Ballon-Tag-Herstellungstechnik für die Bergung von Sensorfischen und lebenden Fischen
Summary
Es wird ein Protokoll für die Entwicklung und Herstellung von Ballonanhängern zur Bergung von Sensorfischen und lebenden Fischen vorgestellt, die eine Bewertung ihres physischen Zustands und ihrer biologischen Leistung in hydraulischen Strukturen ermöglichen. Die Methode optimiert die Leistung von Ballon-Tags unter Berücksichtigung von Faktoren wie Ballonvolumen, Aufblas-/Entleerungszeiten, Komponentenauswahl und den Eigenschaften des injizierten Wassers.
Abstract
Fische können Verletzungen und Todesfälle erleiden, wenn sie hydraulische Förderanlagen an Wasserkraftwerken passieren, selbst wenn diese Transporte fischfreundlich gestaltet sind, wie z. B. flussabwärts gelegene Bypass-Systeme, modifizierte Überläufe und Turbinen. Die wichtigsten Methoden zur Untersuchung der Fischdurchgangsbedingungen in hydraulischen Bauwerken umfassen direkte In-situ-Tests mit der Sensorfischtechnologie und lebenden Fischen. Sensorfischdaten helfen bei der Identifizierung physischer Stressoren und ihrer Standorte in der Fischpassageumgebung, während lebende Fische auf Verletzungen und Mortalität untersucht werden. Ballon-Tags, bei denen es sich um selbstaufblasende Ballons handelt, die extern an Sensorfischen und lebenden Fischen befestigt sind, helfen bei ihrer Erholung nach dem Passieren von hydraulischen Strukturen.
Dieser Artikel konzentriert sich auf die Entwicklung von Ballonanhängern mit unterschiedlicher Anzahl von auflösbaren Kapseln auf pflanzlicher Basis, die eine Mischung aus Oxalsäure, Natriumbicarbonatpulvern und Wasser bei zwei verschiedenen Temperaturen enthalten. Unsere Untersuchungen ergaben, dass Ballonanhänger mit drei Kapseln, die mit 5 ml Wasser bei 18,3 °C injiziert wurden, durchweg das gewünschte Ballonvolumen erreichten. Diese Tags hatten ein mittleres Aufblasvolumen von 114 cm3 mit einer Standardabweichung von 1,2cm3. Unter den Ballonanhängern, die mit Wasser bei 18,3 °C injiziert wurden, wurde beobachtet, dass die Ballonanhänger mit zwei Kapseln am längsten brauchten, um das volle Aufblasen zu erreichen. Darüber hinaus zeigten die Ballon-Tags mit vier Kapseln eine schnellere Startzeit für das Aufblasen, während die Ballon-Tags mit drei Kapseln eine schnellere Startzeit für die Deflation aufwiesen. Insgesamt erweist sich dieser Ansatz als effektiv, um die Leistung neuer Technologien zu validieren, das Turbinendesign zu verbessern und operative Entscheidungen zur Verbesserung der Fischpassagebedingungen zu treffen. Es dient als wertvolles Werkzeug für Forschung und Feldbewertungen und hilft bei der Verfeinerung sowohl des Entwurfs als auch des Betriebs von Wasserbauwerken.
Introduction
Wasserkraft ist weltweit eine bedeutende erneuerbare Energiequelle. In den Vereinigten Staaten trägt die Wasserkraft schätzungsweise 38 % oder 274 TWh zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellenbei 1 und hat das Potenzial, etwa 460 TWh pro Jahr hinzuzufügen2. Mit der zunehmenden Entwicklung der Wasserkraft ist jedoch die Sorge um Fischverletzungen und -sterblichkeit während der hydraulischen Passage von größter Bedeutung3. Verschiedene Mechanismen tragen zu Verletzungen von Fischen während der Passage bei, darunter schnelle Dekompression (Barotrauma), Scherspannungen, Turbulenzen, Schläge, Kavitation und Schleifen4. Obwohl diese Verletzungsmechanismen keinen unmittelbaren Einfluss auf den Gesamtzustand der Fische haben, können sie sie anfälliger für Krankheiten, Pilzinfektionen, Parasiten und Raubtiere machen5. Darüber hinaus können direkte körperliche Verletzungen durch Kollisionen mit Turbinen oder anderen hydraulischen Strukturen zu erheblichen Todesfällen führen, was die Bedeutung der Minderung dieser Risiken bei der Entwicklung der Wasserkraft unterstreicht.
