寒冷地特性を考慮した火山泥流監視システムの開発に関する研究

研究予算：運営費交付金 研究期間：平 25～平 29 担当チーム：寒地河川チーム

上席研究員（特命事項担当） 研究担当者：藤浪 武史、矢部 浩規 船木 淳悟、伊藤 丹 前田 俊一、伊波 友生

阿部 孝章、竹ヶ原一郎 田中 忠彦、佐々木泰則

【要旨】 火山泥流被害の最小限化のためには、早期に発生を検知することが重要である。これに関して、検知機器とし

てワイヤセンサが現在多く利用されている。一方、土砂移動が生起する振動を検知する方法は、土石流検知の実

績がある。また、振動検知は複数回の土砂移動現象を検知可能と考えられている。さらに、近年半導体技術の発

達により、小型で安価な振動センサや画像による熱検知センサも普及してきている。本研究は、MEMS 技術を用

いた小型で安価な振動センサ等を利用した火山泥流の監視システムの開発に向け、熱検知、振動検知および通信

試験を行った。その結果、実用の可能性があることがわかった。 キーワード：火山泥流、振動検知、MEMS 3 軸振動センサ、監視システム

1．はじめに 積雪期の火山噴火は融雪型火山泥流を引き起こす

場合があり、1926 年 5 月の十勝岳噴火では、大正泥流

と呼ばれる融雪型火山泥流により 144 名の命が奪わ

れた（写真-1）。泥流災害の特徴は、高速移動すること、

流動性が高く遠方まで到達するため被災範囲が広い

こと、さらに流木移動を伴うとさらに甚大な被害が発

生すること等である 1)。したがって、下流市街の住民

や、噴火活動に備えた緊急的な防災工事等の安全確保

のため、泥流発生の早期検知が重要である。

これまで、土石流など土砂移動の検知には、接触型

のワイヤセンサが多用されてきている（写真-2）。土砂

移動によるワイヤ切断によって泥流の発生と見なす

ことが、検知原理上わかりやすく確実である。しかし、

積雪寒冷地では積雪沈降力によるワイヤの切断など

維持管理に特に苦慮している。また、ワイヤセンサは

一度切断されると再接続の手間が生じるため、噴火活

動が活発化し立入りが規制されるとそれ以降の検知

再開が困難となる。さらに、ワイヤセンサは、支柱基

礎、支柱およびワイヤ等で構成され、老朽化した施設

の更新に当たり費用面の負担の重さが考えられる。

一方、近年では MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）等の半導体技術の発展により、安価かつ小型

