一般講演「第４期中長期計画における研究成果について」〇近年顕在化・極端化してきた水災害に対する防災施設設計技術の開発〇食料供給力強化に貢献する寒冷海域の水産基盤の整備・保全に関する研究
国立研究開発法人土木研究所

寒地土木研究所

寒地水圏研究グループ長

や

べひろ き

矢部浩規

図－1

ご紹介いただきました、寒地土木研究所の矢部でございます。本日は第4期中長期計画の2つの研究開発プ
ログラムの成果についてご紹介します。
はじめに「近年顕在化・極端化してきた水災害に対する防災施設設計技術の開発」についてです（図－1）。近年の日本各地で頻発する大規模な洪水被害や千島太平洋沖で発生が予想される津波被害等を軽減するため、堤防の評価、強化や防波堤などの設計技術の開発等を目標として設定いたしました（図－2）。

図－2

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27

図－3

図－4

研究の概要をお手元の資料にありますように記載しています（図－3）。
破堤、堤防決壊の研究から始めたいと思います（図－4）。寒地土研では、主に河川水が堤防高を越えて越水し破堤する現象、堤防高を越えない水位でも侵食、洗掘が進んで破堤する現象、この2つを対象に研究を進めています。
一つ目の研究目標の越水についてです（図－5）。近年の破堤事例では越水に起因する割合が7、8割を占めまして、氾濫流量が大きいことから、被害規模が大変甚大となっている例が多く見受けられます。そのため決壊までの時間を少しでも引き延ばす、いわゆる粘り強い堤防構造と、決壊口の効果的な締め切りなどにつ図－5いて、研究を実施いたしました。これは十勝川千代田実験水路ですけれども、越水破堤のメカニズムや対策技術の開発につきまして、北海道開発局と共同で15年ほど前から先駆けて実験を実施し、検討を開始しています（図－6）。水理量や、粘着力、耐侵食力など土の強度が実スケールで、また河川流下方向から直角の横越流による破堤拡幅プロセスの把握、重機を実際に使用した実験も可能であるメリットがあります。その成果の一つに、破堤拡幅と氾濫流の水理量との関係把握に必要な無次元掃流力から堤体崩壊量を求められる式を導いております。

図－628

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2022年度図－7図－8

粘り強い堤防構造の検討にあたり、越流を伴う堤防侵食は、裏法尻付近から始まることが明らかにされております（図－7）。そのため、掃流力による侵食を防ぐための護岸設置や天端舗装の実施の他、堤防断面を大きく、法勾配を緩くした場合も、破堤までに要する時間が長くなります。
さらに、堤防土質によっても違いが生じることが指摘されているため、その効果を把握するために粘性土による表面を被覆した堤防でも検討を行いました。越
水から堤防決壊までの時間が砂礫堤に比べると長くなるということが、縮尺模型と千代田実験水路における実物大試験でも一致した結果となっております。
また、水防工法を用いた対策も検討しております（図図－9－8）。現在の水防工法における越水対策は、堤防からの越水を防ぐことに主眼が置かれておりまして、越水した後に堤防決壊を遅らせる方法についての検討はあとなります（図－9）。従来、最終破堤幅に至るまでのまり進んでおりませんでした。そこで、シートで堤防拡幅速度などは、過去の実績データや、川幅からの推を被覆する工法が越水後の堤防侵食を十分抑制する効定式で求めておりました。しかしながら、河道特性や果があるということ、またシートを連続して設置する流量ハイドロの違いによる比較など、詳細で定量的な場合の時間を短縮できるよう、繋（つな）ぎ目や端部評価が困難であります。そこで、先ほどの千代田実験の処理方法を見いだしました。現在、共同研究等で継水路で得られました、破堤決壊口の掃流力による堤体続してデータを蓄積、検証いたしまして、シートによ侵食量算出結果から、破堤後の決壊口拡幅速度、そしる水防工法を堤案する予定です。て氾濫流の流向、流速、浸水深を数値計算によって定破堤した後にその決壊口が拡幅していきますが、そ量的に予測可能とすることができました。河川勾配との決壊口を締め切る対応方法を明らかにするために川幅により、その特徴を分類したのがこの図でござい