Eine der gebräuchlichsten Methoden zur Bewertung der Fischpassagebedingungen ist das Freisetzen von Sensorfischen und lebenden Fischen durch hydraulische Strukturen 6,7. Der Sensor Fish ist ein autonomes Gerät, das entwickelt wurde, um die physikalischen Bedingungen zu untersuchen, denen Fische während der Passage durch hydraulische Strukturen ausgesetzt sind, einschließlich Turbinen, Überläufen und Dammumgehungsalternativen 8,9. Ausgestattet mit einem 3D-Beschleunigungsmesser, einem 3D-Gyroskop, einem Temperatursensor und einem Drucksensor9 liefert der Sensor Fish wertvolle Daten über die Bedingungen der Fischpassage.
Ballon-Tags, bei denen es sich um selbstaufblasende Ballons handelt, die extern an Sensorfischen und lebenden Fischen befestigt sind, helfen bei der Bergung nach dem Passieren von hydraulischen Strukturen. Die Ballonanhänger bestehen aus auflösbaren Kapseln, die mit gaserzeugenden Chemikalien (z. B. Oxalsäure und Natriumbicarbonat) gefüllt sind, einem Silikonstopfen und einer Angelschnur. Vor dem Ausbringen wird Wasser durch den Silikonstopfen in den Ballon injiziert. Das Wasser löst die pflanzlichen Kapseln auf und löst eine chemische Reaktion aus, bei der Gas entsteht, das den Ballon aufbläst. Bei dieser Neutralisationsreaktion reagieren Natriumbicarbonat, eine schwache Base, und Oxalsäure, eine schwache Säure, zu Kohlendioxid, Wasser und Natriumoxalat10. Die chemische Reaktion ist unten angegeben:
2NaHCO3+H2C2O4 →2CO2+2H2O + Na2C2O4
Der aufgeblasene Ballon erhöht den Auftrieb der Sensorfische und der lebenden Fische, so dass sie zur leichteren Erholung auf der Wasseroberfläche schwimmen können.
Die Anzahl der Ballonetiketten, die erforderlich sind, um die Flotation zu erreichen und die Entnahme einer Probe (z. B. Sensorfisch oder lebender Fisch) zu erleichtern, kann je nach Volumen- und Masseneigenschaften der Probe variieren. Die Dauer des Aufblasens des Ballonanhängers kann durch Einspritzen von Wasser mit unterschiedlichen Temperaturen eingestellt werden. Kälteres Wasser verlängert die Aufblaszeit, während wärmeres Wasser sie verkürzt. Ballon-Tags wurden erfolgreich an verschiedenen Orten eingesetzt, darunter der Farmers Screen, eine einzigartige horizontale Flachplatten-Fisch- und Schuttsiebstruktur in Hood River, Oregon11, und eine Francis-Turbine am Nam Ngum Dam in der Demokratischen Volksrepublik Laos12. Ein weiteres kommerziell erhältliches Beispiel für einen Ballonanhänger ist der Hi-Z Turb’N Tag13,14. Mit dem Hi-Z Turb’N Tag kann die Aufblaszeit je nach Temperatur des eingespritzten Wassers zwischen 2 min und 60 min eingestellt werden13. Diese Technologie wurde in Fischstudien an vielen Feldstandorten eingesetzt, darunter Studien mit Chinook-Lachs-Smolts, die am Rocky Reach-Damm am Columbia River ausgesetzt wurden, und an jungen Maifischen am Hadley-Falls-Damm am Connecticut River15,16. Beide Technologien nutzen chemische Säure-Base-Reaktionen, um die Ballonetiketten für die Rückgewinnung aufzublasen.
Diese Methode bietet Kosteneffizienz und Einfachheit in der Herstellung, mit geschätzten Materialkosten von nur 0,50 USD pro Ballon. Wie hier beschrieben, ist der Herstellungsprozess einfach zu verfolgen, so dass die Produktion von Ballonanhängern für jedermann zugänglich ist.
Protocol
Representative Results
Discussion
Diese Studie kam zu dem Schluss, dass Drei-Kapsel-Ballon-Tags, die mit 5 ml Wasser bei 18,3 °C injiziert wurden, im Vergleich zu Zwei-Kapsel- und Vier-Kapsel-Ballon-Tags eine langsamere Startaufblaszeit und ein durchweg größeres Volumen aufwiesen. Wenn die Ballonanhänger mit Wasser bei 12,7 °C injiziert wurden, war das durchschnittliche Volumen kleiner und die Aufblaszeit länger. Zuerst beginnt die Entleerung der Dreikapsel, gefolgt von der Vierkapsel und zuletzt der Zweikapsel. Die mit jeder Wassertemperatur verbu…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Studie wurde vom U.S. Department of Energy (DOE) Water Power Technologies Office finanziert. Die Laboruntersuchungen wurden am Pacific Northwest National Laboratory durchgeführt, das von Battelle für das DOE unter dem Vertrag DE-AC05-76RL01830 betrieben wird.
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 |
Referências
- 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).
