JP4491620B2

JP4491620B2 - 消波方法及び水質浄化方法並びにそれを用いた浅海域の環境創造支援方法

Info

Publication number: JP4491620B2
Application number: JP2004126820A
Authority: JP
Inventors: 正則中井; 陽子前田
Original assignee: Tokyo Denki University
Current assignee: Tokyo Denki University
Priority date: 2004-04-22
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2010-06-30
Anticipated expiration: 2024-04-22
Also published as: JP2005307591A

Description

本発明は、上向き放出噴流を活用した消波方法と装置及び水質浄化方法並びにそれを用いた浅海域の環境創造支援方法に関するものである。

図１６に浅海域の模式図を示すように、浅海域には、干潟１０１、アマモ類が生育しているアマモ場１０２、ホンダワラ類が生育しているガラモ場１０３などの領域がある。このような浅海域は，多様な生態系が形成されている空間であり、なかでもアマモ場１０２やガラモ場１０３などの藻場、又は干潟１０１は、生物の生息場・産卵場であると同時に、水質浄化の役割をも果たす重要な場である。しかしながら、近年、沿岸域における埋め立て、海岸構造物の設置などによって、こうした藻場、干潟が消失し、浅海域の生態系破壊・水質悪化などの問題がさまざまな形で生じている。

このような問題を背景にして、浅海域の環境保全への活動が盛んになっており、最近では保全のみならず、藻場・干潟の再生、更には藻場・干潟の造成という、より積極的な環境創造の試みへと発展している。その代表例として、広島県五日市市の人工干潟や羽田沖の浅場などが挙げられ、その他にも全国スケールで数多くの環境創造が試みられている。

しかし、こういった環境創造を実施する際に波浪がしばしば大きな障害となる。例えば、藻場の再生地や造成地でアマモを育成しようとしても、その領域で波浪が高ければアマモが定着したり、生育したりするのが困難である。

そこで、近年では、波浪対策として離岸堤や潜堤がよく用いられている。例えば図１６に示した模式図のように、潜堤１０４がアマモ場１０２よりも沖側に設けられることにより、このアマモ場１０２における波浪の影響を軽減している。しかしながら、離岸堤や潜堤を設けるには費用が嵩むし、また、構造物そのものが大規模化するために環境への影響が大きいことなどの欠点がある。

また、消波システムの一つとして、岩垣らによるエアーカーテンを用いる方法が非特許文献１〜６に開示されている。このエアーカーテンを用いる消波方法は、水中から水面に向けて垂直に空気を放出させることを基本構成とする方法である。放出された空気（エアーカーテン）が水面と衝突して、その衝突後の沖側に向かう逆流を形成させることにより、沖側の波高を積極的に増大させる結果として砕波させ、最終的に消波しようとするものである。しかしながら、このエアーカーテンを用いる消波方法によって消波する場合には、砕波を生じさせる程に逆流を形成させる必要があり、この逆流を空気を用いたエアーカーテンで生じさせるには大規模な設備とならざるを得なかった。特に、非特許文献１〜６では、主として防災的な側面より離岸堤の代わりとしての消波システムを念頭において研究がなされており、このような防災のための大規模かつ根本的な消波を取り扱った消波システムをエアーカーテンで実現するには、大掛かりな設備となってしまう。
岩垣雄一、安井誠人，「空気防波堤に関する研究（第１報）−空気防波堤の基本的性質−」，第２２回海岸工学講演会論文集，１９７５年，ｐ．５６３−５６９岩垣雄一、石田啓、本田勉、須藤雄二，「空気防波堤に関する研究（第２報）−潜堤との併用効果−」，第２３回海岸工学講演会論文集，１９７６年，ｐ．１５８−１６３岩垣雄一、浅野敏之、間瀬肇，「空気防波堤に関する研究（第３報）−浮防波堤との併用について−」，第２４回海岸工学講演会論文集，１９７７年，ｐ．２９０−２９４岩垣雄一、浅野敏之，「空気防波堤に関する研究（第４報）−空気防波堤の消波理論−」，第２４回海岸工学講演会論文集，１９７７年，ｐ．２９５−２９９岩垣雄一、浅野敏之、須藤雄二、山中庸彦，「空気防波堤に関する研究（第５報）−空気防波堤の消波護岸への応用−」，第２５回海岸工学講演会論文集，１９７８年，ｐ．４１２−４１５岩垣雄一、浅野敏之，「流れが空気防波堤の消波効果に及ぼす影響−空気防波堤に関する研究（第６報）−」，第２９回海岸工学講演会論文集，１９８２年，ｐ．４１３−４１７

前述したように、従来の消波システムは、離岸堤や潜堤を設ける場合では、費用が嵩み、かつ構造物そのものが大規模化して環境への影響が大きいという問題があり、また、エアーカーテンを用いる場合では、砕波を生じさせる程に逆流を形成させる必要があり、この逆流を空気を用いたエアーカーテンで生じさせるには大規模な設備になるという問題があった。