は、破堤部周辺の流れや拡幅状況の把握が重要な課題ます。

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図－10

図－11

また、平成28年北海道豪雨の常呂川水系柴山沢川と東亜川、30年西日本豪雨の高梁川水系小田川等で顕在化したバックウォーター背水区間における支川の堤防決壊も取り扱うことができるようにしまして、支川の川幅と本川流量に応じた決壊口の拡幅現象を同様に分類することができております（図－10）。
次に、決壊口を締め切る資材、例えばブロックにより実際に締め切る場合の現地試験を行っております（図－11）。重機の種類や投入方法の違いによる施工時間を算出しました。手順に関しては締め切りに伴う流況変化や河床変化の考慮が重要であること、さらに、グラップルを装着したバックホウを用いると、ブロックの投入時間が短縮され、効率性が向上するというこ

図－12とを確認しております。
これは締め切り実験での知見を先ほどの河道特性に応じた決壊口の拡幅現象と合わせて分類、整理したものです（図－12）。資材投入にあたり河道特性によって有効な箇所や深掘り箇所に留意することなど、締め切り工事の具体的な施工手順、方法をまとめております。
以上の得られた対策技術を現場で適用、普及させるために、北海道開発局と共に技術指針を作成公表しました（図－13）。毎年実施されております各河川等事務所の危機管理図上演習への適用を提案、継続して実施しているところです。

図－13

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図－14

図－15

ここからは二つ目の研究目標の侵食による破堤についてです（図－14）。急流河川で高速流が発生し、根固工、護岸等のめくれや流出等の河川構造物の被災が増加しております。豊平川のほか、平成28年の石狩川水系辺別川でも三角波の発生が確認され、河岸および高水敷、そして堤防まで侵食、流出するなど、破堤リスクが高まりました。そのため、三角波の発生メカニズムと、それによる護岸ブロックの被災軽減対策について、研究を進めました。
水理実験から、三角波が発生するケースは水深と粒径の比が小さいケースを除き小規模河床形態のアッパーレジームに分類され、水面波と河床波が同位相である反砂堆を生じさせているということがわかっており図－16ます（図－15）。これらのデータから三角波の発生区分図を作成しました。
さらに、三次元的な反砂堆の形成とそれにより発生ような条件下で水中のブロックを移動させないためにする三角波を時空間的に計算、予測可能なモデルを開は、従来の考え方よりも数倍重いブロック重量が必要発しております。このモデルをメッシュ作成からパラとなることを、水理実験および力学的な理論式から導メータ設定、数値解析の実施および可視化までが可能いております。

な共通プラットフォームでありますiRICに導入して汎さらに、ブロックの重量すなわちコストの増加を最小限に抑えつつ、三角波による上昇流、局所流の影響用化しております。
三角波が発生しますと、上昇流とさらに主流方向にを受けにくいブロック構造を比較実験しまして、穴開は平均流速よりも大きな局所流が発生することが内部

き型あるいは羽根付き型といった形式が有効であると流況の観測からわかりました（図－16）。また、このいうことを確認しております（図－19）。

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図－17

図－18

以上の知見から、実務への適用を想定しまして、高速流、三角波対策の必要個所の選定手順を提案しております（図－17）。はじめに、対象河川における既往の平面2次元河床変動計算結果からフルード数と無次元掃流力を三角波発生区分図に適用してリスクマップを作成し、想定発生区間を抽出いたします。そして、この想定区間に対しまして、先ほど開発しました予測モデルにより詳細な数値解析を実施し、発生有無の判定および算出した流速から護岸等の対策に反映するといった手順、流れであります。
ここからは、高水敷に設置した現地試験施工について説明いたします（図－18）。従来、三角波は低水路中央に発生しやすいと言われておりましたが、この写図－19

