瀬戸 内海 の離 島での強潮流時の船舶運航 か ら見た港湾計画 のあ り方
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(2) 1357. 瀬戸 内海 の離 島で の強潮 流 時の船 舶運 航か ら見 た港湾 計画 の あ り方. 3. 潮 流 お よ び 海 象 の 現 地 観 測 現 地 調 査 にて 気 象 海 象 が 船 舶 運 航 に 強 く影 響 して い る こ とが 明 らか と な った た め,潮 流 お よ び海 象 条 件 の 現 地 観 測 を 実 施 した. (1) 潮 流 お よ び 海 象 の連 続 観 測 ま ずT港 付 近 の 潮 流,潮. 汐,水. 質 特性 につ いての数 ヶ. 月 間 に わ た る変 動 の 把 握 を試 み た.潮 流 特 性 に つ いて は, T港 桟 橋 の下 に電 磁 式 の 流 向 流 速 計 を 設 置 し,2007年9 月19日 か ら12月19日 ま で の3ヶ 月 間 に わ た り10分 ご と に 10秒 間 の平 均 流 向 ・流 速 を 計 測 した.図‑4にT港 図‑2. T港 の 拡 大 図 お よ び フ ェ リ ー の 着 桟 方 向. 桟橋 の. 下 で 観 測 され た3ヶ 月 間 の潮 流 ベ ク トル図 お よ び 流 速 の 南 北 成 分 の 時 系 列 をFFT法 に よ って ス ペ ク トル解 析 した. 図 よ りT港 は大 き な 潮 位 差 に 対 応 し た浮 体 式 の桟 橋 で. 結 果 を 示 す.. あ り,海 底 か らチ ェー ンを 用 い て係 留 して い る.潮 流 中 の フ ェ リー運 航 に 関 し,関 係 者 へ の ヒ ア リ ング に て 問 題 点 を 整 理 した と ころ,以 下 の事 項 が 明 らか と な った. (1)上 げ 潮 時 に は船 が 北 東 方 向 に圧 流(海 事 分 野 で 圧 流 と は船 が 機 関 ・舵 を 使 用 して い る が,潮 流 に よ り流 され る 現 象 の こ と を指 す)さ れ,着 桟 時 の 姿 勢 制 御 が 非 常 に困 難 とな る.現 状 で は図‑3の よ うに 反 対 側 に大 き く舵 を切 りな が ら機 関 を 前 進 にか け て圧 流 を 防 ご う と して い る. (2)下 げ潮 時 に は 南 側 に圧 流 さ れ る た め,図‑3に. 示す よ う. 図‑4. 観 測 さ れ た 潮 流 ベ ク トル お よ び ス ペ ク トル. な 潮 流 に よ る圧 流 を 利 用 した 方 法 を取 って い る.ま ず 桟. 左 側 の 図 よ り,流. 向 はNW〜SW〜SE方. 橋 に対 して大 き く左 方 向 に舵 を 切 り,下 げ 潮 流 を船 尾 近. 向 で 卓 越 して お り,T港. くか ら受 け るよ う な位 置 関係 に して い る.. な る.流 速 は最 大 で1m/s程 度 発 生 し,右 側 の ス ペ ク トル. (3)現 状 で は潮 流 が 現 地 計 測 され た こ と もな く,経 験 と勘. 解 析 結 果 よ り,最. 沖 で 卓 越 す るNE〜SWと. 若干 異. も卓 越 して い る の は 半 日周 期 の成 分. に裏 打 ち さ れ た 熟 練 技 術 で対 応 して い る.し か し,大 潮. (11.9時 間)で. 前 後 の状 況 で は非 常 に 緊 張 した 操 船 とな る.. 