持続可能なエネルギーソリューションとしての水力タービンの存在に対する魚の反応

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7459 (2023) この記事を引用

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3 オルトメトリック

メトリクスの詳細

垂直軸タービン (VAT) などの水力学タービンは、主要なエネルギー網や再生可能資源へのアクセスが不足している遠隔地コミュニティに、分散型でクリーンな持続可能なエネルギーを提供できる可能性があります。従来の水力発電は水生生態系に悪影響を与えるため、現在および将来のエネルギー需要を満たすためには、河川生態系に VAT を導入した場合の環境への影響を評価することが不可欠です。この研究では、大規模な実験室実験を使用して、2 つの放水、タービンの動作状態、断面閉じ込め下での魚の遊泳行動を観察することにより、魚の動きに対する VAT の影響を調査しています。私たちの調査結果は、断面が限定された条件では、放流、タービンの存在、装置の動作のいずれによっても、魚がタービンを上流方向と下流方向の両方で通過することを妨げないことが明らかになりました。しかし、魚がタービン付近やタービンの低速度の乱流後流内で過ごす時間は最も短く、回避行動を示している。密閉度の低いテストセクションで泳ぐことにより、タービン付近および航跡内で過ごす時間がさらに短縮され、魚が装置から遠ざかる距離が長くなりました。私たちの研究結果は、VAT が魚の遊泳行動に対する低リスクの危険であるという理解に貢献し、遠隔地コミュニティのための再生可能エネルギーソリューションとして、河川、河口、海に VAT を導入する可能性を前進させます。

現在、約 8 億人が手頃な価格で信頼性が高く持続可能なエネルギー供給にアクセスできず、その結果、社会経済的不平等が生じています1。特に影響を受けるのは、低～中所得国、小さな島嶼、内陸国で、人口がまばらに分布しており、多くの遠隔地コミュニティで構成されていることが多く、そのほとんどがクリーンエネルギーへのアクセスがありません。国連（UN）の持続可能な開発アジェンダは、2030 年までにクリーンエネルギーへの普遍的なアクセスを提供する取り組みを確実にすることでこの不公平を軽減することを目指しており（持続可能な開発目標 7）1、そのため、再生可能エネルギーの割合の増加が求められています。

大規模な水資源が豊富な国は、水力発電の利用に理想的な場所ですが、多くの場合、保護と保全が必要な生物多様性のホットスポットです。たとえば、アマゾン、コンゴ、メコン川流域には世界の淡水魚種の 3 分の 1 が生息しており、そのほとんどはその地理的位置に固有のものです2。従来の水力発電計画では、多くの場合、ダムや堰を利用し、川の流れを迂回させたり、貯水池や落差を形成したりして、川の分断の一因となっています。河川沿いに設置された多数の水理構造物と水生環境の急速な変化は、水生生物の移動の障壁を生み出すだけでなく、エネルギーと堆積物の輸送を制限し、例えば、4 つの絶滅の危機を引き起こしました。 –南米の魚種の 10%7。

従来の水力発電への依存を最小限に抑えるには、革新的なソリューションを使用してあらゆる種類の水力発電技術の可能性を探求する必要があります。たとえば、ブラジルのアマゾンに関する調査では、川内タービンが、従来型水力発電の形で設置予定の総エネルギーの約 63% をカバーできる可能性があることが示されました8。垂直軸タービン (VAT) などの流体力学的インストリームタービンは、自由に流れる川の流れの運動エネルギーを、方向転換したり、落差を生成するための水力構造を必要とせずに利用します。これらのタービンは、組み立てられたユニットとして、または部品として輸送されて、現場で組み立てられ、河川のどのセクションにも簡単に設置できます。水力学タービンは、従来の計画と比較して河道の幅と深さがほんの一部しか必要としないため、水生生物が通過できる可能性があり、生物多様性への影響が減少します。さらに、オープンローター設計と VAT の比較的低い回転速度により、魚の衝突リスクが軽減されると考えられています9,10。どちらも水平軸タービン (HAT) と比較した場合に利点があります。

VAT のこれらの明らかな利点にもかかわらず、断面の閉じ込め、流れの状態、およびそれに伴う流体力学的後流の変化が魚の移動行動にどのように影響するかについてはほとんど知られていません。限られた海洋フィールド環境では、底生サンゴ礁の魚と大型の捕食者は、VAT ローターからそれぞれ 0.3 m および 1.7 m 未満に近づくことを避けました9。同様に、ブラウントラウトは実験室規模の VAT を回避する可能性が低く、タービンを回避する行動と認識を示しました11。さらに報告された行動観察には、野外9および実験室10、11のテストにおいて、魚とVAT（ブレードと支持構造）との間の衝突がないことが含まれます。しかし、VAT に応じた行動の適応が、フローの変化との関連で研究されることはほとんどありません。 Berry et al.11 のみが、魚がタービンの後流の低運動量領域と比較して、タービンの両側の高運動量領域を好むことを報告しました。したがって、環境条件、タービンの存在、後流の変化が魚の動きに及ぼす影響を理解するには、さらなる研究が必要です。

この研究では、タービンの動作状態（つまり、静止か回転か）、吐出量（つまり、穏やかか、高か）、および断面閉じ込め（つまり、閉じ込められたチャネル断面と閉じ込められていないチャネル断面）が運動と挙動にどのように影響するかを調査します。ニジマスの稚魚 (Oncorhynchus mykiss; Walbaum、1792) は、世界中のほとんどの国で見られる、広範囲に分布し、部分的に侵入する淡水性のサケ科の種である12。

さまざまな流れ条件、動作状態、水路幅の下でのスタンドアロン垂直軸タービン (VAT) が魚の動きに及ぼす影響を調査するために、\(w_{flume}/ のタービン幅まで水路の 2 つの再循環水路で実験を実施しました)カーディフ大学の水力学施設では、D\) = 2.5 (以下、「狭い水路」と呼びます) および 10 (以下、「広い水路」と呼びます) です。両方の水路で、中央にスケール調整された 3 ブレードモデルの VAT を備えた同様のテストセクションが作成されました。

簡易半自動動作追跡ソフトウェアと視覚的観察を使用して、流れの状態[穏やか(M) vs. 高(H)]およびタービンの動作状態[静止(S) vs. 回転(R)]が魚の遊泳に及ぼす影響を解析します。断面限定試験セクション (\(w_{flume}/D\) = 2.5、狭い水路) での挙動が分析されました。

流れの状態やタービンの動作とは無関係に、魚はほとんどの時間を下流で過ごし（MS: 78%、MR: 75%、HS: 83%、HR: 68%; GLM、p = 0.6395）、最も少ない時間は上流で過ごしました（MS: 22%、図 1A に示すように、タービンの MR: 25%、HS: 17%、HR: 31%、GLM、p = 0.6395) での魚の位置の変化を示す図 2 の散乱密度の増加によって示されています。周波数は1Hz。下流セクション内では、時間の経過に伴う魚の位置を示す密度散布図の黄色で強調表示されているように、魚は側壁の近く、特にテストセクションのコーナー内の最下流に留まるのを好みました（図2）。

(A) タービンの上流 (緑) と下流 (青) で費やされた時間の平均パーセンテージ。 (B) タービン付近で過ごした時間の割合 (\(-2\le x/D\le 2\)、\(-1.25 \le y/D\le 1.25\)、\(-2.5 \ le y/D\le 2.5\) は、狭い水路 (\(w_{flume}/D=2.5\)) と広い水路 (\(w_{flume}/D=10\)) で、使用される領域はそれぞれ水路の幅の差を考慮してスケーリングされる分析の場合、これを「引力」と呼び、この領域の外側を「回避」と呼びます。 (C) 後流 (\(0 \le x/D\le 5\), \(-0.5 \le y/D\le 0.5\)) およびタービンの船首内で費やされた時間の割合を示すヴァイオリンのプロット。テストした各魚の航跡 (\(0 \le x/D\le -2\), \(-0.5 \le y/D\le 0.5\))。狭い水路の場合は MS、MR、HS、HR、広い水路の場合は MS-WF および MR-WF を含む、各処理の結果が表示されます。

