堤防

堤防（/ ˈlɛvi /または/ ˈlɛveɪ /）[a][1]は、川岸^{に沿って築か}れた高台で、多くの場合、川に隣接する地域の洪水から保護することを目的としています。あるいは、堤防は、アメリカ英語で^はdike、イギリス英語で^はdyke、洪水堤防、または止水堤とも呼ばれます。堤防の一種です。自然または人工の堤防は通常土でできており、多くの場合、氾濫原または低地の海岸線に沿って川の流れと平行に走っています。 ^{[ 2 ]}

自然に形成される堤防は、洪水後に河川氾濫原に形成されます。堆積物と沖積層が河岸に堆積して沈下し、河川の容量を増やす堤防を形成します。堤防の形状は、洪水時に水流の速度が低下するにつれて、河川の粗い堆積物が河道に隣接して堆積し、次第に細かい堆積物が河道の両側の氾濫原に沈下して、U字型の河道の両側に緩やかな傾斜が形成されることによって決まります。あるいは、堤防は、水位を調整するために、盛土によって人工的に構築されることもあります。状況によっては、人工堤防が環境に悪影響を与える可能性があります。^{[ 3 ]}

インダス渓谷、古代エジプト、メソポタミア、中国の古代文明はすべて堤防を建設しました。今日、堤防は世界中で見られ、浸食やその他の原因による堤防の決壊は大きな災害となる可能性があります^{[ 4 ]} 。例えば、ハリケーン・カトリーナの結果として発生した2005年のニューオーリンズ大都市圏の壊滅的な堤防決壊などです。

アメリカ英語話者に好まれるleveeという単語は、フランス語のlevée (フランス語の動詞lever「上げる」の女性過去分詞) に由来します。この単語は、1718 年のニューオーリンズ創設から数年後に同市で確認され、後に英語話者に採用されました。^{[ 5 ]}ラテン語のlevata ( levareの女性過去分詞) は、954 年の文書で初めて levee の意味で使用され、バニョーロ ディ ポー近くの堤防によって作られた水車池に道路が通っていたことを言及しています。動詞levare は、778 年という早い時期に水車のために水を迂回するという意味で使用されており、スポレート公ヒルデプランドが水車建設のためにリエティ司教ギクペルトに運河を寄贈しました。 ^{[ 6 ]}この名前は、堤防の稜線が水路と周囲の氾濫原の両方よりも高くなっているという特徴に由来しています。

現代のdikeまたはdykeという単語は、おそらくオランダ語のdijkに由来し、堤防の建設は早くも 11 世紀にはすでに確認されている。126キロメートル (78マイル)の西フリースラントのオムリングダイクは1250 年までに完成し、既存の古い堤防をつなげて形成された。ローマの年代記作家タキトゥスは、反乱を起こしたバタウィ族が堤防を破って土地を水浸しにし、退却を守ったと述べている(西暦70 年)。^{[ 7 ]} dijkという単語は元々溝と土手の両方を意味していた。英語の動詞dig とよく似ている。^{[ 8 ]}  

アングロ・サクソン語では、 dic という単語は既に存在しており、イングランド北部ではdick 、南部ではditchと発音されていました。オランダ語と同様に、この単語の英語の起源は、溝を掘り、掘り出した土をその横に土手として形成することにあります。この慣習により、この名前は掘削または土手のどちらにも付けられるようになりました。したがって、 Offa's Dykeは複合構造であり、Car Dykeは溝ですが、かつては盛り土された土手もありました。イングランドのミッドランズとイースト・アングリアでは、dike はイングランド南部のditchと同じで、土地の境界標識または排水路です。それが小川を流している場合は、 Rippingale Running Dikeのように、集水路である Car Dyke からリンカンシャーの South Forty Foot Drain (TF1427) に水を流すRu​​nning Dike と呼ばれることがあります。ウィアー・ダイクは、リンカンシャー州トゥエンティ近郊のボーン・ノース・フェンにある、グレン川沿いの浸透堤防です。ノーフォーク・アンド・サフォーク・ブローズでは、堤防は排水溝または川やブロードからアクセスや係留のために作られた狭い人工水路であり、キャンドル・ダイクのように、より長い堤防には名前が付けられています。^{[ 9 ]}