そのため、浅海域の環境創造を支援するのに適合する、より簡易な消波システムが求められているところである。

そこで、本発明は、従来とは全く異なる原理を用いた消波方法により、簡便かつ効率的に消波することのできる消波方法と消波装置、及び同じ原理による水質浄化方法並びにそれを用いた浅海域の環境創造支援方法を提供することを目的とする。

本発明の消波方法は、水面における波の進行方向と順方向に、水中から水面に対して、水流を斜め上向きに放出させることを特徴とする。

本発明の消波方法においては、消波しようとする領域を、斜め上向きの水流が水面に到達した位置よりも波の進行方向側に位置させて水流を放出することが好ましい。

また、本発明の消波方法においては、沖から岸に向かって進行する波を、水底に設けた消波装置から水流を放出することによって消波することができる。

更に、本発明の消波方法は、岸から沖に向かって水底が緩斜面になる領域における水面の波を消波することに用いて、特に有利である。

本発明の消波装置は、水面に対し斜め上向きに水を噴出可能な複数の噴出孔を、水面における波の進行方向と交差する方向に配列させた水流放出手段を備えることを特徴とする。

本発明の水質浄化方法は、水面における波の進行方向と順方向に、水中から水面に対して、水流を斜め上向きに放出させて水面近傍で循環流を形成させることを特徴とする。

本発明の水質浄化方法においては、岸から沖に向かって水底が緩斜面になる領域における沖側の領域の底層に停滞している貧酸素水塊を取水し、岸側の領域において沖から岸に向かう方向と順方向に、水中から水面に対して、この貧酸素水塊を水流として斜め上向きに放出させるようにすることもできる。

本発明の浅海域の環境創造支援方法は、岸から沖に向かって水底が緩斜面になる領域にて沖から岸に向かう方向と順方向に、水中から水面に対して、水流を斜め上向きに放出させて消波を行うとともに水質浄化を行うことを特徴とする。

本発明では、水面における波の進行方向と順方向に、水中から水面に対して、水流を斜め上向きに噴流として放出させる（以下、本明細書では、この上向き放出噴流を「ウォーターカーテン」又は「Ｗ．Ｃ．」）という。）。このウォーターカーテンにより、特定の範囲の領域を効果的に消波することができる。またウォーターカーテンは、水中から水面に向けて水流を放出させるという簡便かつ低コストで環境への負荷が小さいシステムである。しかも、ウォーターカーテンは、空気に比べて比重が大きい水（本明細書では海水なども含まれる。）を噴出させることから、エアーカーテンに比べて効果を得るための設備が小さくて済む。したがって、浅海域における藻場の消波に好適な消波方法である。

図１を用いて本発明による消波方法の原理を説明する。図１は、水中及び水面を垂直断面で示す模式図である。同図において、波Ｗが矢印方向に進行する場合、水中に設けたウォーターカーテン発生装置１１から、所定の角度で上向きに水を噴出させて水中にウォーターカーテン１２を形成させて水面１３まで到達させる。かかるウォーターカーテン１２により、水面１３におけるウォーターカーテン１２が到達した地点よりも波Ｗの進行方向側の波が消波されるのである。

このようなウォーターカーテン１２による消波機構については、次のように考えられる。図２は、水中から水面に対して垂直にウォーターカーテンを形成させた場合の模式図である。ウォーターカーテン発生装置１１から水面１３に向けて矢印Ａの向きに水を噴出させると、ウォーターカーテン１２は水面１３に衝突する。この水面衝突時の慣性抵抗が、波高低減すなわち、消波に寄与するものと考えられる。また、ウォーターカーテン１２は、水面１３に衝突後は、波Ｗの進行方向に対して順方向（矢印Ｂの方向）及び逆方向（矢印Ｃの方向）の水平流になる。この水平流の向きが波Ｗの進行方向と順方向（順流）である領域では、かかる順流の水平流により、波高が低減されるものと考えられる。そして、本発明では、斜め上向きに水流を放出することにより、ウォーターカーテン１２が水面１３に衝突後に順流になる割合が増大することから、消波効果が増すものと考えられる。

次に、本発明の消波方法を実証する実験について説明する。

実験には、長さ１５８０ｃｍ×幅３０ｃｍ×高さ５０ｃｍの二次元水路を用いた。図３は、実験に用いた二次元水路の縦断面図である。同図において、水路の上流端にはピストン式の造波装置１４が設置されており、下流端には傾斜角３０°の多孔体が消波装置１５として取り付けられている。この消波装置１５は、周期Ｔが０.８０ｓである入射波に対する反射率が約６％であった。水路における造波装置１４が設けられている上流端が沖に相当し、消波装置１５が取り付けられている下流端が岸に相当する。

