COASTAL ENGINEERING LABORATORY

海岸研のルーツ / CEL’s roots

海岸・沿岸環境研究室の前身である土木工学第二講座（後の水工学第二講座）は東京大学創設以来の講座であり，我が国の港湾工学を中心とする学術・技術の発展の一端を担ってきたが，発足から長らく講座研究室が設置されていなかった．本間仁教授（当時）の指示を受けた堀川清司大学院研究奨学生（当時）が海岸工学を専攻し，1954年に専任講師に任命された際に講座研究室が設置されたのが本研究室の起源であり，助教授であった1957年から1959年に客員助教授としてカリフォルニア大学バークレー校に滞在した経験も加えて，本格的な海岸工学の教育研究が行われるようになった．当時の研究環境などについては、海岸・沿岸環境研究室概史（PDF, html）を参照されたい．その後，表-1に示すような教員が研究室の教育研究活動を担ってきたが，すべての教員経験者が国内外の大学において海岸工学に関わる教育研究で活躍している．これまでに，研究室で学部の卒業論文の指導を行った学生は約200人，大学院の修士論文では約150人，博士論文では約30人である．博士論文には社会人課程博士を含み，さらに論文博士を加えて，最先端の研究を行っている．これらの卒業生は，「卒業・修了生の進路」に示すように、官民学にわたる様々な分野において活躍している．研究成果の多くは、土木学会海岸工学講演会、海洋開発シンポジウム、国際海岸工学会議（ICCE）などで発表されるとともに、Coastal Engineering Journalなどの論文誌に掲載されている。1966年には、日本で初めて国際海岸工学会議を東京で開催し、本研究室のスタッフがその運営に中心的に関わった。

Coastal Engineering Laboratory (CEL) is descended from the second course of Civil Engineering established since the founding of the University of Tokyo. The course had contributed to the modern development of port and harbor engineering in Japan, in which no research laboratory, however, had been placed for a long time. In the early 1950s, Prof. Masashi Hom-ma asked Kiyoshi Horikawa, a graduate student at that time, to major in Coastal Engineering, and later in 1954, CEL was established when Horikawa was appointed as an associate professor. Prof. Horikawa started the research and education of coastal engineering utilizing his experience as a visiting associate professor at the UC Berkley from 1957 to 1959. Since then, CEL played an active role in coastal engineering research, and contributed to organize the 10th International Conference on Coastal Engineering in Tokyo, 1966 (Fig. 1). CEL has been producing a number of coastal engineers and researchers and some of them became CEL staffs as listed in Table 1.

Tab. 1 CEL staffs and research topics

過去の研究 / Past studies in CEL

波・流れ / Waves & Currents

海岸には様々な時間スケールの波が存在し，それらが海岸における主要な外力となっているが，このうち津波や高潮は長周期・ﾌ波動現象である．チリ地震津波などによる災害を背景として，1960年代には長周期波に対する湾の応答や，浅海域における高潮モデルの開発，陸上に氾濫した津波の挙動や作用に関する研究を盛んに行った．これらは，現地における長周期波の観測や，実験水槽での模型実験，理論の構築，そして数値モデルの開発を含む実証的な研究であり，研究方法の枠組みがここで確立されたとみなすことができる．続いて，砂礫海岸を主な対象として，海浜流や長周期波の現地観測を行い，気球を用いた海浜流観測の手法を開発するとともに，定量的なデータを得るための現地観測の端緒を開いた．1970年代末からは保存波に関する厳密な理論展開が行われた．この頃普及したコンピュータを用いて，厳密な解を求めると同時に，諸理論をとりまとめて整理することによって，それぞれの位置づけや実務での適用範囲を明確にした．これにより，実用的な意味での保存波の問題をほぼ解決した．

Waves of different time scales are major forces to the coastal system. Long waves such as tsunamis and storm surges pose a threat to coastal areas. In the 1960s, after coastal devastation by the Great Chilean Tsunami, long-wave dynamics in coastal zones were actively studied: representative topics were bay water response to long waves, coastal storm-surge modeling, tsunami inundation behaviors, and resulting forces. These studies involve field observation, flume experiments, theoretical analysis, and numerical modeling, and the major research approaches today were established during this period. Subsequently, the research field was shifted to sandy coasts where field observations were conducted to understand nearshore currents and infragravity waves. Various methods in fields were developed, such as balloon observation, which paved a way for quantification of coastal processes. Theoretical studies of permanent waves started in the later 1970s. High-order permanent wave solutions were derived with the help of computers, and the applicabilities of different theories were clarified.