テストしたすべての魚の 10 分間のテスト時間にわたる魚の位置を示す散布図。散乱の密度によって輪郭が描かれます。黄色は特定の場所で観察された魚の位置の最高密度を示し、青色は密度が低いことを示します。結果は、狭い水路で分析された 4 つの処理すべて (MS、MR、HS、HR)、および広い水路 (MS-WF、MR-WF) で調査された両方の処理について表示されます。注: MS-WF および MR-WF は、分析される魚の数が減り、追跡分析に使用されるフレームレートが低いため、より少ないデータポイントで構成されます。流れは左から右へ。

タービンが回転すると、魚はテストセクションの左側の隅で過ごす時間がわずかに長くなりました（下流方向を見て、MS：46％、MR：28％、HS：45％、HR：25％）。右側との比較 (MS: 23%、MR: 33%、HS: 35%、HR: 29%)。ただし、これらの観察は治療による影響を受けませんでした (GLM、左側と右側でそれぞれ \(p=0.2089\) と \(p =0.7583\) )。下流でほとんどの時間を水路の壁に沿って費やしたことを考えると、魚が下流の中心内で泳いでいるのはほとんど観察されませんでした（図1C; MS：8％、MR：14％、HS：3％、HR：15％）。タービン後流の低運動量領域 (「方法と材料」セクションの図 6 を参照)。放電やタービンの動作状態はいずれも後流内で過ごす時間に大きな影響を与えませんでしたが（GLM、 \(p=0.195\) ）、タービンが回転したときの魚は、タービンが静止しているときよりもこの領域で過ごす時間が有意ではありませんでした（図1、2、3、4）。これは、川方向の平均速度が低下し、したがって魚のエネルギー消費量が減少することに関連している可能性があります。

(A) 各魚が泳いだ距離の分布 (\(\overline{s}\)) を示す箱ひげ図。黒い太い線は泳いだ距離の中央値を示し、灰色の円は各魚が泳いだ距離を示しています。 (B) 魚がタービンから維持した平均距離 (\(\overline{s}_{turbine}\)) を示す箱ひげ図。太い黒い線は中央値を示し、灰色の星は外れ値を示します。 (C) 0 ～ > 0.15 m/s の範囲の各速度ビン (\(v_{fish}\)) で費やした時間の平均割合。狭い水路の MS、MR、HS、HR (\(w_{flume}/D\) = 2.5)、広い水路の MS-WF および MR-WF (\(w_{流路}/D\) = 10)。 (D) と (E) それぞれタービンの船首航跡 (MR-WF) とタービンの航跡 (HR) を泳ぐ魚を示す移動軌跡の例。カラーバーに示すように、線の色は遊泳速度 \(v_{fish}\) を m/s 単位で示しました。流れは左から右へ。

魚の誘引行動と回避行動を分析するために、タービン付近の内外で費やした時間の割合を図 1B に示します。魚は、タービンの動作状態や流れの状態（GLM、GLM、魅力: \(p=0.1950\)、回避: \(p=0.9658\))。「誘引」時間は、魚が下流領域と上流領域の間を移動するために主にこの領域を使用することによって影響を受けましたが、魚がタービンの近くまたはタービンの船首航跡内を泳ぐことも観察されました（図3D）。しかし、すべての処理中、タービンの船首航跡で泳いだ魚は数匹だけでした（図 1C; 平均パーセンテージ時間: MS: 0%、MR: 2%、HS: 1%、HR: 2%、Z テスト; MS 対 MR: \(p=1.000\)、HS 対 HR: \(p=1.000\)、MS 対 HS: \(p=0.4788\)、MR 対 HR: \(p=0.4996\ ))、この領域内で費やした時間は治療による影響を受けません (GLM、\(p=0.6290\))。

タービンを避けて費やした時間の大部分とテストセクションの下流隅で費やした時間と相関関係にあり、タービンからの平均距離 (\(\overline{s}_{turbine}\)) は約 8 ～ 9 \( L_{fish}\)、図 3B に示すように。タービンからの平均距離は、流量やタービンの動作状態とは無関係でした (GLM、\(p=0.8932\))。下流コーナー内で費やす時間の割合が大きかったにも関わらず、図 2 に示すように、魚はテストセクション全体を移動しました。平均移動距離 (\(\overline{s}\)) は 257、266、185、および 331 \(図 3A に示すように、それぞれ MS、MR、HS、HR の L_{fish}\) であり、HS 処理 (GLM、\(p=0.0090\) と比較して、HR では魚が有意に長い距離 (1.8 倍) を泳ぎました。））。

運動行動は遊泳速度の観点からも調査され、遊泳速度の分布とさまざまな速度で遊泳に費やされた時間の割合が図 3C に示されています。処理に関係なく、魚はほとんどの時間を静止しているか、ゆっくり泳いで過ごしました（遊泳速度 0 ～ 0.03 m/s、GLM、p = 0.08227）。タービンが静止していて回転している穏やかな流れ条件下では、魚はこの速度範囲で同様の時間を泳ぎましたが (MS および MR: 71%)、高流量条件下では、タービンが回転しているときの 0 ～ 0.03 m/s で著しく長い時間を費やしました。タービンが回転したときと比較して静止していました (HS: 84%、HR: 63%、GLM、p = 0.0114)。対照的に、速度 \(\ge\) 0.15 m/s で泳ぐのに費やした時間は、流量とタービンの動作状態に大きく影響されました (GLM、p = 0.0155)。具体的には、HS と HR (GLM、p = 0.0068)、および HR と MR (GLM、p = 0.0045) を比較すると、遊泳速度に顕著な差が見られました。対照的に、タービンの動作状態は、穏やかな流れ条件下で速度 \(\ge\) 0.15 m/s で水泳に費やす時間には影響を与えず (MR 対 MS; GLM p = 0.4928)、流量は影響を与えるパラメータではありませんでした。タービンは静止していました (MS vs. HS; GLM、p = 0.5910)。

分析された他の魚の行動には、ローター領域への進入、上流領域への通過、通過の試み（ニアパスとして示される）、タービンとの衝突の積極的な回避、およびタービンブレードの 1 つからの衝突の経験が含まれます。魚は、HR 条件を除くすべての処理でローター領域に入りました (MS: 10%、MR: 10%、HS: 5%、HR: 0%; z テスト; MS vs. MR、HS vs. HR、および MS対 HS、p = 1.000、MR 対 HR、p = 0.4682)。同様に、処理は下流域から上流域に移動する魚の割合に影響を与えませんでした (MS: 75%、MR: 50%、HS: 65%、HR: 55%; z 検定、MS 対 MR: p = 0.1914、HS 対 HR: p = 0.7469、MS 対 HS: p = 0.7301、MR 対 HR: p = 1.000)。さらに、魚ごとのパス数 (\(P_{fish}\)) が図 4B に示すように記録され、すべての処理で同様の \(P_{fish}\) が示されました (平均 ± sd; MS: 3 ± 4; MR、HS および HR: 2 ± 3; GLM、p = 0.5365)。多数の魚が上流セクションへの通過に成功しましたが、他の魚は通過を試みましたが、テストセクションの中心に到達した後、下流に漂ったり、活発に泳いだりしました（x / D = 0、図4の赤線）。通過を試みた魚の割合 (MS: 20%、MR: 30%、HS: 15%、HR: 35%; z 検定、MS vs. MR: \(p=0.715\)、HS vs. HR: \ (p=0.2733\)、MS 対 HS および MR 対 HR: \(p=1.000\))、同様に、魚あたりのニアパス (\(NP_{fish}\); GLM、\(p=0.6189) \); 図 4C) は治療間で差がありませんでした。回避動作はタービンが回転した場合にのみ観察され (MS: 0%、MR: 35%、HS: 0%、HR: 20%)、これは高流量条件よりも穏やかな条件下で著しく高かった(Z テスト、MS vs. MR: p = 0.0125、HS 対 HR: p = 0.1138、MR 対 HR: p = 0.4788)。同様に、衝突の可能性はタービンが回転しているときにのみ観察され（MS: 0%、MR: 25%、HS: 0%、HR: 5%）、衝突を経験する可能性のある魚の割合は、回転時の放流によってほぼ大きな影響を受けます。タービンは回転しました (MS 対 MR: p = 0.0558、HS 対 HR: p = 1.000、MR 対 HR: p = 0.184)。目立った傷はなく、すべての魚はタービンブレードに密着した後も活発に泳ぎ続けた。実験後、外部および/または内部の損傷について魚を監視しなかったことに注意してください。

