波浪場における遊泳中の人体の挙動に関する研究
水圏防災工学研究室 渋谷 航平
指導教員 犬飼 直之
1. はじめに止している状態を示す．浮上状態は，水面より下

日本は，四方を海に囲まれていることや海水浴に人体が降下したときに浮力が重量に比べて増す場が多いことから，海における水難事故が毎年多ことで，人体が上昇し，水面に浮上する状態を示

く発生している．警察庁の報告 1)より，昨年の令す．沈下状態は，人体が浮上状態のときに水面か

和 3 年度では，水難事故発生件数が 1395 件，水難らの露出部分が増すことで，浮力が減少し，重量者が 1625 人，死者・行方不明者が 744 人であっが増すことで再度水面より下に人体が降下する状た．海での水難事故が多いため，様々な水域で事態を示す．これらの状態を繰り返すことにより，故の調査及び解析が実施されており，既往解析 2)

水面変動時に人体の上下運動が生じていると考えでは，数値解析により，水難事故発生場所での水た．この考え方等から，水面変動時の人体の上下面や波浪，流況を再現している．この数値解析で挙動を把握するために浮力や速度，加速度等を用は，水面変動のみを考慮しており，人体の挙動はいて，変位時間あたりの頭頂部位置の移動距離の考慮されていないため，人体の溺水状況はおおよ

計算を行った（図-2）．このとき，浮力は物体の排そで考察している．そのため，水面変動の挙動と除した水の重量と等しいことから，人体の部位をその影響による溺水状態前の人体の上下方向の挙水面上と水中に分けて考えた．水面上では，人体動を把握する数値モデルが必要であると考える．の部位の露出量に従った重量，水中では，人体のまた，他の既往研究調査として，河川内に入水し部位の水深に応じた浮力と重量を計算した．このたときに砂地が急傾斜となっており，足を取られ，とき，抗力 FD の計算式は高木らの研究 3)を参考に急に河川内に沈んでしまう水難事故の現象も確認した．

されている．そのため，落水及び沈水したときの人体について，人体の上下方向の運動挙動についても把握するこ

楕円面積=人体部位の長径×人体部位の短径×πとが重要であると考える．

体積=楕円面積×人体の部位の長さ

本研究では，胴体や頭部，手足等の人体の部位

質量=体積×密度の体積や浮力を考慮し，波浪場における人体の挙重量=質量×重力加速度(9.8 m/s2)

動を把握するための数値モデルを作成した後，実浮力=水面下の人体の体積×海水密度×重力加速度

験を行い，数値モデルの確からしさを検証するこ

変位時間あたりの頭頂部位置について，とを目的とした．

加速度𝑎𝑛𝑜𝑤 =(重量-浮力)/体重速度𝑣𝑛𝑜𝑤 =𝑣𝑜𝑙𝑑 + 𝑎𝑛𝑜𝑤 ∆𝑡×抗力𝐹D
12𝐹𝐷 =𝐶𝐷 2 𝜌𝑣𝑜𝑙𝑑𝑆

2. 数値モデルの構築
水面付近における水面変動時の人体の挙動を把𝐹握するための数値モデルを構築した．水面が変動

𝐶𝐷 = 0.5𝜌𝑣𝐷2 𝑆

する際の人体の上下運動を静水状態，浮上状態，

𝐹𝐷 = 2.74𝑣 1.91

沈下状態の 3 つの状態で考えた（図-1）．静水状態

変位時間あたりの移動距離=𝑣𝑛𝑜𝑤 ∆𝑡 + 2 𝑎𝑛𝑜𝑤 ∆𝑡 2

は，浮力と重量が釣り合っている状態で人体が静ここで，𝐶𝐷 ：抗力係数，𝑆：投射断面積であり，𝑜𝑙𝑑11抗力係数は形状抵抗，摩擦抵抗，うず抵抗等を示面付近での人体の挙動を把握するために，新潟県

す．

長岡市内にある室内プールにて普段それほど運動

また，数値モデルを構築するための計算で用いをしない 24 歳の成人男性 2 名で実験を行った．

た人体のモデルは成人男性を参考に身長や頭部，実験では，落水及び沈水を想定し，プール床から胴体等の各部位の長さ，体積，重量等を推算し，足を離したときの時間変動と水面付近で浮沈して全身の浮力を推算した．中村らの研究 4)を参考にいる人体を防水ビデオカメラで記録し，水面を基モデル化を行った．数値モデルに用いた人体の各準とし，水面に対しての時間変動による頭頂部位部位について図-3 に示す．

置の変位で人体の上下挙動を把握した．

波高 0.3 m，周期 4 秒での水面挙動と人体の挙数値モデルから得られた計算値とプールを用い動計算例の結果（図-2）より，水面変動とそれにた水面付近での人体の挙動把握実験から得られた伴う頭頂部の位置を確認できた．

実験値を比較し，数値モデルの確からしさを検証した（図-4）．計算値と実験値を比較した結果，同様の挙動を再現できていることから，数値モデルの確からしさを検証することができた．実験結果から，水面が静水時での落水及び沈水を想定した人体の上下挙動は，数値モデルを用いることで把握が可能になった．