因 して い る と 考 え られ る.ま. あ り,主 要4分 潮 のM2潮 お よ びS2潮 等 に起 た 倍 潮 の成 分(6.1時. (4)浮 体 式 の桟 橋 は チ ェ ー ン にて 係 留 して い るが,強. 潮流. お よ び 日周 潮 の 成 分(23.9時. の た め に チ ェ ー ンの 劣 化 が 他 の港 よ り も早 く,5年. ごと. 潮 汐 の 周 期 が 支 配 的 で あ る.一 方,主. に交 換 す る必 要 が 生 じて い る.. 向 の複 数 の 方. 間)に. 間). も ピー クが 見 られ, 要分潮 の周期 よ り. もや や 短 い4.1時 間 の 周 期 成 分 に も ピ ー クが 見 ら れ,や や 複 雑 な傾 向 とな って い る.こ れ ら の要 因 と して は,観 測 点 が 岸 側 の た め に陸 岸 の水 深 や 地 形 も影 響 した と考 え られ る. (2) 潮 流 の 移 動 観 測 定 点 観 測 と同 時 に潮 流 お よ び 水 質 の空 間 的 な 分 布 を把 握 す る意 味 で,ド. ップ ラー 式 流 速 計 を装 備 し た小 型 観 測. 船 に て移 動 しなが らT港 付 近 の表 層 潮 流(水 深3m)を2007 年7月 お よ び12月 の 大 潮 日 に観 測 し た.図‑5にT港 の100m沖. 図 よ り上 げ潮 時 に はNE,下. (1)上 げ 潮 時 図‑3. (2)下 げ 潮 時. 上 げ潮 およ び下 げ潮 時 の着桟方 法. 桟橋. にて 観 測 した 潮 流 ベ ク トル 図 を 示 す. げ 潮 時 に はSW方. 向へ の流れ. が 卓 越 して お り,地 形 を 考 慮 して理 論 的 に説 明 で き る結 果 が 得 られ た.流 速 の 最 大 値 は1〜1.5m/sの 範 囲 で あ り, 図‑4に. 示 した観 測 結 果 よ り も若 干 大 き い こ と が 分 か る..
(3) 1358. 海. 岸. 工. 学. 論. 文. 集. 第55巻(2008). 4. フ ェ リ ー 着 桟 時 の 船 体 運 動 に つ い て 前 章 に て 調 査 した 潮 流 特 性 を も とに フ ェ リー着 桟 時 の 船 体 運 動 につ い て,現 地 観 測 す る と と も に これ を 再 現 で き る数 値 解 析 モ デ ル を 構 築 した. (1) 船 体 運 動 の現 地 観 測 T港 に 着 桟 す る フ ェ リー が どの よ うな 操 船 パ タ ー ンお よ び運 動 を して い る の か を 把 握 す る た め,フ. ェ リー に小. 型 のGPSに よ って 着 桟 時 の 運 動 を 観 測 した.対 象 と し た フ ェ リー の主 要 目 は垂 線 間 長38.5m,幅11.0m,満 水2.65m,排. 水 量563t,メ. 載喫. タ セ ン タ ー 高 さ3.3mで あ り,. 船 の 前 後 両 方 にプ ロ ペ ラ,舵 お よ び船 橋 が 設 置 さ れ て い る両 頭 船 で あ る.こ れ は桟 橋 に対 し図‑1の よ う に前 後 方 図‑5. T港 沖 で 観 測 さ れ た 潮 流 ベ ク トル. 向 に着 岸 し,着 岸 時 と反 対 側 の 船 橋 か らす ぐに離 桟 で き (3) 数 値 シ ミ ュ レー シ ョン に よ る 再 現 検 証. るた め に多 くの 離 島 フ ェ リー で 採 用 さ れ て い る.