Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
技術報告

# 2011 年東北地方太平洋沖地震及び 4 月 11 日の福島県浜通りを震源とする 地震による土砂災害

新井場 公徳、吉原 浩、天野 久徳、座間 信作、河関 大祐、高梨 健一

(平成23年9月16日 受理)

斜面崩壊や地すべりなどの土砂災害は地震によって引き起こされる災害事象のうち主要なものの一つである。土砂災害の発生要因（地形、地質、地下水など）を把握するとともに、家屋や住民が巻き込まれた場合の救助活動のあり方を検討するための資料を得るため、2011年3月11日及び4月11日の地震による土砂災害現場について調査を行った。次のことが分かった。3月11日の地震により、福島県白河市周辺の火山灰由来の土質の斜面で崩壊が多数発生しており崩壊した土砂は比較的長い距離を運動していること、住宅地の人工地盤における地すべりや亀裂・沈下などが、仙台市から福島県南部の広い範囲に散在的に発生していること、並びに4月11日の地震により震源周辺で大規模な地すべりが複数発生していること。また、その中には、移動が続いている地すべりの末端部で救助活動が行われた事例があった。2カ所の崩壊地で当初の崩壊よりも規模は小さいものの二次的な崩壊の痕跡があった。

### 1. はじめに

2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震（M9.0）及び一連の余震では、津波により沿岸部に大きな被害を生じたが、内陸部において、住宅地の変状（沈下、地すべりなど）や落石などの土砂災害を生じた。全容は未だ明らかではないが、国土交通省砂防部のまとめ $ ^{1)} $ では、8月3日9時現在（余震含む）、土砂災害110件（うち、土石流6、地すべり16、がけ崩れ88）、死者19名とされている。そのうち4月11日17:16頃に発生した福島県浜通りを震源とする地震（M7.1）では、福島県南部で斜面の崩壊や地すべりが発生した。福島県内を詳細に調査している梅村によれば $ ^{2)} $ 、福島県内の土砂災害件数（8月20日現在）は、3月11日の地震によるもの44件、4月11日の地震によるもの21件としている。なお、4月11日の地震以外にも福島県では強い余震が発生していることから、3月11日の地震によるとされるものの中に余震により発生したものが含まれている可能性も否定はできないが、今回調査した事例は、3月11日の地震で発生したと住民から聞き取られたもの $ ^{2)} $ である。

筆者らは、これらのうち、地形的及び地質的に代表的と見られたものについて、4月28及び29日に福島県南部において、5月19日に仙台市において、現地調査を行った。調査は、どのような要因で災害が発生したか把握すること、及び二次災害防止の観点から土砂災害発生後の

表1 調查地点一覽

図1又は2の記号	地名	概要	発生日	調査日
A	白河市影鬼越	造成宅地の変状	3/11	4/28
B	白河市葉ノ木平(死者13、全壊10)	自然斜面(火山灰土)	3/11	4/28
C	白河市小田川清水久保	自然斜面(火山灰土)崩壊	3/11	4/28
D	泉崎村北ノ入	自然斜面(火山灰土)崩壊	3/11	4/28
E	白河市大信隈戸岡ノ内(死者1、全壊1)	自然斜面(火山灰土)崩壊	3/11	4/28
F	古殿町三株	地すべり	3/11	4/29
G	いわき市田人町石住貝屋(死者3、全壊2)	岩盤崩落	4/11	4/29
H	いわき市田人町石住オ鉢(死者1)	地すべり	4/11	4/29
I	いわき市常磐泉田	造成宅地の変状	3/11	4/29
J	いわき市渡辺町上釜戸	地すべり	4/11	4/29
K	仙台市太白区緑ヶ丘	造成宅地の変状	3/11	5/19
L	仙台市青葉区折立	造成宅地の変状	3/11	5/19
図1 福島県南部の土砂災害の調査地点（国土地理院「電子国土30万分の1」に加筆）

図２ 仙台市内の住宅地変状の調査地点（国土地理院「電子国土７万５千分の１」に加筆）

図3 気象庁による推計震度分布（左：東北地方太平洋沖地震（震源要素M7.9）、右4／11福島県浜通りM7.1の地震）と主な土砂災害（調査していないもの含む）
拡大状況を把握することの二つの目的で行った。調査地点は図1及び図2に示した地点で、各地点の概要は表1にまとめた。

3月11日の地震により、福島県白河市周辺の火山灰起源の堆積土の斜面で、幅数十メートル、流走距離百m以上に及ぶ規模の崩壊が生じた（図1B～E） $ ^{3)} $ 。また、この地震により、仙台市周辺 $ ^{4)} $ 及び福島県南部 $ ^{5)} $ で、宅地地盤の変状が生じた（図1A、F、Jと図2K、L）。また、4月11日の福島県浜通りを震源とする地震では、震源断層の近傍のいわき市田人町を中心に岩盤崩落（図1G）や大規模な地すべり（図1H、I）が発生した $ ^{6)} $ 。これらの地すべりは調査時も移動が続いており、警戒が必要な状況であった。このうちHの地すべりの末端部は崩壊して道路を閉塞しており、その崩土から車両とともに1名の死者が見つかっているが、運動中の地すべりの末端部での捜索救助活動であった。

気象庁による推計震度分布に今回の調査地点を加筆したもの図3に示す $ ^{7} $ 。4月11日の地震による土砂災害は震源周辺に集中しているが東北地方太平洋沖地震による土砂災害の分布は、震度との相関は比較的明瞭ではない。

### 2. 白河市周辺の斜面崩壊

### 2.1 白河市葉ノ木平における崩壊

白河市周辺では、火山灰起源の堆積土の斜面で崩壊が多数発生した。代表的なものとして白河市葉ノ木平の災害がある。ここでは大規模な崩壊が生じ、国交省砂防部（5月6日） $ ^{8)} $ によれば、13名が死亡し家屋10戸が全壊した。図4に周辺地形図を示す（1辺は約1.5km）。図には点線でおおむねの崩壊地の外周縁を記載した。図5は住宅跡地から見た崩壊地の様子である。右に写っている集合住宅は比較的新しい。崩壊の冠頭部は写真の中央部にあり、林のために写っていない。土砂は崩壊地から宅地へ流れ、その後南東側に広がった。堆積土砂は捜索救助及び道路啓開のためにはすでに整理されていた。携帯したGPS (Garmin GPSmap 60CSx) によれば、最上部から末端部の長さ約280 m、標高差約50 mであり、見かけの摩擦角は約10度となり、流動性が高かったと評価できる。

