Balloon Tag-productietechniek voor het herstel van sensorvissen en levende vissen
Summary
Er wordt een protocol gepresenteerd voor het ontwerpen en vervaardigen van ballontags om sensorvissen en levende vissen te herstellen, waardoor hun fysieke conditie en biologische prestaties in hydraulische constructies kunnen worden beoordeeld. De methode optimaliseert de prestaties van ballontags door rekening te houden met factoren zoals ballonvolume, opblaas-/leeglooptijden, componentselectie en de kenmerken van het geïnjecteerde water.
Abstract
Vissen kunnen verwondingen en sterfte oplopen wanneer ze hydraulische transportmiddelen passeren bij waterkrachtdammen, zelfs als deze transportmiddelen zijn ontworpen om visvriendelijk te zijn, zoals stroomafwaartse bypass-systemen, gemodificeerde overlaten en turbines. De belangrijkste methoden die worden gebruikt om de omstandigheden van vispassages in waterbouwkundige constructies te bestuderen, zijn directe, in situ testen met behulp van Sensor Fish-technologie en levende vissen. Sensorvisgegevens helpen bij het identificeren van fysieke stressoren en hun locaties in de vispassageomgeving, terwijl levende vissen worden beoordeeld op verwondingen en sterfte. Ballonlabels, dit zijn zelfopblazende ballonnen die extern aan sensorvissen en levende vissen zijn bevestigd, helpen bij hun herstel na het passeren van hydraulische constructies.
Dit artikel richt zich op de ontwikkeling van ballonlabels met verschillende aantallen oplosbare, plantaardige capsules die een mengsel van oxaalzuur, natriumbicarbonaatpoeders en water bij twee verschillende temperaturen bevatten. Uit ons onderzoek bleek dat ballonlabels met drie capsules, geïnjecteerd met 5 ml water van 18,3 °C, consequent het gewenste ballonvolume bereikten. Deze tags hadden een gemiddeld opblaasvolume van 114 cm3 met een standaarddeviatie van 1,2cm3. Van de ballonlabels die werden geïnjecteerd met water van 18,3 °C, werd waargenomen dat de ballontags met twee capsules er het langst over deden om volledig op te blazen. Bovendien vertoonden de ballontags met vier capsules een snellere starttijd voor het opblazen, terwijl de ballontags met drie capsules een snellere starttijd voor het leeglopen vertoonden. Over het algemeen blijkt deze aanpak effectief te zijn voor het valideren van de prestaties van nieuwe technologieën, het verbeteren van het turbineontwerp en het nemen van operationele beslissingen om de omstandigheden van vispassages te verbeteren. Het dient als een waardevol hulpmiddel voor onderzoek en veldevaluaties en helpt bij de verfijning van zowel het ontwerp als de werking van hydraulische constructies.
Introduction
Waterkracht is wereldwijd een belangrijke hernieuwbare energiebron. In de Verenigde Staten draagt waterkracht naar schatting 38% of 274 TWh bij aan elektriciteit die wordt opgewekt uit hernieuwbare bronnen1 en heeft het potentieel om ongeveer 460 TWh per jaar toe te voegen2. Naarmate de ontwikkeling van waterkracht toeneemt, zijn zorgen over visletsel en sterfte tijdens hydraulische passage echter van het grootste belang geworden3. Verschillende mechanismen dragen bij aan verwondingen van vissen tijdens de passage, waaronder snelle decompressie (barotrauma), schuifspanning, turbulentie, stakingen, cavitatie en slijpen4. Hoewel deze verwondingsmechanismen misschien geen onmiddellijke invloed hebben op de algehele conditie van de vissen, kunnen ze ze kwetsbaarder maken voor ziekten, schimmelinfecties, parasieten en predatie5. Bovendien kan direct lichamelijk letsel als gevolg van botsingen met turbines of andere hydraulische constructies leiden tot aanzienlijke sterfte, wat het belang benadrukt van het beperken van deze risico’s bij de ontwikkeling van waterkracht.
Een van de meest gebruikelijke methoden voor het evalueren van de omstandigheden van vispassages is het vrijlaten van sensorvissen en levende vissen via hydraulische constructies 6,7. De Sensor Fish is een autonoom apparaat dat is ontworpen om de fysieke omstandigheden te bestuderen die vissen ervaren tijdens het passeren van hydraulische constructies, waaronder turbines, overlaten en alternatieven voor dambypasses 8,9. Uitgerust met een 3D-versnellingsmeter, 3D-gyroscoop, temperatuursensor en druksensor9, levert de Sensor Fish waardevolle gegevens over de omstandigheden van de vispassage.