着 桟 時. 観 測 さ れ た デ ー タ は 極 め て 狭 い範 囲 の も の で あ り,. に 船 体 を減 速 す る に あ た り,船 首 側 の プ ロペ ラ推 力 を 同. OK島. ま わ り の 流 れ 場 につ い て も把 握 す る必 要 が あ る.. 時 に 発 生 さ せ る操 船 方 法 を 取 る点 が 通 常 の 船 舶 と異 な っ. ただ し,実 測 に よ り流 れ 場 を把 握 す る こ と は多 くの観 測. て い る.船 体 運 動 の観 測 は単 独 測 位 式 のGPSを 前 後 の船. 機 器 を 必 要 と す る た め,こ. 橋 とT港 の 桟 橋 上 の3カ 所 に 設 置 し,そ れ ぞ れ の位 置 を1. こで は数 値 解 析 に よ っ てT港. 沖 の 潮 流 を 再 現 検 証 した.数 値 計 算 に あ た り流 体 の粘 性. 秒 間 隔 で デ ー タ ロガ ー に収 録 した.図‑7に2007年12月11. を 考 慮 した ナ ビエ ス トー ク ス の方 程 式 を 時 間 ご と に差 分. 日(大 潮)にT港. に て 解 く手 法 を 使 用 した.数 値 計 算 はOK島. 船 体 速 度 お よ び船 首 方 位 の変 化 傾 向 を示 す.. 算 領 域 と して,100m格. の北部 を計. に着 桟 す る と き の 船 体 位 置 か ら求 め た. 子 を100×85に 設 定 した.境 界 水. 位 の 与 え 方 が重 要 と な る が,今 回 で は瀬 戸 内 海 全 域 の計 算 か ら取 った水 位 デ ー タ を 境 界 値 で 設 定 した.図‑6に. 計. 算 時 間 を2週 間 と した 場 合 のT港 沖 で の 潮 流 ベ ク トル の 計 算 結 果 を示 す. 計 算 結 果 よ り,潮 流 ベ ク トル の 方 向 は 図‑5に 示 す 結 果 と ほ ぼ 同 一,流 速 は 観 測 値 よ り も若 干 小 さ い.こ もT港 の 沖 で は1〜1.5m/sの 潮 流 が 卓 越 し,フ. れか ら. ェ リー運 航. を 困難 と して い る こ とが 想 像 され る.. 図‑7. 着桟 時 の船体 速度 お よ び船首 方位 の変 化傾 向. 図 よ り桟 橋 の100m手 間 は1分 程 度 で,船. 前 か ら着 桟 に至 る ま で の 所 要 時. 体 速 度 は3m/s程 度 か ら適 宜 減 速 しな. が ら着 桟 して い る様 子 が 分 か る.船 首 方 位 につ い て は停 泊 中 で110〜150° SW)に. で あ り,潮 流 の 卓 越 流 向(NEお. よび. 対 して幾 何 学 的 に ほ ぼ 真 横 で あ る こ とが 分 か る.. (2) 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ンの 概 要 お よ び 計 算 結 果 船 体 運 動 の観 測結 果 を 参 考 に 着 桟 時 の操 船 パ タ ー ンを も とに これ を再 現 す る数 値 シ ミュ レ ー シ ョ ンを構 築 した. 潮 流 に よ る流 圧 力,風. 圧 力 を外 力 と した運 動 方 程 式 は イ. ンパ ル ス応 答 を考 慮 し次 式 で表 さ れ る(Cummins,1962).. 図‑6. ‑T港 沖 で の 潮 流 ベ ク トル の 計 算 結 果.
