博 士 （ 水 産 学） 高木力

学 位 論 文 題 名

漁場造成用波浪制御構造物に関する基礎的研究
学位論文容の要旨【目的】沿岸における生産性を高めるために波浪条件の厳レい外洋域を増養殖場として積極的に造成し利用することが以前から検討されてきている。しかし外洋域では直接波浪の影響を受けやすく、網生簀などの施設の損壊や流失を防止するために波浪制御構造物を設置して施設周辺海域を静穏に保つことが重要な課題となってしヽる。
波浪制御構造物は重力式消波堤や浮消波堤をはじめとレて今までに種々のものが考案されてきている。そのうちのーつに没水平板構造物がある。これは、一定水深に平板を水平あるいは傾斜させて設置することによって波浪を制御しようとするもので、次に示すような特徴を持っている。
1．必要な建設資材が少なくてすむ。
2．海面上の景観を害することがない。
3．占有する空間が小さいので海水交換性が高い。
平板上を藻場造成用の基質として利用すれば人工海底の機能も具備させることができ、没水平板構造物は外洋域での漁場造成において最も適した波浪制御構造物とレて期待できる。
しかしながら、没水平板周辺の波動場を解析した既往の研究では鉛直2次元モデルで扱っている場合がほとんどで3次元モデルで解析した例は非常に少ない。特に、海域条件や没水平板の諸元を様々に変化させた場合、平板周辺の波高分布状態、波浪による水粒子の運動、平板に作用する波カなどの物理的諸量がどのように変化するかとぃったことを系統的に解析した例はほとんどなく、没水平板の最適な設計条
件 に つ い て は 十 分 に 明 ら か に さ れ て い な い の が 現状 で ある 。
本論文は、海域条件や没水平板の諸元および設置条件を数段階に変化させて没水平 板 周 辺 の波 動 場 をポ テ ン シ ャル 波 動 論に 基 づ く境 界 値 問題 に 帰 着さ せ て 3次元的に 解析 し 、 外洋 域 で の 漁場 造 成 に必 要 な 波浪 制 御 構造 物 を最 適設計 するため の基礎資料を 得るこ とを目的 として いる。
【 方 法】 3次 元波 動 場 に おけ る 波 と海 洋 構 造物 の 干 渉に 関 す る波 動 境 界値 問 題 の解 法に は 、 本研 究 で は 汎用 性 や プロ グ ラ ム開 発 の 簡便 性 を考 慮して 境界要素 法を適用 した 。 そ して 、 で き るだ け 計 算機容量 を少な く抑える 工夫とし て、3次元場 における 境 界 要 素法 と 2次元 場 に お ける 境 界 要素 法 を 併用 し た ハイ ブ リ ッド 法 （ 以下 ハ イブ リッ ド 境 界要 素 法 と 呼ぷ ） を 新た に 提 案す る こ とを 試 みた 。これ は構造物 近傍に
仮 想境 界 面 を設 け て 、 流体 領 域 を外 部 と 内部 領 域 に分 け 、内 部領域 では支配 方程式の 基 本 解 を 核 関 数 と す る 境 界 積 分 方 程式 を 適 用し 、 外 部領 域 で は2次 元 Helmholtz
方 程式 の 基 本解 を 核 関 数と す る 境界 積 分 方程 式 を 用い て 両者 で得ら れる解を 求め、
こ れら を 仮 想境 界 面 上 で接 続 す るこ と に よっ て 未 知ポ テ ンシ ャルを 決定する ものであ る。 こ れ によ っ て 構 造物 の 形 状や 海 底 地形 を 任 意に 設 定で きるほ か、計算 領域の
水 平断 面 形 状も 自 由に 設 定 でき る ので 、 未 知数 の 増大 を 抑 るこ と ができ る。
ま ず 、 ハイ ブ リ ッ ド境 界 要 素法 を 適 用す る 際 の適 切 な 要素分 割方法 について 吟味
す るた め 、 計算 領 域 の 境界 面 上 の要 素 分 割を 種 々 変化 さ せて 計算値 の収束性 について 調べ た 。 また 、 境 界 面近 傍 で ポテ ン シ ャル 値 を 算定 す る際 は基本 解の特異 性により 計 算 精 度 が 低 下 す る お そ れ が あ る ので 、 これ に つい て も検 討 した 。
次 に、 ハイブ リ，ッド 境界要 素法の妥 当性に ついて検 証するた め、円 柱構造物 周辺の 波高 分 布 を求 め 、 他 の解 法 に よる 厳 密 解と 比 較 した 。 また 、水槽 実験を行 い規則