真にありますように水理実験や現地調査から、三角波は縦断方向だけではなく横断方向にも列を伴って発生する、低水路の中央のみならずより広い範囲において発生するということがわかりました。
そこで高水敷の三角波の対策として、上昇流の影響を受けにくい羽根付き型ブロックを群体として設置することで、めくれ上がりに対する耐久性、河床洗掘に伴う屈撓性の向上が図れるということを実験から明らかにしております（図－19）。この知見を用いまして、提案したブロックを北海道開発局と連携して、昨年度、石狩川水系辺別川において試験施工を実施したところです。
破提形態としては、そのほか浸透による要因があります（図－20）。これについては、つくばの関係チー
ムによりまして、堤体浸透の評価と対策、基盤漏水の図－20

検知についての研究成果がまとまっております。河川
堤防の浸透安全性評価の精度向上と強化対策に関する
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図－21

図－22

研究を継続して実施していまして、今年度からは浸透かつ越水を含む複合要因による破堤メカニズムと対策技術を、つくば中央研究所と寒地土木研究所で共同で研究を開始したところであります。
続きまして、三つ目の研究目標の寒冷沿岸域における津波減災技術に関する研究について、ご説明いたします（図－21）。2011年3月の東北地方太平洋沖地震といった最大クラスの地震が、今後、千島海溝沿いなどで発生し、それに伴う津波災害が危惧されております。
特に北海道においては、冬期に発生した場合を想定しました海氷を伴う津波減災技術の開発が重要な研究課
題となっておりまして、北海道開発局等が作成した、北海道の港湾・漁港の技術開発ビジョンに盛り込まれ

図－23

ました。
冬期に海氷等が存在する状態において津波が発生した場合の防波堤と沿岸施設への外力の予測法は確立さ3段階に分かれます。各々のプロセスにおきまして、れておりません。そのため、海氷遡上や氷の衝突力な理論モデルによる数値計算と実験による実測値を比較

ど外力の推定法、海氷荷重を考慮した避難施設等の重し、妥当性を検討、確認しています。

要構造物に対する設計法の構築を研究目標として、設この氷群の存在による主動圧を予測するためには、海氷のない状態での通常の津波水位よりも高く積み上定しています。
津波荷重や水位を推定する手法は、海氷がある状態がるパイルアップ現象による高さの推定が必要となりで津波を発生させる実験、数値計算から構築していまます（図－23）。水理実験、力学的モデル、沿岸部です（図－22）。構造物への荷重作用プロセスは、氷群実際に形成されたデータも加えて、津波遡上の浸水深の衝突、水位の上昇による静水圧とその後の定常状態からその高さを推定する方法を提案しました。の継続と減少、氷群が残ることによる主動圧の発現の

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図－24

図－25

次に、地上部分が柱で支えられているピロティ構造の場合の津波避難施設に対して、海氷がある場合の津波荷重を検討しております（図－24）。海氷は柱と柱の間で閉塞、ジャムを発生させまして水位が大きく上昇します。その結果、水平の主流方向の荷重のほかに鉛直方向に同程度のオーダーの大きな荷重が作用するということがわかっております。これらの知見を設計や補強などの際に反映させていく予定です。
また、津波発生初期の海氷が衝突する荷重を軽減、緩和する方法も提案しています（図－25）。衝突実験と、氷の破壊強度や衝突力が再現可能な数値計算を用いて、このような小型の半円筒の突起構造物を装着することによって最大衝突力が2割程度まで減少すると図－26いうことがわかりました。
ここからは、四つ目の研究目標の海象変化に対応した沿岸域のリスク評価と対策に関する研究についてです（図－26）。近年、北海道で冬期に巨大な低気圧の発生、複数の台風が上陸するというケースが見られますように、気候変動によって、高波・高潮による沿岸施設の被害の増大が一層懸念されております。そこで、このような海象変化に対応する技術が求められておりまして、高波・高潮計算システム、防波堤など沿岸構造物の改良による波浪の低減、越波防止の技術開発を目標として設定しました。
高波・高潮計算システムの開発についてです（図－27）。システムの構成はこのような気圧、風、波浪場および吸い上げ、吹き寄せによる潮位上昇量を計算するもので、各々の数値モデルを活用して構築したもの図－27です。この計算システムを用いますと、2014年12月の急速に発達した低気圧による根室港の高波・高潮を精34