図4及び5から分かるとおり、崩壊の上部は北東向き斜面にあり、崩壊の中部では東向きに運動している。このことから、崩壊地は冠頭部付近の北東向きに運動したものと、崩壊地中部の東向きに運動したものの、2つのブロックに分けることができそうである。図5に示した二つの矢印で挟まれた区間では、土砂が写真奥向き（北西向き）にあふれて流出している状況が見られ（図6）、上部ブロックが先に移動した可能性がある。

図7は崩壊の冠頭部である。崩壊地の背後は崩壊と逆方向に傾斜しており、崩壊は尾根の頂部もしくは頂部を越えた地点から発生している。冠頭部には腐食土と見られる黒色の層が見られ、埋没谷の可能性がある。崩壊地の冠頭部の背後にはしばしば亀裂を生じることがあるが、この崩壊地では明瞭な亀裂は見られなかった。

図8に崩壊面に残された条痕と周辺の土砂の様子を示す。崩壊土砂の大部分は火山灰由来と見られる堆積物で、非常に空隙に富む。一見含水比が低いように見えても指

図４　薬ノ木平の崩壊の周辺地形図

図5 住宅地の方向から見た葉ノ木平の崩壊地の状況（パノラマ合成。図4 p 地点から撮影）
図6 土砂が北西方向へ一部流出している状況

図7 葉ノ木平の斜面崩壊の冠頭部

図8 葉ノ木平崩壊の崩壊面

でつぶすとぬるっと水が出てくるほど含水している。一部には風化した軽石と見られるものも含まれる（図9に同様な地質で発生した図1Cの崩壊地で撮影したものを示す）。これらのことから、水を多く保持しやすい土質であったことが分かる。比較的降雨の少ない気象状況であったが、土砂内の水の存在が、高い流動性に寄与したことが考えられる。また、崩壊面の下には地質構造を反映したと見られる平坦な風化岩の面が見られた。

図9 土砂中に見られた風化軽石と見られる塊

### 2.2 葉ノ木平と同様な地質条件で生じた斜面崩壊

白河市北西部では菓ノ木平の崩壊地と同種の地質の斜面で崩壊が複数発生しており、そのうち3カ所（図1C、D、E）を調査した。携帯したGPSのデータによれば、清水久保の崩壊地（図10、11）は冠頭部から末端まで約150m、標高差約45mであり、見かけの摩擦角は約17度、岡ノ内の崩壊地（図12、13）は冠頭部から末端（堆積物が整理されており、道路までとした）までの長さ約130m、標高差約40mであり、見かけの摩擦角は約17度であった。北ノ入りの崩壊地（図14、15）は時間の制約から冠頭部まで踏査できていないため、GPSデータは得られなかったため、崩壊の範囲を推定で記入した。なお、清水久保の崩壊地では、隣接する斜面に段差を伴う亀裂が生じていた。地震の際に亀裂を生じたものの崩壊までは至らなかった土塊が存在することが示唆され、（この崩壊地の下には民家はないが、もし民家がある場合には）その後の降雨時には注意が必要な箇所であった。

### 3.3 月11日の地震に起因する住宅地の地盤変状

### 3.1 いわき市の事例

3月11日の地震に伴い、福島市やいわき市内の比較的新しい住宅地で地すべり性の地盤変状を生じていることが報告されており $ ^{3} $ 、そのうち図1のI地点を調査した。当該地点では、河川に面した宅地が河川側に移動したと見られ、地表面に沈下、開口亀裂、圧縮亀裂などの地盤変状を生じている（図16、17）。地盤変状が顕著な河川に近い範囲には建物の倒壊も生じており、避難勧告が出されていた。河川の対岸は水田となっている。河川に面した擁壁には転倒したものもある。同じ河川に面していて、この宅地に隣接する自然斜面には、変状は見受けられなかった。

### 3.2 仙台市の事例

仙台市では昭和53年（1978年）の宮城県沖地震の際、
図 10 清水久保崩壊の周辺地形図（図の幅約 1.5km）

図 11 清水久保崩壊の冠頭部（図 10 p 地点で撮影）

図 12 岡ノ内崩壊の周辺地形図（図の幅約 1.5km）

図 13 岡ノ内の崩壊地（図 12 p 地点で撮影）

図 14 北ノ入崩壊の周辺地形図（図の幅約 1.5km）

丘陵地の住宅造成地のうち、谷を埋めた部分ですべりや沈下、亀裂などの地盤変状が生じて問題となった⁹）。3月11日の地震でも同様の現象が一部の地区で発生している。図18は図1L地点において地盤変状を生じた領域の斜面上部に現れた開口性の亀裂を示す。宅地がこの亀裂を冠

図 15 北ノ入の崩壊地の上部（図 14 p 地点で撮影）

頭部として、すべりを生じていると見られる。図19は変状を生じた領域の中部から下部に位置する道路で、建物が傾斜倒壊している様子を示す。住民の話では、L地点の変状が現れている領域は昭和53年の地震では変状がなかったとのことである。
図16 I 地点の河川沿いの宅地の傾動（写真右手の家屋のさらに右に河川が流れる）

図17 I 地点の河川沿いの宅地の上部から下部の方向（シートから道路にかけて開口性の亀裂（矢印）。写真奥が河川側で、地盤が河川の方向に移動していることを伺わせる。）

図18 L地点の地盤変状が生じた領域のうち、最上部に生じた開口性の亀裂

図 19 L 地点の地盤変状が生じた領域のうち、中部から下部にかけての領域での変状

図20 K 地点の地盤変状が生じた領域のうち、中部から下部にかけての領域での変状

図 21 A 地点の盛り土の地盤変状

図20は図1K地点のものであるが、側溝がつぶれている。電信柱は正立しているようであり、また、地表のコンクリートに圧縮が生じて地盤から浮き上がっている。以上のことからこの地点では、沈下などによる表面付近の変状が大きいと見受けられた。住民の話では、この地
点では、昭和53年の地震時に変状があった範囲より広い範囲で変状が生じているとのことである。

