东日本大地震后供水系统的破坏和恢复研究

摘要

2011年3月11日,在日本东北地区发生了日本历史上最严重的一次地震(Mw=9.0),并引发了强烈的海啸,此次灾难对日本社会,经济造成了难以想象的损失,超过20,000人在此次灾难中罹难1)。在城市基础功能中起重要用的生命线系统,包括电力,供水,天然气,通信及道路,铁路运输等系统在地震中遭受了严重的破坏。
　　在所有的生命线系统中,供水系统受灾严重,在受灾的16个县中,共有超过2,000,000家庭遭遇断水1),大规模的断水对社会生产和百姓生活造成了极大的不便。与之前的地震相比,中小管径的管道破坏情况基本相同,但大管径的管道破坏在这次地震中被发现。供水恢复工作在震后立即展开并且大部分的断水地区在一个月左右的时间供水得到恢复,但是由于受到4月7号和4月11号余震的影响,在某些地区断水再次发生。
　　日本是一个地震发生频率很高的国家,在日本历史上发生过的几次严重地震如1995年兵库县南部地震(Mw=7.3),2004年新泻县中越地震(Mw=6.8)以及2011年东日本大地震(Mw=7.3),供水系统在这些地震之后均受到严重的破坏。为了降低供水系统的损坏对社会生产生活的影响,并在以前地震的经验之上,日本厚生劳动省发布了“供水系统抗震计划”。该计划将敦促当地政府和相关机构提高供水系统中的各主要设施和管道的抗震性能,该计划于1997年开始正式实施并且在随后发生的地震中汲取经验并不断改善。总之对于供水系统的抗震减灾工作来说,这是一个在人类和大自然之间极具挑战的工作,并且将永远的持续下去。
　　由于东日本大地震的规模以及带来的巨大危害超出了专家之前的预测,所以除了由政府制定的综合防震计划之外,在分析研究各地震中供水系统的破坏情况的基础上,许多组织(水道局-日本负责供水的机构,各相关研究协会以及当地政府)都在制定更高级别的防灾对策从而来应对将来可能发生的大规模地震。其中一个观点是提高供水系统的后备能力,这其中包括:首先可以将整个供水网络环状化,增加供水网络中管路的环状结构,这样将有效提高各供水点的供水可靠性3)。以东日本大地震为例,在宫城县的一段主干管路中,一段直径为2,400mm的管道遭到破坏后,下游供水全面停止。如果该供水结构能够实现环状化,那么下游供水将通过其他管线供应,从而避免由于一处主管道的损坏导致大面积的停水。其次还应建立后备水源,因为在某些地区只有一个的水源,该水源若遭受地震破坏将导致供水区域的大面积断水,所以积极准备第二水源来应对紧急情况显得至关重要。再者在供水管网的关键管段尽可能的使用高抗震性能的管道,这些关键管段一方面包括从净水厂到各市村町的主干管段,也包括连接医院,消防站以及临时搭建的住所的管道,这些地方都应该保证用水的优先性,如果这些地方在灾后长时间断水将可能造成比地震本身更大的灾害。所以当我们在考虑防灾对策时应该考虑在这些管段处增加使用高抗震性能的管道3)。
　　另一方面使用高抗震性能材料的管道和接口也将有效提高供水的可靠性。在日本,大部分供水管道埋设于1954年到1973年,这一段时间在日本被称为“高速经济成长期”,根据政府设定的40年管道寿命,大量的管道已经面临老化问题,这些管道在地震中十分脆弱容易损坏,而且也未采用抗震接口,这在地震发生后极易造成大面积损坏导致断水。虽然使用高抗震性能的管道或者接口能够有效提高官网的抗震性能,但是对于政府来说这将是一笔很大的开支,但即使这样我们也不得不做出更换的决定来抵抗地震带给我们的危害。
　　还有一点对于提高供水管网的抗震性能有很大帮助,那就是供水区域的互连,将整个供水区域看做一个整体,虽然不同的净水厂有各自的给水区域,但是如果能将各区域用管道连接起来,那么在地震发生后如果某个净水厂无法提供水源,其他净水厂便能够及时为该地区供水来缓解断水带来的麻烦。毫无疑问这些起到连接不同供水区域的管道也需要在铺设时考虑使用高抗震性能的管道。
　　地震发生之后能否供水或者多久才能供水对于每一个受灾家庭都至关重要,这就需要在地震后进行地震对于管道的破坏以及供水恢复的研究从而来改善防震减灾对策,这其中就包括对于不同管种在地震中的表现的分析,管种破坏和烈度相互关系的分析以及整个供水网络恢复的研究。东日本大地震发生后,其破坏之强,范围之广超过了所有预防对策所设想的程度,所以研究供水网络的破坏情况以及恢复情况将有助于重新检查已有对策是否存在评价过小的问题,以及根据这次大地震中官网的表现来重新修订各级防震减灾的对策。
　　在本研究中,首先对日本整体受灾区域的供水网络做了简单的破坏分析并且和1995的阪神大地震做了对比。此外本研究还选取了福岛县的Iwaki市供水网络和宫城县的仙南仙盐地区供水网络作为研究对象。一方面,这两个县均为此次大地震的严重受灾地区,其中供水系统受灾严重,研究重灾区的供水网络具有代表性。另一方面仙南仙盐地区的供水网络是一个典型的树形网络,其结构的特点将导致供水恢复的延迟性,那就是离水远点较远的需水点会慢于近需水点而得到供水,结合这次地震中该供水网络的表现分析将有助于该地区供水网络的防震对策的优化。
　　在Iwaki市供水网络中,用GIS软件对该供水管网的破坏及恢复进行了分析。在仙南和仙盐地区的供水网络中,用GIS软件对该供水管网的破坏及恢复进行了分析。
　　在这次大地震中,共有9409处管道破坏和507处阀门及管道桥遭到破坏。管道的破坏率(破坏数/公里)为0.13。在所有管种中,钢管的破坏率最高,为0.27。在阪神大地震中,破坏率平均为0.78,石棉水泥管的破坏率最高,为2.5。将这两次的大地震比较可以看到东日本大地震的破坏率低于阪神大地震,但是影响范围却远远大于后者。在这次大地震中共有16个县2,000,000户居民遭受了断水,供水恢复在一个月之后完成了大约90％,但是由于受到4月7日和11日余震的影响,很多地区再次遭受了断水。