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図－28

図－29

度良く再現することができております。
次に、台風通過時の高潮リスク評価についてです（図－28）。北海道太平洋沖の港を対象に過去最大クラスの台風を複数経路通過させて、経路ごとの越波浸水計算を実施しました。汀線・沿岸構造物のデータベースと組み合わせることによりまして、波浪特性リスク、浸水の被災リスクの両方を評価することが可能となっております。このように、北海道内の各港において任意の規模と経路の台風や低気圧による波浪と浸水計算が可能となりました。
このようなリスクに対して、防波堤などの沿岸構造物の既存施設の改良により、波浪の低減、越波を防止する技術について説明いたします（図－29）。増大す

図－30る波高への対策を早期に実現するため、コストの縮減や工期を短縮した改良方法、技術が求められております。既設の消波ブロック、被覆堤の直立部や消波工を場合においても消波工の天端幅拡幅のみの改良方法を工夫している例がありますが、さまざまな条件下での開発し、現場に適用可能で汎用性を向上させた技術で適用可能な方法の知見が不十分であるということかす（図－30）。以上で一つ目の研究開発プログラムのら、水理実験を行いました。直立部の嵩上げが困難な説明を終了いたします。

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2022年度35図－31

図－32

引き続きまして、二つ目の研究開発プログラム「食糧供給力強化に貢献する寒冷海域の水産基盤の整備・保全に関する研究」について説明します（図－31）。
北海道はわが国水産業の重要な生産拠点ですが、海面漁業生産量が減少しており、水産資源も低い水準です（図－32）。全国的にも同様でして、漁港等の静穏水域を増養殖場として有効活用、養殖・栽培漁業の普及といった方針が国で推進されています。
そこで、漁港等沿岸施設における水産生物の保護育成機能の評価と整備技術、栽培漁業支援を強化する漁港の有効活用手法、大規模な沖合漁業整備事業の定量的な評価手法、水産有用魚種の遊泳行動の把握技術を研究目標として設定しています。

図－33

研究の概要でございます（図－33）。
一つ目の研究目標の漁港等の魚類の保護育成機能について説明いたします（図－34）。寿都漁港で港内と港外での比較によって、港の中では流速や波高は小さく底生動物が多いことがわかり、高波浪からの避難場、餌場を提供する保護育成機能があることが予想されました。

図－34

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図－35

図－36

実際に稚子魚が港内で多く分布し、波高が高くなると魚類の出現個体数が減少し、港外から港内へ移動する魚も見られました（図－35）。胃の内容物には、港内の優占種の底生動物も多くなっています。これらのデータおよび波動場解析から、魚類や体長に応じた魚類行動に影響する波高の基準値を設定し、高波浪からの避難場機能評価手法を構築しました。
餌場機能については、堆積物からアンモニウム態窒素といった栄養塩が供給されるということがわかり、魚類の増加量を水温、光の量、栄養塩による基礎生産量から評価、予測する手法を構築しております（図－36）。その他の15の漁港においても、この餌場機能評価手法が河川影響、有機物、栄養塩量に留意すれば適図－37用できるということを確認しております。
次に、防波堤等構造物周辺に設置することを想定した、餌場機能強化礁の開発に取組みました（図－37）。
この写真にある海底の創出礁、塩化ビニル製およびコンクリート製の機能強化礁、これら複合型の機能強化礁を設置しました。魚類の餌、餌料（じりょう）となる付着生物や動物プランクトン、底生動物が生息していること、強化礁の表面積を増大させることによって、これらの生息に有利であること、また、機能礁のすき間サイズ、設置場所、水深によって、利用する魚種、体長に違いがあるということもわかりました。
このように寒冷海域での沿岸構造物周辺における物理環境、餌料環境、魚類の行動特性等から、漁港の保護育成機能を魚類が利用していることを定量的に把握しております（図－38）。さらに高波浪からの避難場

