スワッシュ

スワッシュ（地理学では前波）は、入ってくる波が砕けた後にビーチに打ち寄せる乱流の水の層です。スワッシュ作用によりビーチの物質が上下に移動し、結果として海岸間の堆積物の交換が起こります。^[1]スワッシュ運動の時間スケールは、ビーチの種類に応じて数秒から数分まで異なります（ビーチの種類については図1を参照）。より大きなスワッシュは通常、より平坦なビーチで発生します。^[2]スワッシュ運動は、スワッシュゾーンの地形的特徴の形成とその変化において主要な役割を果たします。スワッシュ作用は、より広い沿岸の地形力学における瞬間的なプロセスの1つとして重要な役割を果たします。

波浪運動を説明するアプローチは 2 つあります。(1)海岸面の高周波波 ( ) の崩壊によって生じる波浪、および (2) 定常低周波 ( ) 運動を特徴とする波浪です。どちらのタイプの波浪運動が優勢になるかは、波の状態と海岸の形状に依存し、これは波浪類似性パラメータを計算することで予測できます(Guza & Inman 1975)。 ${\displaystyle f>0.05\,\mathrm {Hz} }$${\displaystyle f<0.05\,\mathrm {Hz} }$${\displaystyle \epsilon_{b}}$

$${\displaystyle \epsilon _{b}={\frac {4\pi ^{2}H_{b}}{2gT^{2}\tan ^{2}{(\beta )}}}}$$

ここで、は砕波の高さ、は重力、は入射波周期、は海岸の勾配である。値は散逸条件を示し、この場合、スウォッシュは定常長波運動によって特徴付けられる。値は反射条件を示し、この場合、スウォッシュは波の凹凸によって支配される。^[3]${\displaystyle H_{b}}$${\displaystyle g}$${\displaystyle T}$${\displaystyle \tan {(\beta )}}$${\displaystyle \epsilon _{b}>20}$${\displaystyle \epsilon _{b}<2.5}$

スワッシュは、上昇流（沿岸流）と逆流（沖合流）の2つの段階から構成されます。一般的に、上昇流は逆流よりも速度が高く、持続時間が短いです。沿岸流の速度は上昇流の開始時に最大になり、その後減少しますが、沖合流の速度は逆流の終了に向かって増加します。上昇流の方向は卓越風によって変化しますが、逆流は常に海岸線に対して垂直です。この非対称なスワッシュの動きは、沿岸漂流と海岸を横切る堆積物の輸送を引き起こす可能性があります。^{[4] [5]}

スワッシュゾーンは、バックビーチと砕波帯の間のビーチの上部で、嵐の際に激しい浸食が発生します（図2）。スワッシュゾーンは湿潤と乾燥を交互に繰り返します。スワッシュの流れとビーチ地下水面の間で、浸透（水文学的）（地下水面より上）と浸透（地下水面より下）が発生します。ビーチ面、バーム、ビーチステップ、ビーチカスプは、スワッシュの動きと関連する典型的な形態学的特徴です。浸透（水文学的）とスワッシュの動きによる堆積物の輸送は、ビーチ面の勾配を支配する重要な要因です。^[4]

ビーチフェイスは、海岸断面のうち、波打ち作用の影響を受ける平面で比較的急勾配の部分です (図 2)。ビーチフェイスは、バームから干潮レベルまで伸びています。ビーチフェイスは、上昇流と引き波による堆積物の運搬量が等しいときに、波打ち作用と動的平衡状態にあります。ビーチフェイスが平衡勾配よりも平坦な場合は、上昇流によって運搬される堆積物が多くなり、結果として純陸上堆積物運搬量になります。ビーチフェイスが平衡勾配よりも急な場合は、引き波が堆積物運搬を支配し、結果として純沖合堆積物運搬量になります。平衡ビーチフェイス勾配は、波高や波周期だけでなく、波打ち帯における堆積物のサイズ、透水性、落下速度などの要因の複雑な相互関係によって決まります。海岸面は砕波帯と浅瀬の波のプロセス、および波打ち際帯のプロセスに強く影響されるため、その形態変化や平衡を理解するために砕波帯から切り離して考えることはできません。 ^{[4] [5]}

バームは、波浪帯の比較的平坦な部分であり、波浪運動の陸側で最も遠い場所で堆積物が堆積する場所です (図 2)。バームはバックビーチと海岸砂丘を波から保護しますが、^{嵐などの高エネルギー条件下では}侵食が発生する可能性があります。バームは砂利浜で簡単に定義でき、異なる標高に複数のバームが存在する場合があります。対照的に、砂浜では、バックビーチ、バーム、および浜面の勾配は同様です。バームの高さは、隆起中の堆積物輸送の最大標高によって決まります。 ^[4]バームの高さは、武田と砂村 (1982) の式を使用して予測できます。

$${\displaystyle Z_{\mathrm {berm} }=0.125H_{b}^{5/8}(gT^{2})^{3/8}}$$

ここで、は砕波の高さ、は重力、は波の周期です。^{[説明が必要]}${\displaystyle H_{b}}$${\displaystyle g}$${\displaystyle T}$