(A) 以下の行動を行うことが観察された魚の割合を示すスパイダープロット: タービンの掃引領域への進入。下流から上流セクションへの通過。ニアパス、つまり上流セクションに入ろうとしているが、x/D = 0 を通過する前に下流に漂っているか積極的に泳いでいます。回避、つまりタービンのブレードとの衝突を避けるための突然の動き。ストライク、つまり魚がタービンのブレードに衝突する可能性があります。 (B) 魚ごとの上流パスの分布 (\(P_{fish}\)) と (C) 魚ごとの近傍パスの分布 (\(NP_{fish}\)) は、黒と緑の線で示されたバイオリンプロットとして表示されます。分布の平均値と中央値。結果は、狭い水路で分析された 4 つの処理すべて (MS、MR、HS、HR)、および広い水路 (MS-WF、MR-WF) で調査された両方の処理について表示されます。

空間狭窄の影響は、穏やかな条件下で狭い水路（水路幅：0.3 m、処理：MS および MR）と広い水路（水路幅：1.2 m、処理：MS-WF および MR-WF）で泳ぐ魚を比較することによって調査されました。流れ条件と両方のタービン回転状態 [静止 (S) および回転 (R)] (「方法と材料」セクションを参照)。ここでは、広い水路のテストセクションの横方向の長さは狭い水路の幅の 4 倍であり、魚がタービンの周りを通過するためのより多くのスペースを提供しますが、深さ平均速度と水深は同じです。横方向の詰まりの違いを考慮するため、水路幅 (\(w_{flume}\)) によって次元化されていない結果が、タービンから維持される距離 \(\overline{s}_{turbine}\) を括弧内に追加されています。、泳いだ距離、\(\overline{s}\))。

限られた水路条件（狭い水路）では、魚は下流で最も多くの時間を費やし、上流で最も少ない時間を費やしますが、側方スペースの増加により、タービンの動作状態に関係なく、上流で費やす時間の割合が高くなりました（MS: 22%、MR: 25%、図 1A に示すように、MS-WF: 60%、MR-WF: 40%)、空間条件の重大な影響が強調されています (GLM、上流時間の割合: p = 0.0044、下流時間の割合: p = 0.0045)。特にタービンが静止している場合（MS および MS-WF）、上流と下流で費やされる時間は 2 つの水路間で大きく異なりました（GLM、それぞれ p = 0.0012 および p = 0.0012）。図 2 に示すように、タービンの下流では、水路の幅に関係なく、魚は水路の壁に沿ってほとんどの時間を過ごしました (左: MS: 46%、MR: 28%、MS-WF: 27%、MR-WF: 48) %、GLM、p = 0.1672; RHS: MS: 23%、MR: 33%、MS-WF: 12%、MR-WF: 11%、GLM、p = 0.0591)。したがって、図1Cに示すように、魚はテストセクションの下流中心内で過ごす時間が短くなりました（MS：8％、MR：14％、MS-WF：1％、MR-WF：1％、GLM、p = 0.2934）。）および図2。魚の長さはタービンの後流内で費やす時間に影響を与え、体が大きい個体ほど低運動量領域内でより多くの時間を費やします（GLM、推定値：1.1228、標準誤差：0.2671、\(p<\) 0.001; 「方法と材料」セクションの図6)。

狭い水路のテストケースと同様に、広い水路のタービンの船首航跡内で魚が泳ぐことも観察されました (MS: 35%、MR: 40%、MS-WF: 5%、MR-WF: 11%)。空間的障害は、タービンが静止しているとき（MS 対 MS-WF; z 検定、p = 0.0572）、またはタービンが回転しているとき（MR 対 MR-WF）、船首航跡で泳ぐのが観察された魚の数に大きな影響を与えませんでした。 ; z 検定、p = 0.0818)。船首航跡に費やした時間は個人によって大きく異なりましたが（図 1C）、費やした時間の割合は魚の標準体長（GLM、p = 0.6961）や処理（GLM、p = 0.5156）の影響を受けませんでした。

タービンの動作状態や断面積 (GLM、\(p< 0.001\)) とは無関係に、魚は屋外で過ごす時間が大幅に長くなりました (MS: 86%、MR: 86%、MS-WF: 98%、MR-WF: 6%; GLM、p = 0.0942）は、タービン付近の内部（MS: 14%、MR: 14%、MS-WF: 2%、MR-WF: 6%、GLM、p = 0.0962）よりも高く、回避行動を示しています（図1C）。タービンが静止している場合にのみ、タービン付近で過ごす時間は水路間で大きく異なりました (MS vs. MS-WF; GLM、p = 0.0424)。

平均すると、MS-WF の方が平均遊泳距離が長いことが明らかで、他の治療法のほぼ 2 倍でした (MS: 257 \(L_{fish}\) (50 \(w_{flume}\))、MR : 266 \(L_{fish}\) (50 \(w_{flume}\))、MS–WF: 489 \(L_{fish}\) (80 \(w_{flume}\))、MR–WF : 230 \(L_{fish}\) (30 \(w_{flume}\)))、断面の閉じ込めとタービンの動作状態の重大な影響を強調しています (GLM、\(p<0.001\)) (図.3A）。より具体的には、非密閉条件下では、タービンが回転するよりも静止しているときの方が、魚はより長い距離を移動しました（MS-WF 対 MR-WF; GLM、\(p<0.001\)）。ただし、魚の標準体長は泳いだ距離に有意な影響を与えませんでした (GLM、p = 0.75421)。幅の広い水路の場合には横方向のスペースが増加し、魚が下流のコーナー内でほとんどの時間を費やしたという観察結果と一致しているため（図 2）、タービンから維持される平均距離は 13 および 14 に増加しました \(L_{ MS-WF と MR-WF ではそれぞれ、fish}\) (2 \(w_{flume}\))、MS では 8 \(L_{fish}\) (2 \(w_{flume}\)) でした。およびMR（図3C）。したがって、スペースが増えると、タービンとは関係なく、魚はタービンからより遠くまで泳ぐことになります（GLM、MR vs. MR-WF: \(p<0.001\) および MS vs MS-WF: \(p<0.001\)）。動作状態 (GLM、MR 対 MS: p = 0.6623 および MR-WF 対 MS-WF: p = 0.1499)。これは魚の標準体長にも影響されました (GLM、p = 0.0043)。

水泳速度は、記録された水泳速度の密度分布とこれらの速度で費やした時間の割合を比較することによって分析されました（それぞれ図3C）。魚は、処理の影響を受けずに、0 ～ 0.03 m/s の遊泳速度 (MS: 71%、MR: 71%、MS-WF: 49%、MR-WF: 51%) でステーションを保持するか泳ぐことが最も多かった (GLM、p) = 0.0992) と魚の標準体長 (GLM、p = 0.2397)。密閉された条件下では、魚はこれらの速度で同じ時間を泳ぎましたが（MS と MR: 71%）、密閉されていない条件下では、タービンが静止している場合、より低い速度で泳ぐ時間は大幅に短くなりました（MR-WF と MS-WF。 GLM、p = 0.0134)。対照的に、処理は、0.15 m/s を超える遊泳速度で過ごす時間に有意な影響を与えましたが (GLM、\(p<0.001\))、魚の標準体長は有意ではないパラメーターでした (GLM、p = 0.5291)。タービンが静止しているとき (MS 対 MS-WF; GLM、\(p<0.001\)) およびタービンが回転しているとき (MS-WF) の拘束条件と比較して、拘束されていない条件では、かなり多くの時間が高速で費やされました。対 MR-WF; GLM、\(p<0.001\))。

魚は、MR-WF 条件を除くすべての処理でローター領域に入りました (MS: 10%、MR: 10%、MS-WF: 5%、MR-WF: 0%; z 検定、MS vs. MS-WF) ：p = 0.9793、MRおよびMR-WF：p = 0.4908）（図4A）。一方、ストライクは、横方向の詰まりとは無関係に、タービンが回転したときにのみ観察されました (MS: 0%、MR: 25%、MS-WF: 0%、MR-WF: 5%、z テスト、MS)対 MS–WF: p = NA および MR 対 MR–WF: p = 0.2064)。同様に、回避動作はタービンが回転している場合にのみ観察され、密閉されていない条件下では回避する魚の数が大幅に減少しました（MR: 25%、MR-WF: 5%; z 検定、MR 対 MR-WF: p = 0.0151 ）。