水路の底面で造波装置１４と消波装置１５との中間に、ウォーターカーテン発生装置（Ｗ．Ｃ．発生装置）１１が設けられている。Ｗ．Ｃ．発生装置１１は、図４に模式図で示すように、水流放出手段として直径１．３ｃｍ、長さ２８ｃｍのアルミニウム製の円筒管１１ａに直径０．３０ｃｍの噴出孔１１ｂを３．０ｃｍ間隔で８個開けて、水面に対し斜め上向きに水を噴出可能にしたものを用いた。このようなＷ．Ｃ．発生装置１１を、円筒管１１ａの軸線に平行な方向が、造波装置１４から消波装置１５に向かう波の進行方向に対して直交する向きになるように配置した。また、円筒管１１ａに水を供給する導管１１ｃが導通可能に円筒管１１ａへ取り付けられている。そして、Ｗ．Ｃ．発生装置１１への送水は、図示しない貯水槽内に設置した水中ポンプから、フロート式流量計とゲートバルブを取り付けた配管系によって導管１１ｃ及び円筒管１１ａへと導いた。また、実験中は、水深を一定値（３５ｃｍ）に保つために、造波装置１４の後方から、図示しない水中ポンプを用いてＷ．Ｃ．の放出流量とほぼ同じ流量で排水した。

実験手順は以下の通りである。造波装置１４を作動させ、最初に波動のみの場合のデータを収録した。その後、波動中にＷ．Ｃ．が放出された状態でデータを収録した。測定項目は波高と流速であり、波高計測には容量式の波高計を、流速計測には直径５ｍｍのプロペラ式流速計を使用した（波高データの解析には、ゼロアップクロス法を採用した）。図３に示すように、波高計１６は、造波装置１４側（沖側）から消波装置１５側（岸側）にかけてＩ、II、III及びIVの４個を取り付けた。さらに、必要に応じて流況をデジタルビデオカメラにより撮影した。

実験は、予備実験、シリーズＡ及びシリーズＢの三つに大別して行った。これらの各実験における実験条件を表１に示す。各実験については後で詳述するが、予備実験では、Ｗ．Ｃ．が消波に有効であることの確認と、有効に働く波の周期の検討を行った。また、シリーズＡでは、水平床上（浅海域における一様水深場に相当する）におけるＷ．Ｃ．の消波特性について検討した。さらに、シリーズＢでは緩斜面上におけるＷ．Ｃ．の消波特性について検討した。

まず、予備実験では、Ｗ．Ｃ．が消波に有効であることの確認、及びＷ．Ｃ．が有効に働く波の周期を検討すべく、表１のケースＰ−１ないしＰ−５に示すように種々の周期になる波を造波させて、これらの波に対するＷ．Ｃ．の消波効果を調査した。この予備実験において、Ｗ．Ｃ．発生装置１１は、水路の造波装置１４側の端面を原点（Ｘ＝０）として９１０ｃｍの位置（Ｘ＝９１０ｃｍ）に設けた。また、Ｗ．Ｃ．発生装置１１の噴出孔は、水面１３に対して垂直に噴流を噴出させるような向きに調整した。すなわち、図３に示すように、波の進行方向と平行な垂直断面において、水面１３と平行な面とウォーターカーテン１２の中心軸線１２ａとのなす角度θ（以下、「Ｗ．Ｃ．の放出角度」という。）を９０°とした。

更に、波高計１６は、Ｗ．Ｃ．発生装置１１からの噴流により形成されるウォーターカーテン１２の中心軸線１２ａが水面に達した点（以下、「水面衝突点」という。）を基準点として、Ｉは基準点より２８０ｃｍ沖側に設けられ、IIは、基準点より２０ｃｍ沖側に設けられ、IIIは基準点より２０ｃｍ岸側に設けられ、そしてIVは基準点より２８０ｃｍ岸側に設けられた。

かかる予備実験を行って、Ｗ．Ｃ．を放出する前の波高と、放出した後の波高を比較したところ、波高計１６を設けたＩ〜IVのいずれの地点においても、波高が変化していた。図５は一例として、ケースＰ−１における地点IIIの波高の時系列的変化を示したものである。同図より、Ｗ．Ｃ．の放出によって波高が大きく低減していることがわかる。

そこで、波高変化率Ｉ_Ｔを、それぞれの地点におけるＷ．Ｃ．放出後の波高Ｈ_ａを、Ｗ．Ｃ．放出前の波高Ｈ_ｂで除した値（Ｉ_Ｔ＝Ｈ_ａ／Ｈ_ｂ）と定義して、各地点における波高変化率Ｉ_Ｔをグラフ化した。その結果を図６に示す。なお、図６のグラフでは、各地点の水路上流端（Ｘ＝０）からの水平距離を横軸に併記している。

図６より、地点III及びIVでは、Ｔ＝２．０３ｓである波を除く種々の周期になる波について、波高変化率が１より小さい値になっており、Ｗ．Ｃ．により消波効果が得られていることが分かる。また、地点IIIにおけるケースＰ−１（周期Ｔ＝０．８０ｓ）の波がＷ．Ｃ．の効果を最も顕著に受けていることが明らかである。なお、同ケースでは、地点IIIでは波高がＷ．Ｃ．によって約２０％低減しているものの、地点IIでは約１５％増大している。このメカニズムについては、シリーズＡの結果と併せて後述する。

