東日本大地震后供水系統(tǒng)的破壞和恢復(fù)研究.pdf

1、2011年3月11日,在日本東北地區(qū)發(fā)生了日本歷史上最嚴(yán)重的一次地震(Mw=9.0),并引發(fā)了強(qiáng)烈的海嘯,此次災(zāi)難對(duì)日本社會(huì),經(jīng)濟(jì)造成了難以想象的損失,超過20,000人在此次災(zāi)難中罹難1)。在城市基礎(chǔ)功能中起重要用的生命線系統(tǒng),包括電力,供水,天然氣,通信及道路,鐵路運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)在地震中遭受了嚴(yán)重的破壞。
　　在所有的生命線系統(tǒng)中,供水系統(tǒng)受災(zāi)嚴(yán)重,在受災(zāi)的16個(gè)縣中,共有超過2,000,000家庭遭遇斷水1),大規(guī)模的斷水對(duì)社會(huì)

2、生產(chǎn)和百姓生活造成了極大的不便。與之前的地震相比,中小管徑的管道破壞情況基本相同,但大管徑的管道破壞在這次地震中被發(fā)現(xiàn)。供水恢復(fù)工作在震后立即展開并且大部分的斷水地區(qū)在一個(gè)月左右的時(shí)間供水得到恢復(fù),但是由于受到4月7號(hào)和4月11號(hào)余震的影響,在某些地區(qū)斷水再次發(fā)生。
　　日本是一個(gè)地震發(fā)生頻率很高的國(guó)家,在日本歷史上發(fā)生過的幾次嚴(yán)重地震如1995年兵庫(kù)縣南部地震(Mw=7.3),2004年新瀉縣中越地震(Mw=6.8)以及2011

3、年?yáng)|日本大地震(Mw=7.3),供水系統(tǒng)在這些地震之后均受到嚴(yán)重的破壞。為了降低供水系統(tǒng)的損壞對(duì)社會(huì)生產(chǎn)生活的影響,并在以前地震的經(jīng)驗(yàn)之上,日本厚生勞動(dòng)省發(fā)布了“供水系統(tǒng)抗震計(jì)劃”。該計(jì)劃將敦促當(dāng)?shù)卣拖嚓P(guān)機(jī)構(gòu)提高供水系統(tǒng)中的各主要設(shè)施和管道的抗震性能,該計(jì)劃于1997年開始正式實(shí)施并且在隨后發(fā)生的地震中汲取經(jīng)驗(yàn)并不斷改善?？傊畬?duì)于供水系統(tǒng)的抗震減災(zāi)工作來(lái)說,這是一個(gè)在人類和大自然之間極具挑戰(zhàn)的工作,并且將永遠(yuǎn)的持續(xù)下去。
　　

4、由于東日本大地震的規(guī)模以及帶來(lái)的巨大危害超出了專家之前的預(yù)測(cè),所以除了由政府制定的綜合防震計(jì)劃之外,在分析研究各地震中供水系統(tǒng)的破壞情況的基礎(chǔ)上,許多組織(水道局-日本負(fù)責(zé)供水的機(jī)構(gòu),各相關(guān)研究協(xié)會(huì)以及當(dāng)?shù)卣?都在制定更高級(jí)別的防災(zāi)對(duì)策從而來(lái)應(yīng)對(duì)將來(lái)可能發(fā)生的大規(guī)模地震。其中一個(gè)觀點(diǎn)是提高供水系統(tǒng)的后備能力,這其中包括:首先可以將整個(gè)供水網(wǎng)絡(luò)環(huán)狀化,增加供水網(wǎng)絡(luò)中管路的環(huán)狀結(jié)構(gòu),這樣將有效提高各供水點(diǎn)的供水可靠性3)。以東日本大地震為

5、例,在宮城縣的一段主干管路中,一段直徑為2,400mm的管道遭到破壞后,下游供水全面停止。如果該供水結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)狀化,那么下游供水將通過其他管線供應(yīng),從而避免由于一處主管道的損壞導(dǎo)致大面積的停水。其次還應(yīng)建立后備水源,因?yàn)樵谀承┑貐^(qū)只有一個(gè)的水源,該水源若遭受地震破壞將導(dǎo)致供水區(qū)域的大面積斷水,所以積極準(zhǔn)備第二水源來(lái)應(yīng)對(duì)緊急情況顯得至關(guān)重要。再者在供水管網(wǎng)的關(guān)鍵管段盡可能的使用高抗震性能的管道,這些關(guān)鍵管段一方面包括從凈水廠到各市村町

6、的主干管段,也包括連接醫(yī)院,消防站以及臨時(shí)搭建的住所的管道,這些地方都應(yīng)該保證用水的優(yōu)先性,如果這些地方在災(zāi)后長(zhǎng)時(shí)間斷水將可能造成比地震本身更大的災(zāi)害。所以當(dāng)我們?cè)诳紤]防災(zāi)對(duì)策時(shí)應(yīng)該考慮在這些管段處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將有效提高供水的可靠性。在日本,大部分供水管道埋設(shè)于1954年到1973年,這一段時(shí)間在日本被稱為“高速經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)期”,根據(jù)政府設(shè)定的40年管道壽命,大量的管道已

