階段式魚道のプール底面に設置した粗石が魚の遡上特性に及ぼす影響
EFFECTS OF BOULDER OVER POOL BED ON MIGRATION RATEIN POOL-AND-WEIR FISHWAY
鬼束幸樹1・秋山壽一郎2・宍戸陽3・高松周平3・角田裕香4・有須田朋子5
Kouki ONITSUKA, Juichiro AKIYAMA, Akira SHISHIDO, Shuhei TAKAMATSU,
Yuka KADOTA and Tomoko ARISUDA
1正会員 博(工) 九州工業大学大学院准教授 建設社会工学研究系（〒804-8550 北九州市戸畑区仙水町1-1）
2フェロー会員 Ph.D. 九州工業大学大学院教授 建設社会工学研究系
3学生会員
4正会員

九州工業大学大学院工学府建設社会工学専攻

北九州市上下水道局水道部配水管理課 （〒803-0814 北九州市小倉北区大手町1-1）
5正会員 清水建設㈱ （〒104-8340 東京都中央区京橋2-16-1）

It is important to keep suitable area by boulder for fish in pool-and-weir fishway to make the migration
rates high. In this study, migrating behaviors of oikawa by putting boulder on pool bed in pool-and-weirfishway was investigated. The migration rate of oikawa was obtained with the aid of two sets of digital
video cameras. In addition, swimming position, swimming direction and migration route was investigated.
It was found that migrating behaviors are difference between bed with boulder and flat bed. This isbecause oikawa swim slow flow area caused by boulder on pool bed. Further, swimming direction ofoikawa in the case of flat bed comparatively match with each other, whereas that of it in the case of bed
with boulder don’t match.
Key Words : migration rate, Zacco Platypus, boulder on pool bed, pool-and-weir fishway

１．はじめに河川にダムや堰が設置されると河川水位が縦断方向に不連続となり，魚類の縦断移動が困難になる．サケやアユなどの通し回遊魚にとって，不連続な水位落差の存在
は種の絶滅に直結するため，魚道の併設が望まれる1),2)．
魚道は，プールタイプ，水路タイプおよび閘門タイプに大別され，プールタイプはさらに，階段式，バーチカ
ルスロット式，アイスハーバー式，棚田式および潜孔式に分類される2),3)．以上のように様々な形式の魚道が提案されているが，我が国の既設魚道の90%以上を階段式魚道が占める4),5)．中村5)はプールタイプ魚道を設計する上で留意すべき点を次の5点としている．1)各プールの水理条件が同一なこと，2)最大流速が魚の突進速度以下であること，3)体高の2倍以上あるいは全高の1.2倍以上の水深を確保すること，4)体長の1/2以上の経路幅を確保すること，5)各プールに休息場所を確保することである．
上記の中で5)の必要性は次のように説明される．魚の筋肉には普通筋と血合筋があり，緊急時には主として普通筋を使用して突進速度(体長の約10倍程度)で遊泳する6),7),8)．ところが，普通筋を使用すると疲労が蓄積するため，緊急度に応じて極力普通筋を使用しないように，魚は普通筋と血合筋との使用割合を変化させる．普通筋を僅かに使う遊泳速度は中間速度と呼ばれ，疲労が蓄積しない血合筋のみを使う遊泳速度は維持速度(体長の約2-4倍程度)と呼ばれる．魚道内の流速が突進速度以下であっても，中間速度以上で遊泳せざるを得ない流況では，疲労が蓄積するため遡上が困難となる．したがって，プール内に休息場所を確保する必要がある．
一方，河川において魚類に休息場所を提供するものとして粗石が挙げられる．小野田・萱場9)は矢作川に設置された矢作第二ダムから0.7km下流の粗粒化した地点で，自然状態および粒径約2mmの砂を投入した両状態で魚類調査を行った．その結果，両者で優占魚種が異なることを解明した．田代ら10)は木曽川の支流の飯沼川を対象として土砂還元前後の魚類調査を行い，粒径に応じて魚類相が変化することを解明した．渡辺ら11)は石狩川支流の真駒内川を対象として，河道形態，河床形態，河岸状態

