水工学論文集,第54巻,2010年2月

階段式魚道の切欠き角度が魚の遡上特性に及ぼす影響
EFFECTS OF GRADIENT ANGLE OF NOTCH IN POOL-AND-WEIR FISHWAYON MIGRATION RATE

鬼束幸樹1・秋山壽一郎2・森悠輔3・関強志3・松田孝一郎4
Kouki ONITSUKA, Juichiro AKIYAMA, Yusuke MORI, Tsuyoshi SEKI and Koichiro MATSUDA
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学生員

九州工業大学大学院 工学府建設社会工学専攻
4学生員 九州工業大学 工学部建設社会工学科

Wada pointed out that the recommended value of the gradient angle of notch in pool-and-weirfishway is 60 degree. However, there is no measurement at the angle more than 60 degree. In this study,
gradient angle of notch in a pool-and-weir fishway was changed in the range from 46 to 82 degree. The
migration rates of ayu, Plecoglossus altivelis altivelis, were obtained with the aid of two sets of digital
video cameras. It was found that the migration rates of ayu take the highest value when the gradient angleof notch is between 55 to 64 degree, irrespective of the flow velocity. The migration rates are controlled
by the falling velocity from the notch, the distance between the falling flow and orientation area and theangle of fish and falling flow.
Key Words : Pool-and-weir fishway, gradient angle of notch, migration rate

遡上率が高くなることを示した．Wada2)は切欠きの斜面距離を0.9，0.6，0.3mに変化させてアユの遡上実験を行い，斜面距離が短いほど遡上率が増加するこ河川にダムや堰等が建設されると魚類等の遡上やとを示した．鬼束ら3)は魚道幅に対する切欠き幅の比降下が困難になるため，一般に魚道が併設される1)-13)． を0.1～0.7に変化させてアユの遡上実験を行い，比が国内で採用例が最多の階段式魚道において，魚の遡小さいほど遡上率が高くなることを示した．
上が困難なものが存在する．高い遡上率を確保する
一方，切欠き形状の変化が魚の遡上率に及ぼす影には魚道の適切な幾何学形状の把握が必要である．
響を検討した研究は少ない．Wada2)は階段式魚道の切欠き形状を直角型，傾斜型，突出型，丸型に変化
階段式魚道において魚の遡上率に大きな影響を与え1)させてアユの遡上実験を行った．その結果，アユのると推定される幾何学条件は，プール長 ，切欠きの斜面距離2)，切欠き形状2)，切欠き率3)，プール水深4)，遡上率が直角型および突出型では2～4%なのに対し，4)
プール間落差 等である．
傾斜型および丸型形状では50～85%に達することを久保田1)はプール長を系統的に変化させてイワナ示した．また，傾斜型において水位落差が一定で切の遡上率を計測し，プール長がイワナの体長の2倍以欠き角度を15～60°に変化させた遡上実験，および上の時に遡上率が安定的に高くなることを示した．
切欠きの斜面距離が一定で切欠き角度を6～44°に
林田ら4)はプール長，プール水深をそれぞれ変化させ変化させた遡上実験を行い，切欠き角度の増加に伴てウグイの遡上実験を行い，プール長とプール水深う遡上率の増加を確認した．ところが，切欠き角度との比が1に近い場合はプール内に高速な循環流がが60°以上の実験を行っておらず，60°が最適な角生じるために遡上率が低いが，比が1から離れるにつ度かどうかは不明である．また，切欠きから落下すれてプール下流域あるいは水面付近に低流速域が生る流速をほぼ一定にしているため，上記の結論が異5)じるために遡上率が高いことを解明した．浪平らなる流速でも適用可能かどうかは不明である．
はプール間落差またはプール長のみを変化させてウ
本研究では，階段式魚道の切欠き角度および流量グイの遡上実験を行った．その結果，魚道内に低流を系統的に変化させてアユの遡上実験を行い，遡上速域を確保あるいは隔壁からの落下流を減勢すると率に及ぼす切欠き角度および流量の影響を解明した．