イギリスの一部、特にスコットランドとイングランド北部では、堤防は一般的に乾式石積みで作られた畑の壁を指す場合がある。

人工堤防の主な目的は、隣接する田園地帯の浸水を防ぎ、水路の自然な流路変化を遅らせて、長期にわたって海上貿易のための信頼できる航路を確保することです。また、堤防は河川の流れを制限し、結果として水流をより速く、より高くします。堤防は主に、砂丘が十分な強度を持たない海岸沿い、洪水から保護するための河川沿い、湖畔、または干拓地沿いに見られます。さらに、堤防は干拓のため、または浸水区域の境界として建設されてきました。後者は、軍による制御された浸水、または堤防で囲まれたより広い区域の浸水を防ぐための措置です。堤防は、畑の境界や軍事防衛としても建設されてきました。この種の堤防の詳細については、乾式石積み壁に関する記事を参照してください。

堤防は、恒久的な土塁である場合もあれば、洪水発生時に急遽建設される緊急構造物（多くは土嚢で作られる）である場合もある。

最も初期の堤防のいくつかは、ハラッパ人の農業生活が依存していたインダス文明（紀元前2600年頃からパキスタンと北インド）によって建設されました。 ^{[ 10 ]}堤防は3000年以上前に古代エジプトでも建設され、ナイル川の左岸に沿って1000キロメートル（600マイル）以上にわたって堤防システムが建設され、現在のアスワンから地中海沿岸のナイルデルタまで伸びていました。メソポタミア文明と古代中国も大規模な堤防システムを建設しました。^{[ 11 ]}堤防は最も弱い部分と同じくらいしか強くないため、高さと建設基準は全長にわたって一貫していなければなりません。一部の専門家は、これには作業を指導する強力な統治機関が必要であり、初期文明における統治システムの発展の触媒となった可能性があると主張しています。しかし、統治機構がはるかに中央集権的ではなかった先王朝時代のエジプト、スコーピオン王以前の時代に、運河や堤防といった大規模な治水土木構造物が存在した証拠を指摘する研究者もいる。

成長を続ける都市国家メシコ・テノチティトランと近隣の都市トラテロルコを守った歴史的な堤防のもう一つの例は、1400年代初頭にアルテペトル・テスココのトラトアニ、ネサワルコヨトルの監督下で建設された。その役割は、テスココ湖の汽水（チナミトル農法に最適）と集落に供給される淡水の飲料水を分離することであった。しかし、ヨーロッパ人がテノチティトランを破壊した後、堤防も破壊され、洪水が大きな問題となり、17世紀には湖の大部分が干拓される結果となった。

堤防は通常、整地された平らな面に土を積み上げて作られます。底部は幅広く、上部に向かって細くなり、平らな頂上には仮設の堤防や土嚢を置くことができます。両岸の堤防では洪水流量の強度が増し、またシルトの堆積によって河床のレベルが上昇するため、計画と補助的な対策が不可欠です。多くの場合、より広い水路を形成するために、堤防の一部は川から後退して設置され、洪水谷の流域は、1つの堤防の決壊で広範囲が浸水するのを防ぐために、複数の堤防で区切られています。石を水平に並べ、石と石の間に薄い芝を敷いた堤防は、スペッチェルと呼ばれます。

人工堤防の建設には、高度な土木技術が不可欠です。堤防表面は浸食から保護する必要があるため、土壌を固定するためにバミューダグラスなどの植物が植えられます。高い堤防の陸側には、浸食防止対策として、バンケットと呼ばれる低い土盛りの段丘が設けられるのが一般的です。河川側では、強い波や流れによる浸食が堤防の構造維持にとってさらに大きな脅威となります。浸食の影響を軽減するためには、適切な植物を植えたり、石、巨石、重りをつけたマット、コンクリート護岸などを設置したりします。基礎部分が水浸しにならないように、別途排水溝や排水管が設けられます。