最も頻繁に観察された行動は、上流の峠と峠付近でした。タービンの動作状態や断面の閉じ込めとは無関係に、同様の数の魚が上流セクションに流入しました（MS: 75%、MR: 50%、MS-WF: 89%、MR-WF: 63%; z テスト、 MS 対 MS-WF: p = 0.4473 および MR 対 MR-WF: p = 0.6134)、上流への通過を試みました (MS: 20%、MR: 30%、MS-WF: 5%、および MR-WF: 5) %; z 検定、MS 対 MS-WF: p = 0.3698 および MR 対 MR-WF: p = 0.1108)。通過した魚の数と通過を試みた魚の数と一致して、魚あたりの通過数 (MS: 20%、MR: 30%、MS-WF および MR-WF: 5%、GLM、p = 0.1325、図 4B) ）および魚あたりのニアパス数（平均値±標準偏差、MS: 1 ± 2、MR: 1 ± 1、MS-WF: 0 ± 1、MR-WF: 0、GLM、p = 0.7544、図 4C）タービンの運転状態や断面閉じ込めの影響を受けませんでした。しかし、魚の標準体長は魚あたりの近通過回数に影響し、体が大きいほど上流域への通過を試みる可能性が高くなります（GLM、推定値：0.04049、標準誤差：0.01708、p = 0.0202）。

ハードエンジニアリングのインフラストラクチャーの代替として、河川内タービンによる小規模水力発電は、遠隔地コミュニティに十分な分散型のクリーンエネルギーを生成する可能性があります。しかし、垂直軸タービン (VAT) の存在と河川流の流体力学の変化は、水生生物の動きを変えることで独特の水生環境に影響を与える可能性があります。したがって、私たちは、流量、タービンの動作状態、断面閉じ込めの影響を研究する一連の実験を通じて、単一の VAT が魚の動きに及ぼす影響を調査しました。

最も重要なことは、魚が試験セクションの下流端で放流された一方で、タービンの存在、動作、流れの状態、および断面の制限によって魚が上流領域に入るのを妨げることはなかったということです。しかし、すべてのテスト条件下で、魚はタービンとその後流の周囲の近接領域を回避する行動を示し、したがってタービンとの相互作用は制限されました。テストセクションの断面積を増やすと、タービンからの距離がさらに長くなり、タービンの後流の外側で過ごす時間が長くなりました。しかし、観察された行動 (つまり、進入、追い越し、追い越し間近、衝突、回避) は、断面閉じ込めの影響を受けませんでした。

流量とタービンの動作状態の影響は、タービンの性能を向上させるために、狭い川の断面、岩石9、ダクト13、14、またはアレイ15、16の間にタービンを配置するときに自然に生じる可能性のある断面限定条件（狭い水路）の下で検査されました。

放流やタービンの動作状態とは無関係に、魚はほとんどの時間を下流セクション内、特に側壁に沿って下流の最下流コーナーで過ごしました。したがって、タービンの後流を泳いだ魚はほんの数匹だけでした。ただし、下流で過ごす時間の大部分は、テストセクションの下流中心内で魚が放流されること、魚が捕食者から身を守ること、および/または魚が下流付近の低速領域で避難所を探すことによって影響を受ける可能性があることを考慮する必要があります。水路の壁と整流装置。密閉されていない海洋環境に設置された海洋タービン支持構造物の後に魚が留まることが以前に観察されていたため、この観察は予想に反していた17,18。タービン後流への吸引力が制限されているのは、ポンプの設備によって制限された上部試験吐出量が低いためである可能性があります。さらに高い放流環境（つまり、より高い流入流）にさらされた魚は、タービン後流などの低運動量領域を使用して避難し、エネルギー消費を節約すると予想されます。この仮説を検証するには、より高い流量条件下での魚の空間挙動を調査する追加の実験が必要になるでしょう。さらに、タービン後流への引力が低いのは、タービンブレードによって剥がれ落ちた三次元乱流構造の結果である可能性があり、高い乱流運動エネルギーとレイノルズせん断応力のポケットが形成されます16（図6）。これまでの研究では、魚が渦度、レイノルズせん断応力、乱流運動エネルギーの高い領域を回避することが示されており 19,20、コヒーレント渦が魚を不安定にする能力を強調していた 19,21。観察された乱流の伴流領域の回避行動を利用することで、魚を川内の障害物から遠ざけることができ、魚と水車の接触とその後の傷害をさらに最小限に抑えることができる可能性があります。渦を利用して魚をタービンの入口から遠ざける同様のアプローチが現在研究されています22。それにもかかわらず、例えば粒子画像流速測定、レーザードップラー風速測定、または数値モデリング（例えば、大渦シミュレーションや機械学習23）を使用して、魚とこれらの高エネルギー渦との間の相互作用を定量化するには、さらなる知識が必要となるでしょう。さらに、魚は騒音や視界のためにタービンの後流を避ける可能性がありますが、圧力の変化によってタービンを避けるとは考えられません。タービンによる圧力場の変化は、主にタービン後流で放出される渦によって発生し、静水圧の変化によって発生するものではないため、非常に小さいです。

興味深いことに、重要ではありませんが、少数の魚 (5 ～ 40%) が船首航跡でタービンのすぐ上流を泳ぎました。これまでのところ、この挙動は D 形シリンダーなどの静止した絶壁障害物についてのみ報告されています 24、25、26。 D 形シリンダーの船首後流は、流れ方向の速度が低く、圧力が高いという特徴があります 24 が、タービンは流れ方向の圧力降下を低減する多孔質体です。この地域を泳ぐニジマスは、尾拍周波数、体波速度、体曲率を低下させて泳ぎ、エネルギー消費量の減少を示しています24。船首航跡は魚のストローハル数（魚の長さに基づく）が低いという特徴があり、遊泳効率が最適ではないことを示していますが、この領域で観察されたエネルギー消費量は、「船首航跡」が位置を維持するための独特の遊泳メカニズムであることを示唆しています。カルマン歩行24に似ています。

タービンの後流に関連する潜在的な回避効果に加えて、タービンから大きな距離が保たれ、ほとんどの時間をタービン付近の外で過ごしたことが示すように、魚はタービン構造を避けました。同様に、小型水平軸タービン（タービン直径 D = 0.25 m、先端速度比 TSR = 5、回転速度 20 rpm）が Oryzias latipes、Gnathopogon elongatus、および Rhodeus ocellatus ocellatus に及ぼす影響を調査した室内研究が報告されました。魚の 71% がタービン領域を避けるか、タービンから泳いで逃げたということです27。

タービンとその後流を避けたにもかかわらず、魚は下流と上流の両方の領域を含むテストセクションの流れ方向の長さを泳ぎました。狭い水路のテストセクションを探索している間、魚の 50% 以上が処理の影響を受けずに下流から上流領域に少なくとも 1 回通過しました。ヨシダらによっても観察されたように、上流の通過が最も一般的な行動であった 28。通過行動は種によって異なりますが、これまでのところ回遊魚種についてのみ研究されています。たとえば、アトランティックサーモン (Salmo salar) は、ブラウントラウト (Salmo trutta)11 やアメリカンシャッド (Alosa sapidissima)10 よりも頻繁にモデル VAT を通過しました。 Berry ら 11 はまた、魚がローター領域を通過するよりもタービンの周囲を通過することを好むことを強調しており、これはここで提示された結果と一致しています。対照的に、カストロ・サントスとハロ10は、下流に回遊するタイセイヨウサケのスモルトの72％が限られた水路（\(w_{flume}/D\) = 2）内のVATローターの上、下を通過したが、そのうちの28％はわずか28％であったと報告した。 % がタービンの周りを通過し、スモルトが積極的に取り込まれたり、タービンに引き寄せられたりすることに潜在的に関連しています。タービンの周りの通過行動は魚の体形と関連しており、紡錘形（高くて薄い形状、体の幅が小さい）の魚と比較して、圧縮形（魚雷の形）の魚はタービンから最も遠い隙間を通過します9。

