第21回新潟技調講演会@新潟市民プラザ（2020.12.1）

沿岸域での土砂移動に関連する
港湾・海岸における技術課題
中川 康之
nakagawa@p.mpat.go.jp
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 沿岸環境研究領域
沿岸土砂管理研究グループ1

目 次
1. はじめに
2. 沿岸域の土砂移動現象
3. 海岸・港湾の施設維持との関係
4. 新潟西港での土砂動態の研究事例
5. 土砂移動に関連する課題と解決策
6. おわりに

2

本講演におけるキーワード• 沿岸域、浅海域、河口域、水域施設（航路・泊地）• 輸送外力（潮汐流、波浪、海浜流、河川流ほか）• 底質輸送、土砂移動、堆積物• 浚渫、維持浚渫、埋没対策、侵食対策

3

情報誌PARIによる現場取材• 新潟西港および西海岸での整備事業を紹介• 令和3年1月発刊予定（編集中）4１．はじめに｢海岸・港湾における施設の維持管理｣
海岸保全施設や水域施設の維持管理
自然外力にさらされつつ変化する面的な海底地形の管理
外力（波浪や流れなど）による地形変化の自然の仕組みの理解が重要5

2．沿岸域の土砂移動

沿岸域での土砂（底質）輸送

河川流下土砂、波浪、潮汐、底面せん断応力、再巻き上げ、沈降
62．沿岸域の土砂移動

底質分布の形成に関係する外力と堆積物の供給
対象外力・潮汐流・波浪・海浜流・河川水流入

底質供給源
・河川起源・海成起源
・堆積物等の浸食・吹送流

海域毎に異なる外力と供給の条件により底質分布等が決まる
7

2．沿岸域の土砂移動

底質輸送を生じさせる外力（流れ）・・・潮汐流
潮位振幅の分布

潮位差>4m1日周期／半日周期

潮流による底質輸送が顕著→有明海（泥干潟），瀬戸内海（サンドウェーブ）8

2．沿岸域の土砂移動

波浪の海底への影響
L

海水のうごきh
周期（波長） → 短
海底には影響しない

周期（波長） → 長
海底まで伝わるh > L/2 ：深海条件

周期3s（通常の風波） → 水深7mより深いと底泥の動きには無関係
たとえば水深25m → 周期が約６ｓ以上にならないと波の影響は海底まで伝わらない
9

2．沿岸域の土砂移動

浮遊砂

浮遊砂
掃流砂

10

2．沿岸域の土砂移動

河口域での土砂堆積©新潟港湾・空港整備事務所

阿賀野川河川事務所HPより

大正6年「新潟港修築設計図」
11

2．沿岸域の土砂移動

沿岸域の底質開放性海岸（砂浜域）

閉鎖性海域
（内湾域）
漂砂

泥（シルト・粘土）砂

海岸侵食 航路・泊地埋没 水域環境管理122．沿岸域の土砂移動

底質の粒径区分（地盤工学会基準）0.005
粘土0.074

シルト泥分

2.0
砂75
礫

粗粒分

(mm)

石石分

◎粒径区分方法と粒径毎の呼び名については他にも基準あり◎Φ表示による粒径表示方法（ｄ＝１／２φ）
13

2．沿岸域の土砂移動

流速と堆積物の移動との関係
シルト、粘土分については粒径以外の要素（粘着性、圧密など）が重要

侵食

堆積

14

3．海岸・港湾の施設との関係性

航路（浚渫部）の埋没
波の進行

航路

τb(航路外)＞τb （航路内）, (τb ：底面せん断応力）

航路内（深部）での輸送外力の低下
15

3．海岸・港湾の施設との関係性

航路（浚渫部）の埋没
浚渫後

浚渫前
土砂の移動

Qin

Qout

Qin

Qout

海底航路

Qin=Qout
Qin>Qout
土砂の出入りがバランスして 土砂の出入りのバランスがいれば地形変化はおこらな 崩れると地形変化が生じる
浚渫による地形変化に伴う土砂収支バランスの変化い3．海岸・港湾の施設との関係性