Ballonlabels, dit zijn zelfopblazende ballonnen die extern aan sensorvissen en levende vissen zijn bevestigd, helpen bij hun herstel na het passeren van hydraulische constructies. De ballonlabels bestaan uit oplosbare capsules gevuld met gasgenererende chemicaliën (bijv. oxaalzuur en natriumbicarbonaat), een siliconen stop en een vislijn. Voorafgaand aan de inzet wordt water via de siliconen stop in de ballon geïnjecteerd. Het water lost de plantaardige capsules op, waardoor een chemische reactie op gang komt die gas produceert dat de ballon opblaast. Bij deze neutralisatiereactie reageren natriumbicarbonaat, een zwakke base, en oxaalzuur, een zwak zuur, om kooldioxide, water en natriumoxalaat te vormen10. De chemische reactie wordt hieronder weergegeven:
2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4
De opgeblazen ballon verhoogt het drijfvermogen van de sensorvissen en levende vissen, waardoor ze op het wateroppervlak kunnen drijven voor gemakkelijker herstel.
Het aantal ballonlabels dat nodig is om flotatie te bereiken en het ophalen van een monster te vergemakkelijken (bijv. sensorvissen of levende vissen) kan variëren op basis van de volume- en massakenmerken van het monster. De duur van het opblazen van de ballontag kan worden aangepast door water met verschillende temperaturen te injecteren. Kouder water verlengt de opblaastijd, terwijl warmer water deze verkort. Ballontags zijn met succes gebruikt op verschillende locaties, waaronder het Farmers Screen, een unieke horizontale, platte-plaat vis- en puinschermstructuur in Hood River, Oregon11, en een Francis-turbine bij de Nam Ngum-dam in de Democratische Volksrepubliek Laos12. Een ander in de handel verkrijgbaar voorbeeld van een ballontag is de Hi-Z Turb’N Tag13,14. Met de Hi-Z Turb’N Tag kan de opblaastijd worden ingesteld tussen 2 min en 60 min, afhankelijk van de temperatuur van het geïnjecteerde water13. Deze technologie is gebruikt in visstudies op veel veldlocaties, waaronder studies met Chinook-zalmsmolts die zijn vrijgelaten bij de Rocky Reach Dam aan de Columbia-rivier en jonge Amerikaanse elften bij de Hadley Falls Dam aan de Connecticut-rivier15,16. Beide technologieën maken gebruik van zuur-base chemische reacties om de ballonlabels op te blazen voor herstel.
Deze methode biedt kosteneffectiviteit en eenvoud in de productie, met een geschatte materiaalkost van slechts $ 0.50 per ballon. Zoals hier beschreven, is het productieproces gemakkelijk te volgen, waardoor de productie van ballontags voor iedereen toegankelijk is.
Protocol
Representative Results
Discussion
Deze studie concludeerde dat ballontags met drie capsules, geïnjecteerd met 5 ml water bij 18,3 °C, een langzamere startopblaastijd en een consistent groter volume hadden in vergelijking met ballontags met twee capsules en vier capsules. Wanneer de ballonlabels werden geïnjecteerd met water van 12,7 °C, was het gemiddelde volume kleiner en was de opblaastijd langer. De drie-capsule begint eerst leeg te lopen, gevolgd door de vier-capsule en als laatste de twee-capsule. De inflatie- en deflatieperioden die bij elke wa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Deze studie werd gefinancierd door het Water Power Technologies Office van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE). De laboratoriumstudies werden uitgevoerd in het Pacific Northwest National Laboratory, dat wordt geëxploiteerd door Battelle voor de DOE onder contract DE-AC05-76RL01830.
Materials
| 3D Printed Silicone Stopper Plate | NA | NA | |
| ARC800 Sensor Fish | ATS | NA | |
| FDM 3D printer | NA | NA | |
| Manual Capsule Filler Machine CN-400CL (Size #3) | Capsulcn | NA | |
| Mold Star 15 SLOW | Smooth-On | NA | |
| Oil-Resistant Buna-N O-Ring | McMaster-Carr | SN: 9262K141 | |
| Oxalic Acid, 98%, Anhydrous Powder (C2H2O4) | Thermo Scientific | CAS: 144-62-7 | |
| Rubber Band Expansion Tool | iplusmile | NA | |
| Separated Vegetable Cellulose Capsules (Size #3) | Capsule Connection | NA | |
| Smiley Face YoYo Latex balloon | YoYo Balloons, Etc. | NA | |
| Sodium Bicarbonate Powder (CHNaO3) | Sigma | CAS: 144-55-8 | |
| Spectra Fiber Braided Fishing Line (50 lbs.) | Power Pro | NA |
References
- Uria-Martinez, R., et al. U.S. Hydropower Market Report. Oak Ridge National Laboratory. , (2021).