波 中で の 直 方体 構 造 物 模型 周 辺 の波 高 分 布と 作 用 波カ を 測定 レて計 算結果と 比較検討レた 。
上 述 の 検討 結 果 を 踏ま え 、 没水 平 板 周辺 の 波 高分 布 、 流況、 平板に 作用する 波カを 算定 レ た 。解 析 の 対 象と し た 平板 は 単 純な 矩 形 で、 鉛 直方 向の厚 みは無視 レた。
平 板の 縦 横 比は 、 幅 を り、 長 さ をfと して、w/t＝1.
0，2.
0，3.
0と変化さ せた。 ただし fは 常 に一 定 と し設 置 海 域 の水 深 ん と等 し く した 。 水 平面 に 対 する 平 板 の傾 斜 角
00は平 板の幅方 向を軸に して傾 斜させるものとし00‑0°,10°，30゜と変化させた。入射 波の 波 向 きに 対 す る 平板 の 設 置角p（平板の 幅方向 に対して 垂直に 入射する 場合を0° とする ）は、0=0°， 45°に変化 させた 。平板の 没水深dはツ ん‑0.
3っ0.
5に変化させた。 入射波 の波数た はたん ＝ 1.
0，2.0，3.
0に変化させた。以上述べた全ての組み合
わ せ に つ い て ハ イ ブ リ ッ ド 境 界 要素 法 を用 いて 諸 量を 算 定し た 。
【 結 果 およ び 考 察 】計 算 領 域境 界 面 上の 要 素 分割 方 法 の検討 結果か ら、領域 側面の 鉛 直 方 向分 割 に つい て は 水 深の 1/10以 下 の幅 で 分 割し 、 そ の他 に つ いて は 1/5
以下 に す れ ば実 用 上ほ ば満 足のい く結 果が得 られ ること がわ かった 。
境界面近傍でポテンシャル値を求める場合、境界面との距離をr、面素の一辺の長さ を△ Sとすれば、r<△S/2となる条件で算定値の精度は低下することが示唆された 。そ のため本研究では、r≦△S/2となるような点でのポテンシャル値の算出は避けるようにした。
円柱構造物周辺の波高分布について本解法による算定結果と領域分割法による厳密解とで比較したところ両者は非常によく一致した。また、水槽実験による実験値と計算値との比較では水路側壁の影響が強く表れる入射波条件を除いて波高分布、波カとも実験値と計算値はほぼ満足のいく一致が見られた。このことから本解法には妥当性があるものと判断できた。
没水平板の周辺における波高分布を算定レた結果、どの条件でも平板の両側から岸側に向けてハの字状に波高の低い領域が出現した。また、入射波の波長たん‑1.0の場合、今回の条件で1ま波高の低減効果はほとんど期待できないことがわかった。
また、平板の縦横比w／fが2.0以上では、入射波に対する波高比が0.8以下の領域が増大した。平板の傾斜角を00‑ 30゜とすると平板自体が波を強く反射させる効果を持っことが示唆され、消波効果が増大レた。各条件ごとに、没水平板周辺での波高が低くなる領域を算出して消波効果について検討レたところ、本研究で行った範囲内では没水平板の縦横比w/l二ニ2.0以上、水深比ツん‑ 0.3、傾斜角00＝30°、設置角0＝ 45゜の条件下で、消波効果が高かった。
没水平板周辺の波浪による流況を算定した結果、平板の岸側端では水粒子が激しく擾乱される様子が確認され、平板上での砕波や強い渦流が発生することが示唆された。また、平板後方では水粒子速度は顕著に減少し、効果的に波浪エネルギーが逸散されていることが示された。
平板に作用する波カは平板の諸元や入射波の条件によって大きく変化するが、波浪制御効果の高い条件では一般に作用波カも増大する。消波効果が高かった上記の条件 では 鉛直 波力 ￠は kh ‑ 2.0でFz/P9<ih2〓 0.8、水 平波 力Fxはたん‑ 2.0でFx/P9<ih2＝ 0.
5となった。ここに、pは海水の密度、9は重力加速度、らは入射波の振幅 を表 す。 これ をも とに 波高 3m、 周期8sec、水深30mの海域条件を想定して実際の波カを試算してみると単位面積あたりの平均鉛直波カは0.6tonw/m2、平均水平波カは0.3tonw/m2となり莫大なカが働くことになる。特に平板の没水深が浅くなると構造物に作用する転倒モーメントはかなり大きなものとなる。本研究では対象とする波動場を規則波に限定レ線形波理論のもとで解析を行ったが、今後は、より実現象に近づけるために波動の非線形効果や不規則性も考慮レた解析が必要である。