今回の研究で観察されたもう1つの行動は、魚がローター領域に進入することであり、これはタービンが高流量条件（すなわちHR）で回転した場合を除くすべての処理中に発生した。サンゴの間に設置された螺旋状の海洋 VAT についても同様の観察が報告されており、低流速とタービン回転速度でのみ魚がローター領域に進入することが示されました9。さらに、ダクト付き河川タービンの調査では、タービンが回転すると、静止状態と比較してローター領域に侵入する魚が 35% 少ないことが示されました 29。

今回の研究では、タービン回転時に魚個体とタービンとの衝突の可能性、タービンブレードとの直接衝突を避けるための回避動作は、それぞれ全個体の5～25％と0～35％のみに観察された。回避動作は幅広い種で観察されており、タービンから遠ざかるバースト泳ぎやタービンブレード近くでの突然の動きを特徴としています9。ここで観察された濃厚接触者の数の少なさは、モデル VAT では衝突や濃厚接触がなかったと報告した Hammar ら 9 と Berry ら 11 による研究と一致しています。衝突リスクは、魚をタービンからそらす後流の変化によって影響を受けると考えられていますが、自然条件下では、他の環境要因（騒音、濁りなど）も衝突リスクに強く影響します28。風車への近さは魚の性格にも依存する可能性があり9,11、より大胆で探索的な魚は風車に近づくかローター領域にさえ入り、内気な個体はより長い距離を保ちます。魚とタービンの相互作用（例、進入、衝突、回避）も魚の遊泳能力に関連しています27。鱗状の HAT の影響を調べた実験室研究では、最大遊泳速度がタービンの先端速度を超えたため、Gnathopogon の細長い動物がタービンの近くでより活動的であることが示されました。対照的に、遊泳速度が遅い魚や、Oryzias latipes や Rhodeus ocellatus ocellatus など、底の近くで泳ぐことを好む魚は、ローターの近くで泳ぐことを避け、その結果、タービンの相互作用が減少しました27。

ほとんどの実験室研究では、断面が閉じ込められた実験室条件下で流体力学タービンの影響が調査されていますが、タービンの断面閉じ込めが魚の動きに及ぼす影響を調べた研究はわずか 9 です。

試験セクションの下流端で放流されたにもかかわらず、魚は上流の広い水路でより多くの時間を過ごしました。下流セクションでは、魚は自由流の速度を特徴とする水路の壁の近くでほとんどの時間を過ごしました。密閉条件と同様に、魚がタービン後流内で過ごす時間は最も短くなりました。したがって、魚は低運動量領域よりも自由流領域を好みました。

同様に、断面が限定された条件に比べて、限定されていない条件下では、魚がタービン付近で過ごす時間が短くなり、魚がタービン付近の領域を回避するという仮定がさらに強化されました。 2 つの閉じ込め条件間でタービン付近で過ごす時間の差は、狭い水路の下流と上流のセクション間を移動するためにこの領域を通過する魚に起因すると考えられます。タービン領域の回避の増加は、利用可能な遊泳スペースの増加により、制限のない空間条件下でタービンから維持される距離が大きくなったということにも反映されています。しかし、遊泳スペースの増加は、タービンが回転しているとき（MR-WF）、遊泳距離の増加にはつながりませんでしたが、タービンが静止しているとき（MS-WF）のみであり、横方向の間隔が影響を与える唯一の支配的な要因ではないことを示しています。魚の遊泳行動。

魚が広い水路のタービン付近で過ごす時間はさらに短かったが、同程度の数の魚がローター領域に入り、攻撃を受ける可能性があり、回避動作を示していることが観察された。同様に、横断面が増加しても、上流を通過する魚の数や上流を通過しようとする魚の数は増加しませんでした。

その結果、横断面の増加により、魚がタービンまたはその後流の近くで過ごす時間が減少し、より大きな回避を示しましたが、これは魚の行動には反映されませんでした。このセクションの結果は決定的ではないため、アレイ内のタービン間、またはタービンと閉じ込め（ダクト、岩など）の間に必要な理想的なスペースを定義するために、魚の動きに対する横方向の閉じ込めの影響をよりよく理解するには、さらなる研究が必要となるでしょう。。

魚の行動実験の一般化、移転可能性、比較可能性、および河川、河口、および海洋環境で展開された本格的な流体運動学的 VAT に対応する結果には限界があります。魚の行動研究は、川や河口などの自然の濁りを無視して、きれいな精製水を使用した単純化された実験室条件下で実施されました。水の濁度は魚の視覚に影響を与える重要な要素である可能性があり、魚の行動に影響を与える可能性があります。さらに、実験は強い照明条件下で行われました。魚の動きに対する VAT の影響を包括的に評価するには、例えば暗い条件など、さらに光と濁りの条件をテストする必要があります 10,11。 HAT を調査した研究では、暗い条件下ではより多くの魚がタービンを避け、泳ぎ去り、タービンに近づく頻度が減るという特徴を持つ回避行動の増加が報告されています 27。この観察された動作は、ブレードを視覚的に検出できないことに関連していると考えられました27。

利用可能な水路サイズに合わせて実験セットアップをスケーリングする必要があるため、別の研究制限が生じます。調査対象の障害物の流れの状態と形状は、それぞれフルード法則とレイノルズ法、および幾何学的なスケーリング法則を使用してスケーリングできますが、適切な魚のサイズや魚のスケーリングを決定することは依然として困難です。たとえば、アロメトリックスケーリングは、形態学的、生理学的、および生態学的特性に従って魚のサイズまたは質量をスケールするために適用できます30。さらに、幾何学的スケーリングは、質量 \(\sim\) 体積を仮定して、長さを体積に、表面を体積に適切にスケールすることがわかりました31。魚のサイズを実験設定の規模に合わせて調整すると、さまざまなライフステージが使用される可能性があり、その結果、過去の経験、騒音、捕食者、摂食などに応じて行動の反応にかなりの変化が生じる可能性があります。および流体力学32。特定のライフステージを使用する場合は、生物学的なタイミングも考慮する必要があります。

実験設定によりさらに制限が生じました。テストセクション全体を撮影するために、他の実験室の設備と衝突する高さに 1 台のカメラが設置されたため、画像が歪んで歪んでしまいました。遊泳経路と遊泳速度の分析を改善するには、ステレオビジョンカメラシステムやトップビューカメラとサイドビューカメラの組み合わせを導入して、3D 魚の位置を抽出できます。タービンの上流および下流の 3D 流れ場を定量化するための高忠実度シミュレーションまたは他の高度な測定技術 (PIV など) と組み合わせた 3D トラックは、水泳速度、水泳モード (バースト/持続水泳、ステーションなど) を抽出するのに有利である可能性があります。ホールド、ドリフト）、および泳ぐ方向（例、上流/下流に積極的に泳ぐ）。

垂直軸インストリームタービン（VAT）の使用の可能性を分析するために、私たちは一連の実験室での大規模な実験を通じて、魚の動き（ニジマスの稚魚）に対する単一のVATの影響を調査し、放流とタービンの動作状態の影響を研究しました。そして断面閉じ込め。

私たちの結果は、タービン自体に近いタービンの両側に生成される高速領域を通過する必要があるにもかかわらず、断面制限下で VAT を展開しても、魚が下流セクションと上流セクションの間で移動することを妨げないことを示しました。魚と水車の相互作用は限定的であり、魚が水車を回避していることを示しています。同様に、魚はタービンの後流内で限られた時間を過ごし、乱流の低運動量の後流領域には魅力を示さなかった。タービンの動作状態も流量の増加も、限定された試験条件下で観察された遊泳挙動に変化はありませんでした。タービン周囲の断面空間を大きくすると、タービン付近および後流内で過ごす時間がさらに短縮され、それに伴いタービンからの距離も長くなります。タービンの回避が強化されたにもかかわらず、魚がタービンに入る、通過する、通過しようとする、衝突する、回避するという点では、限定されたテスト条件下と同様の挙動が観察されました。