この結果より、Ｗ．Ｃ．は、従来から研究がなされている浮防波堤や空気防波堤（エアーカーテン）などと同様に、周期が一定値以下の波に対して消波効果が表れると考えられる。なお、本発明で消波しようとする波は、主として短周期の風波であり、Ｔ＝２．０３ｓ（現地海域換算値：約１１ｓ）のような長周期の波に対して消波効果が現れなくても、それほど大きな欠点とはならない。

以上の結果を踏まえて、次のシリーズＡ及びシリーズＢの実験では、Ｗ．Ｃ．の消波特性をより明確に示すために周期Ｔ＝０．８０ｓの波を用いることにした。

次に、シリーズＡの実験を行った。このシリーズＡでは水平床上（一様水深場）におけるＷ．Ｃ．の消波特性について検討するものであって、ここでの目的は、Ｗ．Ｃ．の放出角度による消波特性の変化を把握することである。つまり、Ｗ．Ｃ．は従来公知のエアーカーテンと異なり、放出方向が鉛直方向に限定されないため、この利点を最大限に活用することを試みた。

このシリーズＡの実験においては、表１のケースＡ−１ないしＡ−５に示すように、Ｗ．Ｃ．の放出角度θ（図３参照）を30°〜120°の範囲で変化させ、波高変化率Ｉ_Ｔを各地点Ｉ〜IVで調べた。Ｗ．Ｃ．発生装置１１は、予備実験と同様に、水路の造波装置１４側の端面を原点（Ｘ＝０）として９１０ｃｍの位置（Ｘ＝９１０ｃｍ）に設けた。そして、Ｗ．Ｃ．発生装置１１の円筒管１１ａを、その中心軸の周りに回転させて、Ｗ．Ｃ．の放出角度θを変えた。

また、Ｗ．Ｃ．発生装置１１に供給する水の流量については、各ケースについて３００ｃｍ^３／ｓとして、予備実験時における流量５００ｃｍ^３／ｓよりも少なくした。

波高計測に用いる波高計１６は、予備実験と同様に、水面衝突点を基準点として、Ｉは基準点より２８０ｃｍ沖側に設けられ、IIは、基準点より２０ｃｍ沖側に設けられ、IIIは基準点より２０ｃｍ岸側に設けられ、そしてIVは基準点より２８０ｃｍ岸側に設けられた。もっとも、シリーズＡの実験では、ケースによってＷ．Ｃ．の放出角度が異なり、よってＷ．Ｃ．の水面衝突点が異なるため、地点I〜IVの位置はケースごとに異なっている。

図７はＷ．Ｃ．の放出角度θと波高変化率Ｉ_Ｔとの関係を示すグラフである。同図において、まず、全ケースに共通して見られる特徴として、放出角度θが種々に異なる場合であっても、水面衝突点よりも岸側の地点IIIの波高が減少し、消波効果が現れている一方で、水面衝突点よりも沖側の地点IIの波高がＷ．Ｃ．によって増大していることが挙げられる。また、地点IVの波高はＷ．Ｃ．によってほとんど変化していない。

この結果について物理的に考察する。Ｗ．Ｃ．が波動に与える影響は、先に述べたように主として二つがあり、一つは水面衝突時の慣性抵抗、もう一つは水面衝突後の表面流としての影響である。後者の表面流については、沖向きの流れ（逆流）と岸向きの流れ（順流）の二つがあり、これらの表面流により入射波の波高に変化が生じる。具体的に言えば、逆流は波高を増大させ、順流は低減させるが、その変化率は表面流の流速が速いほど大きい。このことを念頭におくと、図７の地点II、IIIの波高変化は定性的に妥当な結果となっている。つまり、地点IIIは、順流の表面流により波高が減少したものと考えられ、地点IIは、逆流の表面流により波高が増大したものと考えられる。

次に、この図７を定量的に見ると（ただし、ケースＡ−５を除く）、地点II及び地点IIIの波高変化の程度は、共にケースＡ-４（放出角度θ＝９０°）で最も大きく、次いでケースＡ-３（放出角度θ＝６０°）が大きく、ケースＡ-１、Ａ−２（放出角度θ＝３０°、４５°）ではその次に大きくなっている。このケースＡ-１、Ａ−２の結果については、放出角度θが小さいためにＷ．Ｃ．が水面に衝突するまでの距離が長くなり、その間の噴流としての特性（周囲水の連行など）によって表面流に転じた時の流速が小さくなるためである。

また、ケースＡ-３の結果とケースＡ-４の結果とを比較すると、ケースＡ-３では、地点IIIでの波高低減がケースＡ-４とあまり変わらない程に大きいのに対し、地点IIでの波高増大がケースＡ-４より大幅に抑えられている。この理由を、図８に示すケースＡ-３におけるＷ．Ｃ．の流況の模式図を用いて考察する。ケースＡ-３におけるＷ．Ｃ．の流況は、Ｗ．Ｃ．発生装置１１から放出角度θ＝６０°で放出された噴流が矢印Ａの向きで水面１３に向かい、そして水面１３に衝突後は、矢印Ｂに示す向きの順流と、矢印Ｃで示す向きの逆流に分かれる。かような水面に衝突した後の順流と逆流との流量配分は、放出角度θによって変化し、放出角度が６０°という鋭角であるケースＡ-３では、順流の流量が、逆流の流量よりも大きくなる。そのため、水面衝突点よりも岸側の地点IIIでは、放出角度θが鋭角なために順流の流速が低下することを順流の流量の増大で補うことから、優れた波高低減効果が得られ、また、水面衝突点よりも沖側の地点IIでは、放出角度θが鋭角なために逆流の流速が低下している上に、逆流の流量も減少しているから、波高の増大が抑制されるものと考えられる。