(4) 1359. 瀬 戸 内海 の離 島で の強潮 流時 の船舶 運航 か ら見 た港湾 計画 の あ り方 が 概 ね 再 現 で き た.図‑9は め,ケ. ー スB(潮. 速10m/s)に. 風 に よ る圧 流 影 響 を 見 るた. 流 の み),G(風. 速5m/s)お. よ びH(風. お け る船 体 軌 跡 の 変 化 を 比 較 し た.な. 風 向 に つ い て は季 節 風 と して 冬 季 に卓 越 す るWと. お, した.. 風 速 が5m/sの 場 合 に は あ ま り大 き な変 化 は見 られ な いが,. (1) こ こ で,Mは. 船 体 質 量,m(∞)は. は遅 延 関数,Cは. 不 変 付 加 質 量,L(t). 復 原 力 係 数,FTD(t)は. 圧 力,FWD(t)は. 時 刻tに お け る流. 時 刻tに お け る 風 圧 力 を 示 す.ま. びjは運 動 の モ ー ドで あ り,特 (モ ー ド2)お よ びyaw(モ. にsway(モ. ー ド6)の3運. たiおよ. ー ド1),surge 動 に 注 目 した.. 不 変 付 加 質 量 お よ び遅 延 関 数 を計 算 す る た め に必 要 な 流 体 力 は三 次 元 グ リー ン関 数 法(John,1950)を 算 して い るが,波. 用 いて計. 力 は 無 視 で き る と して 考 慮 して い な い.. 流 圧 力 は次 式 に て計 算 した(日 本 海 難 防 止 協 会,1975).. 10m/sの 場 合 に は圧 流 距 離 が106mと. な り,ケ. 風 と強 潮 流 が 同 時 に 発 生 す る場 合 に は操 船 が さ ら に困 難 とな る た め注 意 を 要 す る. 5. 強 潮 流 が 卓 越 す る 離 島 の 港 湾 計 画 の あ り方 当 該 港 湾 の桟 橋 法 線 は卓 越 す る潮 流 の流 向 に対 して ほ ぼ 垂 直 に配 置 され て い る.大 型 船 のバ ー ス 計 画 等 で は潮 流 の 出現 頻 度 を も と に卓 越 す る流 向 に極 力 平 行 と な るよ 表‑1. シ ミ ュ レー シ ョ ン ケ ー ス の 外 力 条 件. (2) (3) (4) 海 水 密 度,CXW,CMWは. 船体 の流圧 力係 数. お よ び 流 圧 モ ー メ ン ト係 数,Uc,φ. こ こ で,ρwは. は潮流 の流 速 およ. び 流 向,L,dは. 船 の 垂 線 間 長 お よ び 喫 水 を 示 す.着. 桟. 時 の船 体 運 動 を 対 象 と して い る た め,船 体 速 度 は微 速 と 見 な せ るた め ゼ ロ と した.観 測 結 果 よ り着 桟 作 業 に 要 す る 時 間 は1分 程 度 で あ った た め,時 系 列 解 析 の 計 算 時 間 は1分 間,タ. イ ム ス テ ッ プ は0.1sと した.潮. 流 お よび船. 体 運 動 の 観 測 結 果 か ら表‑1に 示 す 潮 流 条 件 に従 って 再 現 計 算 を 行 った.図‑8は. ケ ー スCお よ びFに つ い て フ ェ リー. の1分 間 の 移 動 軌 跡 を比 較 した も の で あ る.図. 中の原点. は 計 算 開 始 時 の 船 体 位 置 を示 す.潮 流 が90°(ケ ー スA〜 C,上. げ 潮 時)で. は流 速 が0.5m/s,1.0m/s,1.5m/sで. ぞ れ21m,77m,140mほ 下 げ潮 時)で. それ. ど圧 流 され,‑90°(ケ ー スD〜F,. は そ れ ぞ れ21m,84m,180mほ. ど圧 流 さ れ. た.流 速 が増 加 す る に つ れ て 下 げ潮 時 の方 が 上 げ潮 時 よ り も圧 流 距 離 は若 干 大 き くな って い る.フ. 図‑8. フ ェ リー の 移 動 軌 跡(ケ ー スA〜F). ェ リー へ の 流. 圧 力 は 流 速 の2乗 に 比 例 す る た め,流 速 の 増 加 に対 して 圧 流 距 離 が 急 に大 き くな る結 果 が説 明 で き る.現 地 調 査 よ り着 桟 時 に は船 体 を 桟 橋 に プ ロペ ラ推 力 で 押 し付 けな が ら舵 を 一 杯 にす る方 法 を 取 っ て い るが,こ. こで は潮 流. の影 響 を 比 較 す る た め に舵 力 お よ び プ ロ ペ ラ推 力 の 影 響 は 考 慮 して い な い.流. 速 が1.0m/s以 上 の場 合 に は1分 間. の圧 流 距 離 が80mを 超 え て お り,熟 練 した 操 船技 術 を もっ て して も非 常 に制 御 困 難 と推 測 され る.こ れ は現 場 関 係 者 の コ メ ン トと も概 ね 一 致 し,大 潮 期 を 中 心 に 流 速1.0 〜1 .5m/sで 卓 越 す る潮 流 に よ って 着 桟 が 困 難 とな る現 象. ー スBに 比. べ て 約30m増 加 す る こ とが 分 か る.こ れ よ り,冬 季 に強. 図‑9. 船 体 軌 跡 の 変 化 の 比 較(ケ ー スB,G,H).