図－38機能や餌場機能に関する評価手法を構築し、餌場機能強化礁を開発しました。今後は、こういった漁港の構
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37

図－39

図－40

造物周辺に底生動物が生息可能な生態系を、河口域などを活用してより効果的に創出させる整備手法の検討を進めていく予定です。
二つ目の研究目標の漁港水域での効果的な栽培漁業支援技術について説明いたします（図－39）。はじめに、二枚貝、アサリについてです。現地試験や室内実
験から、水に垂らす垂下養殖の条件ごとに、成長に影響する流速の評価基準値を設定しています。そして餌場評価による結果と重ね合わせまして、漁港内の二枚貝、アサリの垂下養殖適地評価手法を構築しました。
また、成長に有利な殻長サイズや、サイズに応じたかごの固定方法を明らかにし、提案しています。
次に、漁業価値の高い一方、生育環境などの知見が図－41

不足しているナマコを対象といたしました（図－40）。
漁港水域での効果的な稚ナマコの種苗放流方法を明らかにするため、ナマコの放流や生息場に適した環境条流密度や、従来の知見よりも小さいサイズの2cm以上件を検討しています。放流に適した強熱減量や硫化物に成長させたのちに放流しても、高い生残率、成長率等の底質環境、放流後の生息場としては、比較的強固が見込めることを複数漁港で確認し、妥当性を検証しな底質、岩盤や岩の割合が一定以上占める環境が適しています（図－41）。また、オオヨツハモガニがナマているということを明らかにしています。

コを捕食する食害生物であるということを世界で初め

さらに、稚ナマコの放流方法については、適正な放38て明らかにしました。

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図－42

図－43

この食害を防止するため、稚ナマコの食害防止礁を開発しています（図－42）。この食害防止礁の設置によりまして、異なる環境条件下の福島、古平漁港においても、種苗放流後に高い生残率、成長率になったこと、また、2cm未満の小型の種苗の放流でも同様の効果があるということが確認されています。
このように、漁港水域でナマコ種苗放流の適地環境を評価し、費用効果の高い放流方法を適用することによって、資源の増大、生産性向上に貢献する栽培漁業支援技術を開発いたしました。
三つ目の研究目標の水深100m程度の沖合海洋構造物による大規模漁場の整備効果の把握と設計等整備手法について説明します（図－43）。調査にあたっては、

図－44

この写真にありますように現地計測コストの縮減と安全性向上を図るために開発した廉価版ROVによりまして、水深の深い沖合構造物周辺での採水、採泥等データ取得が可能となりました。

い しゅう

沖合構造物により創出した魚礁区での魚類の蝟集のほか、体長と重量の増加、魚類の食性解析による餌料経路、餌料生物の餌となる粒子状有機炭素量POCのデータを用いて、利尻海域での生態系数値解析モデルを構築し、餌料培養メカニズムを解明しました（図－44）。
次に、この生態系モデルに、魚礁ブロック付近の流況条件に応じたPOCの沈降や堆積の挙動を数値解析で予測したデータを取り込み、人工魚礁ブロックの整備による餌料培養効果を定量的に評価する手法を構築しています（図－45）。これによりまして、複数ブロ

図－45

ックの平面配置など、効果的な人工魚礁の配置、設計法を提案することが可能となりました。
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最後の目標の魚類行動の把握技術についてです（図－46）。大型から小型までの遡上や降下行動等を長時間かつ濁水時も無人で自動計測できるカウンター装置を開発しました。そのため、現地計測の省力化により多くの地点で同時観測が可能になり、複数地点で魚類行動の追跡が可能となりました。
また、試行錯誤的に形状を変えまして、取り外しが容易な簡易魚道を開発しました。本施工する前に試験的に設置して魚道の効果を事前に把握できるために、効果的な魚道整備や構造物の改善方法につながる技術です。以上で2つ目の研究開発プログラムの説明を終わります。
ご清聴ありがとうございました。

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図－46

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