１．はじめに

２．実験装置および実験条件
図-1に示すプール長 L x =0.9m，プール幅 B =0.8m，flow

プール底面から切欠き天端までの高さ H t =0.9m，プHuール底面から切欠き下端までの高さ H u =0.7mの3つbのプールを隔壁厚 ∆x =0.2m，落差 ∆y =0.15mで連結させた木製の階段式魚道を実験に用いた．ただし，左岸側壁は撮影のために透明なアクリル板で作製した．流下方向に x 軸，鉛直上向きに y 軸，横断方向

y b = -( x + ∆x) n × ∆x1- n + H t

図-1

実験に用いた魚道の概略図b(-∆x , H )46 (deg.)tdybtan θ == -n(2)dx x = 0n を変化させることで，図-1中の切欠き下端の点a(0, H u ) と切欠き天端の点 b(- ∆x , H t ) との間の切欠55 (deg.)64 (deg.)yb = -( x + ∆x ) × ∆x1-n + H t

θdytanθ = b x = 0 = -ndx

させた合計30ケースの実験を行った．ケース名は切欠き角度 θ と流量 Q を表し，例えば64Q5は θ =64°，
図-2Q =5 l /sを意味する．上流から2番目のプールに平均び合成流速 VV = U 2 + V 2 + W 2 を算出した．なお，流速測定時に魚道にアユを入れていない．

３．実験結果および考察(1)流量および切欠き角度と遡上率の関係遡上率を次式のように定義する．
遡上に成功した尾数 n
遡上率 =
(3)
実験に用いた尾数 N (= 100)
図-3 に流量 Q に対する遡上率 n / N の変化を切欠き角度 θ ごとに示す．概略的には切欠き角度 θ が 55～64°の時に高い遡上率を示し，これらの角度よりも低い場合 (46 ° ) および高い場合 (73 ～ 82 ° ) では全流

73 (deg.)82 (deg.)

き底面高さ yb が変化し，式(2)によって点a(0, H u )における切欠き角度 θ が算出される．図-2に式(1)，(2)で得られる切欠き角度別の切欠き形状を示す．
表-1に示すように，切欠き角度 θ を46～82°の範囲で5通り，流量 Q を1～17 l /sの範囲で6通りに変化構成される合計567点において，3次元電磁流速計を用いて流速3成分を0.05s間隔で25.6s計測した．計測後， x ， y ， z 軸方向の時間的流速 U ，V ， W およBLxzx(1)

体長 B L が65mmのアユ100尾を挿入して流水を開始した．目視で定常を確認した後，遡上防止用ネットを切欠きから除去すると共に，側壁および水路上部に設置した2台のカメラで30Hz，30分間の撮影を開始した．撮影後，遡上数と100尾のアユの遊泳位置，魚向を解析した．
x ， y ， z 軸方向にそれぞれ9，9，7のメッシュでHt∆yyに z 軸をとる．プール間落差 ∆y および隔壁厚 ∆x を固定し，切欠き角度 θ のみを変化させるため，式(1)，(2)を用いて切欠き底面の y 座標 yb を決めた．

∆xa

切欠き角度と切欠き形状
表-1

θ (deg .)Q (l / s)
135913170.5nN
0.40.3a (0 , H u )

46

実験条件

55

647382

46Q1 55Q1 64Q1 73Q1 82Q146Q3 55Q3 64Q3 73Q3 82Q346Q5 55Q5 64Q5 73Q5 82Q546Q9 55Q9 64Q9 73Q9 82Q946Q13 55Q13 64Q13 73Q13 82Q1346Q17 55Q17 64Q17 73Q17 82Q1746(deg.)
55(deg.)64(deg.)73(deg.)82(deg.)