および底生魚類の生息状況を比較した結果，巨礫や浮き石によって創出された空隙をハナカジカが利用していることを解明した．原田ら12)は粗粒化した石礫河床における魚の利用可能空間を定量的に算出した．
粗石を魚道に利用する研究も始められた．金子ら13)おflow
よび高崎ら14)は多摩川の支流の秋川において，粗石付きの魚道およびアイスハーバー式魚道における魚の遡上調
xz
査を行った．その結果，粗石の有無が遡上する魚種およyzy h
Bび尾数に影響を与えることを解明した．佐合ら15)は吉井Lx
川の支流の金剛川に当時建設中であった大田原堰に設置された階段式魚道の底面に，粗石を設置しない場合，粗図-1 階段式魚道の概略図
石を点在させた場合，および粗石を密に配置させた場合における魚の遡上調査を行った．その結果，粗石を設置しない場合，粗石を点在させた場合，および粗石を密に配置させた場合の順に遡上率が増加することを解明した．
Dflow
Santos et al.16)は粒径が10cmおよび15cmの粗石を底面に設L置した魚道で遡上実験を行った結果，粒径の大きな場合の遡上時間が短くなることを示した．ただし，粗石が魚h
道の河床に大量に堆積し，流水断面積が著しく減少する
場合は，逆に遡上率が低下することを青木ら17)は指摘しB(a) 鉛直断面(b) 水平断面ている．以上のように，粗石の有無が遡上特性に影響を図-2 粗石の配置図及ぼすことは明らかになったが，その理由を解明するには魚道内の流況と魚の挙動を把握しなければならない．
表-1 実験条件
桜井ら18)は魚道底面に碁盤目に設置された粗石周辺の流況を観察し，粗石間を通過する流れが高速であるのにQ=1(l/s) Q=3(l/s) Q=5(l/s) Q=7(l/s) Q=9(l/s)
Boulder on pool bed BOQ1 BOQ3 BOQ5 BOQ7 BOQ9
対し，粗石の上下流では低速な死水域が生じることを解Flat bed
FLQ1 FLQ3 FLQ5 FLQ7 FLQ9
明した．八田ら19)は魚道底面の粗石周辺の乱流計測を行い，粗石背後で乱れ強度の極大領域が発生することを解明した．前野ら20)はPTV(Particle Tracking Velocimetry)をて，比較的設置率が高い魚道は片側切欠き付階段式魚道用いて粗石近傍の水平断面内における流速分布を計測し， である．したがって，本実験においても同魚道を採用し魚が休憩可能な領域を推定した．
た．ただし，左岸側壁は撮影のため透明なアクリル
一方，粗石を有する魚道内の魚の遊泳特性を解明し板で作成した．プール長 L を0.7m，プール幅 B をた研究はほとんどない．宮園・戸松21)は粗石を設置し0.6m，隔壁厚 x を0.15m，切欠き幅 z を0.12m，落た魚道内でのイワナの挙動をビデオ撮影した．その結差 y を0.15mに設定した．また，流下方向に x 軸，果，イワナは粗石前後を遡上経路として選択している
鉛直上向きに y 軸，プール横断方向に z 軸をとった．
ことが解明された．松木ら22)は直径が5cmの半球を魚
プール底面 y = 0 から切欠き下端までの高さ h を0.2mと道底面に設置し，流量を変化させた状態で平均体長がした．各諸元は小規模河川に設置される魚道と類似のス93mmのウグイの挙動を観察した．その結果，遡上率ケールである．
が高い場合ではウグイが粗石背後の低流速域で休憩し粗石形状として，四角柱や三角柱などが存在するていることを確認した．しかし，粗石周辺の流速計測が，本研究では基本形状であることおよび自然石に近を行い，魚の挙動と流速場との関係を定量的に解明しい形状である球を採用する23)．また，佐合ら15)による粗た研究はほとんどない．本研究は，階段式魚道の底面石の密度が高いほど遡上率が向上するとの指摘から，最に粗石を設置した場合および設置しない場合における密充填の配列方法を採用した．図-2に示すように，魚の遡上特性と水理量との関係を定量的に解明したも階段式魚道のプール底面に直径 D  0.1m の球を配のである．
列した．表-1に示すように，底面に粗石がある場合と２．実験装置および実験条件
図-1に実験に用いたグレーに塗装した木製の片側切欠き付階段式魚道の模式図を示す．わが国においない場合の2形態について，流量 Q を1～9( l/s )の範囲で5通りに変化させた合計10ケースの実験を行った．ケース名は粗石を設置した場合を“粗石有り(Boulder on pool bed)”，設置していない場合を“粗石無し(Flat bed)”とし，流量の変化に基づき，表-1