なセンサの活用が急速に拡大してきている。これに応

じ構造工学や地震工学分野においては、建設構造物の

健全性把握を目的として、小型センサによる振動のモ

ニタリングが試みられている 2), 3)。こうした考え方を

土砂移動の検知に応用することができれば、従前より

も安価で高密度に土砂移動のモニタリングができる

可能性がある。しかし、実現象の検知を想定した取り

組みは一部存在する 4)ものの、依然として少ないのが

現状である。さらに、非接触型の振動検知は複数回の

土砂移動の検知が可能と考えられる。しかし、土石流

の振動検知実績は豊富にある 5)が、泥流の振動検知実

績は見当たらない。したがって泥流を振動検知できる

かは不明である。

一方、ワイヤセンサによる泥流等の検知は、獣など

による接触や電気的ノイズ等による誤作動が生じる

こともあり、二重設置等により誤検知除去の対策が考

慮されている。現場との意見交換では、手間の面でも

費用の面でも維持管理の簡素化、入山規制時にも何ら

かの情報の継続的入手および誤検知しないこと等が

求められている。

本研究は火山泥流監視において、安価で小型の振動

センサを用いた、火口近くの観測（図-1に赤点線で示

す範囲）を主とする利用の実用可能性を検証すること

4．考察 4．1 融雪型火山泥流の発生規模予測について

熱量と泥流発生規模の関係に焦点をあてた基礎研

究を行った。この検討は独自に定義した融雪可能割合

と融雪レベルという指標で整理した（図-10）。高温砂

では融雪レベル3（実験水路下部に設置した積雪層上

面を高温砂が滑走し、その後2秒を超えて砂と雪が混

合して流下する状況）以下が泥流に発達しやすいと判

断され、この時の融雪可能割合は85%であった。また、

融雪レベル4（高温砂と雪の一部が混合して流下する

状況）は泥流に発達しない限界と考えられ、この時の

融雪可能割合は50%となった。高温鋼球の場合では一

次堆積範囲が短く水路上部から雪を融かして流下し

ながら泥流化するため、砂よりも融雪に多くの熱量が

必要となる。泥流が生じる可能性がある融雪レベル3では180%、泥流が生じないと判断できる融雪レベル4では120%と、砂に比して大きな値となっている。 また、高温砂等が雪と混合して流下した最終落下時

