用于传感器鱼和活鱼回收的气球标签制造技术
Summary
提出了设计和制造气球标签以恢复传感器鱼和活鱼的协议，允许评估它们在水工结构中的物理状况和生物性能。该方法通过考虑球囊体积、充气/放气时间、组件选择和注入水的特性等因素来优化球囊标签性能。
Abstract
当鱼类通过水电大坝的水力输送系统时，即使这些运输工具的设计对鱼类友好，例如下游旁路系统、改装溢洪道和涡轮机，它们也可能受伤和死亡。用于研究水工结构中鱼类通道条件的主要方法包括使用传感器鱼技术和活鱼进行直接原 位 测试。传感器鱼数据有助于识别物理压力源及其在鱼道环境中的位置，同时评估活鱼的伤害和死亡率。气球标签是附着在传感器鱼和活鱼外部的自充气气球，有助于它们在通过水力结构后恢复。
本文重点介绍具有不同数量的可溶解植物胶囊的球囊标签的开发，这些胶囊含有草酸、碳酸氢钠粉末和两种不同温度下的水的混合物。我们的研究确定，在18.3°C下注入5 mL水的带有三个胶囊的球囊标签始终达到所需的球囊体积。这些标签的平均充气量为 114 cm 3，标准差为 1.2 cm3。在18.3 °C注入水的球囊标签中，观察到双胶囊球囊标签达到完全充气所需的时间最长。此外，四胶囊气球标签表现出更快的充气开始时间，而三胶囊气球标签表现出更快的放气开始时间。总体而言，这种方法被证明可以有效地验证新技术的性能，改进涡轮机设计，并做出操作决策以改善鱼类通道条件。它是研究和现场评估的宝贵工具，有助于改进水工结构的设计和操作。
Introduction
水力发电是全球重要的可再生能源。在美国，水力发电约占可再生能源发电量的 38%，即 274 TWh1 ，并有可能每年增加约 460 TWh2。然而，随着水电开发的增加，对水力通行过程中鱼类受伤和死亡的担忧已成为重中之重 3.鱼类在通过过程中受到伤害的机制有多种，包括快速减压（气压伤）、剪切应力、湍流、撞击、气蚀和研磨4.虽然这些损伤机制可能不会对鱼类的整体状况产生直接影响，但它们会使它们更容易受到疾病、真菌感染、寄生虫和捕食的影响5.此外，与涡轮机或其他水工结构碰撞造成的直接人身伤害可能导致大量死亡，这凸显了在水电开发中减轻这些风险的重要性。
评估鱼类通道条件的最常见方法之一是通过水力结构释放传感器鱼和活鱼 6,7。传感器鱼是一种自主设备，旨在研究鱼类在通过水工结构（包括涡轮机、溢洪道和大坝旁路）时所经历的物理条件 8,9。Sensor Fish 配备 3D 加速度计、3D 陀螺仪、温度传感器和压力传感器9，可提供有关鱼类通道条件的宝贵数据。
气球标签是自动充气气球，附着在传感器鱼和活鱼的外部，有助于它们在通过水力结构后恢复。气球标签由装满产气化学物质（例如草酸和碳酸氢钠）的可溶解胶囊、硅胶塞和钓鱼线组成。在展开之前，通过硅胶塞将水注入球囊中。水溶解了植物胶囊，引发了化学反应，产生气体使气球充气。在该中和反应中，弱碱碳酸氢钠和弱酸草酸反应生成二氧化碳、水和草酸钠10。化学反应如下：
2氢氧化钠3+ H2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2 O4
充气的气球增加了传感器鱼和活鱼的浮力，使它们能够漂浮在水面上，以便于恢复。
实现浮选和便于检索样品（例如，传感器鱼或活鱼）所需的球囊标签数量可能因样品的体积和质量特性而异。气球标签充气的持续时间可以通过在不同温度下注水来调整。较冷的水会增加充气时间，而较暖的水会减少充气时间。气球标签已成功应用于多个地点，包括位于俄勒冈州胡德河11 的独特水平平板鱼和碎片筛网 Farmers Screen，以及老挝人民民主共和国 Nam Ngum 大坝的弗朗西斯涡轮机12。另一个市售的气球标签示例是 Hi-Z Turb’N Tag13,14。Hi-Z Turb’N Tag 允许在 2 分钟到 60 分钟之间调整充气时间，具体取决于注入的水温13。该技术已用于许多野外地点的鱼类研究，包括涉及哥伦比亚河洛基河大坝释放的奇努克鲑鱼小鲑鱼和康涅狄格河哈德利瀑布大坝的幼年美国鲥鱼的研究 15,16。这两种技术都利用酸碱化学反应来充气球囊标签以进行回收。
这种方法在制造方面具有成本效益和简单性，估计每个气球的材料成本仅为 0.50 美元。如本文所述，制造过程易于遵循，使任何人都可以生产气球标签。
Protocol
Representative Results
Discussion
这项研究得出的结论是，与两胶囊和四胶囊球囊标签相比，在 18.3 °C 下注入 5 mL 水的三胶囊球囊标签具有更慢的起始充气时间，并且体积始终更大。当球囊标签在12.7 °C下注水时，平均体积较小，充气时间较长。三胶囊首先开始放气，然后是四胶囊，最后是两胶囊。与每个水温相关的充气和通货紧缩期在现场可能会有所帮助。对于需要更长充气时间的研究，较冷的水可能会导致气球标签的充气速?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项研究由美国能源部（DOE）水力技术办公室资助。实验室研究在太平洋西北国家实验室进行，该实验室由Battelle根据DE-AC05-76RL01830合同为美国能源部运营。
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 |
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