また、図７においてケースＡ-５（θ＝１２０°）についてみると、地点IIの波高増大が激しく、地点IIIの波高低減が小さい。この理由は、このケースＡ-５の場合のＷ．Ｃ．の流況が、図８に示すケースＡ-３（θ＝６０°）におけるＷ．Ｃ．の流況を左右反対にしたものになることを考えれば理解できる。

次に、先に述べたＷ．Ｃ．が波動に与える影響のうち、水面衝突時の慣性抵抗による影響について、図７を用いて考察する。水面衝突時の慣性抵抗により、入射波の持つエネルギーが消散し、よって波高が低減するという効果を見るには、地点IVの波高変化を検討すればよい。しかし、図７によれば全ケースともに地点IVの波高がほとんど低減していない。この結果より、これらのケースにおいてＷ．Ｃ．の慣性抵抗による消波効果はほとんどないと言える。これは、シリーズＡにおけるＷ．Ｃ．の放出流量が少ないためである。

図９は、Ｗ．Ｃ．によって地点II、IIIで明確な波高変化が現われたケースＡ−３、Ａ−４について、波高を多数の地点で細かく測定し、波高変化率Ｉ_Ｔの縦断分布を求めたグラフである。なお、グラフの横軸であるＷ．Ｃ．の水面衝突点からの距離は、沖側を負の値（−）、岸側を正の値（＋）としている。図９より、Ｗ．Ｃ．の影響が現われる範囲は、ケースＡ−３、Ａ−４ともに−１６０ｃｍ〜＋８０ｃｍの間にわたる２４０ｃｍの領域に限定されている。また、＋１６０ｃｍ地点より岸側では、波高はほとんど入射波高に戻っている。つまり、ケースＡ−３、Ａ−４ともにＷ．Ｃ．の慣性抵抗による消波効果はほとんどなく、順流による波高の一時的低下のみが生じていることを確認できる。したがって、本実験における放出流量の条件下では、Ｗ．Ｃ．が特定の領域内の消波に有効に寄与することになる。

最後に、Ｗ．Ｃ．の放出角度θの最適値について考察する。図９よりＷ．Ｃ．から＋８０ｃｍまでの領域の波高低減は、ケースＡ−４（θ＝９０°）の方がケースＡ−３（θ＝６０°）より大きいが、それほど大きな差があるわけではない。これに対して、Ｗ．Ｃ．から−１６０ｃｍまでの領域の波高増大は、ケースＡ−４がケースＡ−３の２倍程度になっている。Ｗ．Ｃ．を浅海域の環境創造に利用する際には、波高増大は大きな障害になると考えられる。そこで、本発明では、放出角度θが鋭角となる範囲の角度でＷ．Ｃ．の水流を噴出させることとし、そして、ケースＡ−３のＷ．Ｃ．の放出方法、つまり放出角度θ＝６０°がθの最適値と判断した。なお、本発明におけるＷ．Ｃ．の放出角度は、上記θ＝６０°に限定されるものではなく、放出角度は、必要に応じて鋭角となる範囲で任意に変更できる。例えば、図７に示すように、θ＝３０°や４５°の場合であっても、水面衝突点から沖側における顕著な波高増大を伴うことなく消波効果が得られている。

以上のように、本発明の消波方法では、Ｗ．Ｃ．が水面に衝突した後の順流による波高低減に注目している。これに対して、非特許文献１〜６に示したエアーカーテンを用いた消波システムにおいては、エアーカーテンの沖側における（その水面衝突後の）逆流に伴う波高増大に注目して、波高増大→砕波→波高低減を目指している。つまり、本発明の消波方法と非特許文献１〜６に開示の消波方法とは、消波原理からして根本的に異なっているのである。

次に、シリーズＢの実験により、緩斜面上におけるＷ．Ｃ．の消波特性について検討した。これは浅海域を想定した実験であり、環境創造の例として人工藻場（アマモ場）の造成を念頭に置いている。

図１０は、シリーズＢの実験に用いた二次元水路の縦断面図である。なお、図１０において、図１に示した二次元水路と同一部材には同一符号を付して、重複する説明を省略する。