学位 論文審査の要旨
主査
副査
副査
副査
副査

教授 梨本勝昭
教授 天下 井 清教授 鳥野慶一
教授 山本 勝太 郎
講師 平石智徳
学 位 論 文 題 名漁 場 造成用波浪制御構造物に関する基礎的研究
国 際 的 に 定 着 し た 200カ イ リ 制 度 の 下 で 、 世 界 の 漁 業 生 産 量 は 約 1億 ト ン
を 越 え た 1989年 以 降 横 ば い 状 況 と な り 、 海 洋 生 物 資 源 の 生 産 に 限 界 が 見 え は じ
めて いる 。そ のため地球環境を保全しながら、海洋の生産カを最大限に活用レ、海洋 生物 資源 を永 統的 かつ 計画 的に 生産 して 食糧 として 供給 する こと が強く要望さ れて いる 。我 が国 にお いて は乱 獲に よっ て著 しく資 源水 準が 低下 した資源もあ り、 周辺 海域 の空 間を 有効 かつ 高度 に利 用し 、沿岸 海域 で取 組ま れている作り 育て る漁 業、 資源 培養 型の 漁業 をな お一 層お し進め る必 要が ある 。今後、沿岸 や沖 合の 漁場 造成 整備 事業 は益 々重 要視 され 、飛躍 的な 生産 の増 加が期待され る。
沿 岸に おけ る生 産性 を高 める ため に波 浪条 件の 厳しい 海洋 域を 増養 殖場として積 極的 に造 成レ 、利 用す るこ とが 検討 され てい る。し かレ 、外 洋域 では直接
波浪 の影 響を 受け やす く、 網生 簀な どの 施設 の損 壊や流 失を 防止 する ため波浪制御 構造 物を 設置 して 、施 設周 辺海 域を 静穏 に保 つこと が大 きな 課題 となってい る 。 波 浪 制 御 構 造 物 と し て は 重 力 式 消 波 堤 丶 I浮 消 波 堤 な ど 今 ま で に 種 々 考 案
され てい る。 その ーつ に没 水平 板構 造物 があ る。
申 請者 は沿 岸海 域の 漁場 空間 を有 効的 に利 用す るため に漁 場造 成用 波浪制御構造 物と して 、消 波と 人工 海底 基盤 との 複合 的機 能を持 たせ 得る 没水 平板を用いた 構造 物に 注目 した 。没 水平 板構 造物 は平 板上 を藻場 造成 や底 着性 動物の生育場 とし て利 用す れば 人工 海底 の機 能も 具備 させ ること がで き、 外洋 域での漁場造 成に おい て最 も適 した 波浪 制御 構造 物と して 大いに 期待 でき る。 没水平板周 辺 の 波 動 場 を 解 析 し た 既 往 の 研 究 で は 鉛 直 2次 元 モ デ ル で 扱 っ て い る 場 合 が
ほ と ん ど で 、 3次 元 モ デ ル で 解 析 レ た 例 は 非 常 に 少 な い 。 特 に 海 域 条 件 や 没 水
平板 の諸 元を 様々 に変 化さ せた 場合 、平 板周 辺の 波高分 布状 態、 水粒 子運動、平板 に作 用す る波 カな どの 物理 的諸 量の 変化 状況 につい て系 統的 に解 析した例

はほとんどなく、没水平板の最適設計条件については十分明らかにされていないのが現状である。本論文は没水平板構造物を対象にして、構造物周辺の波の変形、流況について3次元的解析を行い、外洋域での漁場造成用波浪制御構造物としての有効性について検討したものである。
本論文ではポテンシャル理論に基づいた3次元の波動場における波と海洋構造物の干渉に関する波動境界値問題の解法に対して積分方程式内の核関数に単純な基本解を用いる境界要素法を適用した。その際、構造物周辺に仮想境界面を設定して、内部領域と外部領域に分け、前者の領域には三次元のグリーン公式を、後者の領域には次数を下げ二次元のグリーン公式を適用させるハイブリッドな計算法を導入して、任意の物体形状に対して簡易に数値解を求める手法を提案した。そして、平板を一定水深下に水平あるいは傾斜させて設置レ、消波と人工海底基盤との複合的な機能を持たせ得る漁場造成用波浪構造物について注目し、様々な波浪条件下において、没水平板構造物周辺の波の変形、水粒子運動、および作用する流体カについて、設置水深、平板の大きさ、傾き、波浪の入射方向を変化させて解析を行い、没水平板を最適設計するための基礎資料を得たものである。
特 に 審 査 員 一同 が 高 く 評価 し た 点 は以 下 の 通 りで あ る 。
1)3次元の波動場における波と構造物による波動境界値問題の解法において、構造物近傍に仮想境界面を設定することによって、内部領域には三次元のグリーン公式を、外部領域には二次元のグリーン公式を適用して、両者で得られる解を接続させるハイブリッドな計算法を導入し、パソコンを用いて容易に波の変形 、 水 粒 子 速 度 ｀ 波カ に つ いて数 値解 析する 手法 を確立 レた 点。
2)ハイブリッド境界要素法を適用する際の要素分割数による精度の影響について検討し、鉛直方向については水深の1/10以下の幅で、水平方向については1/5以下の幅で分割することが必要であること。また、境界面近傍における計算では境界面との距離は面素の一辺の長さの1/2以下にすると算出精度が悪くなることを指摘レた点。
3)没水平板構造物を対象に解析を進め、波高分布、水粒子運動、構造物に作用する波カについて詳細に数値解析レ得た点。
4)没水平板構造物を消波堤として用いる場合には平板の縦横比は2．0、設置水深比はO．3、平板の傾斜角は300、設置角は波の入射方向に対して辺を45°にした時が最も消波効果が良いことを指摘した点。
以上の諸点は漁場造成用波浪制御構造物を設計するために水産工学上重要な知見を得たものと高く評価できる。よって審査員一同は本論文が博士（水産学）の学位論文として価値あるものと認定した。