טכניקת ייצור תגי בלון לשחזור דגי חיישן ודגים חיים
Summary
מוצג פרוטוקול לתכנון וייצור תגי בלון לשחזור דגי חיישן ודגים חיים, המאפשר להעריך את מצבם הפיזי ואת ביצועיהם הביולוגיים במבנים הידראוליים. השיטה ממטבת את ביצועי תג הבלון על ידי התחשבות בגורמים כגון נפח הבלון, זמני ניפוח/דפלציה, בחירת רכיבים ומאפייני המים המוזרקים.
Abstract
דגים עלולים לחוות פציעות ותמותה כאשר הם עוברים דרך מסועים הידראוליים בסכרים הידרואלקטריים, גם אם מסועים אלה מתוכננים להיות ידידותיים לדגים, כגון מערכות מעקפים במורד הזרם, מברצים מותאמים וטורבינות. השיטות העיקריות המשמשות לחקר תנאי מעבר דגים במבנים הידראוליים כוללות בדיקות ישירות באתרן באמצעות טכנולוגיית Sensor Fish ודגים חיים. נתוני דגי חיישן מסייעים לזהות גורמי עקה פיזיים ואת מיקומם בסביבת מעבר הדגים, בעוד שדגים חיים מוערכים עבור פציעות ותמותה. תגי בלון, שהם בלונים המתנפחים מעצמם המחוברים חיצונית לדגי חיישן ולדגים חיים, מסייעים בהתאוששותם לאחר שעברו דרך מבנים הידראוליים.
מאמר זה מתמקד בפיתוח תגי בלון עם מספר משתנה של כמוסות על בסיס ירקות נמסות המכילות תערובת של חומצה אוקסלית, אבקות סודיום ביקרבונט ומים בשתי טמפרטורות שונות. המחקר שלנו קבע כי תגי בלון עם שלוש כמוסות, שהוזרקו להם 5 מ”ל מים בטמפרטורה של 18.3 מעלות צלזיוס, השיגו באופן עקבי את נפח הבלון הרצוי. תגים אלה היו בעלי נפח ניפוח ממוצע של 114 ס”מ 3 עם סטיית תקן של 1.2 ס”מ3. בין תגי הבלון שהוזרקו למים ב -18.3 מעלות צלזיוס, נצפה כי לתגי הבלון של שתי קפסולות לקח את הזמן הארוך ביותר להגיע לאינפלציה מלאה. בנוסף, תגי הבלון בעלי ארבע הקפסולות הדגימו זמן התחלה מהיר יותר של ניפוח, בעוד שתגי הבלון בעלי שלוש הקפסולות הדגימו זמן התחלה מהיר יותר של דפלציה. בסך הכל, גישה זו הוכחה כיעילה לאימות הביצועים של טכנולוגיות חדשות, שיפור תכנון הטורבינות וקבלת החלטות תפעוליות לשיפור תנאי מעבר הדגים. הוא משמש כלי רב ערך למחקר והערכות שטח, ומסייע בחידוד התכנון והתפעול של מבנים הידראוליים.
Introduction
כוח מים הוא משאב אנרגיה מתחדשת משמעותי ברחבי העולם. בארצות הברית, אנרגיה הידרואלקטרית תורמת כ-38% או 274 TWh של חשמל המופק ממקורות מתחדשים1 ויש לה פוטנציאל להוסיף כ-460 TWh בשנה2. עם זאת, ככל שפיתוח כוח המים גדל, חששות לגבי פגיעה ותמותה של דגים במהלך מעבר הידראולי הפכו לחשובים ביותר3. מנגנונים שונים תורמים לפציעות דגים במהלך המעבר, כולל דקומפרסיה מהירה (ברוטראומה), לחץ גזירה, מערבולות, מכות, קוויטציה ושחיקה4. למרות שלמנגנוני פגיעה אלה עשויה שלא להיות השפעה מיידית על מצבם הכללי של הדגים, הם יכולים להפוך אותם לפגיעים יותר למחלות, זיהומים פטרייתיים, טפילים וטריפה5. בנוסף, פגיעות פיזיות ישירות כתוצאה מהתנגשויות עם טורבינות או מבנים הידראוליים אחרים יכולות להוביל לתמותה משמעותית, תוך הדגשת החשיבות של הפחתת סיכונים אלה בפיתוח כוח מים.