図１０に示すように、本実験に用いた水路においては、消波装置１５と水面１３との交線が汀線になる。そして、この汀線から水路の底面に向かう緩斜面１７が、厚さ１．５ｃｍのベニヤ板により形成されている。緩斜面１７の水平方向の距離は、汀線より７００ｃｍである。また、緩斜面１７の斜面勾配は１／２０である。この緩斜面１７上には、アマモの模型１８を所定ピッチで格子状に配列して、人工的な藻場想定領域１９を形成している。なお、アマモの模型１８にはポリプロピレン製のひもを束ねたもの（高さ４ｃｍ）を用いた。また、緩斜面１７上でかつ藻場想定領域１９よりも沖側に、Ｗ．Ｃ．発生装置１１を、放出角度θ＝６０°として設けた。この放出角度は、先のシリーズＡの結果を踏まえたものである。波高計１６は、藻場想定領域１９の地点、水面衝突点より２０ｃｍ岸側の地点、水面衝突点より２０ｃｍ沖側の地点、そして傾斜面が形成されている領域より沖側の一様水深域の地点に設けた。

このシリーズＢでは、模型縮尺を１／３０として現地海域との対応を考慮し、諸量を決定した。すなわち、人工的な藻場想定領域（アマモ場）１９は、汀線の位置を原点（Ｘ’＝０）として、この汀線から造波装置１４方向（沖方向）に水平距離が１００〜２５０ｃｍの範囲（Ｘ’＝１００〜２５０ｃｍ）とした。また、Ｗ．Ｃ．発生装置１１からのＷ．Ｃ．の放出位置は、緩斜面１７上で汀線から沖方向の水平距離が３２５ｃｍ（Ｘ’＝３２５ｃｍ）とした。また、緩傾斜領域より沖側（Ｘ’＞７００ｃｍ）の水深は３５ｃｍとした。更に、入射波の波高は７．５ｃｍ程度とし、現地海域のやや荒天時の波に対応させた。諸量の現地海域換算値の詳細について、表２に示す。

シリーズＢの実験では、藻場想定領域１９にアマモの存在している環境でのＷ．Ｃ．による消波効果について調べた。すなわち、表１のケースＢ−１ないしＢ−４に示すように、藻場想定領域１９にアマモが存在しない場合（Ｂ−１）、アマモが密に存在する場合（Ｂ−２）、アマモが中程度に存在する場合（Ｂ−３）、アマモが疎に存在する場合（Ｂ−４）の４条件により、実験を行い、Ｗ．Ｃ．の放出前後での各地点における波高変化率Ｉ_Ｔを調べた。その結果をグラフ化して図１１に示す。なお、藻場想定領域１９におけるアマモの疎密さを変化させるために、ケースＢ−２では、アマモの模型を、４ｃｍ間隔で格子状に配置して合計２６６本を設けた。ケースＢ−３では、アマモの模型を横方向に４ｃｍ間隔かつ縦方向に８ｃｍ間隔で格子状に配置して合計１３３本を設けた。ケースＢ−３では、アマモの模型を８ｃｍ間隔で格子状に配置して合計７６本を設けた。

図１１において、まず、藻場想定領域１９にアマモがない、ケースＢ−１について検討する。なお、このケースにおいて、Ｗ．Ｃ．を放出しない場合の入射波の砕波点はＸ'＝２１０ｃｍ付近であり、藻場想定領域１９内に位置している。ケースＢ−１では、Ｗ．Ｃ．の放出に伴って、藻場想定領域１９の中間点に当たるＸ'＝１７５ｃｍの地点で波高が約２５％低減しており、Ｗ．Ｃ．の消波効果が顕著に現われている。一方、Ｗ．Ｃ．の水面衝突点より２０ｃｍ沖側、つまり藻場想定領域１９の沖側に当たるＸ'＝３３５ｃｍの地点での波高増大はごくわずかに抑えられている。また、ケースＢ−１を、図９に示した一様水深場におけるケースＡ−３の結果と比較すると、Ｗ．Ｃ．による波高低減領域が岸側に大幅に延びている。

これらの結果は、Ｗ．Ｃ．によって入射波の砕波が促進され（Ｗ．Ｃ．の放出前後で砕波点がＸ'＝２１０ｃｍからＸ'＝２７０ｃｍ付近まで沖側ヘ移動した）、藻場領域内に砕波変形後の波が入射したことに起因している。なお、実験時の観察より、この場合の砕波促進の主原因は、（Ｗ．Ｃ．の水面衝突後の）逆流による波高増大ではなく、Ｗ．Ｃ．の持つ慣性抵抗による波形変形と推察される。

このように、浅海域（緩傾斜領域）においてＷ．Ｃ．を利用する場合には、Ｗ．Ｃ．は水面衝突後の順流による波高低減効果のみならず、慣性抵抗による砕波促進効果をも発揮するため、一様水深場の場合よりも本発明の消波方法の利用価値が高い。

次に、藻場想定領域１９にアマモの模型を設置したケースＢ−２〜Ｂ−４の結果について述べる。まず、藻場の存在が波浪に与える影響を把握する目的で、ケースＢ−２〜Ｂ−４についてＷ．Ｃ．を放出しない場合の各地点での波高を調査し、得られた波高値を、ケースＢ−１についてＷ．Ｃ．を放出しない場合の各地点での波高値で除した値を波高変化率Ｉ_Ｔ’と定義して、各地点における波高変化率Ｉ_Ｔ’をグラフ化した。その結果を図１２に示す。