間は、落下時間が長くなると融雪可能割合が一定とな

る傾向があり、この融雪可能割合が融雪レベル3に対

応していた。

これらのように、融雪可能割合という指標は、高温

物質による融雪パターン、ひいては泥流発生規模の推

定のために有効であることを確認した。 なお、熱交換や物理的素過程に対して設けた仮定も

多く、また本実験を通じて多量の蒸発が見られたが観

測が難しく熱量の評価に際しては無視することとし

た。 4．2 画像による熱検知技術を用いた融雪型火山泥流

検知について 温水による土石流発生実験と、積雪層2 cmを加えた

融雪泥流実験では、熱画像計測結果が異なった。これ

は、土石流の場合は温水を伴う部分と水路床部で温度

境界がはっきりしていたのに対し、融雪泥流の場合は、

温水による積雪の融解が発生しており、活発な熱交換

が発生し泥流のフロント部分の温度分布がゆるやか

に変化していたためと考えられた。しかし、実際には

融雪型の火山泥流が発生した場合には、周囲は必然的

に低温環境であり、泥流の流下部は相対的に高温であ

ると考えられるから、本稿のサーモカメラでも検知で

きる可能性がある。またこのシステムが実用化されれ

ば、火山地域の熱画像監視にあたって大幅にコストを

縮減できる可能性がある。 4．3 振動センサを用いた融雪型火山泥流検知につ

いて

4．3．1 積雪層の振動減衰について 本検討では、起振方法と積雪厚等を変化させた実験

により、検知波形の比較を行った。積雪厚が大きくなる

にしたがい、検知速度波形の振幅が指数関数的に逓減

する傾向が確認できた。このことは積雪層の存在が振

動検知に及ぼす影響が大きいことを表している。これ

は写真-11に示したような落下状況から、積雪層の変形

がボウリング球落下の位置および運動エネルギーを吸

収したことが推察される。さらに、一定の検知速度以上

を発現する継続時間も積雪厚が大きくなるほど短縮化

する傾向が見られた。また、センサ設置箇所と起振地点

（ボウリング球落下箇所）との関係は、水平距離が大き

くなるほど振幅が減衰する傾向が確認された。このこ

とは、同程度の起振エネルギーであっても、積雪厚が増

加すると雪面上の土砂移動の振動検知が困難になる可

能性があることを意味しており、積雪期には注意を要

する。 4．3．2 泥流流下による振動検知について 1） センサ別振動波形

試作センサは、最大 7 gal の値を計測しており（図-

20）、既往の土石流観測事例 15)から土砂移動の振動検

知は可能と考えられる。一方、速度型地震計は高精度

なセンサであり、微細な振動を検知することからノイ

ズレベルが高くなったものと推察される。 2） 泥流流下および土石流流下の波形

振動振幅が大きいと考えられた土石流の方が、試作

センサでは泥流よりも小さかった（図-20，21）理由は、

主としてデータサンプリング周波数 2 Hz の影響が考

えられる。しかし、試作センサの一義的な目的は、振

動を起こす何らかの事象の検知であるため、試作セン

サは検知機能を有しているといえる。

また、図-20，21 の振動波形や実験上の振動継続時

間の短さから、本研究の実験条件では泥流か土石流か

は慎重に判別することが望まれる。試作センサは、流

下継続時間を振動検知できる（図-20，21）ことから、

およその泥流規模の把握ができる可能性がある。また、

誤検知除去のためワイヤセンサを二重設置している

場合、一方のセンサに試作センサの使用の実用も考え

られる。さらに、振動検知画像監視など他の手法を補

完しあうことで試作センサは泥流等の検知確実性を

向上させる可能性がある。

3） 泥流と土石流の振動に関する周波数解析

既往文献 15)において推察されている、泥流流下で発

生する振動の主たる周波数が土石流よりも高い周波

側であることは、この実験条件では確認できなかった

（図-22，23）。この理由の一つに、実験における縮尺

効果の影響が考えられる。

泥流等の検知にあたり、MEMS 3 軸加速度センサは、

振動の有無に関して土砂移動の検知が可能と考えら

れた。また、流下継続時間の把握が可能であることか

ら、泥流等の移動総量の規模は把握できる可能性が示

唆された。しかし、本研究の実験条件であるサンプリ

ング周波数 2Hz では、検知した振動波形から泥流か土

石流かを慎重に判別することが望まれる。したがって、

泥流や土石流を振動センサにより検知する場合には、

適切なサンプリング間隔を検討する必要がある。 4．4 振動データの通信実験について 4．4．1 観測データの通信について

データ通信距離は、見通し等条件が良ければ免許が

不要な Zigbee 通信において、モジュール(XBee ZB S2)の公称値 120 m を超える場合も確認できた。一部、通

信の連続性を欠き、欠測期間（グラフの断線箇所）が

見られたことについては、Zigbee 通信の特長である次

善の送信先の探索に影響されたこと、通信間隔が 0.2秒であることおよび無線通信距離の関与が推察され

る。 4．4．2 多点の観測データを1地点で受信するネッ

トワークについて 1)通信間隔が 1.0 秒の場合、送信箇所 5 点の計測デー

タを受信箇所 1 地点で順次円滑に受信できた。通信距

離は 177 m～40 m であり、実験時点での見通しの良さ

も理由であったと考えられた。 2) 通信間隔が 0.1 秒と短い場合では、概ね 1.5 秒間隔

の断続受信が見られ、再開後 6 ～11 ミリ秒間に 7 ～11個のデータを集中的に受信した。この現象は、Zigbee通信の特長である次善の送信先の探索と、通信再開後