11Flat bed

nm
N

Flat bed

Boulder on pool bednN0.60.60.40.40.20.20

Boulder on pool bed

d001

35Q(l/s)913(a) 遡上率

5Q (l/s )9(b) 降下率
図-3 オイカワの遡上率・降下率(a) Q=3(l/s)における流速ベクトル(b) Q=7(l/s)における流速ベクトル

図-4 3次元合成流速ベクトル(a) Q=3(l/s)における流速コンター(b) Q=7(l/s)における流速コンター

図-5 y/h=0.1における水平断面内の流速コンターに示すケース名を命名した．粗石無しの場合は底面y ， z 軸方向の時間平均流速U ，V ，W を算出し，合を y  0 とし，粗石有りの場合は粗石最上部を y  0成流速 VV  U 2  V 2  W 2 を得た．なお，流速測定時とした．には魚道にオイカワを放流していない．
下流から2番目のプールに平均体長 BL が80mmのオイカワ(Zacco Platypus)を N =30尾放流し，室温20℃，水温３．実験結果および考察
17℃の条件で実験を行った．目視で定常を確認した後，切欠きに設置した遡上防止用ネットを除去すると共に，(1) オイカワの遡上率および降下率の比較
プールの側壁および上部に設置した2台のカメラで30fps
遡上率および降下率を次式のように定義する．こで20分間の撮影を行なった．撮影後，オイカワの遊泳位
こで降下率は，魚道内における魚の滞留のしにくさ
置を10 s ごとに解析すると共に，遡上数をカウントした． を表す．
遡上に成功した尾数nm
x ， y ， z 軸方向にそれぞれ7，5，7点のメッシュで遡上率 =(1)実験に用いた尾数
N (= 30)構成される合計245点において，3次元電磁流速計を用いて流速3成分を0.05 s 間隔で25.6 s 計測した．計測後， x ，

0.3n
N

Boulder on pool bed

0.3
Flat bedn
BL  80mm
NBOQ1
Q1BL  80mm

RxB

0.3
Boulder on pool bedn
BL  80mm
NFLQ
Q1 1

RxFBOQ3Q3RxB

RxF

BOQ5Q50.2

Q5 5FLQ

BOQ9Q90.10012R3xB

B

q5BOQ50.2q7
BOQ7Q9 9FLQ

q9
BOQ9012R

3xF

5L

FLQ
Q7 7

Q9 9
FLQ
0.10B

Q5 5FLQ

0.20.105L

FLQ
Q3 3RyF

FLQ
Q7 70.1FLQ
Q1 1RyF

BOQ3q3

RyB

0.2

BOQ7Q70.3
Flat bedn
BL  80mm
N

q1
BOQ1RyBFLQ
Q3 30246(a) x 軸方向の魚群半径

RyB

B

L

01002460.40.6RyF

B

L10(b) y 軸方向の魚群半径
図-6 各流量における魚群半径の頻度分布

00.2

1FLQ3yh0.4

0.6

1Q  3(l/s) side - view

010.2

0.4

0.6

0110.4

0.6

101Q  7(l/s) side - view

FLQ7zB

BOQ3

0.2

1

1yh0.2

111z
B

BOQ7

0.6

0.6

0.6

0.6

0.6

0.6

0.6

0.6

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.4

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

0.2

FLQ3
BOQ3

0000.20.4x L

0.6

10000.2

0.4x L0.6

0.2

Q  7(l/s) top - view

BOQ7Q  3(l/s) top - view

0FLQ70010.2

0.40.6x L00010.20.40.6x L

1(a) Q =3(l/s)における魚群重心位置(b) Q =7(l/s)における魚群重心位置
図-7 鉛直断面および水平断面における魚群重心位置

0.3

0.3

0.3
Flat bedRGy

Flat bedRGx

Flat bed

Boulder on pool bed

RGz

Boulder on pool bed

Boulder on pool bed
0.2

0.2

0.2

0.1

0.1

0.1

00135Q(l/s )(a) x 軸方向

01935Q(l/s )9(b) y 軸方向
図-8 魚群重心の広がりを表す標準偏差降下した尾数nd
実験に用いた尾数N ( 30)