図-1 水面変動時の人体の上下運動の考え方（左:静水状態，中:浮上状態，右:沈下状態）

図-2 水面変動と人体の挙動の計算例

図-4 プールを用いた実験の計算値と実験値の比較

4. 造波水路を用いた人体の挙動把握実験
数値モデルの確からしさの検証及び波浪場を想定した水面付近での水面変動と人体の挙動を把握するために，造波水路を用いて実験を行った．実験では，疑似人体として用いたペットボトルの水面変動時の挙動と造波水路装置によって発生した波を波高計，波高計アンプ，AD 変換器，PC を図-3 モデル化を行った人体の各部位用いて記録し，水面変動時の疑似人体の挙動を把3. プールを用いた人体の挙動把握実験握した．数値モデルから得られた計算値と造波水構築した数値モデルの確からしさの検証及び水路を用いた水面付近での水面変動と疑似人体の挙2

動把握実験から得られた実験値を比較し，数値モトルの容量が大きい程，波高が増大しても 1 波長デルの確からしさを検証した（図-5）．計算で用あたりのペットボトルの平均上昇高は変化しづらいた疑似人体（ペットボトル）の各部位の計算値

く，ペットボトルの容量が小さい程，波高が増大を表-1 に示す．このとき，ペットボトルのキャすると 1 波長あたりのペットボトルの平均上昇高

ップ部を頭部，本体部を胴体として計算を行っが変化しやすい傾向がみられた．また，周期が増た．計算値と実験値を比較した結果，上下振動挙大するとペットボトルの容量の大きさに関係なく動の上昇量及び下降量で差が出ている箇所はみら

1 波長あたりのペットボトルの平均浮上時間が増れたが，上昇及び下降タイミングは同様の挙動が加する傾向がみられた．

確認できた．そのため，波浪場における水面変動の挙動と溺水状態前の人体の上下挙動に関して，

表-2 ペットボトルの容量別の波の周期及び波高構築した数値モデルを用いることで水面変動と人の呼吸タイミングを把握することができると考える．
表-1 疑似人体（ペットボトル）の各部位の計算値

図-5 造波水路実験の計算値と実験値の比較

波浪場を想定した造波水路実験を実験ケース

図-6 波高変化による平均上昇高の変化（ペットボトルの容量，波の周期及び波高）別にまとめた結果の一例を表-2 に示す．ここで，Hは波高，T は周期，h は水深である．また，ペットボトルの大きさ別の波高変化による 1 波長あたりの平均上昇高と周期変化による 1 波長あたりの平均上昇時間をまとめた結果を図-6，図-7 に示
す．
ペットボトルの容量別の波高変化による 1 波長あたりの平均上昇高と周期変化による 1 波長あたりの平均上昇時間をまとめた結果より，ペットボ

図-7 周期変化による平均上昇時間の変化

35. まとめ

立ち泳ぎやうつ伏せ状態等の様々な人体挙動の把水面付近での水面変動時の人体の上下方向の挙握を行い，波動数値モデルに組み込み，流況と人動の数値モデルを構築したことにより，人体の各体挙動を同時に把握できるようにする必要がある

部位の体積や質量等の数値と水面変動の波の周期と考える．

や波高等の条件を設定することで水面変動と人体の挙動を把握することができるようになった．ま7. 参考文献

た，落水及び沈水を想定したプールにおける水面

1) 警 察 庁 「 令 和 3 年 に おけ る 水 難 の 概 況 」

付近の人体の挙動把握実験から，水面が静水時でhttps://www.npa.go.jp/publications/statistics/safetの人体の浮上挙動について構築した数値モデルをylife/sounan.html（2023.1.5.閲覧）用いることで把握することができるようになった． 2) 犬飼直之ら「水難事故対策のための幕張の浜他に，波浪場を想定した造波水路装置を用いた水の突堤付近での水面および流況の把握」,土木面付近の疑似人体の挙動把握実験から，水面変動

学会論文集 B2（海岸工学）Vol.77, No.2, I_805-

時における疑似人体であるペットボトルの上下挙

I_810, 2021

動の上昇及び下降のタイミングが計算値と実験値

3) 高木英樹ら「日本人競泳選手の抵抗係数」,体育学研究 41, 484-491, 1997

で同様の挙動を確認できた．以上のことから，構築した数値モデルの確からしさを検証することが4) 中村恭志ら「人体流動連成解析に基づく溺水できたと考える．また，既往解析の人体の溺水状数値解析シミュレーションモデルの開発」,土況の考察に比べて，今回構築した数値モデルを用

木学会論文集 B1（水工学）Vol.73, No.4, I_601-

いることで人体の溺水状況をより詳細に把握する

I_606, 2017ことができるようになったと考える．

6. 今後の課題及び展望
今後の課題として，人体及び疑似人体の上下振動の上昇及び下降量の再現精度を改善する必要があるため，今回の実験では疑似人体としてペットボトルを使用していたが，適切な大きさ及び密度の人形を使用することで数値モデルの確からしさの更なる検証になると考える．ペットボトルの場
合は，頭部として計算を実施したキャップ部と胴体部として計算を実施した本体部と計算箇所が 2箇所しかなかったことが挙げられる．実際の数値モデルでは，頭部及び胴体の他に，腕や足等人体の部位を詳細に計算しているため，そこで計算値と実験値のずれが生じたと考える．そのため，疑似人体としては，ペットボトルではなく，手足がついている人形の方が適していたと考える．
また，今後の展望として，波浪場での人体上下挙動及び落水，沈水時の人体上下挙動把握の他に，4