### 3.3 その他の事例

3月11日の地震ではこのほかにA地点（図21）、F地点（図22）など、人工的な地盤と見られる宅地にすべりを伴う変状が発生している。この他にも福島市などで発生しているとされ $ ^{3} $ 、この様な変状は、仙台市から福島県南部の広い範囲に散在している。但し

一定の地域に集中しているという傾向は見られず、地震動の分布のほか、地盤材料の分布、造成前の地形や土地利用の状況などの影響を受けている可能性が考えられる。

また、幅や長さが百mを越えるような大規模な地すべりが複数発生していることが特徴的である。

### 4.1 いわき市内で生じた大規模地すべり

いわき市渡辺町上釜戸（図1J、図23）では、県道の道路法面が約300mに渡って崩壊し、県道を閉塞した（図24）。図24で見える崩壊の上部斜面（北方向）にも顕著な亀裂群が続いている（図25）。図23の矢印先にある資

### 4. 4月11日の地震に起因する地すべり

4月11日の福島県浜通りを震源とする地震は内陸直下の地震であり、震源付近で強い地震動があった模様である。震源付近では土砂災害が多数発生している。

図 23 上釜戸地すべりの周辺地形図

図 25 移動土塊の亀裂状況

図 22 F 地点の地すべり

図24 上釜戸地すべりの東側の状況

図26 資材置き場の変状と奥の亀裂（林の中）
材置き場は成因が不明な平坦な面となっているが、激しい亀裂を生じている。亀裂を生じた原因は不明であるが、液状化などの高い間隙水圧の発生も考えられる。その北西側の尾根にも亀裂（図26）を生じており、この亀裂までを地すべりと考えると、長さが300 m以上ある大規模な地すべりであることがうかがわれた。図23には地すべりのおおよその形状を点線で示したが、当該亀裂が地すべりによるものであるという確証はないため、当該形状の一部（？で表した部分）は推定である。

崩落した土塊には風化した泥岩が含まれている（写真27、28）。風化した泥岩は一旦動き出した場合には移動に対する抵抗力が著しく低下する性質を有するため、動き出した地すべりを止めるのが難しい傾向を有する地質といえる。崩壊した道路法面には地すべり対策と見られるアンカーエが多数施工されていたが、ほとんどが抜け落ちており、機能が失われている（図29）。

図 27 風化泥岩

図 29　対策工（アンカーエ）の破壊状況

### 4.2 石住オ鉢の崩壊

4月11日の地震によりいわき市田人町では土砂災害が多数発生し、そのうち石住オ鉢（図1H、図30）では県道の山側法面が崩壊し、車両通行中の1名が巻き込まれて死亡した。この地点では図30aの矢印地点で岩盤崩壊も発生しているが、災害は岩盤崩落に隣接した道路法面の崩壊（図30bの矢印地点。図31）によって生じた。調査時点で堆積物は捜索救助及び道路啓開のために整理されていた。崩壊面を見ると崩積土と見られる土砂からなっており、堆積物も土砂化している。さらに、崩壊より上部の斜面の杉が、全て山側に傾斜していた（図32）。このことから、法面の崩壊にとどまらず、上部斜面が傾動していることが想像された。上部斜面を踏査すると、斜面内には段差及び開口した亀裂が多数生じており（例を図33に示す。）、地すべりを起こしていた。県によりすでに調査・対策が始まっており、安全管理のため地すべりの移動を測定する伸縮計が設置されていた。地すべりの

図 28 風化泥岩

図 30 石住オ鉢の土砂災害の周辺地形図
図31 石住オ鉢の地すべり末端部の崩壊

図 33 石住オ鉢の地すべりの移動土塊内の亀裂

図 35 石住貝屋の岩盤崩落の状況

幅は約100 m程度であった。長さは道路までであれば約100 mである。さらに東側では隣接して表層崩壊が生じて

図 32 崩壊面より上部斜面の杉の傾斜

図34 二次的な崩落

いた（図 30 c の矢印地点。図 34）。この崩壊面は、湿润であった。この崩壊は余震で発生したとされている $ ^{2)} $ 。

この土砂災害地では崩壊に巻き込まれた車両に対する捜索救助活動がなされた。当該崩壊は地震により活発化した地すべりの末端部に生じたものであった。崩壊発生後も上部斜面が動いていることから、活動安全の管理が重要である。捜索では重機を用いて掘削作業が行われているが、全体が見渡せる場所2カ所に監視員を配置するとともに緊急避難路の設定が行われたとのことである。

### 4.3 石住貝屋の岩盤崩落

いわき市田人町石住貝屋（図1G）では岩盤崩落により死者3名、家屋全壊2戸、半壊1戸の被害を生じた（図35）。傾斜が急であったため冠頭部の標高は確認できなかったが、堆積物末端との標高差は150 mを越えるものと見られる。堆積物は捜索及び河川閉塞の解消のために整理されていた。堆積物は主に、破碎された岩であった。図36に中部から見た冠頭部の状況を示すが、点線で囲ん
図 36 中部から見た冠頭部の状況

だ部分には周囲と異なる色調の土砂がみられ、また、含まれる石礫が泥で覆われている。これは二次的な崩壊によるものと見られ、堆積状況から、岩盤崩落後の降雨等により誘起されたものと想像される。

### 5. まとめ

3月11日の東北地方太平洋沖地震により、白河市周辺の火山灰由来と見られる堆積土の斜面で多数の斜面崩壊が発生した。また、白河市、いわき市及び仙台市では人工的な地盤に地すべりや亀裂・沈下等の変状を生じた。斜面崩壊は白河市周辺の一定の地域に集中して発生していること、一方人工地盤の変状は、散在しているが広い範囲で生じていることが分かった。4月11日の福島県浜通りを震源とする地震により、幅や長さが100 mを越える大規模な地すべりや岩盤崩落などの土砂災害が多数発生した。発生場所は震源断層周辺に集中していた。