135Q(l/s )9(c) z 軸方向(2) プール内流況の比較
図-4に粗石有りおよび粗石無しにおける Q  3，7 (l/ s) での3次元合成流速 VV をベクトル表示した．
図-3(a)に粗石有りおよび粗石無しにおける流量とオイ
Q  3 (l/ s) に着目すると，粗石の有無に関わらず上流カワの遡上率 nm / N との関係を示す．粗石の有無に関係側切欠きからの落下流がプール底面付近まで潜り込なく， Q  3(l/s) で遡上率が最大を示し，流量の増加にみ，下流側隔壁に衝突することで左岸側水面付近に伴い遡上率が低下している．また，遡上率が最大となる上昇し，循環流を形成していることが確認される．
流量付近では，粗石無しよりも粗石有りの遡上率が高い． Q  7 (l/ s) で観察される循環流も流速が増加しているが，図-3(b)に粗石有りおよび粗石無しにおける流量類似の構造である．とオイカワの降下率 nd / N との関係を示す．粗石無しの
図-5に粗石有りおよび粗石無しにおける y / h  0.1
場合の降下率が高いが，粗石有りの場合は降下せずに粗での水平断面( x  z )の3次元合成流速 VV コンターを石の隙間で停滞する個体が多く，降下率は全流量でゼロ
Q  3，7 (l/ s) について示す．いずれのケースにおいであった．ても，右岸側壁付近の流速が速いことがわかる．ま降下率 (2)The number of the fish according to positiony/h in the case of boulder on pool bed
11y/h  0nnN
N1Flat bed

Boulder on pool bednNsmxFmxB

Q1smxB

Q1mxFQ3Q30.60.60.40.4y/h  00.6Q5Q7Q70.40.20.20035Q9Q90.2

1Q5Q(l/s)
700

90.20.40.6

x0.8/L

100.2

0.40.6x0.8/L1

図-10 各流量におけるx 軸方向の遡上開始位置

図-9 粗石付きプールにおける流量とy 軸方向の遊泳位置との関係
The position t hat started migrating
1nNy0/ h  0

myy0.033333333/h  0my

RG を示す．x軸，z軸では，粗石無しよりも粗石有りの標準偏差が大きい．ところが，y軸では傾向が逆転している．これは，粗石を設置し底面付近の流速が低速なることで，オイカワが底面付近を選好して遊泳したためと考えられる．

0.60.40.20135Q(l/s)
79

図-11 粗石付きプールにおける流量とy 軸方向の遡上開始位置との関係

た，水平断面内の底面付近で粗石無しよりも粗石有りの流速が低い．

(4) 粗石設置による遊泳位置の変化
図-9に粗石有りにおける，魚の重心位置の y / h  0 お
よび y / h  0 における存在確率の時間平均値 ns / N s を示
す． Q  1 (l/ s) を除く Q >3 (l/ s) では，流量の増加に伴
い y / h  0 における存在確率が増加している．これは，流量の増加に伴いオイカワの粗石間の空隙の利用頻度が増加したことを示している．図-5より底面付近では粗石有りが粗石無しに比べて流速が減速されるため，遊泳による疲労を回避するために粗石の隙間を選択的に遊泳したと考えられる．小田ら24)，古里・田中25)，冨永・市川26)は粗石の上下流側の低流速領域が発生することを明らかにし，原田ら12)は石礫河床における魚の利用可能空間を定量的に予測した．その結果，粗石近傍で魚が休憩可能と推定した．本実験結果は上記の予測と整合している．