0.2

0.100
図-3

51015 Q (l s ) 20
流量および切欠き角度と遡上率の関係

1 center of fish school
top-viewzB

0.80.6

1 center of fish school
top-view

46Q555Q564Q573Q582Q5z
B

0.8
0.6

0.4

0.4

0.2

0.2

000.2
0.40.6
1 center of fish schoolside-view
yh

0.8
0.6

x0.8/ Lx

146Q555Q564Q573Q582Q5000.2
0.40.6
1 center of fish schoolside-view

0.6

0.2

0.20.2
図-4/ Lx0.6 x0.8(a)流量5 l /s0.41000.20.40.6x0.8/ Lx(b)切欠き角度55°
瞬間魚群重心の移動状況(上図： x - z 水平断面，下図： x - y 鉛直断面)量で遡上率は低い傾向にある．したがって，流量に関わらず，切欠き角度 θ が 55～64°が最適値と判断される．これは，Wada2)の推奨値 60°とほぼ同値である．
一方，詳細に観察すると，いずれの切欠き角度 θ でも中間的な流量時 (3 ～ 9 l /s) に遡上率が最大値となっている．中村 10)は魚の遡上に必要な条件として，遡上を誘発する適切な流速と休憩場所を挙げている．
以下では遡上率を決定している要因を調べる．
(2)アユのプール内の休憩場所
図-4(a)に流量 Q が 5 l /s で切欠き角度 θ の異なる(46～82°)ケースについて，図-4(b)に切欠き角度 θが 55°で流量の異なる(1～17 l /s)ケースについて，鉛直断面( x - y )および水平断面( x - z )における 10sごとの魚群の重心位置を示す．ここに， h は水深である．各ケースで重心位置の大幅な時間変化は見られず，ケース間の差違が顕著である．そのため，時間平均された遊泳位置をアユの休憩場所とみなしてよいと判断される．
プールの鉛直断面( x - y )および水平断面( x - z )を各 10 分割して得られる各 100 メッシュ内の尾数を10s ごとにカウントし，時間平均尾数 n' を算出した．
図-5 に切欠き角度 θ が 55°における休憩場所 n' / Nのコンターを示す．流量 Q の変化に関わらず，鉛直

155Q155Q355Q555Q955Q1355Q17y0.40x0.8/ Lx0.8h0.4055Q155Q355Q555Q955Q1355Q17

1断面( x - y )内のアユの休憩場所は底面付近である．
一方，水平断面( x - z )においては，55Q1 の最小流量を除くと流量 Q の増加に伴い休憩場所が切欠きから離れていく．これは流量 Q の変化に伴い選好場所が変化することを示唆する．
図-6 に落下流のプール底面での付着点とアユの時間平均重心位置との水平距離 L の流量 Q に対する変化を切欠き角度 θ 別に示す．遡上率が高いケース(55Q5，64Q5)では L / B L が 1.5～3 程度で，アユは比較的付着点付近で休憩している．そのため，落下流の刺激を受けやすく，また，遡上経路に近いために遡上が誘発されたと推定される．しかし，46Q5，46Q9といった遡上率の低いケースでも付着点付近で休憩している場合がある．したがって，付着点と休憩場所との距離だけでは遡上率を説明できない．
(3)流向および魚向と遡上率との関係
図-5 と同様の切欠き角度 θ (=55°)について，図-7に合成流速ベクトルおよび魚向をそれぞれ青色，赤色で示す．遡上率の低い低流速ケース(55Q1)では魚向がランダムである．遡上率の高い中流速ケース(55Q3，55Q5，55Q9)では魚向が切欠き方向を向く傾向がある．一方，遡上率の低い高流速ケース(55Q13，55Q17)では切欠き方向を向くものと，右岸側壁方向を向くものが見られる．以上より，遡上率は休憩時

図-5

休憩場所のコンター(上図： x - z 水平断面，下図： x - y 鉛直断面)の魚向による影響を受けると推察される．
図-8 に落下流の流向 θ w と流量 Q との関係を切欠き角度 θ ごとに示す．落下流向 θ w は切欠き角度 θ が64°以下は流量に対する変化が緩慢で，73°以上では高流速で角度が低下している．
図-9 に休憩時の空間平均魚向〈 θ f 〉と流量 Q と20LBL1546(deg.)
55(deg.)64(deg.)73(deg.)82(deg.)10の関係を切欠き角度 θ ごとに示す．切欠き角度 θ が55°，64°では流量 Q が 5 l /s の時に魚向〈 θ f 〉が最大値となり，最も落下流向 θ w に接近する．この時，

5図-3 に示すように高い遡上率を示す．よってこの 2ケースについては，魚向が落下流向に最も接近し，遡上が容易になったために遡上率が最大になったと考えられる．一方，切欠き角度 θ が 46°，73°，82°0
図-6051015 Q (l s ) 20
時間平均魚群重心から落下流付着点までの距離