1976年から1982年にかけて大学や研究機関が合同で現地観測を行ったが，堀川清司教授がその代表者として主導的な役割を果たした．この研究では，海浜変形の数値シミュレーションモデルを開発することを最終目標に掲げ，そのために必要となる現地データを取得するための観測を毎年行った（Fig. 1）．波・流れの関係では，屈折・回折・砕波変形を含む波浪変形シミュレーションモデルが開発され，線形理論に基づくものながら，砕波帯付近の規則波の変形が予測できるようになった．やがて，波の不規則性を取り入れたモデルも開発した．現地観測からは，砕波帯付近の波動場の特性について多くの新たな知見を得ることとなるとともに，ここで開発された現地観測手法を始めとして，後の観測に様々な知見を提供した．方向スペクトルの推定理論に関する研究における現地観測もその一つであり，開発された推定理論は実務でも頻繁に用いられるものとなった．1990年代に入ると，弱い非線形・分散性の波に対して既に開発されていたブシネスク方程式に加え，強い非線形・分散性の波にも適用可能な非線形緩勾配方程式を導き，それらに基づく数値モデルの開発を行った．これにより，強い非線形性を呈する波形でも予測可能となり，非線形性が本質的な要素 である漂砂や波力問題への応用への道を開いた．

From 1976 to 1982, Prof. Horikawa led a joint project for comprehensive observations of coastal processes by different universities and research institutes. He set the project goal to develop a predictive model for beach deformation and conducted a series of field observations to acquire in-situ data for model development (Fig. 1). In terms of waves and currents, a coastal wave model was developed to reproduce wave refraction, diffraction, and wave breaking in nearshore areas. The model based on the linear theory was capable of simulating the transformation of regular waves in surf zones and was later extended for irregular wave deformation. The project contributed to advance our knowledge, especially on surf zone hydrodynamics, and provide various in-situ data and field methodologies. The estimation method of directional wave spectra had also resulted from the project, which was later employed widely in coastal engineering practices. In the 1990s, wave models were further developed on the basis of weakly dispersive nonlinear wave equations (Boussinesq-type equations) and strongly dispersive nonlinear wave equations (Nonlinear mild-slope equations). These models enabled us to simulate coastal waves of strong nonlinearity which plays a vital role in sediment transport and wave forces on coastal structures.

構造物

海岸や港湾の構造物は，高波浪や津波の来襲時に巨大な外力が作用するため，これらの異常時における耐波安定性の確保が必要となる．1950年代から60年代にかけては，基本的な構造物である堤防，護岸，突堤，潜堤について，その耐波安定性と波浪制御効果について実験的な検討が行われた．構造物に作用する波力は，波の状況や対象構造物の形状によって大きく変化するため，砕波を含む広い条件に対して，壁面に作用する波圧や円柱状部材に働く波力を計測する実験が実施された．実験結果をもとに，波力を流体力学的に評価する手法が提案され，各地の海岸における海岸保全施設の設計に活用されている．初期の海岸施設の建設は，災害復旧としての対症的な対応が中心であったが，これらの研究により，合理的な設計法が体系化されることになった．

Coastal and harbor structures require resistance against strong forces due to storm waves and tsunamis. From the 1950s to 1960s, some basic types of coastal structures today, such as coastal dikes, revetments, jetties, and submerged breakwaters, were experimentally studied for their resistance and coastal protection capability. Since wave forces on coastal structures vary with wave conditions and structural properties, laboratory experiments were conducted for wave pressures on vertical walls and cylinders under a variety of wave conditions including wave breaking. Base on these laboratory data, wave pressure formulas were created and applied to the design of coastal structures throughout Japan. Coastal structures in the earlier period were built on an ad-hoc basis, but these studies provided rational methods of coastal structure design.