沿岸漂砂による地形変化
波
突堤

流れと砂の動き17

3．海岸・港湾の施設との関係性

波

離岸堤

流れと砂の動き18

3．海岸・港湾の施設との関係性

防波堤背後での埋没

Siltation behind a break water3．海岸・港湾の施設との関係性

埋没メカニズムのまとめ• 自然外力による底質移動現象• 防波堤や浚渫による土砂輸送バランスの変化• 高波浪時（長周期化）の底質移動• 出水時の底質移動• イベント時の土砂移動

20

4．新潟西港での研究事例

河口港での航路整備• 日本国内の浚渫量
年間約 20×106 m3 (国土交通省)• 土砂処分場の確保が難(特例を除き水域処分はできない）• 浚渫土砂軽減も検討する必要あり• 埋没現象（きわめて間欠的）の情報不足
本研究の目的
堆積土砂軽減策の検討に資する河口域での土砂輸送と港湾内での堆積プロセスの解明
21

4．新潟西港での研究事例

河口港湾の埋没の特徴
海講（2015&2016)• 信濃川河口• 年間約70～80万m3の堆積土砂• 出水条件に応じた非定常性

新潟港湾・空港整備事務所資22料より

4．新潟西港での研究事例

埋没現象把握のための現地観測➢ 深浅測量（原則毎月一回，新潟港湾空港整備事務所）➢ 底質コアサンプル➢ 水温・塩分・濁度（SS濃度）
AAQ1183/JFE-Advantech➢ 底泥湿潤密度（現場測定）*観測時期 : 1) Jan. 2012, 2) Nov. 2012 & 3) Jul. & Aug. 2013

XL-4/Hydramotion
23底質の経年変化（内港〜外港）
100001010202030303B

2012/1
2012/112013/74050(cm)
Depth

0

含水比(%)
含水比(%)

50

10000101020205060

300

6004020050

含泥率(%)
含泥率(%)

30

10040604B➢ 含泥率はほぼ90%以上の泥質（粘土・シルト）が主体➢ 2013年7月（夏期降雨時）に含水比が上昇

50(cm)

00

Depth

4B

含水比(%)
含水比(%)

含泥率(%)
含泥率(%)

3B

2012/1
2012/112013/7100200300

3040506024底質の経年変化（上流〜内港）
Mud Depth(cm)1A

1A

2B0(cm)Mud Depth

50010203040

2012/1
2012/112013/750601000050010001010202060300

100200300303050200

含水比(%)
含水比(%)

040100010203040506070

含泥率(%)
含泥率(%)

2B➢ 大規模出水（2011）の影響により底質中の砂分の割合が増大

含水比(%)
含水比(%)

含泥率(%)
含泥率(%)

2012/1
2012/112013/740506025

4．新潟西港での研究事例

観測実施時の信濃川流量
出典：国土交通省水文水質DB（帝石橋）

観測時期 : ① 2012年1月，② 2012年11月，③ 2013年7月-8月

日平均流量（m3/s)③1400
1200100080060040020002012

2013①②0306090120150180210240

270300330360

各年1月1日からの日数26

4．新潟西港での研究事例

Bed level from D.L.(m)

河口港湾の埋没の特徴（塩分分布）-4-8-120

1000500(a) Stn.A
Salinity(PSU)
02040

Depth(m)

海講（2015)

Stn.D

Stn.B Stn.C

Stn.A

01500

(b) Stn.B

2000

2500

(c) Stn.C
Salinity(PSU)
02040Salinity(PSU)
02040(m)(d) Stn.D
Salinity(PSU)
02040000022224444① Jan. 2012

66881010② Nov. 2012

3000

塩分躍層

③ Jul. 2013

赤で示したのは出水時のデータ 12274．新潟西港での研究事例

0-4-8-120

Depth(m)

海講（2015)

Stn.D

Stn.B Stn.C

Stn.A

1000

500

2000

1500

2500

3000(m)(a) Stn.A(b) Stn.B(c) Stn.C(d) Stn.D

SSC(mg/l)
0500 1000

SSC(mg/l)
0500 1000

SSC(mg/l)
0500 1000

SSC(mg/l)
0500 1000

000022224444① Jan. 2012

6688② Nov. 2012
③ Jul. 2013

Depth (m)Bed level from D.L.(m)