これらの地すべり、崩壊及び宅地の変状の中には、発生後も移動が継続しているものや、二次的な崩落が生じているものもあった。中には移動が継続している地すべりの末端部で生じた崩壊の直下で救助活動が行われた事例もあり、今後、土砂災害後の救助活動における安全管理について検討する必要がある。いくつかの土砂災害地では、いずれも長さや幅が10 m程度の小規模な二次的崩壊の痕跡が見つかった。これらの二次的崩壊の土砂はいずれも水を多く含んでいたと見られるような堆積状況であり、これらの斜面において、本震では崩れなかった部分が二次的に崩壊したことには、振動の他に地下水の影響があることが想像される。

## 謝辞

梅村順氏（日本大学工学部専任講師）、佐藤剛氏（平成帝京大学講師）及び阿部真郎氏（奥山ボーリング株）には、土砂災害の発生場所及び道路の状況について有益な情報を頂いた。いわき市消防本部には救助活動の状況についての調査にご協力頂いた。以上の方々に記して感謝します。

## 参考文献

1）国土交通省砂防部：平成23年東北地方太平洋沖地震による土砂災害発生状況、国土交通省HP（2011）

2）梅村順：私信（2011）

3）独立行政法人土木研究所土砂管理研究グループ地すべりチーム：平成23年（2011年）東北地方太平洋沖地震による地すべり・斜面崩壊調査（速報）（2011）

4）釜井俊孝：仙台市・福島市周辺の宅地地盤での地すべり、日本地すべり学会報告会「東日本大震災における斜面災害の実態」発表資料（2011）

5）阿部真郎：岩手・福島：斜面災害の地質的分布、日本地すべり学会報告会「東日本大震災における斜面災害の実態」発表資料（2011）

6）梅村順：福島県での斜面災害、日本地すべり学会報告会「東日本大震災における斜面災害の実態」発表資料（2011）

7）氢象厅HP

8）国土交通省砂防部：平成23年東北地方太平洋沖地震による土砂災害発生状況（2011）

9）東北大学理学部地質学古生物教室：1978年宮城県沖地震に伴う地盤現象と災害について（1979）
# Landslides caused by The 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake and by the earthquake in Fukushima-ken Hamadori on 11 April 2011

(Abstract)

Kiminori Araiba, Hiroshi Yoshihara, Hisanori Amano, Shinsa kuZama, Daisuke Kozeki, and Ken-ichi Takanashi

(Accepted September 16, 2011)

The landslide is one of the most common hazardous phenomena caused by the earthquake. In order to understand factors affecting the occurrence of landslide by the earthquake, such as geomor-phology, geology, hydrology etc., as well as in order to gather examples of search and rescue activity in the landslide affecting building and/or people, we conducted field investigations in landslides caused by The 2011 off the Pacific coast of Tohoku Earthquake(occurred on 11 March 2011) and by the earthquake in Fukushima-ken Hamadori on 11 April 2011. Findings are as follows: The March earthquake caused many failures in slopes of sediment consisted by volcanic ash around Shirakawa-city, Fukushima Prefecture and the failed mass of these failures traveled for a relatively long distance. The March earthquake also caused sliding, sinking and fissuring in residential lands developed by fill and such residential lands distributes for the wide area, without concentration to specific location and geology, from Sendai city to southern part of Fukushima Prefecture. The April earthquake caused large scale landslides in areas around the epicenter. A search and rescue activity was carried out in deposit of oen of these landslide which are still active. The trace of secondary failure of slope was found in two landslides.
解說

# 将来に向けた大規模建物内火災シミュレーションのあり方について

阿部 伸之

(平成23年9月7日 受理)

東日本大震災に関連して利活用されている種々のシミュレーションについて紹介し、その中で緊急時迅速放射能影響予測ネットワークシステム（System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information）の運用方法を参考に、警防での利用を念頭に置いた火災シミュレーションの運用手順を提案した。また、これを実現化するために解決されるべき課題として、計算時間の短縮、計算実施者の確保、その他必要な研究を示した。

### 1. はじめに

防火安全分野でのシミュレーションの活用状況を概観すると、火災に対する安全性の性能評価や建築設計にゾーンモデルが活用され、また、火災調査ではCFD (Computational Fluid Dynamics、数値流体力学) を用いた数値解析を通して火災状況の再現が行われ、広くシミュレーション技術が利活用されていることがわかる。しかしながら、現状では、これらのシミュレーションは、個別の事案の再現に利用されるに留まっている。火災シミュレーションに必要な燃焼性状データの情報基盤整理や、熱や煙の移動の出力結果を今後の防火設計や消防活動にいかに活用していくか総合的なシステムとして未整備であり、今後の潜在的有効性は非常に高いと考えられる。

2011年3月11日に発生した東北地方太平洋沖地震による地震、津波、火災により、東北地方を中心とした甚大な災害を被る東日本大震災が生じた。マグニチュード9.0の大きさの地震、数十mを超過する高さの津波、津波により次々と延焼拡大していく火災など、これまで想定していた災害規模を超越した災害が組み合わさった震災となった。ここで、震災発災時の津波到達予測を皮切りに、今回の震災に関連して多種多様なシミュレーションが活用されているのが見受けられた。その中でも特に震災を契機に発生した東京電力福島第一原子力発電所（以下、福島第一原発）における爆発事故により飛散した放射性物質の拡散を予測する緊急時迅速放射能影響予測ネットワークシステム（System for Prediction of Environmental Emergency Dose Information、以下SPEEDI） $ ^{1)} $ について、その運用方法を参考にしつつ、将来に向けた大規模建築物に対する建物内火災シミュレーションのあり方や開発の方向性について述べたいと思う。

### 2. 多種多様なシミュレーションの震災時活用事例

ここでは、まず東日本大震災に関連した多種多様なシミュレーションにどのようなものがあるか簡単に紹介する。具体的には、地震により発生した津波に関する到達時間や津波高さの推定シミュレーション、放射性物質の空気中及び海中の拡散シミュレーション、倒壊した家屋等から生じた大量の瓦礫が海上を漂流する様子を予測したシミュレーションについて概要を述べる。ただし、津波により街並みが破壊されたことにより、住宅地図を利用した市街地延焼シミュレーションは直ちに実施できない状況に陥ったため、津波に起因する火災（火災源が津波によって輸送される効果を含む）に対する市街地延焼シミュレーションは実施されていないようである。今後の研究が期待される。