ビーチステップは、海岸の底にある水没した崖です（図2）。ビーチステップは一般的に最も粗い材料で構成されており、高さは数センチメートルから1メートル以上までさまざまです。ビーチステップは、逆流が入射波と相互作用して渦を発生させる場所に形成されます。ヒューズとコーウェル（1987）は、ステップの高さを予測する式を提案しました。${\displaystyle Z_{\mathrm {ステップ} }}$

$${\displaystyle Z_{\mathrm {step} }={\sqrt {H_{b}Tw_{s}}},}$$

ここで、は堆積物の落下速度である。段差の高さは、波（砕波）の高さ（）、波周期（）、堆積物の大きさの増加とともに増加する。^[4]${\displaystyle w_{s}}$${\displaystyle Z_{\mathrm {ステップ} }}$${\displaystyle T}$

ビーチカスプは、砂浜の半円形の窪みを囲むように三日月形の砂または砂利が堆積したものである。これらはスワッシュ作用によって形成され、砂浜よりも砂利浜でよく見られる。カスプの間隔はスワッシュ運動の水平方向の範囲に関係し、10 cm から 50 m の範囲である。より粗い堆積物は、急勾配で海に向かって伸びる「カスプホーン」で見られる (図 3)。現在、リズミカルなビーチカスプの形成を適切に説明する 2 つの理論がある。定在エッジ波と自己組織化である。^[4]

グザとインマン (1975) によって提唱された定在エッジ波理論は、海岸に沿って移動する定在エッジ波の動きにスワッシュが重なることを示唆しています。これにより、海岸に沿ったスワッシュの高さに変化が生じ、結果として規則的な侵食パターンが生じます。侵食ポイントにカスプ湾が形成され、エッジ波の節点にカスプホーンが発生します。ビーチカスプの間隔は、サブハーモニックエッジ波モデルを使用して予測できます。

$${\displaystyle \lambda ={\frac {g}{\pi }}T^{2}\tan(\beta ),}$$

ここで、は入射波周期、 は海岸勾配です。 ${\displaystyle T}$${\displaystyle \tan {(\beta )}}$

このモデルはカスプの初期形成のみを説明し、カスプの継続的な成長は説明しません。エッジ波の振幅はカスプの成長とともに減少するため、自己制限的なプロセスです。^[4]

自己組織化理論は Werner と Fink (1993) によって提唱され、ビーチカスプは、地形の不規則性を促進するビーチ形態とスワッシュ運動によって作用する正のフィードバックと、発達したビーチカスプの堆積や侵食を抑制する負のフィードバックの組み合わせによって形成されると示唆しています。このようなフィードバックシステムによって安定したリズミカルな地形特性が生み出されることを示す計算リソースと堆積物輸送の定式化が利用可能になったのは比較的最近のことです。 ^[4]自己組織化モデルに基づくビーチカスプの間隔は、次式を使用してスワッシュ運動 S の水平範囲に比例します。

$${\displaystyle \lambda =fS,}$$

ここで比例定数fはc . 1.5です。

海岸沿いの堆積物の交換、すなわち海岸の陸上と水中の領域間の交換は、主に波打ち際の動きによって行われます。^[6]波打ち際での堆積物の運搬速度は砕波帯に比べてはるかに高く、浮遊堆積物の濃度は海岸底近くで100 kg/m ^{3を超えることがあります。 [4]}このように、波打ち際による陸上と沖合の堆積物の運搬は、海岸の 堆積と浸食に大きな役割を果たしています。

スワッシュフローの上昇流と逆流流の間には、堆積物の輸送に根本的な違いがある。上昇流は主に波間乱流によって支配され、特に急峻な海岸では、一般に堆積物を懸濁させて輸送する。流速、懸濁堆積物の濃度、懸濁フラックスは、乱流が最大となる上昇流の開始時に最大となる。その後、乱流は陸側流の終わりに向かって消散し、懸濁堆積物を河床に沈降させる。対照的に、逆流流はシートフローと河床堆積物の輸送によって支配される。流速は逆流流の終わりに向かって増加し、河床で生成される乱流がさらに増加し​​、河床付近で堆積物が輸送される。正味の堆積物の輸送方向（陸側または沖側）は、主に海岸面の勾配によって決まる。^[5]

波打ちによる沿岸漂流は、海岸のカスプ形状、または強い沿岸漂流を引き起こす斜めの入射波によって発生します。沿岸漂流の影響下では、逆流中に緩流相がない場合、堆積物は浮遊したままになり、沖合への堆積物の輸送につながります。波打ちによる海岸面の侵食はあまり一般的ではありませんが、波打ちに沿岸成分がかなりある場所では侵食が発生する可能性があります。