の集中的な情報伝達とに影響され、密な通信間隔と無

線通信距離との関与で通信負荷の大きさが推察され

る。 4．4．3 火山山麓における観測データの長距離通信

について

無線モジュールを XBee ZB (S2C)モジュール（周波

数帯域 2.4 GHz、 屋外見通しでの通信距離は公称値で

最大 1,200m）に代えて実験を行った。通信距離は、St. 1 で受信機からの距離 405 m、St. 2 は 610 m、St. 3 は

805 m である。 St. 1 が起震を小休止する間も僅かに振動値が上昇

しており、道路橋に近いことや地盤状況により、ノイ

ズを拾いやすい環境であったためと考えられた。また、

St. 1 の設置点が台地直下部に近接しており（図-8）、

直進性の高い 2.4 GHz 帯では不通の可能性も考えられ

ていた。しかし、円滑な通信ができたことから、通信

の良否は現場確認が重要であることがわかった。この

通信実験の時期は木の葉が落ちた時期であることか

ら、通信条件は比較的良好であったと考えられる。

データ通信量の制約が小さければ、電波が回折しやす

い 460 MHz や 920 MHz 帯の使用が安定的な通信に寄

与する。一方 St. 2, 3 においては 600～800 m の距離で

良好な無線通信に成功したことがわかった。 5．まとめ 本研究では、振動等による泥流検知、特に融雪型火

山泥流の検知について検討を行った。その結果、以下

のことがわかった。 1） 融雪可能割合という指標を本研究では定義した。

これは現地に存在する積雪量の何倍融かし得る

熱量を有しているかという意味である。融雪可能

割合は、高温物質による融雪パターン、ひいては

泥流発生規模の推定のために有効であることを

確認した。 2） 小型かつ安価なサーモカメラシステムでも、流下

する泥流を捕捉できる可能性があることがわ

かった。 3） 積雪厚が大きくなるにしたがい、検知速度波形の

振幅が指数関数的に逓減する傾向が確認できた。

同様に、センサ設置箇所と起振地点（ボウリング

球落下箇所）との関係は、水平距離が大きくなる

ほど振幅が減衰する傾向が確認された。 4） 試作センサによる泥流流下の観測加速度は、既往

の土石流観測事例からみて、泥流の振動検知は可

能と考えられる。また、誤検知除去のためワイヤ

センサを二重設置している場合、一方のセンサに

試作センサを使用することが考えられる。 5） 通信の良否は現場確認が重要であることがわ

かった。また、通信網の早期設置のため免許が不

要な無線を使用する場合には、通信データ量、通

信間隔および通信距離など通信負荷への配慮が

必要と考えられた。 今後は、現地スケールの土砂移動の計測、実験条件を

現実の現象により近づけることおよび実験データを

蓄積させることで、泥流検知の確実性を高め、減災や

防災に貢献していくことが重要である。

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8） 阿部孝章， 藤浪武史，船木淳悟：小型 PC ボードによ

る火山泥流の熱画像検知に向けた実験的検討， 平成 28

年度砂防学会全国大会， 2016. 9） 藤浪武史，阿部孝章，船木淳悟：積雪層を介した土砂移

動の振動検知に関する実験的検討， 土木学会西部支部，

第 7 回土砂災害に関するシンポジウム， 2014.

10） 藤浪武史，伊波友生：MEMS 振動センサを用いた泥流

検知に関する実験的研究， 土木学会西部支部，第 9 回

土砂災害に関するシンポジウム， 2018.（投稿中）

11） 藤浪武史， 阿部孝章， 船木淳悟：簡易振動センサによ

る寒冷環境下での検知及び通信に関する検討， 平成 27

年度砂防学会全国大会， 2015.

12） 阿部孝章， 藤浪武史：高密度土砂移動モニタリングの

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適用， 土木学会北海道支部， 平成 27 年度年次技術研

究発表会， 2016.

13） 藤浪武史，阿部孝章，船木淳悟：無線式簡易振動センサ

ネットワークによる検知及び通信に関する検討， 平成

28 年度砂防学会全国大会， 2016.

14） 阿部孝章， 藤浪武史，田中忠彦，矢部浩規：汎用小型

マイコンボードを活用した無線式簡易振動センサの冬

期現地試験への適用について， 平成 29 年度砂防学会

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15） 独立行政法人土木研究所，日本工営株式会社，株式会

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を活用した土石流監視手法に関する共同研究報告書，

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16） 柳町年輝，能和幸範，武澤永純，石塚忠範：新型振動検

知式土石流センサーの開発および実用化に向けた検討

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名秀治：土石流の総合的観測その 5，1978 年焼岳上々

堀沢における観測，京都大学防災研究所年報 22B-1，

pp.157-204．1978.

A STUDY ON DEVELOPMENT OF MONITORING SYSTEM FOR VOLCANIC MUD FLOW IN SNOWY COLD REGION Budget：Grants for operating expenses, General account Research Period：FY 2013-2017 Research Team：Water Environment Reseach Group(River Engineering

Research ) Author：FUJINAMI Takeshi

YABE Hiroki FUNAKI Jungo ITO Akashi MAEDA Shunichi

INAMI Yu ABE Takaaki TAKEGAHARA Ichiro TANAKA Tadahiko SASAKI Yasunori

Abstract：In order to minimize the damage, detection of early occurrence is important for volcanic mud flow, whereas wire sensors are widely used as detection equipment. On the other hand, it is thought that the method of detecting vibration caused by earth and sand migration has a proven track record of debris flow and it is possible to detect multiple earth moving movements. Furthermore, with the development of semiconductor technology in recent years, compact and inexpensive vibration sensors and image-based heat detection sensors have also become widespread. In this research, heat detection, vibration detection, and communication test were conducted to develop a monitoring system using a compact, inexpensive vibration sensor and the like using MEMS technology. As a result, it turned out that there was a possibility of practical use. Key words: Volcanic mud flow, vibration detection, 3 axis MEMS vibration sensor, monitoring system