図-790流速ベクトル(青)と魚向(赤)46(deg.)55(deg.)64(deg.)73(deg.)82(deg.)θw(deg.)60

30090

46(deg.)55(deg.)64(deg.)73(deg.)82(deg.)〈θ f 〉(deg.)
603005
図-81015 Q (l s ) 20

落下流の流向では流量 Q が 17 l /s の時に魚向〈 θ f 〉が最大値となる．この時，図-3 に示すように遡上率は低いが，この理由を落下流向と魚向との比較だけでは説明できない．そのため，落下流速 VVF と遡上率との関係について検討する．
図-10 に流量 Q と合成落下流速 VVF / B L との関係
を切欠き角度 θ ごとに示し，魚の突進速度
V fb / B L = 10 および巡航速度 V fc / B L = 2～4 を実線で示す．合成落下流速 VVF / B L は全ての切欠き角度 θ で流量の増加に伴い増加し，流量 Q が 8 l /s 以上で突進速度を上回る．したがって，図-8 において切欠き角度 θ が 46°，73°，82°では流量 Q が 17 l /sの時に魚向と落下流向が最も近いにも関わらず遡上0010
15 Q (l s ) 20
休憩中の魚向の空間平均値

5
図-9率が低い原因は，落下流速が突進速度を超えたからと考えられる．一方，遡上率の高い切欠き角度 θ が55°，64°で流量 Q が 5 l /s の場合に着目すると，合成落下流速 VVF / B L が 7 程度となっており，小山 13)
および中村 10)が指摘したように，落下流速が巡航速度以上，突進速度未満であるために遡上が誘発されたと考えられる．
(4) 遡上を誘発および抑制する因子
表-2に遡上を誘発および抑制する因子をまとめた．
青文字のdは付着点付近で休憩していること，青文字のaは魚向が落下流向に近いこと，青文字のvは落下流速が巡航速度以上，突進速度未満であることを示し，これらの条件を満たしていないものを赤色で示した．d，a，vすべてが青色のケース(55Q3，55Q5，64Q3)に着目すると，図-3に示した遡上率の高いケースに該当する．青文字が3つ未満のものは，遡上はするものの遡上率が低いケースに該当する．一方， d，a，vの全てが赤色は流量 Q =1，17 l /sに多く見られ，極めて遡上率の低いケースに該当する．以上より，高い遡上率を満たすには，上記3つの条件をすべて満たすことが必要で，これらの条件が欠けるにつれて遡上率が低下すると考えられる．

25VVF
B20
L(1/s)

46(deg.)55(deg.)64(deg.)73(deg.)1582(deg.)
Vfb / BL = 10 (1/s)

10burst speed

４．おわりに
5
本研究は，階段式魚道の切欠き角度および流量を系統的に変化させてアユの遡上率を算出し，遡上率に及ぼす切欠き角度および流量の影響を検討したものである．その結果，以下の知見が得られた．
(1) 切欠き角度が46～82°の範囲では，流量に関わらず 約55～62°がアユの遡上に最適である．これは，
Wada2)の示した推奨値60°とほぼ同値である．
(2) アユの遡上が誘発される要因として，落下流の底面付着位置とアユの休憩位置との水平距離が近いこと，休憩中のアユの魚向と落下流の流向が近いこと，落下流速が巡航速度以上，突進速度未満であることなどが明らかとなった．これら3つの条件が満たされたときに最も遡上率が高くなる．一方，上記の条件の1つ以上が満たされない場合はアユの遡上が抑制される．
謝辞：本研究を実施するに当たり，科学研究費補助金若手研究(B)19760343(代表：鬼束幸樹)の援助を受けた．また，魚の飼育方法を御教授いただいた(有)アクアシティの花田一氏，椹野川漁業協同組合，北
九州市立水環境館に謝意を表す．

cruising speed V / B = 2 ~ 4(1/s)
fc00

図-10510L15 Q (l s ) 20

流量と落下流速との関係 (角度別)表-2 遡上率を誘発および抑制する因子θ (deg.)

4655
64
7382
Q (l / s)
1d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v
3d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v
5d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v
9d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v
13d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v
17d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v d，a，v
d：付着点付近で休憩している．
a：魚向が落下流向に近い．
v：落下流速が巡航速度以上かつ突進速度未満．
d：付着点から遠い位置で休憩している．
a：魚向が落下流向から遠い．
v：落下流速が巡航速度未満または突進速度以上．
7) 安田陽一，大津岩夫，浜野龍夫，三矢泰彦：多様な水生生物の遡上・降下可能な魚道の提案，河川技術論文集，第 7 巻，pp.221-226，2001.

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(2009.9.30 受付）