[論文レビュー] Urban Flood Drifters (UFDs): identification, classification and characterisation

Arnau Bayón, Daniel Valero+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2023

Flood Risk Assessment and ManagementEnvironmental Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、排水をふさぎ、浸水を悪化させる原因となる移動性の都市物である都市洪水漂流物（UFD）を紹介する。1999年から2023年までの63件の世界的な洪水から得られた270枚の洪水後画像を分析し、UFDをタイプ、素材、安定性の観点から分類した。その結果、プラスチック、建設廃材、木材がそれぞれ50–60％を占め、自動車は31.5％の画像に登場した。新規に開発された安定性図は、浮力と抗力の両方が支配的となる移動性を特定し、キャビンや家具など、これまでにあまり注目されていなかった高リスク物体を浮き彫りにした。

ABSTRACT

Extreme floods threaten lives, assets and ecosystems, with the largest impacts occurring in urbanised areas. However, flood mitigation schemes generally neglect the fact that urban floods carry a considerable amount of solid load. In this study, we define Urban Flood Drifters (UFDs) as loose objects present in the urban landscape that can become mobile under certain flow conditions, thereafter blocking drainage infrastructure and endangering both downstream and upstream communities. Based on 270 post-flood photographic records from 63 major inundations of the past quarter-century across 46 countries, we provide a comprehensive analysis of UFDs and their flood-hazard implications. We show that a variety of vehicles, furniture and a heterogeneous mixture of drifters are present in post-flooding scenarios. Plastic, construction debris and wood (natural or anthropogenic) dominate the statistics of transported drifters in urban floods (with frequencies of roughly 50-60% each), followed by cars (present in 31.5% of post-flood images). Other heavy vehicles are readily observed in post-flood imagery and furniture such as bins, garden sheds or water tanks also appear occasionally, therefore suggesting that they can play a relevant role in extreme floods.

研究の動機と目的

• 洪水時に移動性を示す都市物、すなわち都市洪水漂流物（UFD）を、その物理的・機能的特性に基づき特定・分類すること。
• 多様な世界的な都市環境における洪水後状況において、UFDの出現頻度と素材構成を定量すること。
• 異なる流速条件下でのUFDの流体力学的安定性を評価し、浮力支配と抗力支配の移動性を区別すること。
• 都市計画者が高リスクUFDを洪水に強いインfra構築の優先対象とできるよう、安定性図を開発すること。
• 家具、木材、プラスチック廃材など車両以外のUFDが、洪水の危険性を高め、インフラをふさぐ要因として過小評価されている役割を浮き彫りにすること。

提案手法

• 1999年から2023年までの間、46か国で発生した63件の主要な都市洪水から、公共メディアや災害報告書を用いて270枚の洪水後写真記録を収集した。
• 機能、素材、形状に基づき10のカテゴリにUFDを分類し、標準化されたタイプロジー（表2）を用いた。
• 各UFDタイプの画像内での頻度と出現頻度を測定し、出現率（例：31.5％の画像に自動車が含まれた）を算出した。
• 抗力と浮力の力に基づく流体力学的安定性分析を実施：F_drag = 0.5 × ρ × C_D × A × v² および F_buoy = ρ × g × V_displaced で、簡略化のため C_D = 1 および φ1 = φ2 = 1 を使用した。
• 不安定性の主因（浮力対抗力）をパラメータライズした安定性図（図7）を作成し、臨界流速条件（h = 0.2–0.5 m、v = 1–3 m/s）を用いた。
• 流速深さ、流速、幾何的要因（φ1, φ2）の感度分析を実施し、UFDタイプごとの安定性予測の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのタイプや素材の都市物が都市洪水時に最も頻繁に移動性を示し、洪水後画像においてどれほど広がっているか？
• RQ2 UFDの流体力学的安定性特性（特に浮力と抗力）は、自動車と比較して、異なる物体タイプでどのように変化するか？
• RQ3 寸法、質量、つまりはつまりの可能性が高いUFDのカテゴリーは、インフラのふさぎに最も高い潜在的リスクをもたらすか？
• RQ4 家具、プラスチック、木材といった車両以外のUFDは、通常の洪水条件下で自動車よりも著しく不安定であるとされるか？
• RQ5 一貫性のある安定性図を構築できるか。これにより、支配的不安定化力に基づきUFDを分類し、都市洪水リスク計画を支援できるか？

主な発見

• プラスチック廃材、建設資材、木材（天然または人為的）が最も頻度の高いUFDであり、全画像の50–60％に登場した。90％の画像に、これらの素材のうち少なくとも1つが含まれていた。
• 自動車は洪水後画像の31.5％に登場し、最も頻繁に記録されたUFDタイプであったが、大型車両（バン、キャビン、RV）や重い車両は自動車の41％の頻度で出現し、つまりの可能性が高かった。
• 都市や家庭用の家具（例：ゴミ箱、庭の小屋、水タンク）も、無視できない数の画像に登場しており、有意義だがまだ十分に調査されていない危険要因であることが示された。
• キャビンやRVは自動車よりも浮力に対して著しく感受性が高く、低い水深で不安定化し、移動リスクが高まった。
• 多くのUFD、特に家具や大型車両は、自動車よりも抗力に対して感受性が高く、または浮力に弱く、以前にあまり注目されていなかった高リスク物体群であることが示された。
• 安定性図（図7）は、臨界流速条件（例：h = 0.3 m、v = 2 m/s）において、体積対質量比の高いUFDの多くが浮力支配の不安定性を示していることを明らかにした。これは、中程度の洪水条件下でも早期に移動を開始する可能性を示唆している。