Tillverkningsteknik för ballongtaggar för återhämtning av sensorfisk och levande fisk
Summary
Ett protokoll presenteras för design och tillverkning av ballongtaggar för att återvinna sensorfiskar och levande fiskar, vilket möjliggör bedömning av deras fysiska tillstånd och biologiska prestanda i hydrauliska strukturer. Metoden optimerar ballongtaggens prestanda genom att ta hänsyn till faktorer som ballongvolym, uppblåsnings-/tömningstider, komponentval och egenskaperna hos det injicerade vattnet.
Abstract
Fiskar kan drabbas av skador och dödlighet när de passerar genom hydrauliska transportmedel vid vattenkraftsdammar, även om dessa transporter är utformade för att vara fiskvänliga, t.ex. nedströms bypass-system, modifierade utskov och turbiner. De huvudsakliga metoderna som används för att studera fiskpassager i hydrauliska strukturer involverar direkt, in situ-testning med hjälp av Sensor Fish-teknik och levande fisk. Sensorfiskdata hjälper till att identifiera fysiska stressfaktorer och deras platser i fiskpassagemiljön, medan levande fisk bedöms för skador och dödlighet. Balloon tags, som är självuppblåsande ballonger som fästs externt på sensorfiskar och levande fiskar, hjälper dem att återhämta sig efter att ha passerat genom hydrauliska strukturer.
Den här artikeln fokuserar på utvecklingen av ballongtaggar med varierande antal upplösbara, vegetabiliska kapslar som innehåller en blandning av oxalsyra, natriumbikarbonatpulver och vatten vid två olika temperaturer. Vår forskning visade att ballongtaggar med tre kapslar, injicerade med 5 ml vatten vid 18,3 °C, konsekvent uppnådde den önskade ballongvolymen. Dessa taggar hade en genomsnittlig uppblåsningsvolym på 114 cm3 med en standardavvikelse på 1,2cm3. Bland de ballongtaggar som injicerades med vatten vid 18,3 °C observerades att det tog längst tid för ballongtaggarna med två kapslar att nå full uppblåsning. Dessutom visade ballongtaggarna med fyra kapslar en snabbare starttid för uppblåsning, medan ballongtaggarna med tre kapslar visade en snabbare starttid för tömning. Sammantaget visar sig detta tillvägagångssätt vara effektivt för att validera prestandan hos ny teknik, förbättra turbindesignen och fatta operativa beslut för att förbättra fiskpassageförhållandena. Det fungerar som ett värdefullt verktyg för forskning och fältutvärderingar, vilket hjälper till att förfina både design och drift av hydrauliska strukturer.
Introduction
Vattenkraft är en betydande förnybar energiresurs över hela världen. I USA bidrar vattenkraften med uppskattningsvis 38 % eller 274 TWh av den el som produceras från förnybara källor1 och har potential att tillföra cirka 460 TWh per år2. Men i takt med att vattenkraftsutbyggnaden ökar har oron för fiskskador och dödlighet under vattenpassage blivit av största vikt3. Olika mekanismer bidrar till fiskskador under passagen, inklusive snabb dekompression (barotrauma), skjuvspänning, turbulens, slag, kavitation och slipning4. Även om dessa skademekanismer kanske inte har en omedelbar inverkan på fiskens allmänna tillstånd, kan de göra dem mer sårbara för sjukdomar, svampinfektioner, parasiter och predation5. Dessutom kan direkta fysiska skador till följd av kollisioner med turbiner eller andra hydrauliska strukturer leda till betydande dödsfall, vilket understryker vikten av att minska dessa risker vid vattenkraftsutbyggnad.
En av de vanligaste metoderna för att utvärdera fiskpassageförhållanden är att släppa ut sensorfisk och levande fisk genom hydrauliska strukturer 6,7. Sensor Fish är en autonom enhet som är utformad för att studera de fysiska förhållanden som fiskar upplever under passage genom hydrauliska strukturer, inklusive turbiner, utskov och dammbypassalternativ 8,9. Utrustad med en 3D-accelerometer, 3D-gyroskop, temperatursensor och trycksensor9, ger Sensor Fish värdefulla data om fiskpassageförhållanden.
Balloon tags, som är självuppblåsande ballonger som fästs externt på sensorfiskar och levande fiskar, hjälper till att återhämta sig efter att ha passerat genom hydrauliska strukturer. Ballongtaggarna består av upplösbara kapslar fyllda med gasgenererande kemikalier (t.ex. oxalsyra och natriumbikarbonat), en silikonpropp och en fiskelina. Före utplacering injiceras vatten genom silikonproppen in i ballongen. Vattnet löser upp de vegetabiliska kapslarna och utlöser en kemisk reaktion som producerar gas som blåser upp ballongen. I denna neutraliseringsreaktion reagerar natriumbikarbonat, en svag bas, och oxalsyra, en svag syra, för att bilda koldioxid, vatten och natriumoxalat10. Den kemiska reaktionen tillhandahålls nedan:
2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4
Den uppblåsta ballongen ökar flytkraften hos sensorfisken och den levande fisken, vilket gör att de kan flyta på vattenytan för att lättare återhämta sig.
Antalet ballongmärken som krävs för att uppnå flyt och underlätta hämtning av ett prov (t.ex. sensorfisk eller levande fisk) kan variera beroende på provets volym- och massegenskaper. Varaktigheten av ballongtaggens uppblåsning kan justeras genom att injicera vatten vid olika temperaturer. Kallare vatten kommer att öka uppblåsningstiden, medan varmare vatten kommer att minska den. Ballongtaggar har framgångsrikt använts på olika platser, bland annat Farmers Screen, en unik horisontell, platt fisk- och skräpskärmstruktur i Hood River, Oregon11, och en Francis-turbin vid Nam Ngum-dammen i Laos People’s Democratic Republic12. Ett annat kommersiellt tillgängligt exempel på ballongtaggar är Hi-Z Turb’N Tag13,14. Hi-Z Turb’N Tag gör att uppblåsningstiden kan justeras mellan 2 min och 60 min, beroende på den injicerade vattentemperaturen13. Denna teknik har använts i fiskstudier på många fältplatser, inklusive studier med Chinook-laxsmolt som släppts ut vid Rocky Reach Dam vid Columbiafloden och ung amerikansk shad vid Hadley Falls Dam vid Connecticutfloden15,16. Båda teknikerna använder syra-baskemiska reaktioner för att blåsa upp ballongtaggarna för återhämtning.
Denna metod erbjuder kostnadseffektivitet och enkelhet i tillverkningen, med en uppskattad materialkostnad på endast 0.50 USD per ballong. Som beskrivs här är tillverkningsprocessen lätt att följa, vilket gör produktionen av ballongtaggar tillgänglig för alla.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna studie drog slutsatsen att ballongtaggar med tre kapslar som injicerades med 5 ml vatten vid 18,3 °C hade en långsammare startuppblåsningstid och konsekvent större volym jämfört med ballongtaggar med två kapslar och fyra kapslar. När ballongtaggarna injicerades med vatten vid 12,7 °C var den genomsnittliga volymen mindre och uppblåsningstiden längre. De tre kapslarna börjar tömmas först, följt av de fyra kapslarna och slutligen de två kapslarna. Uppblåsnings- och tömningsperioderna i samband med v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denna studie finansierades av U.S. Department of Energy (DOE) Water Power Technologies Office. Laboratoriestudierna utfördes vid Pacific Northwest National Laboratory, som drivs av Battelle för DOE under kontrakt 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).
