特集

沿岸技術の進展と研究課題 ～コースタルテクノロジーの現況～

高潮・高波災害の軽減のための技術開発の進展
河合 弘泰

国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所
港湾空港技術研究所 特別研究主幹

1. はじめに
日本では、1959 年の伊勢湾台風による高潮災害をきっかけ

2. 高潮・高波のメカニズムや出現特性の解明（1）50 年の伝統を有する波浪観測データの定常解析に、満潮に伊勢湾台風級の高潮偏差が重なった潮位あるいは既当研究所は長年にわたり、国土交通省の全国港湾海洋波浪往最高潮位を防護目標に掲げ、各地の海岸に堤防や護岸を築い

情報網 NOWPHAS で取得したデータの統計解析を担当してきてきた。そのおかげで数百人の死者を伴う大災害はなくなったた。その年報は港湾空港技術研究所資料として発刊し、最新のが、1999 年に八代海や周防灘、2004 年に瀬戸内海などの沿2019 年版には 60 地点（水深 4〜55m）の沿岸波浪計と 18 地岸で想定を超える高潮による災害は続いた。一方、アメリカで点（水深 87〜407m）の GPS 波浪計を掲載している。沿岸波は 2005 年にニューオリンズのゼロメートル地帯、2012 年に浪計は最も早い地点で 1970 年から始まり、既に 50 年、防波はニューヨークの地下街が浸水し、フィリピンでは 2013 年に堤の設計供用年数に匹敵する歴史を有している。GPS 波浪計

中心気圧が 895hPa の台風が直撃した。
「このような台風が日も 2008 年から始まった。

本に来るかも知れない、災害を最小限にしたい」という思いは、
本誌 2017 年 1 月号の記事 1）にも綴られている。

表 1 は、2019 年までに各機器、各海域で観測した最大の有義波である。太平洋はもちろん日本海でも 10m を軽く超え、あれから 5 年が経つが、その間にも実に様々なことが起き歴史の長い沿岸波浪計でも 2010 年代が並ぶ結果となった。こた。2018 年には神戸港の埠頭や関西空港、2019 年には横浜の表の他、神戸でも 2018 年の台風 21 号で 4.72m、第二海堡

市の工業団地が、高潮や越波により浸水した。国土交通省の委でも 2019 年の台風 15 号で 3.27m を記録し、それぞれの地点

員会は、「高潮浸水想定区域図作成の手引き」を更新し、「港湾で既往最大値を更新した。の堤外地等における高潮リスク低減方策ガイドライン」、「港湾等に来襲する想定を超えた高潮・高波・暴風対策検討委員会最終とりまとめ」、「気候変動を踏まえた海岸保全のあり方」など方針を打ち出した。2018 年の「港湾の技術上の基準・同解説」の改訂では、「うねり性波浪」を考慮した確率沖波の記述が加わった。全国の地方整備局等は、近年の波浪を踏まえた設計沖表1
機器
沿岸
波浪計
GPS
波浪計

海域

既往最大の有義波高
波高，周期

観測年

太平洋

潮岬

地点

14.90m， 14.9s

2018

日本海

秋田

12.22m， 14.5s

2012

内湾

鹿児島5.25m，7.0s

2015

太平洋

静岡御前崎沖 15.84m， 15.4s2014

日本海

山形県沖

2012

12.40m， 14.1s

波の再点検を実施した。さらに、気候変動に関する政府間パネ
ル IPCC は海洋・雪氷圏特別報告書や第 6 次報告書の一部を公

また、波浪の方向スペクトルの解析法も、短時間の演算で安開し、気候変動に対する信憑性は高まり、適応策は待ったなし

定した解が得られるように改良し、これまで苦手としてきたの状況になった。

「うねり性波浪」への適用性を高める取り組みもした。

本稿では、このような情勢の下で当研究所が取り組んできた研究のいくつかを紹介したい。また、当研究所の技術情報誌 2），3）も併せてご覧いただきたい。

14 CDIT 2022 ▷ No.57（2）標準形だけではない波浪スペクトルの解析
NOWPHAS の現行の定常解析では、周波数・方向スペクト

沿岸技術の進展と研究課題

特集

ルのピークにあたる波向を主波向と定義してきた。ところが、して、WW3 による推算システムを構築した。これらのモデル

実際のスペクトルは、標準形（ブレットシュナイダー・光易型が出力した有義波が GPS 波浪計の観測とよく一致することもの周波数スペクトル、光易型の方向関数）とよばれる一山のシ確認した。

