8 ）Shogo Hamamoto, Lisa Ito, Nozomu Yoneyama,
Akihiro Tokai: Estimation of the risk under theaccident that hexamethylenetetramine flows
out to the river due to a direct earthquake, Gold
Schmidt virtual 2020, 23th June, 2020.
9 ）岸 本 充 生：Natech（ 自 然 災 害 起 因 の 産 業 事故）リスクの評価と管理，安全工学，53（4），pp.214-219，2014．

度を考慮した上で実際に起こりうる条件下での様々なシミュレーションを実施する必要があることがわかった。
また，今後の課題としては以下のことが挙げられる。
1 ）本研究では，化学物質の分解や反応・大気中への揮散・水中の懸濁物質への吸着などは考慮していない。より現実に近い化学物質の拡散挙動を把握するためには，これらを考慮した解析モデルの開発が必要となってくる。
2 ）本研究では，河川水を淡水と設定したが，河川水の塩分を考慮することでより現実に近い挙動解析が可能であると考えられる。
3 ）本研究では，化学物質流出地点を 1 点に定めて解析を行ったが，化学物質流出地点による拡散挙動の比較も必要だと考えられる。
4 ）本研究では，地震動により事業所から漏出し河川に流出した化学物質について挙動解析を行ったが，河床底泥からの溶出や巻上げによる化学物質の拡散についても考慮する必要があると言える。
5 ）淀川大堰のゲート開度の違いによって，取水への影響にどのような効果があるかさらに検討する必要がある。
6 ）分子拡散率を化学物質ごとに設定することで，より現実に近い挙動予測が可能であると考えられる。
7 ）化学物質流出時間（流出開始時刻・流出終了

242

田窪・米山・伊藤・東海：巨大津波発生時の淀川における化学物質拡散予測に関する2DH-3D ハイブリッド解析

10）永島弘士，米山 望：津波来襲時の河道内塩水遡上に関する数値解析手法の提案，土木学会論
文 集 B2（ 海 岸 工 学 ），Vol.73，No.1，pp.19-32，
2017．
11）米山 望・松宮弘信・鮫島竜一：淀川における河川遡上津波発生時の三次元塩水挙動解析，河川技術論文集，第16巻，pp.265-270，2010．
12）細田 尚：開水路流れにおける乱流拡散機構
に関する水理学的研究，学位論文，京都大学，
1990．
13）小西克享：計算熱流体講義ノート（初版），pp.6<https://www.sit.ac.jp/user/konishi/JPN/
Lecture/ThermalFluid/ThermalFluid_1stAll.
pdf>，2020年 1 月27日アクセス
14）消防庁特殊災害室 石油コンビナートの防災アセスメント指針，2013.3．
15）水 質 基 準 に 関 す る 省 令， 平 成15年 5 月30日
厚 生 労 働 省 令 第 101 号，<https://www.mhlw.
go.jp/topics/bukyoku/kenkou/suido/kijun/dl/

要syourei.pdf>，2020年 1 月27日アクセス
16）南海トラフの巨大地震モデル検討会：南海トラ
フの巨大地震モデル検討会（第二次報告） 津波
断層モデル編，2012．
17）大阪府環境農林水産部環境管理室：化学物質排出把握管理促進法及び大阪府生活環境の保全に関する条例に基づき大阪府内の事業所から届け出された第一種指定化学物質の排出量・移動量
および取扱量のデータ（年度）平成22年度から
平成28年度，2017．
18）永島弘士・笹木将太・William J. PRINGLE・米山 望：数値解析を用いた津波浸水被害優先対策箇所の選定方法に関する考察，土木学会論文
集 B3（海洋開発），Vol.71，No.2，I_509-I_514，
2015．
（投 稿 受 理：令和 2 年10月20日
訂正稿受理：令和 3 年 2 月24日）

旨

南海トラフ地震発生時には，淀川に近接する事業所から化学物質が漏出し，淀川に流出する可能性がある。その化学物質が津波の河川遡上に伴って拡散し，浄水場に流入することによる取水障害が問題として挙げられる。本研究では，三次元密度流解析手法を用いて巨大津波発生時の淀川における化学物質の挙動解析を実施し，取水への影響を検討した。解析の結果，取水に影響を及ぼす可能性があることを定量的に示した。さらに，複数条件で化学物質の挙動解析を行い，様々な要因によって挙動が変化することを明確にすることで，同解析手法の有用性を示した。