### 2.1 津波シミュレーション

気象庁から発表される津波警報や注意報は、津波予測データベースから検索した地震の位置と規模から推定した津波高さや到達時間を元に発表される $ ^{2)} $ 。津波予測データベースでは、予めコンピュータを使った津波のシミュレーションを実施することにより得た結果を蓄積している。津波のシミュレーションは、海底地殻変動計算と津波伝播計算から構成されている。

海底地殻変動計算では、地震による海底の地殻変動により断層が動くとし、断層の水平方向分布位置1500箇所、深さ0～100kmの間を6通り、及び、4通りのマグニチュードを想定し、すべての組み合わせについて海底の地殻変動を求める。

津波伝播計算では、計算領域を格子上に等分割し、海底の地殻変動を海面形状とした初期波源をもとに各格子で津波伝播方程式を数値的に解くことによりその場所での津波高さや津波速度を計算する。沿岸部では複雑な地
形と水深が浅くなるため格子の空間解像度が低くなる。そのため、比較的水深の深い沖合の津波高さ $ H_{0} $ と水深 $ h_{0} $ からグリーンの法則（式(1)）を用いて水深 1m での津波高さ $ H_{1} $ を予測し、これを沿岸での津波高さとしている。水路幅 $ b_{0}=b_{1} $ として、

$$ \frac{H_{0}}{H_{1}}=\left(\frac{h_{1}}{h_{0}}\right)^{1/4}\left(\frac{b_{1}}{b_{0}}\right)^{1/2} $$

$$ H_{1}=H_{0}\left(\frac{h_{0}}{h_{1}}\right)^{1/4}=H_{0}h_{0}^{1/4} $$

となり、沖合での津波高さ $ H_{0} $ と水深 $ h_{0} $ が分かれば非常に容易に沿岸での津波高さ $ H_{1} $ が求まる。このように、コンピュータの能力が十分にあれば沿岸部の格子を細かくし空間解像度を上げても良いが、全国規模の計算を考えた場合にはグリーンの法則のような物理モデルを使用するのが現実的である。ただし、式(1)で沖合及び沿岸での水路幅を $ b_{0}=b_{1} $ と仮定しており、宮城県や岩手県にあるリアス式海岸のように入り組んだ形状の場合には予測精度の確認が必要である。

### 2.2 放射性物質の空気中拡散シミュレーション

地震、津波の影響を受けた福島第一原発では原子炉内の核燃料を冷却する機能を失うことにより、爆発事故が生じ放射性物質が外界に飛散した。その放射線量による健康への影響を知る上で、原子力発電所周辺の放射線量分布を把握することは重要である。SPEEDIを使うことによって、その飛散した放射性物質の拡散を予測可能であり、今回の事故に対しても予測結果が公表されている $ ^{3)} $ 。詳細については第3章に述べる。また、フランス放射線防護原子力安全研究所（IRSN）においてもシミュレーション結果を公表しており $ ^{4)} $ 、概ね西の風に乗って放射性物質が太平洋に広がり、瞬時的に風向きが東の風に変わった時に疎らに日本本土上に放射性物質が拡散する様子が示されている。

いずれにしても放射性物質の空気中の拡散を予測するには、地形の情報は事後でもわかるが、大気の風向きや速度等のその時の情報が必要であり、また、放射性物質が原子炉からどの程度放出されているかが分からなければ精度の高い予測はできない。

### 2.3 放射性物質の海中拡散シミュレーション

福島第一原発から排水された高濃度放射線汚水が海中でどのように拡散していくかを予測するシミュレーションを海洋研究開発機構（JAMSTEC）が開発した数値海況予測システム JCOPE2 及び JCOPET を用いて実施されている $ ^{5)} $ 。

JCOPE2は、黒潮のみの予測を主目的とした最初のバージョン（JCOPE1）を抜本的に改変し日本近海全体の予測を目的とした予測システムである $ ^{6} $ 。8km間隔の日本近海の水温、塩分変動、海流（黒潮や親潮）の中規模渦の挙動を速度ベクトルや等値線によって予測し表示することができる。JCOPE2は、JCOPE2をより高解像度の3km間隔のデータが取得できる。また潮汐及びより精度の高い海上風の影響を考慮できる。

放射性物質の流出に関する計算条件として、実際に発電所から排出された放射性物質の量に関する情報が無いため、海岸の1/100の濃度が拡散するものとし、海水中の下層への拡散は考慮せず海表面のみの拡散を計算している。また、大気中の放射性物質の海面への降下は考慮していない。

### 2.4 瓦礫の海上漂流シミュレーション

国際太平洋研究センター（IPRC）が震災による瓦礫が海上に漂流した際のそれらの行方について地球規模のシミュレーションを実施している $ ^{7} $ 。漂流した瓦礫は、漁業や船の航行に影響を与える。具体的なシミュレーション手法については不明であるが、シミュレーション結果では瓦礫が北太平洋を漂流し3年後にアメリカの西海岸まで到達するという予測を示している。

### 3. SPEEDI の概要

2.2 の放射性物質の空気中拡散シミュレーションで触れた SPEEDI とは、原子力発電所などの原子炉施設や核燃料施設から放射性物質が飛散した場合に周囲環境への放射性物質の濃度や被曝放射線量をその時の気象条件などから迅速に予測するシステムである $ ^{1)} $ ， $ ^{8)} $ 。ここでは SPEEDI の運用方法や予測手法について紹介する。

### 3.1 SPEEDI の開発

1979 年 3 月に発生した米国スリーマイルアイランド原子力発電所の事故を契機に、1980 年に日本原子力研究所（現 日本原子力研究開発機構）において SPEEDI の設計を開始し、1984 年に基本システムを完成させた。さらに日本原子力研究所では 2005 年に SPEEDI を高度化した高度化 SPEEDI を運用している。高度化 SPEEDI では前線の通過など急激な気象変化を考慮した 24 時間以上先までの気象予測を可能とし、この気象予測に基づいた環境への影響を予測する。