ンプルでスマートな形状とは限らない。近傍の台風や低気圧でしかしながら、既往モデルでは十分に再現できない海域や現生じた風波に加え、遠方から伝播するうねりが、それも一方向象も残っている。その一つが、富山湾の寄り回り波である。こからだけとは限らず、混在していて、複雑な形状になっている

こでは、海底地形がリアス海岸のように鋭く起伏し、日本海かときもある。

ら来た波浪がそこで入射波向や周期に敏感に複雑な屈折を見せそこで、当研究所では、このようなスペクトルをキレ良く求るのである。既往モデルは、各周波数・波向のエネルギーの場め、風向や波齢も手がかりにして複数の成分に分離（パーティ所や時間による変化を計算するもので、個々の波の山や谷などション）する方法を開発した。また、観測値や推算値を用いて波形までは考慮しないことから、位相平均モデルと呼ばれてい各成分の出現特性を調べた。図 1 は、ある地点において複数のる。ところが、その海底地形の上では、ある波の山に、その近成分に分離した例であり、各成分の波高（ゼロアップクロスにくを進んでいた山が向きを変えて、どこかで交差することも起よるものではなく、エネルギーの積分値から求めたもの）Hm0、きる。このような波の重なり合いがその場所の波高を大きく左ピーク周期 Tpeak、ピーク波向θpeak の経時変化を示したもので右する。この現象は、位相の情報を持たない既往モデルで、単ある。PT1〜PT3 の 3 成分に分離される時もあったが、ほとんに波向の分割数を増やすだけでは再現できない。そこで、当研

どが PT1 と PT2 の 2 成分であった。同様な解析を日本沿岸の究所では、このような位相干渉を考慮できるモデルを試し、寄数地点で実施し、「日本海の北部では風波、太平洋ではうねりり回り波の再現にめどをつけた。

による一山のスペクトルの現れる日が多く、日本海より太平洋もう一つは東京湾である。横浜港沖に太平洋からうねりがの方がやや、二山やそれ以上のスペクトルが現われやすい」こ

到達し得ることは認識されていたが、実務でよく使う解像度がとを定量的に示した。このような解析結果を波浪観測台帳でど2km 程度の計算ではそれをう位置付け、設計の実務に応用するかが、今後の知恵の絞りど十分に再現できない。そこで、ころである。

そ の 解 像 度 を 約 250m ま で上げて海底地形をきめ細かく表現し、かつ海上風も高解像度の気象 GPV を使うことで、このうねりの再現性を高めることができた。図 2 は、太平洋からのうねりの進入の道筋を示したもので、横浜港の数か所に到達している。

図2

 京湾に進入するうね
東りの波向線の解析（4）オプションの充実を図る港内静穏度計算
図1

波浪を複数の成分に分離した例

当研究所がブシネスク方程式に基づく波浪変形計算モデル
NOWT-PARI を開発して 20 年ほどが経つ。今ではすっかり港（3）特殊な海域や現象を究める波浪推算

内静穏度計算の実務でおなじみのモデルになった。それは、沖WAM など第三世代の波浪推算モデルが設計の実務に広まっ合から来た波浪が港内をどう伝わるかを調べるもので、屈折、て 20 年ほどが経つ。風のデータが天気図ベースから気象 GPV回折、反射、浅水変形、砕波などの現象を表現できる。ところに変わり、MM5、WRF など局地気象モデルの発展も相まっが、現実の港に立って注意深く観察すると、船舶が航行すればて、波浪推算の精度は格段に高くなった。

航跡波が立ち、たとえ防波堤が沖合からの波浪を完璧に防いだ

当研究所では、全国を約 800m 間隔の格子で、第三世代波としても、そこから岸壁までの水面が長ければ、そこで別の波浪推算モデルの WAM と WW3 による 2013〜2015 年の波浪（港内発生波）が起きる、ということに気がつく。また、物騒推算値をもとに、両モデルの精度に有意な差がないことを確認な話だが、地震や津波、高波によって防波堤が変形すれば、そCDIT 2022 ▷ No.57 15

