商業用水産養殖システム
ジョン・リチャードソンはブルーヒル・ハイドロリクスの主任技師である。カーター・ニューウェルは ペマキッド・ムール貝養殖場の社長である。
 アイルランドのキラリー湾でムール貝養殖に使用されている延縄
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 延縄の検査
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海洋養殖には、潮汐変動、水温、餌の濃度、飼育密度など、多くの要因が影響します。この業界で成功するには、制御可能な要素と制御不可能な要素のバランスを取り、日々の意思決定に長年の経験を活かしていくことが重要です。近年では、特に持続可能性を考慮した生産性の高い養殖場の特定や管理戦略の立案に役立つツールとして、養殖に特化したコンピューターモデリングが登場しました。メイン州に拠点を置くある企業は、この手法を貝類養殖業界に不可欠な要素として取り入れることに尽力しており、その有効性を証明するために、自社の商業養殖場の運営にも活用しています。
ブルーヒル・ハイドロリクス社（メイン州ブルーヒル）は、2004年以来、高度な数値モデリング手法を用いて複雑な流れの問題を解決してきました。同社のマイクロ流体工学、養殖、河川水理学における研究は、ダム撤去、魚道保護、実験装置の設計などに携わる顧客を支援しています。
2005年にアイルランド貝類協会（ISA）がブルーヒル・ハイドロリクス（BHH）にアプローチした際、ISAも他の団体と同様に、沿岸養殖事業の立地選定と運営を改善するための斬新なアプローチを模索していました。BHHは、ムール貝、アサリ、ミルガイ、カキなどの貝類の生産量を増やすため、特定のエリアにどれだけの貝類を収容できるか（つまり、最適な飼育密度はどれくらいか）や、例えば18ヶ月という一定期間内に市場サイズまで成長させるには、貝類の間隔をどれくらいにすべきかといった質問に定期的に答えています。
FLOW-3D の本質的なシンプルさこそが、現実世界の問題解決に役立つ理由です。ユーザは、前処理（つまり、問題の設定）に多くの時間を費やすのではなく、作業結果の適用に時間を費やすことができます。
– ブルーヒル・ハイドロリクス社長、ジョン・リチャードソン
これらの質問に対する詳細な回答は、使用される養殖方法の種類によって異なります。ムール貝の養殖で一般的に用いられる手法は、筏や延縄を土台として、水中にロープを吊るすというものです。養殖業者は、ロープを覆う生分解性の「ソックス」の中に種貝を入れ、ソックスが分解される前にムール貝が自然な定着反応でロープに付着します。
この方法では、計画要素として、ロープの長さ、ロープの直径、捕食者防止ネットの設計、海水中の粒子（餌）密度、水温などが含まれます。格子状の架台に張られた平らなネットバッグで養殖されるカキについても、同様の問題が生じます。全体的な目標は、最短時間で市場サイズまで成長した貝類の数を最大化することです。この目標を達成するには、養殖システム（設備）内を水がどのように流れるかを理解することが不可欠です。
経験豊富な養殖業者はこれまで長年の経験に基づいて判断を下してきたが、近年では収穫量の自然な変動や環境への懸念の高まりから、これまで経験したことのない状況への対応を迫られています。彼らは現在、貝類をより早く、より多くの量を育てる方法や、養殖場の存在が局所的な栄養塩濃度にどのような影響を与えるかを判断するためのより良い方法を模索しています。アイルランド政府からの資金援助を受けたISAは、これらの影響やその他の影響を考慮に入れ、将来的に意思決定を改善するためのツールとして活用できるコンピューターモデルの作成をBlue Hill Hydraulics社に依頼しました。
成長分析への体系的なアプローチ
BHHの社長であるジョン・リチャードソン氏と海洋生物学者のカーター・ニューウェル氏が、この問題に取り組むチームを結成しました。海洋の流れと貝類の生理学に精通している二人は、1980年代からコンピューターモデリングに携わっており、メイン州沖で自ら貝類養殖場を経営しています。彼らの顧客には、バージニア州、コネチカット州、ワシントン州、ブリティッシュコロンビア州の商業養殖業者グループが含まれます。
 最大肉収量を得るための播種密度 – 底面栽培
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 ロープに吊るされた個々のムール貝の塊の周囲の流れをシミュレーション（上面図、側面図、端面図、速度（フィート/秒）で色分け
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 養殖いかだを流れる水（浮きは緑色、貝類が生息する部分は透明な青色）
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二人の最初のプロジェクトは、海底養殖技術のモデリングに関するものでした。二人のアナリストは数値モデリング手法を用いて、貝類の生育を最大限に促進できる養殖場所を特定しました。この種の分析では、餌の消費量と流体の流れという二つのパラメータを同時に扱う必要があったため、使いやすく高度な計算能力が求められました。