観察されたタービン自体とその後流の魚の回避行動を考慮して、生息地の接続性と回遊ルートを維持するために、主要な河道内でのタービンの位置、複数のタービンとその閉じ込めの間の横方向の間隔を慎重に考慮する必要があります。さらに、タービン騒音や視界など、回避行動を引き起こす可能性のあるパラメータをさらに調査する必要があります。断面が限定された試験条件下では魚がタービンを通過するのは妨げられなかったが、タービンの周囲に広いスペースを設けることで魚とタービンの相互作用がさらに減少し、魚の動きに対する付加価値税の影響や魚の衝突のリスクが軽減される可能性がある。しかし、可能な限り最高のエネルギー生成を達成しながら魚の動きを損なわないように、河川内でタービンを適切に配置するためのガイドライン（横方向と縦方向の間隔など）を開発するには、さらなる研究が必要となるだろう。

魚の行動実験は、カーディフ大学（英国）の水力環境研究センターの水力学研究室で実施されました。すべての実験は、関連するガイドラインおよび規制に従って実施され、カーディフ大学動物倫理委員会によって承認され、ARRIVE ガイドライン 33 に従って内務省ライセンス PPL 303424 に基づいて実施されました。

最初の実験は、長さ 10 m、幅 0.3 m、深さ 1/1000 の縦方向の河床勾配を持つ再循環水路で行われました (以下、狭い水路と呼び、「断面限定条件」と呼びます;図 5A)。。高さと直径 D = 0.12 m の 3 ブレードの単一 VAT (図 5C; 詳細は Müller et al.16 を参照) を水路入口の約 4.4 m 下流に設置し、最適な先端速度比 1.934 で運転しました。。シャフトと水路床を接続し、魚と水路床のコントラストを高めるため、水路床に厚さ約10mmの白色塩ビ板を貼り付け、水車との接続用ベアリングを一体化しました。

狭い水路 (\(w_{flume}/D\) = 2.5) (A) と広い水路 (\(w_{flume}/D\) = 10) (B) での実験装置の写真。流れ方向の様子を示しています。直径 D の単一垂直軸タービンの位置。(C) に示す垂直軸タービンは、水路入口の約 4.4 m 下流の水路の横方向中心内に位置し、反時計回りに回転しました。すべての写真は上流方向を向いています。

魚に対する断面閉じ込めの影響を調べるために、同じ河床勾配を持つ長さ 10 m、幅 1.2 m、深さ 0.3 m の水路 (以下、ワイド水路 [WF] と表記し、「断面非閉じ込め状態」として；図５Ｂ）。狭い水路と同様に、同様の寸法と回転方向の VAT が水路入口の約 4.4 m 下流の水路の横方向中央に設置されました。バルク速度と流れの深さは、テスト間の比較を可能にするために、狭い水路と広い水路で一定に保たれました。

両方のテストセクションは、テストセクションの両側に配置された 2 つのスポットライト (Neewer Bi-Colour LED) で照明され、日陰の領域を最小限に抑え、均等な配光を確保しました。すべての実験は、部屋の天井に取り付けられた LED ライトからの周囲光条件下で行われました。

魚の遊泳行動を監視するために、バウマーカメラを水路の上に取り付け、サイズ 600 \(\times\) 2352 ピクセルと 2048 \(\times\) 2000 ピクセルの一連のモノクロ tif 画像を約 80 fps と 55 fps で記録しました。それぞれ狭い水路と広い水路。光の反射が画質に影響を与えるのを防ぐために、厚さ 10 mm の透明なパースペックス板が水面の上に取り付けられました。さらに、水路の左側に配置され、三脚に取り付けられた GoPro Hero カメラ (バージョン 5、7、9; 60 fps、1080 \(\times\) 1920 ピクセル) を使用して、試験部を側面から見た図。

狭い水路 (\(w_{flume}/D\) = 10) での実験は 2 つの流れ条件で実施されました。「穏やか」として示されます (M; Q = 13 \(ls^{-1}\); h = 0.23 m) と「高」(H; Q = 17 \(ls^{-1}\); h = 0.23 m)、および 2 つのタービン動作状態: 「静止」(S; 0 rpm) と「回転」として示されます。 " (R; 13 \(ls^{-1}\) ではそれぞれ 58 rpm と 75 rpm)。対照的に、広い水路での実験は「穏やかな」条件下でのみ行われました。 2 つの水路間の比較可能性を確保するために、広い水路では流れの深さ h = 0.23 m を維持し、一方、流量は Q = 53 \(ls^{-1}\) に適合させて U = 0.19 の体積速度を確保しました。両方の水路で \(ms^{-1}\) です。吐出量 (Q) と流れの深さ (h) は、狭い水路と広い水路に対してそれぞれ 30 \(ls^{-1}\) と 60 \(ls^{-1}\) の容量を持つポンプによって調整されました。それぞれの水路の下流端にテールゲート堰を設置し、実験全体を通じて一定に保ちました。流深さは±0.1 mmの精度でバーニアポインタゲージを使用して測定され、吐出量は±1.5%の精度で超音波流量計（TecFluid Nixon CU100）で測定されました。

実験の前後に、約 50 匹の魚をカーディフ大学水族館の再循環水産養殖システム (RAS) 内の 60 ～ 80 リットルの水槽に入れ、12 時間:12 時間、14 ± 0.5 °C に維持された温度管理された室内に密閉しました。明暗サイクル。このシステムには、バグフィルターとドラムフィルター (ポール協力社) が統合されているほか、サンプタンク内のプラスチックバイオメディアと UV 滅菌システムも備えています。水温と酸素レベルは常に監視され、亜硝酸塩レベルは水質検査キット (Nutrafin) を使用して毎週検査されました。魚には毎朝、市販のマスのペレットを与えた。

実験の開始前に、魚はカーディフ大学の水力施設にある一時保管タンクに輸送されました。保持タンクは 500 l の脱塩素水 (Seachem Prime 濃縮コンディショナー、Tetra AquaSafe) で構成され、外部フィルター (Aquamanta、EXF 600) を備え、常に再循環され 13 ± 1 °C (D-D The Aquarium Solution、DC 750) に冷却されました。。タンクは複数の外部エアポンプ (例: Tetratec Aps 400) によって通気されました。周囲光を手動で操作するため、魚は 14 時間:10 時間の暗所と明所のサイクルで維持されました。実験に応じて、魚は水槽内または浮遊メッシュケージ内で自由に泳ぎ続けました。

カーディフ大学水族館内のすべてのタンクとケージ、および水力設備には、避難所 (植木鉢など) を提供し、ストレスを最小限に抑えるための環境強化物が装備されていました。施設と水槽の間で魚を扱ったり輸送したりするとき（移動時間は最大 20 分）、ストレスを最小限に抑えるために特別な注意が払われ、移動後少なくとも 24 時間は魚を回復させました。

試験当日、試験区間の最下流端の中央にある水路に魚を導入し、20分間の順応期間を与えた。この間、最初の 10 分間で試験放流レベル (軽度 = 13 \(ls^{-1}\) まで) まで放流量が 5 分ずつ増加する一方で、魚は試験セクション全体を探索することができました。、高値 = 17 \(ls^{-1}\))、その後、試験退院時に 10 分間の順応を行った。下流のテールゲート堰は常に、均一な流れ条件に設定された所定の高さに固定されたままでした。順応後、漁網で魚を捕獲し、パースペックス板を水面上に設置した。その後、本水路の中心線にある試験区間の最下流端で魚を再放流した。各試行は 10 分 30 秒続きました。記録に追加された 30 秒は、魚の取り扱いとリリース、および各試行の開始時のパースペックスプレートの洗浄を考慮して分析から除外され、合計分析時間は T = 600 秒となりました。。

テスト中、人間の介入は可能な限り避けられ、魚がフェンスに衝突した場合にのみ行われました。これは放流直後、試験の設定に使用された最初の 30 秒以内に発生することがよくありました。この場合、魚は慎重に泳ぐように促されるか、整流板を軽く叩いて整流板から外されます。整流器に繰り返し衝突した場合、実験は終了し、魚は試験セクションと分析から取り除かれました (除外された魚の数 \(N_{excluded}\) で示されます)。

試験終了後（10 分 30 秒）、魚の重量を測定し、保持タンクに戻しました。各テストシリーズの終了後、魚はカーディフ大学水族館の RAS に戻されました。

テスト中に、次のパラメータが記録され、分析されました。

テストセクションの空間使用状況を分析するために、各画像シリーズがビデオに変換され、JWatcher v.1.0 を使用して分析されました。試験セクションは、狭い水路と広い水路に対してそれぞれ 30 象限と 70 象限に分割されました。これらの象限は上流領域と下流領域に均等に分布していました。各象限について、費やした時間 (\(t_{spent}\)) が手動で記録され、合計分析時間の割合 (\(T=600\) 秒) が計算されました。