の隙間からも波浪が漏れて来て、緊急物資を積んだ船舶の荷役

さらに、2018 年に神戸港の埠頭が高潮だけでなく波浪にに影響が出るかも知れない。そこで、当研究所では、これらのよっても浸水したことを踏まえ、岸壁の越波と埠頭の浸水も扱現象も扱えるようにモデルの改良に取り組んだ。

えるモデルへの改良にも取り組んでいる。護岸の越波は、基本

航跡波については、ラジコン模型を水槽に走らせて航跡波を的に陸から海への一方向の水の動きを考え、その体積から浸水計測して分析を行った。そして、船がかき分ける横方向の流量深を割り出せば良い。ところが、岸壁は、越波したその場からや船型の違いを考慮して波源を与え、そこからの伝播や防波堤海に流れ出し、浸水が広がれば他の低いところからも流れ落ちでの反射を計算できるように、モデルを改良した。図 3 は、積る、という一筋縄でいかないところがある。図 5 は、高潮と高貨重量トン数 DWT が 1,000 トンの貨物船が出港する時の航跡

波の経時変化を考慮して埠頭の浸水を計算した例で、潮位の波を計算した例であり、船舶の後方だけでなく前方にも波が発ピーク時には越流と越波によって浸水が拡大し、波高のピーク生し、それが港内に広く伝播する様子をうかがえる。

時には越波による海水の流入とそれ以外の場所での流出が同時に生じる、という複雑な現象が再現されている。

図3

港内における航跡波の伝播
図5

高潮と高波による岸壁上の浸水高の分布

港内発生波については、ブシネスク方程式に圧力項を加え、初期条件としてシーズ（微小な波）を与え、そこからの発達の再（5）海洋モデルによる高潮の計算現に挑戦した。しかし、波が全くない状態から発達するプロセ「最大クラスの台風や低気圧の条件を適切に設定し、 それスは、スペクトル法の波浪推算モデルでも難しい問題である。

に対する高潮を精度良く計算すること」は、近年の高潮研究防波堤の変形については、その状態をイメージした、矩形とのトレンドの一つである。過去の台風は、気象庁のベストト台形の断面を持つ潜堤を考え、その上を通過する波浪の再現にラック解析（中心の位置、気圧、最大風速などのリスト）が拠取り組んだ。ブシネスク方程式は「海底地形の変化が緩やか」り所の一つである。高潮推算モデルは、設計の実務では今もという前提で導出されたものであり、階段のように水深が不連単層の非線形長波方程式に基づくものがよく使われているが、続な場所や、連続していても急な勾配では、計算が発散しやす

POM、FV-COM など海洋モデルも広まりつつあり、当研究所い。これを境界処理法によって解決した。図 4 は、防波堤の先も ROMS を導入したところである。

端部で未消波の 2 か所が変形して潜堤になったときに、港内のまず、台風の条件については、当研究所でも、1951 年以降周期がどうなるかを、沖合からの周期に対する比として示しての台風（温帯低気圧化後を含む）のパラメタを吟味した。そのいる。潜堤によって波が分裂して周期が短くなる現象が表現さ結果、北海道周辺の高緯度では、台風の既往最低より低い中心れている。

気圧で温帯低気圧が来襲していた。エマニュエルの理論に基づいて台風の発達限界となる中心気圧を計算し、悪条件がそろ3.0(kilometer)

2.5
2.0
1.5
1.00.5

えば既往最低を下回る可能性も見えた。そして、台風の規模のRatioof TsTs (s)Above1.3
1.2 - 1.3
1.1 - 1.2
1.0 - 1.1
0.9 - 1.0
0.8 - 0.9
0.7 - 0.8
0.6 - 0.7
0.5 - 0.6
0.4 - 0.5
0.3 - 0.4
0.2 - 0.3
0.1 - 0.2
0.0 - 0.1
Below 0.0

1.0

図416 CDIT 2022 ▷ No.57

指標である最大風速半径は、伊勢湾台風が 75km とされているが、2019 年に東京湾を襲った 15 号は 30km 未満、19 号は200km 近いなど、台風によってまちまちであり、全体としては中心気圧が低いほど短くなる傾向があった。
2.0

3.0
4.0(kilometer)