河川洪水防止

アメリカ合衆国ではミシシッピ川とサクラメント川沿いに、ヨーロッパではポー川、ライン川、マース川、ローヌ川、ロワール川、ヴィスワ川、オランダのライン川、マース川/マース川、スヘルデ川によって形成されるデルタ、ドナウ川沿いに、大規模な堤防システムが建設されている。中国の戦国時代には、秦が水資源の保全と治水事業として都江堰灌漑システムを建設した。このシステムのインフラは、中国四川省の長江最長の支流である岷江に位置している。

ミシシッピ川の堤防システムは、世界でも最大級の堤防システムの1つです。ミズーリ州ケープジラードからミシシッピ川デルタまで、ミシシッピ川沿いに約1,000 km (620マイル)にわたって伸びる、5,600 km (3,500マイル) を超える堤防で構成されています。これらは、 18 世紀にルイジアナのフランス人入植者によって、ニューオーリンズ市を守るために建設が始まりました。^{[ 12 ]}ルイジアナの最初の堤防は高さ約90 cm (3フィート)で、川沿いに約80 km (50マイル)の距離を覆っていました。 ^{[ 12 ]}米国陸軍工兵隊は、ミシシッピ川委員会と協力して、1882 年、イリノイ州カイロからルイジアナのミシシッピ川デルタの河口まで川岸を覆う堤防システムを拡張しました。 ^{[ 12 ]} 1980年代半ばまでに、堤防は現在の範囲に達し、平均高さは7.3メートル（24フィート）になりました。ミシシッピ川の堤防の中には、 15メートル（50フィート）にも達するものもあります。ミシシッピ川の堤防には、世界で最も長い連続した個々の堤防も含まれています。そのような堤防の1つは、アーカンソー州パインブラフから南に約610キロメートル（380マイル）にわたって伸びています。ミシシッピ川の堤防の規模と範囲は、しばしば万里の長城と比較されます。^{[ 13 ]}              

米国陸軍工兵隊（USACE）は、セルラー拘束技術（ジオセル）を最良の管理方法として推奨し、支持しています。^{[ 14 ]}特に、表面侵食、越流防止、堤防頂部および下流斜面の保護に重点が置かれています。ジオセルによる補強は、土壌に引張力を与え、不安定性に対する抵抗力を高めます。

人工堤防は、時間の経過とともに自然の河床を隆起させる可能性があります。隆起が起こるかどうか、またその速度は、河川の河床堆積物の量と種類など、さまざまな要因によって決まります。堆積物が大量に堆積する沖積河川は、このような現象を起こしやすい傾向があります。人工堤防によって河床が隆起し、堤防背後の地表面よりも河床が高くなった河川の例としては、中国の黄河や米国のミシシッピ川が挙げられます。

自然堤防も人工堤防も、さまざまな原因で崩壊する可能性があります。堤防崩壊の原因となる要因には、越水、浸食、構造的欠陥、堤防の飽和などがあります。最も頻繁に発生し、かつ危険なのは堤防の決壊です。これは、堤防の一部が実際に破損または浸食され、堤防によって保護されていた土地に水が浸入する大きな開口部が生じる状態です。決壊は、表面浸食または堤防の地下の弱さによって、突然発生する場合もあれば、徐々に発生する場合もあります。決壊によって、決壊箇所から扇状に広がる堆積物が残ることがあり、これはクレバススプレーと呼ばれます。自然堤防では、一度決壊が発生すると、堤防の隙間は堤防建設プロセスによって再び埋められるまで残ります。これにより、同じ場所で将来決壊が発生する可能性が高まります。決壊箇所は、河川の流れの方向が恒久的にその隙間を通るように変更された場合、蛇行の遮断箇所となる可能性があります。