同図より、藻場自身の消波効果は予想外に大きく、アマモの密度が大きいほど藻場領域での波高低減が激しいことがわかる。また、Ｗ．Ｃ．がない場合の砕波点はケースＢ−２〜Ｂ−４ともにケースＢ−１に比べて岸側に移動し、ケースＢ−２、Ｂ−３、Ｂ−４の砕波点はそれぞれＸ’＝３５ｃｍ、Ｘ’＝９０ｃｍ、Ｘ’＝１４５ｃｍであった。なお、図１２において、藻場領域よりも沖側になるＸ’＝３０５ｃｍ及びＸ’＝３４５ｃｍの地点においても、波高変化率Ｉ_Ｔ’が１．０よりややずれていて、藻場の存在により藻場以外の領域にも波高変化が生じていることを表しているが、これは藻場が沖側の波・流れに影響を与えていることを意味している。

かような結果を踏まえ、図１１に示したケースＢ−２〜Ｂ−４の結果について検討する。図１１のケースＢ−２〜Ｂ−４の結果は、藻場想定領域１９にアマモが存在する場合のＷ．Ｃ．による消波効果を表している。すなわち、図１１のケースＢ−２〜Ｂ−４においては、縦軸の波高変化率Ｉ_Ｔは、藻場によって低減した波高（図１２参照）に対して、Ｗ．Ｃ．の放出により変化した波高の変化率を求めたものである。なお、これらの３ケースともにＷ．Ｃ．によって砕波点がＸ’＝２７０ｃｍ付近まで沖側に移動した。

同図より、３ケースともにＷ．Ｃ．によりＸ’＝１７５ｃｍ（藻場領域内）及び２９５ｃｍ（藻場領域より沖側）の地点で１５％程度の波高低減が生じていることがわかる。この結果は、アマモの密度に関係なく、Ｗ．Ｃ．によってほぼ同程度の優れた消波効果が得られることを意味している。

ここで、ケースＢ−４の条件についてやや詳しく調べた（このケースでは、Ｗ．Ｃ．を放出しない場合の砕波点（Ｘ’＝１４５ｃｍ）が藻場領域内にあり、波浪が藻場に与える影響は非常に大きい）。ケースＢ−４の砕波点付近（Ｘ’＝１４０ｃｍ）での波高変化率Ｉ_Ｔは、同図より分かるように０．６８であり、波高が３０％以上低減している。また、図１３に、同ケースにおけるＸ’＝１４０ｃｍ付近をデジタルビデオカメラにより撮影した流況を、Ｗ．Ｃ．がない場合（同図（ａ）と、ある場合（同図（ｂ））の両方について模式的に示す。同図からも、Ｗ．Ｃ．による大きな波高低減が確認できる。この大きな波高低減は、Ｗ．Ｃ．によって砕波点がＸ’＝１４５ｃｍからＸ'＝２７０ｃｍ付近へと沖側に移動した結果、このＸ’＝１４０ｃｍの地点での波高がＷ．Ｃ．によって砕波波高から砕波変形後の波高に変化したことに起因している。すなわち、浅海域（緩傾斜領域）においてはＷ．Ｃ．による砕波促進効果によって、消波効果がさらに高まるのである。

最後に、Ｗ．Ｃ．による底層流速の変化について調べた。すなわち、ケースＢ−１（人工藻場がないケース）におけるＸ’＝１２０ｃｍ及びＸ’＝２３０ｃｍ（ともに藻場想定領域１９内）の地点の底層流速（水底面より２．０cm上）について調べた。その結果を図１４に、Ｗ．Ｃ．放出の前後における時系列的変化で示す。なお、図１４（ａ）はＸ’＝２３０ｃｍの地点における底層流速を示し、同図（ｂ）は、Ｘ’＝１２０ｃｍの地点における底層流速を示している。また、同図中、縦軸の＋印は岸向きの流速を、−印は沖向きの流速を示している。

同図より、両地点ともにＷ．Ｃ．によって最大流速（絶対値）が約３０％低減していることがわかる。底層流速は後述のようにアマモの流失に直接関わるものであり、これが大幅に低減することの意義は大きいと考えられる。

以上述べた実験結果からも明らかなように、本発明に従うＷ．Ｃ．を用いた消波方法は、環境創造支援へ応用することが可能である。すなわち、現地浅海域において人工藻場(ここではアマモ場を想定している)を造成する場合、成功の鍵は植え付けたアマモが、十分成長する前に波・流れ（特に底層流速が重要）によって流失しないことである。そのためには、荒天時の波浪を何らかの方法によって制御する必要がある。この点、本発明よる消波方法を用いれば、かような荒天時の波浪を効果的に低減することが可能である。

先のシリーズＢの結果において、アマモの密度が密および中のケース（ケースＢ−２、Ｂ−３）では、藻場の強い抵抗によって波浪が一定程度低減し、入射波の砕波点が藻場の岸側に位置していた。このような状況において藻場の沖側からＷ．Ｃ．を放出すると、藻場内の波高および底層流速を更に一定程度低減させることができる。これは、藻場造成を支援しうる状況であるが、藻場内の流況はＷ．Ｃ．を放出する前から(藻場自身によって)かなり静穏化していたため、Ｗ．Ｃ．の必要性は相対的にはそれほど高くない場合がある。