אחת השיטות הנפוצות ביותר להערכת תנאי מעבר דגים היא שחרור דגי חיישן ודגים חיים דרך מבנים הידראוליים 6,7. דג החיישן הוא מכשיר אוטונומי שנועד לחקור את התנאים הפיזיים שדגים חווים במהלך מעבר דרך מבנים הידראוליים, כולל טורבינות, מברצים וחלופות עוקפות סכר 8,9. מצויד במד תאוצה תלת-ממדי, גירוסקופ תלת-ממדי, חיישן טמפרטורה וחיישן לחץ9, דג החיישן מספק נתונים חשובים על תנאי מעבר הדגים.
תגי בלונים, שהם בלונים המתנפחים מעצמם ומחוברים חיצונית לדגי חיישן ולדגים חיים, מסייעים בהתאוששותם לאחר שעברו דרך מבנים הידראוליים. תגי הבלון מורכבים מקפסולות מתמוססות המלאות בכימיקלים מחוללי גז (למשל, חומצה אוקסלית וסודיום ביקרבונט), פקק סיליקון וקו דיג. לפני הפריסה מוזרקים מים דרך פקק הסיליקון לתוך הבלון. המים ממיסים את הקפסולות הצמחיות, ומעוררים תגובה כימית המייצרת גז המנפח את הבלון. בתגובת נטרול זו, נתרן ביקרבונט, בסיס חלש, וחומצה אוקסלית, חומצה חלשה, מגיבים ליצירת פחמן דו חמצני, מים ונתרן אוקסלט10. התגובה הכימית מסופקת להלן:
2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4
הבלון המנופח מגביר את הציפה של דגי החיישן והדגים החיים, ומאפשר להם לצוף על פני המים להתאוששות קלה יותר.
מספר תגי הבלון הנדרשים כדי להשיג הנפקה ולהקל על שליפת דגימה (למשל, דג חיישן או דג חי) עשוי להשתנות בהתאם למאפייני הנפח והמסה של הדגימה. ניתן להתאים את משך ניפוח תג הבלון על ידי הזרקת מים בטמפרטורות שונות. מים קרים יותר יגדילו את זמן הניפוח, בעוד מים חמים יותר יפחיתו אותו. תגי בלונים הופעלו בהצלחה במקומות שונים, כולל מסך האיכרים, מבנה אופקי ייחודי של דגים שטוחים ופסולת בהוד ריבר, אורגון11, וטורבינת פרנסיס בסכר נאם נגום ברפובליקה הדמוקרטית העממיתשל לאוס 12. דוגמה נוספת לתג בלון זמין מסחרית היא Hi-Z Turb’N Tag13,14. תג Hi-Z Turb’N מאפשר לכוונן את זמן הניפוח בין 2 דקות ל-60 דקות, בהתאם לטמפרטורת המים המוזרקת13. טכנולוגיה זו שימשה במחקרי דגים באתרי שדה רבים, כולל מחקרים שכללו סמולט סלמון צ’ינוק ששוחרר בסכר Rocky Reach על נהר קולומביה ושאד אמריקאי צעיר בסכר מפלי האדלי על נהר קונטיקט15,16. שתי הטכנולוגיות משתמשות בתגובות כימיות על בסיס חומצה כדי לנפח את תגי הבלון להתאוששות.
שיטה זו מציעה חסכוניות ופשטות בייצור, עם עלות חומר משוערת של 0.50 דולר בלבד לבלון. כפי שמתואר כאן, תהליך הייצור קל לביצוע, מה שהופך את ייצור תגי הבלון לנגיש לכל אחד.
Protocol
Representative Results
Discussion
מחקר זה הגיע למסקנה כי תגי בלון של שלוש קפסולות שהוזרקו עם 5 מ”ל מים בטמפרטורה של 18.3 מעלות צלזיוס היו בעלי זמן ניפוח התחלה איטי יותר ונפח גדול יותר באופן עקבי בהשוואה לתגי בלון של שתי קפסולות וארבע קפסולות. כאשר הוזרקו לתגי הבלון מים בטמפרטורה של 12.7 מעלות צלזיוס, הנפח הממוצע היה קטן יותר, וזמ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) Water Power Technologies Office. מחקרי המעבדה נערכו במעבדה הלאומית פסיפיק נורת’ווסט (Pacific Northwest National Laboratory), המופעלת על ידי באטל עבור משרד האנרגיה תחת חוזה 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).