(5) 1360. 海. う通 常 は 配 置 計 画 さ れ る.こ. 岸. 学. 論. こで フ ェ リーが 卓 越 流 向 に. 対 して平 行 に着 桟 す る と仮 定 した場 合(波 て,流. 工. 速 が1.5m/sで 検 討 した.図‑10に. 向0°)に つ い. ケ ー スD,E,F,. Iの圧 流 距 離 を 比 較 した もの を 示 す.. 文. 集. 第55巻(2008). こ れ よ り流 向NE〜SW,流. 速1〜1.5m/s程 度 の 潮 流 の 存. 在 に よ り フ ェ リー運 航 が 困 難 と な って い る も の と考 え ら れ,現 地 で の 観 測 結 果 の妥 当 性 が 検 証 され た. (4) フ ェ リ ー着 桟 時 の船 体 運 動 をGPSに. て 観 測 し,こ の. 結 果 を も とに イ ンパ ル ス 応 答 を考 慮 した 船 体 運 動 の 数 値 解 析 モ デ ル を 構 築 した.観 測 され た潮 流 を 外 力 と して 時 系 列 解 析 に て検 討 した結 果,流 圧 流 距 離 が80〜180mと. 速 が1〜1.5m/sで1分. 間の. な り,現 地 調 査 に て 操 船 困 難 な. 状 況 が 再 現 で き た. (5) 潮 流 を船 首 方 向 か ら受 け る形 と仮 定 して 検 討 した 場 合,圧. 流 距 離 は0.6mま で に 激 減 さ れ,操. 船 上 で十分 な. 安 全 性 を確 保 で き る.瀬 戸 内 海 に多 数 位 置 す る離 島 航 路 の 港 湾 計 画 に お いて も,潮 流 条 件 を正 確 に把 握 し,着 離 桟 時 の船 体 運 動 を考 慮 した 検 討 が必 要 で あ る. (6) 船 体 を桟 橋 に押 しっ け な が ら舵 と プ ロ ペ ラを 用 い た 図‑10. 流 向 を変更 した場合 の圧 流距離 の変化. 操 船 の 限界 につ いて,こ. れ らを正 確 に 表 現 で き る ア ル ゴ. リズ ム を構 築 ・改 良 す る必 要 が あ る.ま. た潮 流 に よ る流. 圧 力 の計 算 方 法 も超 大 型 船 の 係 数 を用 い て い る こ とや 潮 流 向 を 船 首 方 向 と した 場 合,流. 速 が1.5m/sで も圧 流 距. 流 を定 常 外 力 と して設 定 し た こ と に つ い て も,今 後 デ ー. 離 は わ ず か に0.6mで あ り,通 常 の 操 船 技 術 で 十 分 制 御. タを 蓄 積 し,周 期 特 性 や 船 舶 の転 覆 現 象 につ い て も再 現. が 可 能 で あ る.T港. で き る よ うな ア ル ゴ リズ ムを 考 慮 す る必 要 が あ る.. の よ うな瀬 戸 内海 に多 数 存 在 す る フ ェ. リー の桟 橋 計 画 に お い て も,卓 越 す る潮 流 の流 向 お よ び. (7) 本 研 究 で は一 部 の 事 例 の み 検 討 して お り,今 後 は多. 流 速 を定 量 的 に把 握 し,着 桟 時 の船 体 運 動 を考 慮 した安. 数 の 港 湾 お よ び船 舶 に つ い て 強 潮 流 下 の 操 船 困 難 お よ び. 全 性 評 価 に基 づ く港 湾 計 画 の必 要 性 が 明 らか とな った.. そ の対 策 に つ いて 検 討 す る必 要 が あ る.. 6. 結 論 お よ び 今 後 の 課 題 本 研 究 で は瀬 戸 内 海 の 離 島 部 に お け る海 上 輸 送 が 強 潮. 