一方、日本原子力研究所では、1987年から2000年にかけて第2世代SPEEDIの開発を行い、海外で発生した原子力事故に対応するための世界版SPEEDIとなるWSPEEDI (Worldwide version of SPEEDI)の整備を行った。WSPEEDIは、これまでのSPEEDIの予測機能の強化に加え、国外で原子力事故が発生した場合の放射性物質による日本への影響を評価する機能や、放出源情報が不明な場合に国内のモニタリングデータから放出源や放出量を推定する機能を持つ。すでにWSPEEDIは、様々
な拡散実験などのデータによって検証されており、チェルノブイリ事故の再解析、動力炉・核燃料開発事業団（現日本原子力研究開発機構）東海再処理施設アスファルト固化処理施設における火災爆発事故（1997年3月）やJCOウラン加工工場臨界事故（1999年9月）の解析で実績を上げている $ ^{9)} $ ， $ ^{10)} $ 。

現在は第3世代 SPEEDIとして数値環境システム SPEEDI-MP (SPEEDI Multi-model Package) の開発を行っている。SPEEDI-MPは、最新のシミュレーション技術を基盤とした大気、海洋、陸域環境モデルと環境中物質循環モデル、データ管理、可視化及びGUI (Graphical User Interface) を用いた制御系から成り $ ^{11} $ 、さまざまな環境問題に対応できる新しい環境中物質循環予測システムである。2000年8月28日に起きた関東地方での異臭騒ぎでは、二酸化硫黄を模擬した粒子群の移動を追跡し濃度分布の時間変化を求めたシミュレーション計算により、三宅島の火山性ガスの拡散プロセスを解明した $ ^{12} $ 。

### 3.2 運用の流れ

平常時には、地方公共団体から気象・環境放射線観測データ、気象情報提供機関（日本気象協会）から風向、風速、降水量、雲量、気温などのアメダスデータ（GPV（Grid Point Value）データ /AMeDASデータ）を常時情報収集している。また、予測結果を実測値から修正するための準備や気象予測値と実測値との比較を行っている。したがって、緊急時に備えて平常時でも運用されている。

緊急時には、SPEEDIで放射性物質の飛散を予測するための情報として、原子炉施設や核燃料施設からの飛散に寄与する放射性物質がどの程度存在するかと言った放出源情報、日本気象協会からアメダスデータ、地方公共団体から気象・環境放射線観測データを収集し、中央情報処理計算機（原子力安全技術センター）を使ってSPEEDIが飛散予測を行う。SPEEDIで得られた情報は、国の非常災害対策センター、緊急事態応急対策拠点施設（オフサイトセンター）、地方公共団体に提供され、さらに地方公共団体から原子炉施設などの周辺住民に具体的対応が指示伝達される。SPEEDIの全体の運用の流れを図1に示す。

SPEEDIの計算は原子力安全技術センターが実施しており、計算するための条件入力から結果が配信されるまでの時間は15分としている。その内訳は、計算条件入力に2分、局地気象予測計算に7分、風速場予測計算に1分、濃度・線量計算に3分、図形作成・配信に2分といった時間配分になっている。

### 3.3 SPEEDI の予測手法

SPEEDI では局地気象予測計算（以下、PHYSIC） $ ^{13)} $ 、質量保存則風速場計算（以下、WIND21）、濃度・線量計算（以下、PRWDA21）の3つの計算モデルを用いている。

PHYSIC では、水平方向約20km間隔、鉛直方向上層500hPa面までの風向、風速、気温等のGPVデータから、ブシネスク近似及び静水圧近似を用いた大気力学方程式を用いて水平方向2km間隔での風向、風速を予測している。計算対象空間は地形準拠座標系であり地形の形状に沿った境界適合格子を構成する。鉛直方向は海拔0mから4000mまでの高さを30層に分割し、地表面近くでは層が密になっている。地表面に一番近い第1層は高さ10mである。WIND21では、質量保存則を満たすように

図１ 緊急時における SPEEDI の運用手順¹
PHYSIC での風向や風速の予測値を内挿することにより水平方向500m間隔のデータを生成する。PRWDA21では、これまでの風向、風速データや放射源情報、地形データを元に濃度・線量計算を行う。結果としては放射性物質の大気中濃度、地表沈着量のデータが得られ、それらから空気吸収線量率を計算し求める。さらに大気中濃度から内部被曝量、空気吸収線量率から外部被曝量が求まる。その際、放射性物質の大気中濃度、地表沈着量の予測をするのに、降雨、乾燥沈着、放射能の減衰が考慮されている。

放出源情報は外部データから入力条件として与えることになっているが、必ずしも事故後に速やかに放出源情報が入手できるわけではないため、予め入力データを推定値として用意する機能を持っている $ ^{14} $ 。また、現在、原子力安全基盤機構が開発運用しているERSS (Emergency Response Support System、緊急時対策支援システム) $ ^{15} $ を活用し放出源情報とする選択肢もある。国内のモニタリングポストのデータから、従来の逆流跡線解析手法ではなく、想定される複数の放出地点、放出開始時間、放出継続時間の組み合わせから実際に拡散計算を実行し、観測地と最も一致度の高い放出条件を推定することも開発しているようである $ ^{16} $ 。放出源情報はシミュレーションを行う上で極めて重要な情報である。図2に福島第一原発敷地内での空間放射線量率の経時変化を示す $ ^{17} $ 。また、計測位置を図3に示す。福島県全体から見たら点のような存在の福島第一原発でも敷地内の空間放射線量率にばらつきが見られ分布が存在する。単純に敷地内のどこかの計測点を代表させて放出源情報とすることができないことがわかる。

### 3.4 SPPEDI の予測精度

シミュレーションの予測精度を検証するために実測データと比較することがしばしば行われる。しかし、実火災のシミュレーションの場合、実際に火災が起こっている最中に温度等のデータを取ることは現実にはないので、予測結果がどの程度妥当であるかを詳細に検証することは難しい。一方、放射性物質の拡散シミュレーションの場合には、いろいろな場所で放射線量のデータを取得していることから、予測精度の検証が可能である。

図4に SPEEDIによる3月12日6時から3月24日0時までのヨウ素に関する積算値の予測結果を示す $ ^{3)} $ 。1号機は12日15時36分頃、3号機は14日11時1分頃、4号機は15日6時頃に水素爆発と推察される要因により原子炉建屋が損傷した。また、2号機は15日6時10分頃に圧力抑制室（サプレッションチャンバー）が破損している。放射性物質を大きく大気中に放出したと考えられるが、それらの時間は積算期間に含まれる。放射線量分布が同心円状にならずにホットスポットと呼ばれる局所的