計算流体力学（CFD）コンピュータプログラムは、流体の流れを3次元でシミュレーションするように設計されており、少なくとも12社以上の企業が販売しています。これらのプログラムはすべて、水中の粒子状物質（栄養物質）の動きを予測できますが、食物粒子と貝類との相互作用を効率的に計算できるソフトウェアは、 FLOW-3D に絞り込まれました。現在、当社の土木・環境分野のお客様は、このようなモデリングと解析に FLOW-3D HYDRO を使用しています。このソフトウェアは、多孔質媒体を通る流れをモデル化できる機能と、容易にカスタマイズできる構造を備えているため、費用対効果の高い選択肢となっています。
貝類と水の相互作用のモデリング
FLOW-3D HYDRO モデリングの経験が15年ある機械エンジニアのリチャードソン氏は、メニュー画面でユーザに、養殖ラインの数、長さと間隔、ドロップラインの間隔、ロープの長さ、ロープの直径、貝の密度、粒子状物質の有無、水流速度などの現場データを入力するよう促すエキスパートシステムを設計しました。入力値が定義されると、 FLOW-3D HYDRO は、計算領域内の任意の場所における餌の濃度（マイクログラム/リットル）の平均値と、ムール貝の成長や養殖場への追加に伴う水流速度の変化を計算します。これらのシミュレーション結果は、代替の養殖場レイアウトを評価するための枠組みを提供し、その後、修正された入力パラメータセットを使用して実行できます。
メニュー画面の裏側には、 FLOW-3D HYDRO の処理能力が隠されていました。特に注目すべきは、計算領域内の障害物を識別するために用いられた手法です。 FLOW-3D HYDRO は、Fractional Area/Volume Obstacle Representation（FAVORTMと呼ばれる手法を採用しています。他の柔軟性に欠けるCFDプログラムとは異なり、このソフトウェアは構造化グリッドで計算を実行します。グリッド内のセルは、計算領域内の障害物の位置に応じて部分的に、または完全にブロックされます。この実用的なグリッド生成手法により、ユーザは一部の領域では流れを詳細にモデル化し、他の領域では流れをより粗くモデル化することで、全体の計算時間を最小限に抑えることができます。
リチャードソンは、貝類が生息する領域を、それぞれの多孔度が貝類の数に基づいて決まる多孔質の障害物と定義しました。計算が進むにつれて、各領域の多孔度は、その地域で消費される餌の量に基づいて変化します。さらに、貝類の下流における餌の供給量は、既に消費された餌の量によって減少します。これらの消費効果を考慮することは、貝類養殖場のレイアウト設計において重要な要素となります。
モデル化された領域内に障害物が存在する場合、 FLOW-3D HYDRO では、その障害物に複数の特性を設定できます。オブジェクトを多孔質にするだけでなく、水の流れに合わせて移動させたり、熱特性を指定したりすることも可能です。リチャードソン氏が特に気に入っているのは、こうした特別な機能であり、他のほとんどの流体解析ソフトウェアとは一線を画す点です。彼は次のように説明しています。「 FLOW-3D HYDRO の入力構造はコンパクトで非常に柔軟性があります。少し工夫すれば、非常に特殊な問題にも対応できる設定を構築でき、価格に見合った価値と洞察が得られます。」
FLOW-3D HYDRO では、多孔質領域を通る流れをモデル化する機能が特に優れており 、特定の生育条件に基づいて生産量を最大化する飼育密度を決定するのに最適です。リチャードソン氏は、多孔質領域と開放流領域の両方をモデルに簡単に組み込むことができると感じました。また、異なる設定でモデルを再実行したい場合、プリプロセッサが自動的にメッシュを再生成してくれる点も指摘しました。他のCFDプログラムでは、障害物を移動するたびに、問題全体を手動でメッシュ再生成する必要がある場合があります。
現場結果とシミュレーション結果の比較
ニューウェルが収集した現地データを用いて FLOW-3D HYDRO の性能を較正し、リチャードソンは農業構造物内で予測された流量速度を実際の測定値と4.5%の誤差で相関させることに成功しました。食品濃度も異なる場所で測定され、シミュレーション値は誤差3.9%未満でした。他にも考慮された要因として、長線を潮流に斜めに固定する(15度から45度回転)は、食料供給の供給に大きな影響を与えず、レイアウト変更の価値はないと示されました。
総合的に見ると、 FLOW-3D HYDRO の結果は、農家が貝類の放流密度と分布を調整して農場の生産能力を最大化できることを示しました。その後、貝類生産者たちはキラリーハーバーの栽培面積や分布に多くの変更を加え、その成果を実感しています。さらに、海洋漁業委員会(BIM)はこの分析をアイルランドの他の関係者にも提供しています。
ここからどこへ行くべきか
リチャードソンとニューウェルは、米国および海外で貝類生産者たちが生産量を増やし、環境への影響を最小限に抑えるために、研究方法を引き続き活用しています。より身近なところでは、この分析ツールを活用して、メイン州ミッドコーストのダマリスコッタ川とメイン州ダウンイーストのペノブスコット川河口にある自社のムール貝とカキの養殖場の生産を改善しています。