　　为了更加详细的分析供水网络的破坏状况,位于福岛县的Iwaki市供水网络和宫城县的仙南仙盐地区供水网络作为研究对象,其原因为这两个地区均为受灾严重地区,其次这两个供水网络大小不同,以这两个供水网络作为研究对象能够进一步分析地震对供水系统的破坏情况从未为将来完善防灾对策。在 Iwaki市供水网络中,管线全长2,200公里,在所有管种中,聚氯乙烯管和球墨铸铁管占主要部分。在东日本大地震中,该供水网络共有1409处管道破坏,其中457处破坏由主震引起,952处破坏由4月11日余震引起,虽然大部分的破坏发生在聚氯乙烯管和球墨铸铁管中,但是两个管种的破坏率却相对较低。对比主震和余震的破坏情况,余震的破坏率高于主震,在余震中,石棉水泥管和钢管的破坏率为1.2和1.5,两值均高于其他管种的破坏率。在主震中,222处破坏发生在在烈度为6弱的情况下,高于5强和6强,但是6强处的破坏率却高于其他烈度时的破坏率。在余震中,482处破坏发生在烈度为5强的情况下,高于其他烈度。6强的破坏率为0.27,在所有烈度中为最低。这就导致了高烈度未导致高破坏率,经过分析得出可能的原因为由于余震发生在4月11日,距离3月11日的主震较近,大范围的灾害排查工作启动不久,很可能出现排查工作还未完成余震就已经发生的情况,那么一部分由主震引起的破坏就有可能被算为由余震引起。所以在本研究中,将主震和余震合并起来分析来解决数据收集滞后的问题。合并之后钢管和石墨水泥管的破坏率较高,共有929处破坏发生在烈度为6弱的情况下,烈度为6弱和6强的破坏率分别为0.706和0.703,这就证明了高烈度会导致高破坏率。
　　大约有95%的家庭在灾后一个月恢复了供水,在该供水网络的某些地区由于受到余震的影响断水再次发生。在人口较为稀少的地区,供水恢复较慢。通过恢复曲线的结果分析,本研究所收集的数据未能显示明显的余震影响。在某些地区,虽然管道破坏处很少,但是恢复时间却很长。同时很多地区遭受同样的破坏而恢复时间却不尽相同。很多管道暴露在高烈度地区却只有少部分管道遭受破坏。
　　为了了解供水系统的可靠性,本为选择了具有典型树形结构的仙南仙盐供水网络作为研究对象,通过对该供水网络在东日本大地震中的破坏及供水恢复研究以及在假定地震下的可靠性分析来为将来的防灾做更加充足的准备。
　　首先对该供水网络的破坏及恢复情况进行了分析。共有55处管道遭到了破坏,其中直径为2,400mm的主管道也在此次灾害中遭到了破坏。17个市村的供水于4月16日全面恢复。为了研究该树形网络的供水可靠性,本文选择了2个假定地震运用蒙特卡洛模拟分析了该供水网络的供水可靠性。2个假定地震一个为内陆型地震的长町利府线断层地震,该地震推测震级为7.0-7.5,该地震发生的概率较大。另一个为海沟型地震的宫城县地震,该地震推测震级为8.0,但是发生概率较低。两个假定地震都将影响仙南仙盐供水网络。
　　通过蒙特卡洛模拟计算出水源点到每个需水点的到达率从而可以分析该网络的供水可靠性,结果表明随着需水点距离水源点距离的增加,到达率随之降低。由于较高的烈度,长町利府线断层地震影响下的到达率低于宫城县地震。
　　该研究是东日本大地震对于供水系统破坏的基础研究,它将为未来供水系统的防灾减灾工作提供基础的参考依据。

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CHAPTER 1:INTRODUCTION

1.1 Background

1.3 Objectives of this study

1.4 Outline of this thesis

Chapter 2 The damage and restoration of water supply system caused by the Great East Japan Earthquake Disaster

2.1 Introduction

2.2 The water outage and restoration after the earthquake

2.3 Damage and restoration of pipeline

2.4 The damage rate of pipeline

Chapter 3 Analysis of water supply system of Iwaki city after the Great East Japan Earthquake Disaster

3.1 Introduction of water supply system of Iwaki city

3.2 Analysis of pipeline damage

3.3 Analysis of water supply restoration

Chapter 4 Reliability analysis of Sennan and Senen water supply network in Miyagi prefecture under scenario earthquake

4.1 Outline of Sennan and Senen water supply network

4.2 The damage of Sennan and Senen water supply network

4.3 The restoration of Sennan and Senen water supply network

4.4 Reliability analysis of Sennan and Senen water supply network.

Chapter 5 Conclusions

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果