CFDを通じた 魚類保護支援
CFDモデリングソフトウェアが、オーストラリアのエンジニアによる革新的な魚道の設計と生息地の連結性の向上にどのように役立ったか
米国海洋大気庁（NOAA）は、魚道について「河川上の障害物を乗り越えたり迂回したりして、回遊魚が通過できるようにする構造物」と定義しています。NOAAはさらに、ダム、暗渠、滝は魚の回遊を遅らせたり止めたりする可能性があり、そのため魚は長期的な生存のためにこれらの構造物に依存していると述べており、これは1920年の連邦電力法の制定から始まった政府の政策的立場を裏付けるものです。
これは、米国における国、州、地方自治体が、新規および既存の水力発電施設における魚類の遡上安全性を高めるための措置を継続的に講じている理由を説明するのに役立ちます。例えば、エネルギー省は最近、ダムやその他の貯水構造物をより環境に優しいものにする意図のもと、魚類保護技術の研究に630万ドルを投資しました。
こうした取り組みは米国だけに限ったことではありません。数年前、オーストリアの大手電力会社VERBUNDは、2009年以降1000基以上の魚道が完成したと発表しました。その中には、アナブリュッケ発電所に設置された「垂直26メートル」の魚道があり、ヨーロッパで最も高い高度の魚道となります。中国も負けじと、チベットのラロ水利事業で「世界最高高度」の魚道としてギネス世界記録に認定されています。
魚をしばしば巨大な高さまで登らせることは容易なことではありません。また、魚道の航行性に影響を与える水流速度、流量、乱流、その他の流体力学的特性の適切な組み合わせを見つけることも容易ではありません。これらの特性は、魚の種類や年齢、そして地域の地形に基づいて微調整が必要となる場合があります。そこで課題となるのは、こうした様々な条件に効果的であるだけでなく、予算、規制、そして時間的な制約を満たす魚道を設計することです。
 建設中の稚魚育成用魚道の写真では、左側に自然の岩のような地形が、右側に稚魚育成用魚道の階段が写っている。
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 建設後の稚魚育成用魚道から、上流方向の沿岸部の池状の牧草地を望む。
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オーストラリアにおける魚類保護活動
これらのソリューションの開発には、さまざまな先進技術が不可欠であり、中でもFlow Science社が提供するような計算流体力学（CFD）ソフトウェアの利用が重要です。CFDの成功事例の一例として、オーストラリアのクイーンズランド州中央部にある沿岸の池状牧草地の再生プロジェクトが挙げられます。このプロジェクトでは、沿岸の池状牧草地からの流れが多くの魚種を引き寄せ、それらの魚はライフサイクルに応じて海水域と淡水湿地の間を移動します。
クイーンズランド州マッカイに拠点を置く環境サービスプロバイダーのCatchment Solutions LLCは、水工学会社であり FLOW-3D HYDRO のユーザでもあるブリスベンを拠点とするForward Hydroと緊密に連携し、このプロジェクトの中核となる岩石ランプ式魚道を開発しました。CFDモデリングを用いて、提案された革新的な魚道設計の水理性能を理解し、下流の海水生息地間の接続性を向上させました。
フォワード・ハイドロ社の技術ディレクター、カイル・トムソン氏によると、魚道は湿地の出口を横切る1メートルの落差を越える必要があり、横方向の尾根と水たまりを備えた自然の岩の傾斜路を利用した設計を採用したという。水たまりの間には、尾根の一部に「稚魚育成用スロット」と呼ばれる部分があり、これは20mmずつ低い段差が交互に並んでいるのが特徴だ。段差の形状によって、さまざまな水理条件下において浅い水流層が確保され、コンクリート構造の粗さによって、泳ぎの弱い魚が泳ぎやすい低速域が提供されています。
Forward Hydroのチームは、 FLOW-3D HYDRO を使用して、大規模な魚道の水理と、個々の稚魚育成スロット設計のより詳細なモデルの両方を評価しました。大規模なCFDモデルでは、さまざまな設計オプションについて、複数のプールセクションにわたる流れの状態をモデル化しました。より詳細なモデルでは、魚のバースト速度、バースト長、および臨界遊泳速度に関連する稚魚育成スロットの詳細な水理条件を評価し、さまざまな魚種とライフステージにおける設計の適合性を裏付けるのに役立てました。
FLOW-3D HYDRO の使いやすさのおかげで、様々な設計条件や水理条件を効率的に調査することができました。シンプルなメッシュ生成方法により、設計の反復ごとにメッシュを再構成する時間と労力をかけることなく、自然の岩や稚魚育成用スロットの複雑な形状を捉えることができました。水産生態学者と協力することで、革新的な魚道設計の水理性能を評価し、在来魚種の遊泳習性に関連した性能最適化の方法について助言を提供することができました。
カイル・トムソン、フォワード・ハイドロ社テクニカルディレクター
 より詳細なメッシュモデルを用いて、魚種ごとの水理基準に照らし合わせながら、稚魚育成場の水理条件を詳細に評価し、様々な魚種や成長段階における設計の適合性を検証した。
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 より大規模な魚道モデルを用いて、様々な水理条件下における魚道全体の形状の一般的な水理特性を分析した。
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 より大規模なCFDモデルを用いて、複数のプールセクションにおける流れの状態を評価し、典型的な魚道断面における流れの分布と特性に関する知見を得た。
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設計の成功
3日間のモニタリング期間中に、13種類の異なる魚種、2,700匹以上の魚が魚道を通って遡上した。その中には、多くの稚魚や幼魚も含まれていた。
「 FLOW-3D HYDRO の使いやすさのおかげで、さまざまな設計条件や水理条件を効率的に調査することができました」とトムソン氏は述べています。「シンプルなメッシュ生成方法により、設計の反復ごとにメッシュを再構成する時間と労力をかけることなく、自然の岩や稚魚育成用スロットの複雑な構造を捉えることができました。水産生態学者と協力することで、革新的な魚道設計の水理性能を評価し、在来魚種の遊泳習性に関連した性能最適化の方法について助言を提供することができました。」
トムソン氏は、在来種の稚魚の移動が成功したことを明確に示す革新的なソリューションを開発したCatchment Solutions社を称賛しました。Catchment Solutions社の水産生態学者であるマット・ムーア氏も、この結果に非常に満足しています。「CFDモデリング作業の一環としてカイル氏とForward Hydroチームが提供してくれた成果は素晴らしいものでした」と彼は述べ、「今後の設計最適化に役立つ貴重な知見が得られました」と付け加えました。