図2 福島第一原子力発電所敷地内での空間放射線量率の経時変化 $ ^{17)} $

図3 福島第一原子力発電所敷地内における原子炉及びモニタリングポストの位置

に大きな集中領域が生じるのは、風向、地形、降雨・降雪が要因である。該当期間の前半部分の経時計測データは公開されていないので、実測値の積算はできないが、飯舘村の空間放射線量が大きいことが報道されていることから考えると計算結果について定性的にはよく予測されているものと考える。

図4で示した飯舘村、いわき市、田村市の福島第一原発からおよそ40km離れた場所での空間放射線量率の経時変化を図5に示す $ ^{18)} $ 。飯舘村はおよそ10μSv/hで最も
図４ SPPEDI による内部被曝臓器等価線量予測³

〔積算期間 2011 年 3 月 12 日 6 時～ 24 日 0 時、ヨウ素合計、1 歳児、甲状腺〕

図 5 福島第一原子力発電所から約 40km 離れた位置での空間放射線量率の経時変化 $ ^{18)} $

高く、次いでいわき市、田村市は最も低い。定性的な評価になるが、図4に示した線量分布の北西に大きく張り出した傾向や南南西にも張り出した分布と、図5の3地点の放射線量率の傾向との大まかな一致は、SPEEDIによる予測結果の妥当性を示している。よって、SPEEDIの計算結果を消防も直ちに入手できれば、消防隊の拠点の選定や安全性評価にも使うことができる。

## 4 ．大規模建築物に対する建物内火災シミュレーションのあり方と開発の方向性

### 4.1 現在の火災シミュレータの活用状況

現在、消防研究センターにおいて利用している火災シミュレータには、FDS (Fire Dynamics Simulator) $ ^{19)} $ とNRIFire $ ^{20)} $ ， $ ^{21)} $ の2つがある。FDSはアメリカ商務省国立標準技術研究所（NIST）が開発したCFDをベースにした火災シミュレーターであり、消防研究センターでは火災調査において主に利用している。一方、NRIFireは二層ゾーンモデルをベースにした消防研究センターが開発したGUI易操作型火災シミュレーターであり、現在操作性向上のために更なる改良を行っているところである。以下、それぞれの特徴について説明する。

FDSは、計算対象となる空間を10万～1億個の直方体の小さい空間（以下、セル）に分割し、それぞれのセルについて質量、運動量、エネルギーの保存方程式に従って計算機を用いてシミュレーションを実施することにより、時間的空間的に変化する火災を起因として生成した高温ガスの温度や流速をセル毎に予測するものである。各セルにおけるデータが得られるため、詳細な高温ガスの運動を再現することが可能であるが、一方で計算時間が長いことが欠点であり、計算の高速化が期待される。これまで消防研究センターでは火災調査の高度化の一環として、火災進展状況を再現するためにFDSを使用してきており、その一例として図6に宝塚市カラオケ店火災をシミュレーションで再現した煙伝搬の様子を示す。2階在館者が避難した際に通過した階段室の温度環境をシミュレーションで予測することにより、避難時間を推定できた事例である。シミュレーションでは計算結果から任意の位置の高温ガスの温度や流速を数値データとして得られるだけではなく、火災調査に携わる関係者が個々
にイメージしていた火災状況を、可視化した計算結果として情報共有し何がいつどこで起こっていたのかという認識を統一できるようになる。

NRIFireで使用している二層ゾーンモデルは、計算対象となる区画を高温層（煙）と低温層（空気）の二層に上下水平分割し、それぞれの相互関係や開口部状況によって質量、化学種、エネルギーの保存方程式に従った計算機を用いたシミュレーションを実行することにより、各区画（部屋）における高温層の温度や蓄積量などの時間変化を予測するものである。CFDに基づいた計算手法と比較して詳細な情報は得られないものの防火上必要な情報は得られ、かつ、計算が速いことが特徴である。NRIFireを使用している状況を図7に示す。部屋や開口部など建物を構成する必要な要素は部品としてアイコン化されており、それらを建物のレイアウトに従いマウスを使って配置していくことで種々状況に見合った設定をすることができるようになっている。配置したアイコン毎にそれぞれ属性の設定が詳細にできるので、例えば、

図6 宝塚市カラオケ店火災に対する CFD を用いた煙伝搬状況の再現

図7 宝塚市カラオケ店火災のシミュレーションのための条件設定等の前処理状況
部屋であれば長さ寸法や壁の材質を指定することができる。また、火源アイコンについては、利用した可燃物の発熱速度データを消防研究センターが開発している火災実験データベース（http://firedb.fri.go.jp/）から入手し、NRIFireではそれを入力データとして利用できるようになっている。

以上のように、消防研究センターでは概ね火災の調査に対して火災シミュレーターを利用しているのが実状であり、計算速度の面でなかなか警防での利活用まで視野に入れたリアルタイムシミュレーションシステムとしての運用はできていないのが現状である。

### 4.2 将来に向けての火災シミュレーションのあり方

消防署における火災シミュレーションの利用方策については、警防面での訓練や市民への消火や避難訓練の指導に火災シミュレーションの結果を利活用することが既に議論されており $ ^{22} $ 、その活用範囲は広く、火災シミュレーションの潜在的有用性をうかがわせる。そこで、火災調査で利用されている火災シミュレータの活用範囲を警防で活用することまで拡大してその運用方法を考えてみる。図1のSPEEDIの運用方法を参考にして、将来的には図8のようなシステムになると考える。また、そのシステムの実現には種々の研究開発で解決しなければならない問題を含んでいる。