以下のパラメータは、記録された時間の割合に基づいて決定されました。

上流で費やした時間の割合 (-5\(\le x/D\le\)0、狭い水路: \(-1.25\le y/D\le 1.25\) または広い水路: \(-5 \le y/ D\le 5\)) および下流 (\(0 \le x/D\le 5\)、狭い水路: \(-1.25 \le y/D\le 1.25\) または広い水路: \(-5 \タービンの le y/D\le 5\))

中央 (\(0 \le x/D\le 5\)、\(-0.5 \le y/D\le 0.5\))、左 (\(0 \le x/D\) で泳いでいる時間の割合le 5\)、狭い水路: \(-1.25 \le y/D\le -0.5\) または広い水路: \(-5 \le y/D\le -0.5\)) および右手 (\( 0\le x/D \le 5\)、狭い水路: \(0.5 \le y/D\le 1.25\) または広い水路: \(0.5 \le y/D\le 5\)) 下流側セクション

風車のすぐ上流を泳いでいる時間の割合（ここでは船首覚醒と呼びます; \(-2 \le x/D\le -0.5\), \(-0.5 \le y/D\le 0.5\)）

(\(-2 \le x/D\le 2\)、狭い水路: \(-1.25 \le y/D\le 1.25\)、または広い水路: \(-2.5 \le y/) で泳いだ時間の割合D\le 2.5\)) および外側 (\(-2 \le x/D\ge 2\)、狭い水路: \(-1.25 \le y/D\ge 1.25\) または広い水路: \(-2.5タービン付近の \le y/D\ge 2.5\)) (ここではそれぞれ回避と吸引と呼びます)

タービンの近く（吸引）とタービンから離れて（回避）に費やされる時間が計算され、断面積の増加を考慮して広い水路に合わせて調整されたことに注意してください。

魚の位置は、半自動のオープンソース追跡ソフトウェアである Kinovea v0.8.15 を使用して抽出されました35。エラーが発生しやすいため（日陰のエリア、水路の壁の近くを泳ぐ魚、テストセクションを漂う粒子など）、狭い水路と広い水路ではそれぞれ 2 fps と 1 fps の低いフレームレートを使用してビデオが作成されました。、フレームを手動で修正することでこのようなエラーを軽減します。各フレームについて、魚の流れ方向 (x) と横方向 (y) の位置が記録され、ソフトウェアから抽出されました。次に、MS Excel と Matlab 2019a、b、2020a を使用してデータを分析しました。分析の前に、抽出された魚の位置は、キャリブレーション誤差を考慮してスケーリングされました。補正された座標に基づいて、ピタゴラスの定理を使用して各魚が移動した合計距離 (\(\overline{s}\)) を推定しました。同様に、魚とタービンの間の平均距離 (\(\overline{s}_{turbine}\)) が時間の経過とともに推定されました。

遊泳速度は、フレーム間の移動距離 ((ii) で説明) と対応する時間ステップ (\(v_{fish}=s/\Delta t\)) に基づいて決定されました。このアプローチは経時的な遊泳速度の推定値を提供しますが、航跡速度は MR-WF 処理でのみ記録されているため、魚の方向 (つまり、魚が活発に泳いだか下流に漂流したか)、遊泳深度、および局所流速は無視されます。計算された速度に基づいて、事前に定義された水泳速度範囲で費やした時間が計算されました。

データセットの分析中に、さまざまな行動が定義され、記録されました 28,36。調査された行動を表 1 に示し、視覚的に示します。さらに、提供された短いビデオクリップは個々の行動を示しています。簡略化の目的で、魚あたりの上流通過の数と魚あたりの上流通過の割合を「通過行動」という用語にまとめました。同様に、「運動挙動」という用語も使用されました。これは、タービンから移動して維持される距離、および観察された遊泳速度の範囲を指します。

合計 2 つの実験研究が実施され、英国のバイブリートラウト養殖場から供給され、ジェネリックモデル種として選ばれた個々のニジマスの稚魚 (Oncorhynchus mykiss、Walbaum 1792) に対する単一の VAT の影響が調査されました。

狭い水路で行われた最初の研究では、個々の魚を 2 つの放水 (軽度: Q = 13\(ls^{-1}\) と高度 17\) にさらすことにより、放流とタービンの動作状態が魚の動きに及ぼす影響が調査されました。 (ls^{-1}\)) と、狭い水路内での限定試験条件下での 2 つのタービン動作状態 (回転および静止)。さまざまなテストの組み合わせにより、MS (軽度の静止)、MR (軽度の回転)、HS (高静止)、および HR (高回転) の 4 つの処理が行われました。

魚の通過行動試験は、2020年11月23日から12月1日の午前8時から午後5時まで実施されました。各処理について、\(N_{tested}\) = 20 匹のニジマスの稚魚を検査した結果、平均標準体長 ± sd、57.0 ± 5.9 mm、平均全長 ± sd、66.8 ± 6.9 mm、平均質量±SD、3.1±0.9g。検査された魚の数 (\(N_{tested}\))、除外された魚の数 (\(N_{excluded}\))、分析された魚の数 (\(N_{analysed}\)) および質量 (m) の概要。標準長さ (\(L_{fish}\)) と合計長さ (\(L_{fish, total}\)) は、「方法と材料」セクションに記載されています。各処理について試験した魚は、魚の標準体長 (GLM、p = 0.7904)、全長 (GLM、p = 0.5691)、および質量 (GLM、p = 0.1281) において有意な差はありませんでした。

各魚は単一の処理のみを受けたため、処理の順序はランダム化されませんでした。最初に MS 治療がテストされ、次に MR、HS、HR がテストされました。各テストについて、「方法と材料」セクションに記載されているパラメータは、得られた一連の画像を使用して分析されました。

統計分析は、R v.3.6.3 統計ソフトウェアを使用して実行されました。ガウス一般線形モデル (GLM) を使用して、上流と下流の時間の有意性をそれぞれ恒等関数と逆リンク関数でテストしました。アイデンティティリンク関数を備えたガウス GLM も、下流の中心内と下流セクションの左側と右側で船首覚醒に費やされた時間の割合を調べるために使用されました。誘引時間と回避時間。タービン付近の内部と外部の時間の割合。さまざまな水泳速度で泳ぐのに費やした時間の割合。そして泳いだ距離とタービンとトリートメントから維持された距離の違い。同様に、処理間の魚の標準長さ、全長、質量の違いの有意性を、同一性リンクを持つガウス GLM を使用してテストしました。これらのパラメータは処理間で有意な差がなかったため、魚の標準体長は最終モデルに独立したパラメータとして含まれていませんでした。したがって、治療は唯一の独立変数でした。さらに、上流を通過する魚、ニアパスを実行する魚、船首をウェイクアップする魚、進入する魚、回避行動を示す魚、またはストライクを経験する魚の割合について、処理間の有意差を調べるために、2 つの割合の Z 検定が適用されました。有意でない変数は統計分析から段階的に削除され、残差はテストの適合性を評価するために使用されました。 p値の有意性は0.05とみなされました。

ここでは、広い水路内でレプリカテストを実施することにより、断面閉じ込めの影響をテストしました。この水路の試験セクションは、狭い水路の試験セクションと比較して幅が 4 倍でした。流れの詰まりの影響は、タービンの動作状態 (静止および回転) と穏やかな流れの状態の両方について分析されました。これらの処理は MS-WF および MR-WF と呼ばれます。

この研究のための魚の行動実験は、2021年3月29日から4月7日の午前8時から午後5時まで実施されました。合計で、それぞれ 22 匹と 21 匹の魚が MS-WF と MR-WF について検査されました。技術的な問題 (記録が不完全であるなど) と下流の整流板に魚が衝突したため、 \(N_{excluded}\) = 5 匹の魚が分析から除外され、結果として 1 回の処理につき 19 匹の魚となり、合計 \( N_{分析済み}\) = 38 匹の平均標準体長 ± SD、50.0 ± 3.4 mm、平均全長 ± 標準偏差、57.7 ± 3.2 mm、平均質量 ± SD、2.0 ± 0.4 g。検査された魚の数 (\(N_{tested}\))、除外された魚の数 (\(N_{excluded}\))、分析された魚の数 (\(N_{analysed}\)) および質量 (m) の概要。標準長さ (\(L_{fish}\)) と合計長さ (\(L_{fish, total}\)) は、「方法と材料」セクションで各処理について提供されます。各処理について試験した魚は、魚の標準体長（GLM、p = 0.1658）、全長（GLM、p = 0.1926）、質量（GLM、p = 0.0642）において有意な差はありませんでした。