河口港湾の埋没の特徴（SS濃度分布）？？？

101012赤で示したのは出水時のデータ

284．新潟西港での研究事例

Fluid mudとは？
底泥の堆積構造の特徴砂場の場合：明確な境界面
密度

密度
堆積物と浮遊懸濁物の中間層の存在（そこはどこ？）泥

湿潤密度:g/cm3
1.05
2.65 1.50 1.20

海水砂1.027

圧密泥*(consolidatedmud)

流動泥(fluid mud)

浮遊泥(suspendedmud)

底質分析?

水質計測

圧密泥*：粒子同士が結束した締まった泥

海水よりも重く密度流的挙動を示す
29

4．新潟西港での研究事例

Bed level from D.L.(m)

河口部でのFluidMudの集積-4-8-12

2

1000

500

1500

2000

2500

3000

(m)

(a) Stn.A(b) Stn.B(c) Stn.C(d) Stn.D

SSC(mg/l)
0500 1000

SSC(mg/l)
0500 1000

SSC(mg/l)
0500 1000

SSC(mg/l)
0500 1000

000222444Bulk Density (kg/m3)

1000 1100 1200 1300 1400
647① Jan. 2012

② Nov. 2012
③ Jul. 2013

66881010Depth (m)Depth(m)00海講（2015)

Stn.D

Stn.B Stn.C

Stn.A

0

8910

12

約40㎝のfluid mud層の確認（出水直後）

30

4．新潟西港での研究事例

河口港湾での出水時における懸濁物輸送の特徴の模式図 海講（2016)

浚渫による水深急変部における高含水比泥（Fluid mud）の集積を確認
31

4．新潟西港での研究事例

塩分躍層を考慮した水槽実験
Test section（4.8m）

4.0m

18.4m
Injection ofturbid water
0cm

30cm

60cm

90cm

120cm

15cm

Current

15cm
Slope

150cm

OBS
EMC
CT sensorFresh water layer 50cm

Sea water layer

40cm

Video camera

Trap A

Trap B

Trap C324．新潟西港での研究事例

異なる流速条件での懸濁物の流下状況の違い
Salinity(PSU)

30cm

60cm

90cm

120cm

15cm

Current

15cm
Slope

150cm

OBS
EMC
CT sensor

00.2
0.4
0.6

Trap B

1020300

Before Exp.
After Exp.

0.2
0.40.6

Fresh water layer 50cm

Sea water layer

0.8

40cm

Video camera

Trap A010 20 30

Water depth(m)Injection of
turbid water0cm

Water depth(m)0Salinity(PSU)

Trap C0.8(a) Case A-1(b) Case A-2

SSC (mg/l)
0 200 400 600

SSC (mg/l)
0500

Water depth (m)流れ（乱れ）の条件に応じた下流域での鉛直分布の大きな変化

Water depth (m)流速：小00.2

0.40.60.8100(a)Case A-1

流速：大0.20.40.60.833(b)Case A-2

4．新潟西港での研究事例

上流域の流れ（乱れ）の変化によるFluid mud輸送への影響
流速（乱れ）：弱躍層流速（乱れ）：強躍層注）水槽実験では，Fluid mudの挙動のみに注目（上流からの浮遊懸濁水は無視）
34

5．課題と解決策

航路・泊地の整備（浚渫）ドラグサクション浚渫船(新潟港湾空港整備事務所HPより）グラブ式浚渫

船舶航行に必要な航路・泊地の水深の確保（大型船に対しては約20m必要）
ポンプ浚渫（作業船協会HPより）

35

5．課題と解決策

浚渫土量（×104m3）

国内港湾での浚渫土砂量（年度）港湾域（重要港湾及び開発保全航路）で発生する浚渫土砂量(1)