市街地火災やコンビナート火災のように長期間に及ぶ火災にも適用できるが、ここでは大規模建物火災を対象に話を進める。まず大規模建築物で火災が発生した情報が消防本部に届く。この時の情報には火災感知器の作動状況（感知位置、感知時間）も含むことになる。消防本部では予め管内にある主要な大規模建築物の建物情報としてCAD図面（なければ紙図面）を入手しておき、建物形状を計算機内でモデリングしておく。モデリングは時間がかかり発災時に取り掛かっている時間はないので事前に用意しておくことが肝要である。火災が生じた建物の出火位置を感知器作動状況から特定し、建物形状を基にシミュレータで火災進展状況を予測する。この時の可燃物の設置状況は用途別にある程度類推するほかないが、関係者からの聴取によりできる限り具体的な可燃物が指定できた方が良い。また、可燃物の発熱速度データは消防研究センター火災実験データベースから入手する。予測した火災進展状況結果は随時、消防署、指揮本部に伝達され、消防隊員への活動指示伝達となる。逆に、消防隊員の位置情報とともに得られた実際の火災進展状況を指揮本部から消防本部に伝達することにより、計算条件となる新しい情報を元にさらに精度の高い計算を行うことで、信頼性のある火災進展状況情報を現場に提供することが可能となる。

ここで、問題となってくるのは誰が火災シミュレータを使って計算するか、である。SPEEDIの場合には原子力安全技術センターが計算を実施している。計算機自身は消防研究センターの熱流体数値解析用計算機（クラスタ計算機）を使い、消防研究センターの支援の元で、計算実行は消防本部が行うか、消防研究センターが実施することになるであろう。また、計算機は身近に使用しているパソコンが高性能で活用可能ならばそれでも良い。将

図8 大規模建物火災時における火災シミュレーションの運用手順
来的にはパソコンにおいてOpenMPによるメモリ共有並列計算手法やGPGPU（グラフィックボードの演算処理を数値計算に活用する手法）による高速化手法が確立されているものと期待する。いずれにしてもシステムが高度化していっても計算を実施するためには必要な知識を使い手は習得しておかなければならない。その理由は、使い手の能力によって解析結果が影響を受けるユーザー（解析技術者）効果 $ ^{23)} $ が存在するからである。ユーザー効果の低減には知識の習得と経験が不可欠である。また、計算実行に慣れておく必要もあるため、SPEEDIを参考にすれば、平常時には従来の火災調査や図上訓練で火災シミュレータを使うことを通して常に使える準備をしておくことなど、平常時での運用も重要になってくる。

### 4.3 解決すべき課題

想定ではあるものの将来に向けての運用方法を今回検討することによって、火災シミュレーターを最大限に活用するために解決すべき課題を示した。主なものを取り上げて述べる。

はじめに、計算時間の問題である。CFD（ここではFDS）は数日かかる計算も珍しくなく、これでは発災中の火災進展の時間スケールでその状況をほぼリアルタイムに再現することは不可能である。恐らく要求される計算時間は10分以内、遅くても30分が限界ではないだろうか。その解決のために計算機の発達などのハードウェアの進歩に頼ることも悪くはないが、計算時間の比較的短いゾーンモデルとCFDの融合も視野に入れるなどソフトウェアの計算時間短縮のための工夫を試みる必要がある。計算時間が短いゾーンモデルを基にしているNRIFireでも例外ではなく、計算時間の短縮に努めなければならない。

次に、消防本部で計算を実施する際の計算実施者の確保である。あらゆるシミュレータに共通することであるが、予備知識なしに万人がシミュレータを取り扱えるものではない。ユーザー効果からある程度シミュレーションに理解のある消防職員が計算に携わることが理想的であるが、他の業務もある中でそのような技能を身につけるのは大きな負担になる。それに配慮した組織的に育成できるような仕組みが必要になる。また、身近なところでシミュレータを操作できる環境をソフトウェア、ハードウェア含めて用意しておくことも重要であり、数多くの経験を積んでおくことが肝要である。

最後に、細かなところでは、感知情報から出火場所を特定する研究や消防隊員の位置を特定する研究がより重要性を増すと考える。当然ながらシミュレーションで使う数値解法の研究開発も重要であるが、図8に示した入力情報や出力結果の活用手順を含むシステム全体としての機能的な運用は、シミュレーション部分の研究開発だけでは実現できないのである。

思いつくものを列挙してみたが、以上が解決されていけば、将来に向けた火災シミュレーションの適用範囲も広がるはずである。

### 5. まとめ

SPEEDIの運用状況を通して、それを参考に将来に向けて火災シミュレータの運用方法を考えてみた。その中でいくつか課題を示したが、目標とすべきことはいかに現場の消防隊員の活動を支援できるかであり、今のうちにその仕組みを徐々に構築していく必要がある。これから将来に向かい、ますます各要素になる研究が盛んになり機能的に火災シミュレータが活用されることを期待するものである。

## 参考文献

1）文部科学省：SPEEDIパンフレット，2008.

2）気象庁：津波を予測するしくみ，URL http://www.seisvol.kishou.go.jp/eq/know/tsunami/ryoteki.html (URL accessed on April 19, 2011).

3）原子力安全委員会：プレス発表資料（平成23年3月23日）“緊急時迅速放射能影響予測ネットワークシステム（SPEEDI）の試算について”，2011.

4) Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN): Accident de la centrale de Fukushima Daiichi : Dispersion des rejets radioactifs dans l'atmosphère à l'échelle régionale - Version du 22 mars 2011, URL http://www.irsn.fr/FR/pupup/Pages/animation_dispersion_rejets_22mars.aspx (URL accessed on May 24, 2011).

5）文部科学省：プレス発表資料（平成23年4月12日～5月24日）“海域における放射能濃度のシミュレーションについて（第一報～第五報）”，2011.

6）宮澤泰正：“JAMSTECにおける技術開発 - 数值海流予測システム JCOPE -”，日本深海技術協会会報，60, pp.11-15, 2009.

7) International Pacific Research Center: Press Release (Tuesday, April 5, 2011) "Where Will the Debris from Japan's Tsunami Drift in the Ocean?", 2011.

8）文部科学省：環境防災 N ネット，URL http://www.bousai.ne.jp/vis/index.php (URL accessed on June 17, 2011).

9）藤根幸雄，村田幹生，阿部仁，高田準一，塚本導雄，宮田定次郎，井田正明，渡辺貢樹男，内山軍蔵，朝倉俊英，杉川進，岡崎修二，宮内正勝，富樫喜博，茅野政道，永井晴康，加藤正平，中山真一，梅田幹，前田充，井澤直樹，西尾軍治，鴻坂厚夫：“アスファルト固化処理施設火災・爆発事故の原因究明試験と環境影響評価”，JAERI-Research, 99-056, 1999.