その後，人間活動が沿岸域で活発化するにつれて多様な構造物が建設されるようになった．浮防波堤や海洋構造物などの係留浮体の動揺については，計算機能力の向上や不規則波・多方向波発生装置の開発とともに，波と構造物の相互干渉を考慮した解析モデルが開発され，実験によりその妥当性が確認されている．また，海岸保全施設の形式も，海岸域の陸側境界線で防護する初期の形式から，沖合いに離岸堤などの消波施設を建設し，これと緩傾斜護岸などを組み合わせることにより，複合施設で海岸を防護する形式へと遷移してきた．これとともに，人工リーフやヘッドランドなどの新しい構造物が研究対象に加えられた．1980年代には，これらの研究成果を参考にしてさまざまな海岸保全施設や港湾施設の建設が進められ，海岸の利便性，治水安全性は飛躍的に向上した．一方，沿岸域での人間活動の展開と技術の進歩により沿岸構造物は徐々に巨大化する傾向にあり，構造物の建設が周辺海岸の地形変化や水質変化へ与える影響が大きくなってきた．そのため近年では，構造物自体の安定性や機能の検討に加えて，周辺海岸への影響を検討する手法を開発することがますます重要になっている．本研究室における構造物分野の研究課題についても，構造物の設置が周辺の海岸環境へ及ぼす影響に関するものが増えてきている．

Afterward, a variety of coastal structures had been installed in coastal zones with expanding human activities. Behaviors of floating breakwaters and other moored-type structures were studied via laboratory experiments and predictive models for wave-structure interactions were developed in the background of growing computer powers and development of experimental devices such as multi-directional irregular wavemakers. Coastal protection in the early stage was mainly implemented with vertical structures on the immediate shore and was later shifted to employ a combined approach using different types of structures, such as a combination of detached breakwaters and mild-slope revetments. In this trend, new types of structures such as artificial reefs and headlands became subjects of research in CEL. Coastal protection rapidly advanced in the 1980s and greatly contributed to enhancing the safety and accessibility of coastal zones throughout the country. On the other hand, coastlines were increasingly altered by massive concrete structures, and people became aware of their negative impacts on coastal topography and water quality in the surroundings. In recent years, there have been growing demands for methods of assessing structural impacts on the coastal system. In CEL, more studies of coastal structures have recently focused on the optimization for safety, environment, and efficiency.

漂砂

波・流れと漂砂・地形変化は，上の模式図に示すように相互に密接な関係にあるため，漂砂分野の研究は，波・流れの研究の進展と影響し合いながら進められてきた．1950年代から60年代にかけては，主として砕波帯外の沖浜領域における底質の挙動が検討され，底質の移動限界について，境界層の特性に基づく統一的な理論が提案された．また，波動境界層の乱れや浮遊砂について，実験を中心とした研究により，流速場や浮遊砂輸送モデルが提案された．これらの研究はその後の局所漂砂量モデルの提案の基礎となっている．その後，海岸の地形形成過程や断面変形機構について継続的な実験や現地観測が実施され，海浜過程を支配する指標が提案されている．さらに，1970年代後半から数年間，茨城県大洗海岸を中心にして総合的な現地観測が実施され，海岸過程の理論展開と観測・予測手法に関して画期的な進展がみられた．これらの研究成果をもとに，汀線変化モデルの実務への適用性が確認されるとともに，局所漂砂量モデルに基づく三次元海浜変形モデルが提案されるに至った．

Coastal sediment transport and morphological changes are closely related to nearshore hydrodynamics. Therefore, sediment transport studies had been carried out in line with the studies of waves and currents. From the 1950s to 1960s, CEL mainly focused on sediment transport out of surf zones and developed a theory for incipient motions of sediments under oscillatory boundary layer flows. Also, experimental studies on boundary-layer turbulence and sediment suspension were conducted to formulate the suspended sediment transport. These early studies provided a basis for local sediment transport formulas later developed in CEL. Subsequently, coastal morphological processes were investigated through field surveys and laboratory experiments and were empirically parameterized. The intensive field studies from 1976 to 1982 greatly advanced the theories, observation techniques and numerical models of coastal processes. The comprehensive field dataset confirmed the practical applicability of shoreline evolution models and led to the development of a 3D beach deformation model based on local sediment transport formulas.