- Kao, S., et al. New stream-reach development: a comprehensive assessment of hydropower energy potential in the United States. Oak Ridge National Laboratory. , (2014).
- Martinez, J. J., Deng, Z. D., Mueller, R., Titzler, S. In situ characterization of the biological performance of a Francis turbine retrofitted with a modular guide vane. Applied Energy. 276, 115492 (2020).
- Čada, G. l. e. n. n. . F. The development of advanced hydroelectric turbines to improve fish passage survival. Fisheries. 26, 14-23 (2001).
- Tuononen, E. I., Cooke, S. J., Timusk, E. R., Smokorowski, K. E. Extent of injury and mortality arising from entrainment of fish through a Very Low Head hydropower turbine in central Ontario, Canada. Hydrobiologia. 849, 407-420 (2020).
- Deng, Z., Carlson, T. J., Duncan, J. P., Richmond, M. C., Dauble, D. D. Use of an autonomous sensor to evaluate the biological performance of the advanced turbine at Wanapum Dam. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2, 053104 (2010).
- Martinez, J. J., et al. Hydraulic and biological characterization of a large Kaplan turbine. Renewable energy. 131, 240-249 (2019).
- Zhiqun Deng, , et al. Six-degree-of-freedom sensor fish design and instrumentation. 7, 3399-3415 (2007).
- Deng, Z. D., et al. Design and implementation of a new autonomous sensor fish to support advanced hydropower development. Review of Scientific Instruments. 85, 115001 (2014).
- Deng, Y., Jia, Y., Haoran, L. Effects of ionicity and chain structure on the physicochemical properties of protic ionic liquids. AIChE Journal. 66 (10), e16982 (2020).
- Salalila, A., Deng, Z. D., Martinez, J. J., Lu, J., Baumgartner, L. J. Evaluation of a fish-friendly self-cleaning horizontal irrigation screen using autonomous sensors. Marine and Freshwater Research. 70, 1274-1283 (2019).
- Martinez, J., et al. In situ characterization of turbine hydraulic environment to support development of fish-friendly hydropower guidelines in the lower Mekong River region. Ecological engineering. 133, 88-97 (2019).
- Heisey, P. G., Mathur, D., D’Allesandro, L. A new technique for assessing fish passage survival at hydro power stations. International Atomic Energy Agency. , (1993).
- Heisey, P. G., Mathur, D., Rineer, T. A reliable tag-recapture technique for estimating turbine passage survival: application to young-of-the-year American shad (Alosa sapidissima). Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 49 (9), 1826-1834 (1992).
- Mathur, D., Heisey, P. G., Euston, E. T., Skalski, J. R., Hays, S. Turbine passage survival estimation for chinook salmon smolts (Oncorhynchus tshawytscha) at a large dam on the Columbia River. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences. 53 (3), 542-549 (1996).
- Mathur, D., Heisey, P. G., Robinson, D. A. Turbine-passage mortality of juvenile American shad at a low-head hydroelectric dam. Transactions of the American Fisheries Society. 123 (1), 108-111 (1994).
- Watson, S., et al. Safe passage of American Eels through a novel hydropower turbine. Transactions of the American Fisheries Society. 151, 711-724 (2022).
- Al-Tabakha, M. o. a. w. i. a. . M., et al. Influence of capsule shell composition on the performance indicators of hypromellose capsule in comparison to hard gelatin capsules. Drug Development and Industrial Pharmacy. 41 (10), 1726-1737 (2015).
- . Hydropower Vision. U.S. Department of Energy. , (2016).
- Duncan, J. o. a. n. n. e. . P., et al. Physical and ecological evaluation of a fish-friendly surface spillway. Ecological Engineering. 110, 107-116 (2018).
- Trumbo, B. r. a. d. l. y. . A., et al. Improving hydroturbine pressures to enhance salmon passage survival and recovery. Reviews in fish biology and fisheries. 24, 955-965 (2014).
- Pohanish, R. P. . Sittig’s handbook of toxic and hazardous chemicals and carcinogens. , (2017).
- U.S. Food and Drug Administration. . CFR – Code of Federal Regulations Title 21. , (1994).