5.0

変形した防波堤をもつ港内の周期の分布

6.0

ROMS を用いた高潮推算では、その台風 15 号の高潮の再現に取り組んだ。気象 GPV はコンパクトな台風の中心付近の構造を十分に表現しておらず、風速のピークが低くなり、高潮の沿岸技術の進展と研究課題

特集推算値も小さくなった。さらなる精度の向上には、密度層の効浸水させた。2019 年の台風 15 号の波浪も、横浜港金沢地区果の考慮が必要なことも判明した。その一方で、最大クラスのの護岸を倒壊させ、背後の工業団地を浸水させるなど、多くの台風による高潮浸水想定図の作成と同じ要領で、台風のコース災害をもたらした。

を東西に平行移動させ、進行速度を伊勢湾台風の 73km/h よそこで、 当研究所は、 陸上からの踏査に加え、UAV を飛り遅くする計算もした。図 6 は外洋に面した地点の計算例であばして上空からもコンテナの散乱などの状況を把握した。

るが、台風の進行速度を波浪の群速度に近づけることで、波高また、 護岸のパラペットが倒壊するプロセスを模型実験やが大きくなり、地形性の砕波で生じる海面上昇量（ウェーブ・CADMAS-SURF による数値計算で再現を試みた。その結果、セットアップ）も大きくなって、潮位偏差全体としては進行速

図 8 に示すように、護岸の前方にパラペットがある場合に比べ度を抑えた方が大きくなった。て後方にある場合、越波流量は減っても衝撃的な波力の作用によって倒壊しやすいことが、改めて分かった。

Wave setup
吸い上げ・吹き寄せ

図6 風
 のコースと進行速度による高潮の変化とそれに含まれるウェーブ・セットアップ

3. 高潮・高波の災害を軽減する構造物の開発（a）一般型（1）設計を超える潮位で構造物に作用する波力

図8（b）後退型

パラペットに作用する波力の計算

全国から防波堤、護岸など耐波構造物の被災の事例を収集し、その原因を分析すると、高潮で潮位が高くなったところに波浪が作用して倒壊に至ったケースは少なくない。
そこで、当研究所では、水路に護岸の模型を設置し、設計潮位より高い潮位を設定して波浪を入射させ、マウンドを透過して堤体の背後に作用する波力、マウンドからの堤内への浸水、さらに、災害後の応急対策として用いられる、土のうなど仮設工の越波に対する安定性の実験も行い、安定性の評価方法を提案した。

4. おわり堤体の天端を超える越波・越流量を計測した。そして、越波・当研究所は、先に述べたように、沖合の波浪の観測や推算か越流量の簡易な推定法を提案した。そこでは、図 7 に示すようら、港内の波浪変形計算、最大クラスの台風の条件や高潮の推に、風波、孤立波、越波越流時の風波がパラペットに作用する算、構造物に作用する波力まで幅広く、また、観測や現地調査、波力を砕波の状態（越流下での砕波、Bagnold 型、Wagner 型）

模型実験、数値計算という様々な手法を駆使して、研究を実施に着目して整理し、鉄筋コンクリートの破壊状況から鉄筋の必してきた。その成果は、学会での発表はもとより、本省・地方要強度を明らかにした。

整備局の技術支援の後ろ盾にもなってきた。今後も、それぞれのパーツに磨きをかける一方で、想定を超える暴風・高潮・波浪に対する防災・減災技術、そして気候変動適応策に資する技術として、しっかり束ねていく必要がある。
鉄筋コンクリートの破壊【参考文献】

図7

パラペットに作用する波力の実験（2）UAV と水路と数値計算を駆使した災害の分析
2018 年の台風 21 号の高潮や波浪は、神戸港などの埠頭を

1）下 迫健一郎、 高潮・高波災害の軽減のための技術開発の動向と展望、
一 般 社 団 法 人 沿 岸 技 術 研 究 セ ン タ ー 機 関 誌 CDIT、2017 年 1 月 号、pp.14-15
2）技術情報誌「PARI」Vol.34、2019 年 1 月号
https://www.pari.go.jp/event/publicity/pari/pari34.html3）技術情報誌「PARI」Vol.43、2021 年 4 月号
https://www.pari.go.jp/event/publicity/pari/pari43.html

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