波浪帯は非常に動的で、アクセスしやすく、人間の活動の影響を受けやすい。このゾーンは開発された土地のすぐ近くにある可能性がある。地球上で少なくとも1億人が平均海面から1メートル以内に住んでいると言われている。^{[7]波浪帯のプロセスを理解し、賢明な管理を行うことは、浸食や}高潮などの沿岸災害の影響を受ける沿岸コミュニティにとって極めて重要である。波浪帯のプロセスは砕波帯のプロセスと強く関連しているため、単独で考えることはできないことに注意する必要がある。人間の活動や気候変動など、他の多くの要因も波浪帯の形態動態に影響を与える可能性がある。より広範な形態動態を理解することは、沿岸管理を成功させる上で不可欠である。

防波堤の建設は、道路や建物などの開発された資産を海岸の浸食や後退から保護するための一般的な手段です。しかし、多くの場合、防波堤を建設して資産を保護しても、ビーチの保持は達成されません。波浪帯内に防波堤などの不浸透性構造物を建設すると、波浪帯の形態力学システムに干渉する可能性があります。防波堤を建設すると、地下水位が上昇し、波の反射が増加し、壁に対する乱流が激化します。これは最終的に、隣接するビーチの浸食または構造物の破壊につながります。^[8]岩の塁壁（護岸またはリップラップとも呼ばれる）とテトラポッドは、波が材料を横切って砕け、浸食を引き起こさない波浪と引き波を生成すると予想されるため、不浸透性の防波堤よりも反射率が低くなります。波の影響を軽減し、浸食されたビーチを回復させるために、防波堤の前に岩の破片が置かれることがあります。^[9]

波打ち際での堆積物輸送システムを理解することも、養浜プロジェクトには不可欠です。波打ち際は、ビーチに投入される砂の輸送と分配に重要な役割を果たします。過去には、理解不足による失敗もありました。^[9]波打ち際と波打ち際の両方での堆積物の動きを理解し、予測することは、養浜プロジェクトを成功させるために不可欠です。

オーストラリアのフィリップ湾北東岸にあるブラックロックの海岸管理は、海岸侵食に対する構造的対応の好例であり、その結果、波打ち際地帯の形態変化が生じた。1930年代、ブラックロックの崖を後退から守るために防波堤が建設された。その結果、防波堤前の海岸は干上がり、冬季の度重なる嵐で被害を受けた。1969年、海岸の砂の量を増やして防波堤を保護するため、内陸から約5000m ³の砂を海岸に撒いて養浜した。これにより砂の量は10%ほど増加したが、秋には砂が北方への漂流で運び去られ、海岸は再び冬の嵐の影響を受けることになった。このプロジェクトでは、沿岸漂流の季節的パターンを考慮に入れておらず、特に海岸の南部で養浜する砂の量を過小評価していた。^[9]

波浪帯は浅く、空気を含んだ環境であり、波浪の流れが急速で不安定なため、地形研究や現地計測の実施は難しいと言われている。^{[5] [10]}波浪帯へのアクセスが容易で、沿岸域の他の部分に比べて高解像度で計測できるにもかかわらず、データの不規則性が解析や理論と観測の重要な比較の障害となっている。^[5]波浪帯での現地計測には、さまざまな独自の方法が使用されてきた。たとえば、波の遡上計測では、Guza と Thornton (1981、1982) は、長さ 80 m の二重抵抗ワイヤをビーチ プロファイル全体に張り、非導電性の支持材で砂の上約 3 cm に保持した。Holman と Sallenger (1985) は、波浪のビデオを撮影して水面の位置を経時的にデジタル化することで遡上調査を行った。多くの研究は、護岸、突堤、防波堤などの工学構造物を対象とし、極端な遡上による構造物の越波から保護する設計基準を確立しました。^[2] 1990年代以降、スワッシュ流体力学は、Hughes MG、Masselink J.、Puleo JAなどの沿岸研究者によってより積極的に研究され、乱流、流速、海岸地下水面との相互作用、堆積物の輸送など、スワッシュゾーンの形態力学の理解を深めることに貢献しています。しかし、乱流、シートフロー、掃流土砂輸送、超散逸ビーチの流体力学など、スワッシュ研究では依然として理解のギャップが残っています。^[5]

• Guza, RT および Inman, D. 1975、「エッジ波とビーチカスプ」。Journal of Geophysical Research、80、pp. 2997–3012
• ヒューズ、MG、コーウェル、PJ 1987、「波に対する反射ビーチの調整」。沿岸研究ジャーナル、3、pp. 153-167
• 武田一郎・砂村孝一 1982「バームの形成と高さ」日本地形学連合論文集、3、pp. 145-157
• Werner, BT および Fink, TM 1993.「自己組織化パターンとしてのビーチカスプ」サイエンス、260、pp. 968–971