年間約2,0000万m3の土砂・・・東京ドーム（124万m3）16杯以上 36

5．課題と解決策

浚渫土量（×104m3）

浚渫土砂の利用内訳

（年度）

37

5．課題と解決策

浚渫費用(×106€）

世界各地域での浚渫土砂量
日本はアジア地域の約10%

地域

International Association of Dredging Companies (2011)38

5．課題と解決策

海外での埋没港湾

陸域から供給される土砂生産量39

5．課題と解決策

埋没量軽減化のための対策• 維持浚渫量を削減するための基本的考え方
PIANCレポート
No.102(2008)① KSO(Keep Sediment Out)
② KSM(Keep Sediment Moving)③ KSN(Keep Sediment Navigable)

405．課題と解決策

KSO(Keep Sediment Out)

• 構造物等で土砂の侵入を防ぐ（ただし，エネルギーは使わない）• 導流堤，潜堤など
上げ潮時の流れFlood tide
CDW*

With CDW

潜堤（熊本港）From Smith et al. 2001

渦の抑制による土砂流入制御
41

5．課題と解決策

KSM(Keep Sediment Moving)• 土砂を動かす・沈降させない（エネルギーを使う場合もある）• 流況制御構造物，ジェットポンプ，など

Grays Harbor（米国）

河川航路内の流速維持
425．課題と解決策

典型的な埋没対策構造物と土砂の堆積
ポケット浚渫

海底砂州

河口
港ポケット浚渫

航路
(b)

(a)

(c)

砕波

潜堤

(d)

(e)

(f)

港湾の施設の技術上の基準・同解説(2007)43

5．課題と解決策

KSN（Keep Sediment Navigable)• 船舶が港港できる程度の柔らかい泥• 密度管理による水深評価，ｳｫｰﾀｲﾝｼﾞｪｸｼｮﾝ，など

ロッテルダム，バンコク，Zeebrugge（ベルギー），エムデン（ドイツ）などで導入
44

5．課題と解決策

可航水深の考え方

1.2密度管理による水深

音響測深による水深1.3

湿潤密度(g/cm3)

海水層流動泥(Fluid mud)層
圧密泥層

底泥の堆積環境を把握する必要がある。国内の港湾での状況は？
45

5．課題と解決策検討すべき解決手段
かつての対応これからの対応に求められるもの
浚渫量の減量化，維持管理の効率化

浚渫土砂の発生浚渫土砂の発生

埋め立て

埋め立て

海洋投入

資材利用
養浜

海洋投入,養浜など

浚渫土の利用方法の多様化• 埋まる量を未然に軽減するにはどうするか？
（海岸工学、土質力学的アプローチ）• 埋まってしまった土砂をどうするか？（海岸工学、土質力学、材料力学的アプローチ）
46

5．課題と解決策

埋没土砂の有効利用と課題• 海岸や干潟の修復・改善など、底質材としての利用→ 環境への安全性確保、生態系の回復、投入場の安定性．．．
• 防波堤や護岸ブロックなど、構造体の材料としての利用→ 強度の確保、環境への安全性確保。。。

重要な資源としての視点を持つことは大事

47

5．課題と解決策

浅場や干潟造成での利用例

三河湾

山口県（周南市HPより）• 浅場・干潟造成への活用• 粒径の制御に課題（泥土の場合にはアンコ材、表面は覆砂）

沿岸防災の観点・盛り土への活用・・・やはり泥土の場合には脱水の問題（施工時間の短縮化に課題あり）
48

5．課題と解決策

侵食で消失した島の復元（米国チェサピーク湾）

バルティモア港の出入港船舶のための航路浚渫土砂の利用

米国チェサピーク湾内に浚渫土を利用して再生されたPoplar island

49

5．課題と解決策

大規模養浜のモニタリングプロ
ジェクト

図-28オランダにおける大規模養浜現地実験(Sand Motor Project(30))

50

まとめ
• 自然外力の条件に大きく依存した沿岸域の地形変化現象（周辺地形の変化の特徴の把握が重要）• 予測シミュレーションを行う上でも対象域の現場の特徴（くせ）を知っておくことが重要。
• 土砂移動の仕組みを考慮した、土砂堆積の制御技術や生物・化学的過程にも配慮した土砂（特に泥）対策への挑戦。
• 浚渫土の分級の効率化、活用材料の高強度化など技術課題。
51