7、經(jīng)面臨老化問題,這些管道在地震中十分脆弱容易損壞,而且也未采用抗震接口,這在地震發(fā)生后極易造成大面積損壞導(dǎo)致斷水。雖然使用高抗震性能的管道或者接口能夠有效提高官網(wǎng)的抗震性能,但是對(duì)于政府來(lái)說這將是一筆很大的開支,但即使這樣我們也不得不做出更換的決定來(lái)抵抗地震帶給我們的危害。
　　還有一點(diǎn)對(duì)于提高供水管網(wǎng)的抗震性能有很大幫助,那就是供水區(qū)域的互連,將整個(gè)供水區(qū)域看做一個(gè)整體,雖然不同的凈水廠有各自的給水區(qū)域,但是如果能將各區(qū)域用管道

8、連接起來(lái),那么在地震發(fā)生后如果某個(gè)凈水廠無(wú)法提供水源,其他凈水廠便能夠及時(shí)為該地區(qū)供水來(lái)緩解斷水帶來(lái)的麻煩。毫無(wú)疑問這些起到連接不同供水區(qū)域的管道也需要在鋪設(shè)時(shí)考慮使用高抗震性能的管道。
　　地震發(fā)生之后能否供水或者多久才能供水對(duì)于每一個(gè)受災(zāi)家庭都至關(guān)重要,這就需要在地震后進(jìn)行地震對(duì)于管道的破壞以及供水恢復(fù)的研究從而來(lái)改善防震減災(zāi)對(duì)策,這其中就包括對(duì)于不同管種在地震中的表現(xiàn)的分析,管種破壞和烈度相互關(guān)系的分析以及整個(gè)供水網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)的

9、研究。東日本大地震發(fā)生后,其破壞之強(qiáng),范圍之廣超過了所有預(yù)防對(duì)策所設(shè)想的程度,所以研究供水網(wǎng)絡(luò)的破壞情況以及恢復(fù)情況將有助于重新檢查已有對(duì)策是否存在評(píng)價(jià)過小的問題,以及根據(jù)這次大地震中官網(wǎng)的表現(xiàn)來(lái)重新修訂各級(jí)防震減災(zāi)的對(duì)策。
　　在本研究中,首先對(duì)日本整體受災(zāi)區(qū)域的供水網(wǎng)絡(luò)做了簡(jiǎn)單的破壞分析并且和1995的阪神大地震做了對(duì)比。此外本研究還選取了福島縣的Iwaki市供水網(wǎng)絡(luò)和宮城縣的仙南仙鹽地區(qū)供水網(wǎng)絡(luò)作為研究對(duì)象。一方面,這兩個(gè)縣

10、均為此次大地震的嚴(yán)重受災(zāi)地區(qū),其中供水系統(tǒng)受災(zāi)嚴(yán)重,研究重災(zāi)區(qū)的供水網(wǎng)絡(luò)具有代表性。另一方面仙南仙鹽地區(qū)的供水網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)典型的樹形網(wǎng)絡(luò),其結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)將導(dǎo)致供水恢復(fù)的延遲性,那就是離水遠(yuǎn)點(diǎn)較遠(yuǎn)的需水點(diǎn)會(huì)慢于近需水點(diǎn)而得到供水,結(jié)合這次地震中該供水網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)分析將有助于該地區(qū)供水網(wǎng)絡(luò)的防震對(duì)策的優(yōu)化。
　　在Iwaki市供水網(wǎng)絡(luò)中,用GIS軟件對(duì)該供水管網(wǎng)的破壞及恢復(fù)進(jìn)行了分析。在仙南和仙鹽地區(qū)的供水網(wǎng)絡(luò)中,用GIS軟件對(duì)該供水管網(wǎng)的

11、破壞及恢復(fù)進(jìn)行了分析。
　　在這次大地震中,共有9409處管道破壞和507處閥門及管道橋遭到破壞。管道的破壞率(破壞數(shù)/公里)為0.13。在所有管種中,鋼管的破壞率最高,為0.27。在阪神大地震中,破壞率平均為0.78,石棉水泥管的破壞率最高,為2.5。將這兩次的大地震比較可以看到東日本大地震的破壞率低于阪神大地震,但是影響范圍卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。在這次大地震中共有16個(gè)縣2,000,000戶居民遭受了斷水,供水恢復(fù)在一個(gè)月之后完成了