狭い水路実験 (「方法と材料」セクション) と同様に、各魚は 1 回の処理のみを受けたため、処理順序はランダム化されませんでした。最初に MS-WF 処理がテストされ、次に MR-WF がテストされました。各テストについて、「方法と材料」セクションに記載されているパラメータは、得られた一連の画像を使用して分析されました。

この実験の焦点は、魚の動きに関する断面の限定条件と非限定条件の比較であるため、MS-WF と MR-WF の結果を、MS と MR の狭い水路実験で得られた結果と比較しました。魚間の標準体長 (GLM, \(p<0.001\))、全長 (GLM, \(p<0.001\))、質量 (GLM, \(p<0.001\)) に有意な差があるため狭い水路と広い水路の実験で使用された場合、魚の標準体長は処理とともに独立変数として含まれました。広い水路実験で使用された魚の標準的な長さは、狭い水路実験でテストされた魚よりも有意に小さかった（GLM、MR vs. MR-WF: \(p<0.001\)、MS vs. MS-WF: \ (p<0.001\))。 MS-WF と MR-WF、および MS、MR、MS-WF、MR-WF の標準長さ、全長、質量の差は、アイデンティティリンク関数を備えたガウス GLM を使用して決定されました。狭い水路実験と同様に、処理と標準長さが費やした時間の割合に基づくパラメータ（つまり、上流、下流、下流の中心、左側と右側、タービン付近の内外、遊泳速度など）に大きな影響を及ぼします。 ) は、恒等リンク関数を備えたガウス GLM を使用して検査されました。同様に、アイデンティティリンク機能を備えたガウス GLM を使用して、誘引時間と回避時間を比較しました。テスト期間中に移動した距離とタービンから離れた平均距離は、それぞれ同一性と逆リンク関数を備えたガウス GLM を使用して有意性についてテストされました。 2 つの比率の Z テストを使用して、上流を通過する魚、通過しようとしている魚、船首を覚醒させている数、タービンに進入している魚、回避している魚、およびストライクを経験している魚の数に対する、タービンの動作状態に応じた空間閉塞の影響を比較しました。有意でない変数は統計分析から段階的に削除され、残差はテストの適合性を評価するために使用されました。 P値の有意性は0.05とみなされました。

表 2 は、検査された魚の数 (\(N_{tested}\))、除外された魚の数 (\(N_{excluded}\))、分析された魚の数 (\(N_{analysed}\)) および質量 (狭い水路でテストされた各処理の m)、標準 (\(L_{fish}\))、および合計 (\(L_{fish, total}\)) の長さ (MS、MR、HS、HR) および 2 (MS) -WF、MR-WF)。

観察された遊泳行動を視覚化したビデオが提供されます。これには、進入、回避、接近、追い越し、密着、後流での遊泳、およびタービンの船首後流を示すビデオクリップが含まれます。すべてのビデオクリップは、右から左への流れを持つトップビュー録画です。魚がタービンの掃引領域に進入する様子を示すビデオのみが、右から左への流れでサイドビューカメラを使用して記録されました。

提示された魚の行動実験を補完するものとして、単一の VAT の 3 次元航跡効果を定量化するために広範な流体力学的測定が行われました。音響ドップラー流速計を使用して、広い水路について説明したのと同様の実験設定および水力条件で、yz 平面内で 10 個の下流断面を測定しました (白い背景のみを除く)。この方法論の詳細な説明は、Müller et al.16 によって提供されています。

ここでは、例示的な断面図が示されており、(a) U = 0.19 \({\textrm{m}}\,{\textrm{s}} で正規化された流れ方向の平均速度) のタービン中央高さの yz 平面が示されています。 ^{-1}\)、(b) U で正規化された流れ方向の乱流強度、(c) \(U^{2}\) で正規化された乱流の運動エネルギー、および (d) \(U^{ で正規化された水平レイノルズせん断応力) 2}\) (図6)。

正規化された (A) 流れ方向の平均速度、(B) 流れ方向の乱流強度、(C) 乱流の運動エネルギー、および (D) 単一タービンの下流の水平レイノルズせん断応力の等高線を示す、タービンの中央高さ (z/D = 0.67) の水平面。穏やかな流れ条件下で VAT を回転させる (つまり、MR)。流れは左から右へ。

私たちの結果は、タービンローターのすぐ下流にある低運動量速度の領域を示しています。この領域は、ブレードが流れに逆らって移動する上昇行程側（つまり、下流方向から見て水路の左側）で特に顕著であり、後流がその中心線に関して非対称になる原因となった37、38、39。上昇行程側での平均流れ方向速度 (a) の減少に加えて、単一 VAT の後流は、高レベルの \(\overline{u}'/U\)、\(tke/U^{2}\ によって特徴付けられました） )、および \(\overline{u'v'}/U^{2}\)。この領域での乱流の増加は、エネルギー渦の放出の結果です 40,41 が、後流付近 (\(x/D<2\)) 内でのみ広まりました 34。対照的に、ダウンストローク側 (つまり、水路の右側) は、乱流レベルが低いことが特徴でした。付近の航跡 (\(x/D<3\)) に続いて、航跡は遷移領域 (3\(

単一の VAT の後流流体力学のより詳細な分析は、Müller et al.16 に記載されています。

現在の研究中に生成および/または分析されたデータセットは、カーディフ大学のデータリポジトリ: http://doi.org/10.17035/d.2022.0220288116 で入手できます。

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このプロジェクトは、カーディフ大学の GCRF QR からのシード資金を利用して支援されました。ウェールズ高等教育資金評議会からの資金提供、工学物理学博士課程水情報科学工学センター (WISE CDT) の学生制度 (EP/L016214/1) からの資金提供を受けました。科学研究評議会 (EPSRC) から SM に、淡水バイオサイエンスと持続可能性の博士課程研修センター (FRESH CDT) の学生制度 (NE/R011524/1) が自然環境研究評議会 (NERC) から GSS に提供されます。

この研究について有意義な会話をしてくれたコロンビア国立大学のアルド・ジャーマン・ベナビデス・モラン博士とカルロス・アルベルト・デュケ・ダザ博士、カンピナス大学（ブラジル）のエデヴァル・ルヴィゾット・ジュニア教授、技術支援をしてくれたポール・リーチ、そしてRhiに感謝します。 Hunt 氏と Scott MacAuley 氏には、魚の維持と統計上のアドバイスに対するサポートをいただきました。

カーディフ大学工学部、ザ・パレード、カーディフ、ウェールズ、CF24 3AA、英国

ステファニー・ミュラー、ヴァレンタイン・ムハウェニマナ、グリエルモ・ソンニーノ＝ソリシオ、キャサリン・AME・ウィルソン

カーディフ大学生物科学部、パークプレイス、カーディフ、ウェールズ、CF10 3AX、英国

ジョアン・ケーブル

マンチェスター大学工学部、オックスフォードロード、マンチェスター、イングランド、M13 9PL、英国

パブロ・ゴールド

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CW、JC、PO が資金を獲得し、作業を監督しました。著者全員が実験的な作業を計画しました。 SM、VM、GSS は実験作業とデータ分析を実行しました。 SMがすべてのフィギュアを用意しました。 SM、PO、VMがオリジナル原稿を作成しました。著者全員が原稿をレビューしました。

パブロ・ゴールドへの対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

補足ビデオ1.

補足ビデオ2.

補足ビデオ3.

補足ビデオ4.

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転載と許可

Müller, S.、Muhawenimana, V.、Sonnino-Sorisio, G. 他持続可能なエネルギーソリューションとしての水力タービンの存在に対する魚の反応。 Sci Rep 13、7459 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-33000-w

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受信日: 2022 年 10 月 30 日

受理日: 2023 年 4 月 5 日

公開日: 2023 年 5 月 8 日

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