その後，実験施設の開発などにより，対象とする波浪条件が，規則波から不規則波，多方向波，非線形波へと拡張されるのに合わせて，これらのより現実的な条件における漂砂モデルの開発が進められている．また，流速条件についても，より現地条件に近い高流速条件下での実験が可能となってきており，低流速条件での移動限界や浮遊などの検討から，高流速条件下で出現するシートフロー条件における漂砂モデルの開発へと研究が進展している．海岸を構成する底質材料についても，均一粒径砂から，底泥や混合粒径底質へとより広い条件に展開が図られてきた．

The sediment transport studies were initially implemented under regular sinusoidal waves and were later expanded to account for wave irregularity, multi-directionality, and nonlinearity. Sediment transport models were also developed for more realistic wave conditions. The advancement of experimental facilities enabled laboratory tests of sediment transport under high-speed flows in a real scale, and the research target shifted from suspended sediment transport to sheet-flow sediment transport that occurs under intensive flows in surf zones. The sediment condition was also extended from uniformly grained sediments to mixed grained sediments and cohesive sediments.

水質・生態系

水質・生態系に目を向けはじめたのは比較的最近のことである．1970年代には原子力発電所の沿岸立地にともなって生じた温排水の拡散に関する研究が進められたが，その後は海浜地形変化予測をはじめとする海岸過程に関する研究が勢力的に進めらたこともあって，水質・生態系に関する研究に着手したのは1990年代に入ってからであった．この間，閉鎖性の強い内湾，内海では恒常的に赤潮や貧酸素水塊が見られるようになり，東京湾では青潮による漁業被害が頻発するなど，富栄養化問題は深刻なものとなっていた．

In the 1990s, CEL extended its research field to coastal water quality and ecosystem. Before that, CEL had some experiences of studying coastal hot-water diffusion issues to assess the impacts of nuclear power plants increasingly constructed in the 1970s. Meanwhile, semi-enclosed bays and inner seas of Japan had steadily suffered from red tides and anoxic waters. In Tokyo Bay, the fishery industry incurred serious damage from blue tides.

これらの問題に対し，海洋学や水産学の立場から現象解明に向けた研究が進められていたが，問題解決に結びつけていくためには，様々な方策の影響・効果を事前に予測することが必要となってくる．このような社会的要請と近年のコンピュータの急速な発達を背景として，数値モデルによる水質予測手法の開発に着手することとなった．まず，最も基本的な部分である水温・塩分場を含む流れ場の予測手法を開発した．その際には風や密度差に起因する微細な時空間変動を考慮した上で，年オーダの長期にわたる時々刻々の現象を忠実に再現することを基本方針とし，このような長期大規模計算に耐えうるよう，精度と効率のバランスを重視したモデルを開発した（Fig. 2）．次いで本モデルを東京湾における青潮問題に適用し，現地観測と併せて青潮の発生機構と予測に関する研究を進めてきた．これに溶存酸素濃度や植物プランクトンといった水質・生物項目を取り入れることで，内湾水質・生態系予測モデルの基本的な部分を構築した．

The phenomena that caused the water quality issues had been studied in oceanography and fisheries science, but resolving the issues required prediction of the effects of possible countermeasures. With the social demands and growing computational performance, CEL started numerical modeling of water quality changes in semi-enclosed seawater. First, a basic model was developed to predict water temperature and salinity changes considering the effects of winds and density effects. The model was aimed at reproducing relevant phenomena on an annual time scale by achieving the balance of accuracy and computational efficiency. With a combined approach of the model and field observations, the blue tides in Tokyo Bay have been intensively studied for elucidation and prediction of the phenomena (Fig. 2). The model was further extended to include chemical and ecological processes. This line of study is being pursued in Sasaki laboratory of Graduate School of Frontier Sciences.