Técnica de Fabricação de Balão Tag para Recuperação de Peixes Sensores e Peixes Vivos
Summary
É apresentado um protocolo para projeto e fabricação de balões para recuperação de Sensores de Peixes e Peixes vivos, permitindo a avaliação de sua condição física e desempenho biológico em estruturas hidráulicas. O método otimiza o desempenho do balão ao considerar fatores como volume do balão, tempos de insuflação/deflação, seleção de componentes e características da água injetada.
Abstract
Os peixes podem sofrer ferimentos e mortalidade quando passam por transportes hidráulicos em barragens hidrelétricas, mesmo que esses transportes sejam projetados para serem amigáveis aos peixes, como sistemas de desvio a jusante, vertedouros modificados e turbinas. Os principais métodos utilizados para estudar as condições de passagem de peixes em estruturas hidráulicas envolvem testes diretos, in situ , utilizando a tecnologia Sensor Fish e peixes vivos. Os dados do Sensor Fish ajudam a identificar estressores físicos e suas localizações no ambiente de passagem dos peixes, enquanto os peixes vivos são avaliados quanto a lesões e mortalidade. As etiquetas de balão, que são balões auto-infláveis fixados externamente ao Sensor Fish e aos peixes vivos, auxiliam na sua recuperação após passarem por estruturas hidráulicas.
Este artigo se concentra no desenvolvimento de etiquetas de balão com números variados de cápsulas dissolvidas à base de vegetais contendo uma mistura de ácido oxálico, bicarbonato de sódio em pó e água em duas temperaturas diferentes. Nossa pesquisa determinou que os balões com três cápsulas, injetados com 5 mL de água a 18,3 °C, atingiram consistentemente o volume de balão desejado. Esses tags apresentaram volume médio de insuflação de 114 cm 3 com desvio padrão de 1,2 cm3. Entre os balões injetados com água a 18,3 °C, observou-se que os balões de duas cápsulas foram os que levaram mais tempo para atingir a inflação total. Além disso, os tags de balão de quatro cápsulas demonstraram um tempo de início de inflação mais rápido, enquanto os tags de balão de três cápsulas demonstraram um tempo de início de deflação mais rápido. Em geral, essa abordagem se mostra eficaz para validar o desempenho de novas tecnologias, melhorar o projeto da turbina e tomar decisões operacionais para melhorar as condições de passagem dos peixes. Serve como uma ferramenta valiosa para pesquisas e avaliações de campo, auxiliando no refinamento tanto do projeto quanto da operação de estruturas hidráulicas.
Introduction
A energia hidrelétrica é um importante recurso de energia renovável em todo o mundo. Nos Estados Unidos, a energia hidrelétrica contribui com cerca de 38% ou 274 TWh de eletricidade gerada a partir de fontes renováveis1 e tem o potencial de adicionar aproximadamente 460 TWh por ano2. No entanto, à medida que o desenvolvimento hidrelétrico aumenta, a preocupação com a injúria e mortalidade de peixes durante a passagem hidráulica tornou-se primordial3. Vários mecanismos contribuem para as lesões dos peixes durante a passagem, incluindo descompressão rápida (barotrauma), tensão de cisalhamento, turbulência, golpes, cavitação e trituração4. Embora esses mecanismos de lesão possam não ter impacto imediato na condição geral dos peixes, eles podem torná-los mais vulneráveis a doenças, infecções fúngicas, parasitas e predação5. Além disso, lesões físicas diretas resultantes de colisões com turbinas ou outras estruturas hidráulicas podem levar a mortalidade significativa, enfatizando a importância de mitigar esses riscos no desenvolvimento hidrelétrico.
Um dos métodos mais comuns para avaliar as condições de passagem dos peixes é a liberação de peixes sensores e peixes vivos através de estruturas hidráulicas 6,7. O Sensor Fish é um dispositivo autônomo projetado para estudar as condições físicas que os peixes experimentam durante a passagem por estruturas hidráulicas, incluindo turbinas, vertedouros e alternativas de desvio de barragem 8,9. Equipado com um acelerômetro 3D, giroscópio 3D, sensor de temperatura e sensor de pressão9, o Sensor Fish fornece dados valiosos sobre as condições de passagem dos peixes.
As etiquetas de balão, que são balões auto-infláveis fixados externamente ao Sensor Fish e aos peixes vivos, auxiliam na sua recuperação após passarem por estruturas hidráulicas. As etiquetas de balão consistem em cápsulas solúveis cheias de produtos químicos geradores de gás (por exemplo, ácido oxálico e bicarbonato de sódio), uma rolha de silicone e uma linha de pesca. Antes da implantação, a água é injetada através da rolha de silicone no balão. A água dissolve as cápsulas de base vegetal, desencadeando uma reação química que produz gás inflando o balão. Nessa reação de neutralização, o bicarbonato de sódio, uma base fraca, e o ácido oxálico, um ácido fraco, reagem formando dióxido de carbono, água e oxalato de sódio10. A reação química é fornecida abaixo:
2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4
O balão inflado aumenta a flutuabilidade dos peixes sensores e peixes vivos, permitindo que eles flutuem na superfície da água para uma recuperação mais fácil.
O número de etiquetas de balão necessárias para alcançar a flutuação e facilitar a recuperação de uma amostra (por exemplo, peixes sensores ou peixes vivos) pode variar com base nas características de volume e massa da amostra. A duração da insuflação da etiqueta do balão pode ser ajustada injetando água em diferentes temperaturas. A água mais fria aumentará o tempo de insuflação, enquanto a água mais quente diminuirá. As etiquetas de balão foram empregadas com sucesso em vários locais, incluindo a Tela dos Agricultores, uma estrutura única de tela horizontal de placa plana de peixes e detritos em Hood River, Oregon11, e uma turbina Francis na Barragem Nam Ngum na República Democrática Popular do Laos12. Outro exemplo de tag de balão disponível comercialmente é o Hi-Z Turb’N Tag13,14. O Hi-Z Turb’N Tag permite que o tempo de inflação seja ajustado entre 2 min e 60 min, dependendo da temperatura da água injetada13. Essa tecnologia tem sido utilizada em estudos de peixes em muitos locais de campo, incluindo estudos envolvendo salmão Chinook liberado na represa Rocky Reach, no rio Columbia, e juvenis de sável americano na represa Hadley Falls, no rio Connecticut15,16. Ambas as tecnologias utilizam reações químicas ácido-base para inflar as etiquetas do balão para recuperação.
Este método oferece custo-benefício e simplicidade na fabricação, com um custo de material estimado de apenas US $ 0,50 por balão. Como descrito aqui, o processo de fabricação é fácil de seguir, tornando a produção de etiquetas de balão acessível a qualquer pessoa.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este estudo concluiu que os balões de três cápsulas injetados com 5 mL de água a 18,3 °C tiveram um tempo de insuflação inicial mais lento e volume consistentemente maior em comparação com os rótulos de balão de duas e quatro cápsulas. Quando os balões foram injetados com água a 12,7 °C, o volume médio foi menor e o tempo de insuflação foi maior. As três cápsulas começam a desinsuflar primeiro, seguidas pelas quatro cápsulas e, por último, as duas cápsulas. Os períodos de inflação e deflação …
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este estudo foi financiado pelo U.S. Department of Energy (DOE) Water Power Technologies Office. Os estudos laboratoriais foram realizados no Pacific Northwest National Laboratory, que é operado pela Battelle para o DOE sob o Contrato 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 |
Referenzen
- 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).