12、大約90％,但是由于受到4月7日和11日余震的影響,很多地區(qū)再次遭受了斷水。
　　為了更加詳細(xì)的分析供水網(wǎng)絡(luò)的破壞狀況,位于福島縣的Iwaki市供水網(wǎng)絡(luò)和宮城縣的仙南仙鹽地區(qū)供水網(wǎng)絡(luò)作為研究對(duì)象,其原因?yàn)檫@兩個(gè)地區(qū)均為受災(zāi)嚴(yán)重地區(qū),其次這兩個(gè)供水網(wǎng)絡(luò)大小不同,以這兩個(gè)供水網(wǎng)絡(luò)作為研究對(duì)象能夠進(jìn)一步分析地震對(duì)供水系統(tǒng)的破壞情況從未為將來(lái)完善防災(zāi)對(duì)策。在 Iwaki市供水網(wǎng)絡(luò)中,管線全長(zhǎng)2,200公里,在所有管種中,聚氯乙烯管和球墨鑄

13、鐵管占主要部分。在東日本大地震中,該供水網(wǎng)絡(luò)共有1409處管道破壞,其中457處破壞由主震引起,952處破壞由4月11日余震引起,雖然大部分的破壞發(fā)生在聚氯乙烯管和球墨鑄鐵管中,但是兩個(gè)管種的破壞率卻相對(duì)較低。對(duì)比主震和余震的破壞情況,余震的破壞率高于主震,在余震中,石棉水泥管和鋼管的破壞率為1.2和1.5,兩值均高于其他管種的破壞率。在主震中,222處破壞發(fā)生在在烈度為6弱的情況下,高于5強(qiáng)和6強(qiáng),但是6強(qiáng)處的破壞率卻高于其他烈度時(shí)的

14、破壞率。在余震中,482處破壞發(fā)生在烈度為5強(qiáng)的情況下,高于其他烈度。6強(qiáng)的破壞率為0.27,在所有烈度中為最低。這就導(dǎo)致了高烈度未導(dǎo)致高破壞率,經(jīng)過分析得出可能的原因?yàn)橛捎谟嗾鸢l(fā)生在4月11日,距離3月11日的主震較近,大范圍的災(zāi)害排查工作啟動(dòng)不久,很可能出現(xiàn)排查工作還未完成余震就已經(jīng)發(fā)生的情況,那么一部分由主震引起的破壞就有可能被算為由余震引起。所以在本研究中,將主震和余震合并起來(lái)分析來(lái)解決數(shù)據(jù)收集滯后的問題。合并之后鋼管和石墨水泥

15、管的破壞率較高,共有929處破壞發(fā)生在烈度為6弱的情況下,烈度為6弱和6強(qiáng)的破壞率分別為0.706和0.703,這就證明了高烈度會(huì)導(dǎo)致高破壞率。
　　大約有95%的家庭在災(zāi)后一個(gè)月恢復(fù)了供水,在該供水網(wǎng)絡(luò)的某些地區(qū)由于受到余震的影響斷水再次發(fā)生。在人口較為稀少的地區(qū),供水恢復(fù)較慢。通過恢復(fù)曲線的結(jié)果分析,本研究所收集的數(shù)據(jù)未能顯示明顯的余震影響。在某些地區(qū),雖然管道破壞處很少,但是恢復(fù)時(shí)間卻很長(zhǎng)。同時(shí)很多地區(qū)遭受同樣的破壞而恢復(fù)時(shí)

16、間卻不盡相同。很多管道暴露在高烈度地區(qū)卻只有少部分管道遭受破壞。
　　為了了解供水系統(tǒng)的可靠性,本為選擇了具有典型樹形結(jié)構(gòu)的仙南仙鹽供水網(wǎng)絡(luò)作為研究對(duì)象,通過對(duì)該供水網(wǎng)絡(luò)在東日本大地震中的破壞及供水恢復(fù)研究以及在假定地震下的可靠性分析來(lái)為將來(lái)的防災(zāi)做更加充足的準(zhǔn)備。
　　首先對(duì)該供水網(wǎng)絡(luò)的破壞及恢復(fù)情況進(jìn)行了分析。共有55處管道遭到了破壞,其中直徑為2,400mm的主管道也在此次災(zāi)害中遭到了破壞。17個(gè)市村的供水于4月16日

17、全面恢復(fù)。為了研究該樹形網(wǎng)絡(luò)的供水可靠性,本文選擇了2個(gè)假定地震運(yùn)用蒙特卡洛模擬分析了該供水網(wǎng)絡(luò)的供水可靠性。2個(gè)假定地震一個(gè)為內(nèi)陸型地震的長(zhǎng)町利府線斷層地震,該地震推測(cè)震級(jí)為7.0-7.5,該地震發(fā)生的概率較大。另一個(gè)為海溝型地震的宮城縣地震,該地震推測(cè)震級(jí)為8.0,但是發(fā)生概率較低。兩個(gè)假定地震都將影響仙南仙鹽供水網(wǎng)絡(luò)。
　　通過蒙特卡洛模擬計(jì)算出水源點(diǎn)到每個(gè)需水點(diǎn)的到達(dá)率從而可以分析該網(wǎng)絡(luò)的供水可靠性,結(jié)果表明隨著需水點(diǎn)距離