謝 辞:本 研 究 を 実 施 す る に あ た り,多 大 な ご協 力 を 頂 い た山 陽 商 船 株 式 会 社 の方 々 に深 く感 謝 の 意 を表 す る.ま. 流 によ って運 航 困 難 とな る現 象 につ い て基 礎 的 検 討 を行 っ. た 現 地 調 査,海. た.結 論 お よ び今 後 の 課 題 は以 下 の よ う に要 約 され る.. 島 商 船 高 等 専 門 学 校 ・学 生 課 実 験 実 習 係 の竹 内康 二 氏,. 洋 観 測,デ. ー タ整 理 の 諸 作 業 に お い て 広. (1) 対 象 港 で は潮 流 の 流 向 に対 しほ ぼ 垂 直 と な る バ ー ス. 同 ・商 船 学 科 学 生 の村 上 直 侑 生 君,大. 配 置 で着 桟 を 行 い,操 船 の熟 練 技 術 で 何 と か対 応 して い. 攻 科 学 生 の 小 林 裕 史 君 の 助 力 を得 た こ と に謝 意 を表 す る.. 重 勝 和 君,同. ・専. る.し か し,潮 流 を含 め た気 象 海 象 や 船 体 運 動 に 関 す る デ ー タが 存 在 せ ず,現 場 で は これ らの デ ー タ観 測 と こ れ らに基 づ く対 策 検 討 を 強 く望 ん で い る こ とが 分 か った. (2) 潮 流 の連 続 観 測 に よ り,桟 橋 部 分 で は流 向 がNW〜 SW〜SE,流. 速 は 最 大 で1m/s程 度 で あ り,小 型 船 に よ る. 移 動 観 測 に よ り桟 橋 の 沖 で はNE〜SW,流 速 は 最 大 で1 〜1 .5m/s程 度 で あ った.両 者 の違 い は桟 橋 部 分 が 陸 に近 い た め の 地 形 影 響 の た め と考 え られ る. (3) 潮 流 等 の 観 測 結 果 を も と に 当該 港 ま わ り の潮 流 を 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ンに て 解 析 した と こ ろ,流 向 お よ び 流 速 と もに 桟 橋 沖 に て観 測 した結 果 に ほぼ 同 じで あ った.. 参. 考. 文. 献. 海難 審判 庁 (2008): 狭水道 の海難, 海難 審判 庁, 102p. 日本 海 難 防止 協 会 (1975): 超 大型 船 操船 の手 引 き, 成 山堂 書 店, 129p. Cummins, W.E. (1962): "The Impulse Response Function and Ship Motions," Schiffstechnik, Bd.9, Heft 47, pp.101-109. John, F. (1950): On the Motion of Floating Bodies II, Comm. Pure & Appl. Math., Vol.3, No.1, pp.45-101. Sasa, K., Mimi, S., Nagai, T. and Hibino, T. (2005): Basic Research on Operational Troubles for Ships and Harbours Due to Abnormal Water Levels, Proceedings of the 15th International Conference of Offshore and Polar Engineering, Vol.III, pp.720-727..
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