堤防が決壊したと言われるのは、水が堤防の頂上を越えた場合である。これにより氾濫原は浸水するが、堤防自体に損傷を与えないため、将来の洪水への影響は少ない。

堤防決壊を引き起こすさまざまな破壊メカニズムの中で、土壌侵食は最も重要な要因の 1 つであることがわかりました。越流が発生したときの土壌侵食と洗掘の発生を予測することは、安定した堤防と防潮壁を設計するために重要です。土壌の侵食性を調査する研究は数多く行われてきました。Briaud ら (2008) ^{[ 20 ]}は、侵食機能装置 (EFA) テストを使用して土壌の侵食性を測定し、その後、Chen 3D ソフトウェアを使用して堤防上で数値シミュレーションを実行し、越流水中の速度ベクトルと越流水が堤防に衝突したときに発生する洗掘を調べました。EFA テストの結果を分析して、土壌の侵食性を分類するための侵食チャートが作成されました。ヒューズとナダルは2009年に^{[ 21 ]}、波の越流と高潮の溢流の組み合わせが堤防の侵食と洗掘の発生に及ぼす影響を研究した。この研究では、洗掘の発達を分析するために、流厚、波の間隔、堤防頂部より上の高潮レベルなどの水理パラメータと流れの特性が含まれていた。実験室での試験によると、平均越流流量に関連する経験的相関関係が導出され、堤防の侵食に対する抵抗が分析された。これらの式は、実験試験と同様の状況にのみ適合するが、他の条件に適用すれば妥当な推定値を与えることができる。

Osouli et al. (2014) および Karimpour et al. (2015) は、堤防越流によるさまざまな堤防のスコア特性を評価するために、堤防の実験室規模の物理モデルを実施した。^{[ 22 ] [ 23 ]}

堤防の崩壊を防ぐために用いられるもう一つの手法は、電気抵抗トモグラフィー（ERT）である。この非破壊的な地球物理学的手法は、堤防内の危険な飽和領域を事前に検出することができる。したがって、ERTは土構造物における浸透現象の監視に使用でき、例えば堤防や盛土の危険な部分における早期警報システムとして機能する。^{[ 24 ]}

米国では、堤防や洪水壁の許容範囲は、超過確率レベルとして表されることが多く、年間発生確率が1%未満であれば、100年に1回未満の洪水でしか決壊しないという耐水域を示している。^{[ 25 ]}

洪水によって堆積した土砂でできた自然の河川堤防と人工堤防は、洪水の波と、周辺の氾濫原^{[ 26 ]}や湿地^{[ 27 ]への栄養分、有機物、堆積物の繰り返しの堆積を抑制します。堤防は、氾濫土砂の堆積を減らし、沿岸侵食や土地の喪失を防ぐことができます[ 27 ]}。堤防が撤去された土地の調査では、河畔生息地と生物多様性の増加が観察されています^{[ 26 ] 。}

堤防は水を閉じ込めることで、本来であれば広大な氾濫原に広がるはずの洪水の流量パルスを加速させ、一方向に誘導します。これらのパルスは、人工ダムや貯水池によって捕捉され、部分的に相殺されることがあります。^{[ 25 ]}これらは、独自の生態学的および河川航行上の影響をもたらします。水路化の増加と氾濫原面積の全体的な減少は、最も影響の大きい嵐における洪水の規模を増幅させ、それを補償するためにさらに多くの工学的対策が必要となります。^{[ 28 ]}

• 「井戸掘りのトリック」1951年6月号のポピュラーサイエンス誌の記事では、治水技術者が河川沿いの堤防を浸水による浸食から守るために古い方法を使っていたことが紹介されている。
• 「堤防の設計と建設」米国陸軍工兵マニュアル EM-1110-2-1913 2018年2月19日にWayback Machineにアーカイブ済み
• 国際堤防ハンドブック