تقنية تصنيع علامة البالون لاستعادة الأسماك المستشعرة والأسماك الحية
Summary
يتم تقديم بروتوكول لتصميم وتصنيع علامات البالون لاستعادة أسماك الاستشعار والأسماك الحية ، مما يسمح بتقييم حالتها الفيزيائية وأدائها البيولوجي في الهياكل الهيدروليكية. تعمل الطريقة على تحسين أداء علامة البالون من خلال مراعاة عوامل مثل حجم البالون وأوقات التضخم / الانكماش واختيار المكونات وخصائص الماء المحقون.
Abstract
قد تتعرض الأسماك للإصابات والوفيات عندما تمر عبر وسائل النقل الهيدروليكية في سدود الطاقة الكهرومائية ، حتى لو كانت هذه وسائل النقل مصممة لتكون صديقة للأسماك ، مثل أنظمة تجاوز المصب ، والممرات والتوربينات المعدلة. تتضمن الطرق الرئيسية المستخدمة لدراسة ظروف مرور الأسماك في الهياكل الهيدروليكية الاختبار المباشر في الموقع باستخدام تقنية Sensor Fish والأسماك الحية. تساعد بيانات الأسماك المستشعرة في تحديد الضغوطات الجسدية ومواقعها في بيئة مرور الأسماك ، بينما يتم تقييم الأسماك الحية بحثا عن الإصابات والوفيات. تساعد علامات البالونات ، وهي بالونات ذاتية النفخ متصلة خارجيا بأسماك الاستشعار والأسماك الحية ، في استعادتها بعد مرورها عبر الهياكل الهيدروليكية.
تركز هذه المقالة على تطوير علامات البالون بأعداد متفاوتة من الكبسولات النباتية القابلة للذوبان التي تحتوي على خليط من حمض الأكساليك ومساحيق بيكربونات الصوديوم والماء عند درجتي حرارة مختلفتين. حدد بحثنا أن علامات البالون التي تحتوي على ثلاث كبسولات ، والتي يتم حقنها ب 5 مل من الماء عند 18.3 درجة مئوية ، حققت باستمرار حجم البالون المطلوب. كان متوسط حجم التضخم لهذه العلامات 114 سم 3 مع انحراف معياري قدره 1.2 سم3. من بين علامات البالون المحقونة بالماء عند 18.3 درجة مئوية ، لوحظ أن علامات البالون المكونة من كبسولتين استغرقت أطول وقت للوصول إلى التضخم الكامل. بالإضافة إلى ذلك ، أظهرت علامات البالون المكونة من أربع كبسولات وقت بدء تضخم أسرع ، بينما أظهرت علامات البالون ثلاثية الكبسولات وقت بدء انكماش أسرع. بشكل عام ، يثبت هذا النهج فعاليته في التحقق من أداء التقنيات الجديدة ، وتحسين تصميم التوربينات ، واتخاذ القرارات التشغيلية لتعزيز ظروف مرور الأسماك. إنه بمثابة أداة قيمة للبحث والتقييمات الميدانية ، مما يساعد في تحسين كل من تصميم وتشغيل الهياكل الهيدروليكية.
Introduction
الطاقة الكهرومائية هي مورد كبير للطاقة المتجددة في جميع أنحاء العالم. في الولايات المتحدة ، تساهم الطاقة الكهرومائية بما يقدر بنحو 38٪ أو 274 تيراواط ساعة من الكهرباء المولدة من مصادر متجددة1 ولديها القدرة على إضافة ما يقرب من 460 تيراواط ساعة سنويا2. ومع ذلك ، مع زيادة تطوير الطاقة الكهرومائية ، أصبحت المخاوف بشأن إصابة الأسماك ونفوقها أثناء المرور الهيدروليكي ذات أهمية قصوى3. تساهم آليات مختلفة في إصابات الأسماك أثناء المرور ، بما في ذلك تخفيف الضغط السريع (الرضح الضغطي) ، وإجهاد القص ، والاضطراب ، والضربات ، والتجويف ، والطحن4. على الرغم من أن آليات الإصابة هذه قد لا يكون لها تأثير فوري على الحالة العامة للأسماك ، إلا أنها يمكن أن تجعلها أكثر عرضة للأمراض والالتهابات الفطرية والطفيليات والافتراس5. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤدي الإصابات الجسدية المباشرة الناتجة عن الاصطدامات مع التوربينات أو الهياكل الهيدروليكية الأخرى إلى وفيات كبيرة ، مما يؤكد أهمية التخفيف من هذه المخاطر في تطوير الطاقة الكهرومائية.