(3) 粗石設置によるプール内の遊泳位置の変化
図-6に各流量における x ， y 軸方向の魚群半径をそれぞれ平均体長 BL で除した値 Rx / BL および R y / BL の頻度分布を，粗石有りおよび粗石無しについて示す． (5) 粗石設置によるプール内の遡上開始位置の変化
粗石有りの方が， x 軸， y 軸方向の魚群半径が減少して図-10に粗石有りおよび粗石無しにおける， x 軸方いることが確認できる．
向の遡上開始位置の頻度分布を示す．粗石無しよりも粗
図-7に流量 Q  3，7 (l/ s) の鉛直断面( x  y )および水石有りにおける遡上開始位置( x / L )が小さな値を示して平断面( x  z )における10 s ごとの魚群の重心位置を， おり，切欠きから近い位置から遡上を開始する傾向が増
粗石有りおよび粗石無しについて示す．流量の増加
加する．遡上経路となる切り欠きは x  0にあるため，に伴って魚群重心の範囲が狭くなっている．図-5を粗石無しよりも粗石有りの方が遡上経路が短くなる．
参照すると，流量の増加に伴い比較的流速の遅い場
図-11に粗石有りの場合のオイカワの遡上開始位置の所を選択的に魚が遊泳するために生じたと考えられ
y / h  0 および y / h  0 における各利用数 nmy を遡上数る．鉛直断面( x  y )に着目すると，粗石有りの方がN my で 除 し た nmy / N my を 示 す ． 遡 上 数 が ゼ ロ の粗石無しの場合よりも重心が底面付近に接近していQ =9 (l/ s) を除くと，遡上開始位置の全てあるいは多くる．また，水平断面( x  z )においては，底面に粗石が， y / h  0 となっている．したがって，底面に粗石をを設置した場合よりも設置していない場合の方が，設置すると，粗石を利用して遡上を開始するようになる重心が集まる傾向にある．と判断される．
図-8にx軸，y軸およびz軸の魚群重心位置の標準偏差４．おわりに12) 原田守啓，小野田幸生，萱場祐一：粗粒化した石礫河床への土砂供給が遊泳性魚類の空間利用に及ぼす影響に関する

本研究は，階段式魚道の底面に設置した粗石が魚の遡上特性に及ぼす影響を実験的に解明したものである．本研究より得られた知見は以下の通りであり，小規模河川に設置される魚道に対して有用な知見であると考えられる．
(1) 階段式魚道のプール内に粗石を設置すると，オイカワの遊泳位置は底面付近に集中し，水平方向に広がることが判明した．
(2) オイカワは流速の低下した粗石の隙間を選好して遊泳する．
(3) プール内の底面に粗石を設置した場合，オイカ
ワは粗石を利用して遡上していることが判明した．また，短い遡上経路で遡上可能になることが判明した．

一考察，土木学会論文集 B1(水工学)，Vol.70, No.4, I_1339I_1344, 2014.
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謝辞：本研究を実施するに当たり，科学研究費補助
金基盤研究(C)26420500(代表：鬼束幸樹)の援助を受けた．

Ichthyology, Vol.29, pp.425-430, 2013.
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23) 宮園正敏，高氏つぐみ，戸松修：粗石周辺の水理特性と渓流魚の遊泳行動，砂防学会誌，Vol.57, No.5, pp.15-24, 2005.

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稚魚の尾部の動きと遊泳速度，農業農村工学会論文集，

流の水面変動に及ぼす乱流渦構造の条件付き抽出に関する

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研究，土木学会論文集 B1(水工学)，Vol.70, No.4, I_823-

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25) 古里栄一，田中規夫：大礫後部のマイクロハビタット特性と遷移初期の水生昆虫動態，土木学会論文集 B1(水工学)，
Vol.70, No.4, I_1333-I_1338, 2014.

ダム下流の河床のアーマー化と土砂還元による機能の回復，

26) 冨永晃宏，市川亜也佳：巨石群を底面に配置した開水路流

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土屋進：河川改修が底生魚類の分布と生息環境におよぼす影響，応用生態工学，Vol.4, No.2, pp.133-146, 2001.

(2015.9.30受付)