これに対して、アマモの密度が疎のケース（ケースＢ−４）では、藻場の抵抗は小さく、藻場内で入射波が砕波し、藻場造成に対して不利な状況が出現していた。このような場合に、藻場の沖側からＷ．Ｃ．を放出することによって、入射波の砕波点を藻場の沖側に移動させ、藻場内の波高および底層流速を大幅に低減させることができる。このことは、藻場自身による消波のみでは困難であった藻場造成条件において、好ましい状況を創り出すことになるので、本発明は特に有用である。

以上のように、藻場の沖側からＷ．Ｃ．を放出することは、多くの場合に藻場造成にとって有利な状況を創り出すが、なかでも、藻場内での砕波を回避できる場合にその効果が大きいと推察される。また、Ｗ．Ｃ．によって波浪を低減させることは、藻場の岸側の流況を静穏化することにもつながり、この領域に人工干潟を造成するなど、より総合的な環境創造への可能性を示すものと考えられる。

また、本発明において、Ｗ．Ｃ．を放出することは、消波のみならず、水質浄化のためにも用いることができる。すなわち、図１５に水質浄化システムの模式図を示すように、Ｗ．Ｃ．発生装置１１からＷ．Ｃ．１２を放出することにより、水面に衝突した後は順流及び逆流となって、最終的には水深スケールの循環流２４、２５が誘起される。この循環流２４、２５によって、浅海域全体の海水交換が促進されるために、水質浄化が図られる。

また、沖側の底層に貧酸素水塊２１が停滞している場合に、この貧酸素水塊２１をポンプ２２で取水し、パイプ２３によりＷ．Ｃ．発生装置１１へ導いて、Ｗ．Ｃ．発生装置１１からＷ．Ｃ．１２として放出すると、貧酸素水塊２１が藻場１９へ大量に流入する。その結果、藻場１９の生産活動（光合成）の恩恵により、貧酸素水塊２１中の溶存酸素が増大し、貧酸素化の解消へとつながり、これにより水質浄化をすることができる。このように、Ｗ．Ｃ．を用いるシステムは波浪低減機能を持つだけでなく、浅海域全体の水質浄化機能をも合わせ持っていて浅海域の環境創造支援システムとして十分な役割を果たすことができる。

本発明の消波方法の原理の説明図である。本発明の消波方法の消波機構の説明図である。実験に用いた二次元水路の縦断面図である。Ｗ．Ｃ．発生装置１１の要部の模式図である。ケースＰ−１における地点IIIの波高の時系列的変化を示すグラフである。各地点における波高変化率Ｉ_Ｔを示すグラフである。Ｗ．Ｃ．の放出角度θと波高変化率Ｉ_Ｔとの関係を示すグラフである。ケースＡ-３におけるＷ．Ｃ．の流況の模式図である。ケースＡ−３、Ａ−４における波高変化率Ｉ_Ｔの縦断分布を示すグラフである。二次元水路の縦断面図である。各地点における波高変化率Ｉ_Ｔを示すグラフである。各地点における波高変化率Ｉ_Ｔ’を示すグラフである。デジタルビデオカメラにより撮影した流況を模式的に示す図である。底層流速のＷ．Ｃ．放出の前後における時系列的変化を示す図である。水質浄化システムの模式図である。浅海域の模式図である。

符号の説明

１１ウォーターカーテン発生装置
１２ウォーターカーテン
１３水面
Ｗ波

Claims

水面における波の進行方向と順方向に、水中から水面に対して、水流を斜め上向きに放出させることを特徴とする消波方法。
消波しようとする領域を、斜め上向きの水流が水面に到達した位置よりも波の進行方向側に位置させて水流を放出することを特徴とする請求項１記載の消波方法。
沖から岸に向かって進行する波を、水底に設けた消波装置から水流を放出することにより消波することを特徴とする請求項１又は２記載の消波方法。
岸から沖に向かって水底が緩斜面になる領域における水面の波を消波することを特徴とする請求項３記載の消波方法。
水面における波の進行方向と順方向に、水中から水面に対して、水流を斜め上向きに放出させて消波を行うとともに、前記水流より岸側において、前記水流が岸によって循環流を形成し、この循環流によって、水の循環を促進することを特徴とする水質浄化方法。
岸から沖に向かって水底が緩斜面になる領域における沖側の領域の底層に停滞している貧酸素水塊から取水し、岸側の領域において沖から岸に向かう方向と順方向に、水中から水面に対して、前記取水した水流を斜め上向きに放出することにより、消波を行うとともに、前記貧酸素水塊の溶存酸素を増大することを特徴とする水質浄化方法。
岸から沖に向かって水底が緩斜面になる領域にて、沖側の底層に停滞する貧酸素水塊からポンプで取水し、沖から岸に向かう方向と順方向に、水中から水面に対して、前記取水した水流を斜め上向きに放出させて消波を行うとともに、前記貧酸素水塊の溶存酸素を増大して水質浄化を行うことを特徴とする浅海域の環境創造支援方法。