واحدة من أكثر الطرق شيوعا لتقييم ظروف مرور الأسماك هي إطلاق أسماك الاستشعار والأسماك الحية من خلال الهياكل الهيدروليكية 6,7. Sensor Fish هو جهاز مستقل مصمم لدراسة الظروف المادية التي تواجهها الأسماك أثناء المرور عبر الهياكل الهيدروليكية ، بما في ذلك التوربينات والممرات وبدائل تجاوز السدود 8,9. مجهزة بمقياس تسارع ثلاثي الأبعاد ، جيروسكوب ثلاثي الأبعاد ، مستشعر درجة الحرارة ، ومستشعر ضغط9 ، توفر Sensor Fish بيانات قيمة عن ظروف مرور الأسماك.
تساعد علامات البالون ، وهي بالونات ذاتية النفخ متصلة خارجيا بأسماك الاستشعار والأسماك الحية ، في استعادتها بعد المرور عبر الهياكل الهيدروليكية. تتكون علامات البالون من كبسولات قابلة للذوبان مملوءة بمواد كيميائية مولدة للغاز (مثل حمض الأكساليك وبيكربونات الصوديوم) ، وسدادة سيليكون ، وخيط صيد. قبل النشر ، يتم حقن الماء من خلال سدادة السيليكون في البالون. يذيب الماء الكبسولات النباتية ، مما يؤدي إلى تفاعل كيميائي ينتج عنه غاز ينفخ البالون. في تفاعل التعادل هذا، تتفاعل بيكربونات الصوديوم، وهي قاعدة ضعيفة، وحمض الأكساليك، وهو حمض ضعيف، لتكوين ثاني أكسيد الكربون والماء وأكسالات الصوديوم10. يتم توفير التفاعل الكيميائي أدناه:
2NaHCO3+ H 2C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2 O4
يزيد البالون المنفوخ من طفو أسماك الاستشعار والأسماك الحية ، مما يمكنها من الطفو على سطح الماء لتسهيل الاسترداد.
قد يختلف عدد علامات البالون المطلوبة لتحقيق التعويم وتسهيل استرجاع العينة (على سبيل المثال ، أسماك الاستشعار أو الأسماك الحية) بناء على حجم وخصائص كتلة العينة. يمكن تعديل مدة تضخم علامة البالون عن طريق حقن الماء في درجات حرارة مختلفة. سيزيد الماء البارد من وقت التضخم ، بينما يقلل الماء الأكثر دفئا من ذلك. تم استخدام علامات البالون بنجاح في مواقع مختلفة ، بما في ذلك شاشة المزارعين ، وهي عبارة عن هيكل أفقي فريد من نوعه للأسماك والحطام في نهر هود ، أوريغون11 ، وتوربينات فرانسيس في سد نام نغوم في جمهورية لاو الديمقراطيةالشعبية 12. مثال آخر على علامة البالون المتاحة تجاريا هو Hi-Z Turb’N Tag13,14. تسمح علامة Hi-Z Turb’N Tag بتعديل وقت النفخ بين 2 دقيقة و 60 دقيقة ، اعتمادا على درجة حرارة الماء المحقون13. تم استخدام هذه التقنية في دراسات الأسماك في العديد من المواقع الميدانية ، بما في ذلك الدراسات التي شملت أسماك السلمون من طراز شينوك التي تم إطلاقها في سد روكي ريتش على نهر كولومبيا والشاد الأمريكي اليافع في سد هادلي فولز على نهر كونيتيكت15،16. تستخدم كلتا التقنيتين التفاعلات الكيميائية الحمضية القاعدية لتضخيم علامات البالون للتعافي.
توفر هذه الطريقة فعالية من حيث التكلفة وبساطة في التصنيع ، مع تكلفة مادية تقديرية تبلغ 0.50 دولار فقط لكل بالون. كما هو موضح هنا ، من السهل متابعة عملية التصنيع ، مما يجعل إنتاج علامة البالون في متناول أي شخص.
Protocol
Representative Results
Discussion
وخلصت هذه الدراسة إلى أن علامات البالون ثلاثية الكبسولات المحقونة ب 5 مل من الماء عند 18.3 درجة مئوية كان لها وقت تضخم بداية أبطأ وحجم أكبر باستمرار مقارنة بعلامات البالون ثنائية الكبسولة وأربع كبسولات. عندما تم حقن علامات البالون بالماء عند 12.7 درجة مئوية ، كان متوسط الحجم أصغر ، وكان وقت ال?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم تمويل هذه الدراسة من قبل مكتب تقنيات الطاقة المائية التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE). أجريت الدراسات المختبرية في المختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ ، الذي تديره باتيل لصالح وزارة الطاقة بموجب العقد 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).
