Tecnica di produzione di tag a palloncino per il recupero di pesci sensore e pesci vivi
Summary
Viene presentato un protocollo per la progettazione e la produzione di tag a palloncino per il recupero di pesci sensore e pesci vivi, consentendo di valutare le loro condizioni fisiche e le prestazioni biologiche nelle strutture idrauliche. Il metodo ottimizza le prestazioni dell’etichetta del palloncino considerando fattori quali il volume del palloncino, i tempi di gonfiaggio/sgonfiaggio, la selezione dei componenti e le caratteristiche dell’acqua iniettata.
Abstract
I pesci possono subire lesioni e mortalità quando passano attraverso i trasporti idraulici delle dighe idroelettriche, anche se questi trasporti sono progettati per essere rispettosi dei pesci, come i sistemi di bypass a valle, gli sfioratori modificati e le turbine. I principali metodi utilizzati per studiare le condizioni di passaggio dei pesci nelle strutture idrauliche prevedono test diretti in situ utilizzando la tecnologia Sensor Fish e pesci vivi. I dati di Sensor Fish aiutano a identificare i fattori di stress fisico e la loro posizione nell’ambiente di passaggio dei pesci, mentre i pesci vivi vengono valutati per lesioni e mortalità. Le targhette a palloncino, che sono palloncini autogonfiabili attaccati esternamente a Sensor Fish e pesci vivi, aiutano nel loro recupero dopo essere passati attraverso le strutture idrauliche.
Questo articolo si concentra sullo sviluppo di tag a palloncino con un numero variabile di capsule solubili a base vegetale contenenti una miscela di acido ossalico, polveri di bicarbonato di sodio e acqua a due diverse temperature. La nostra ricerca ha determinato che i tag a palloncino con tre capsule, iniettati con 5 mL di acqua a 18,3 °C, hanno raggiunto costantemente il volume desiderato del palloncino. Questi tag avevano un volume di gonfiaggio medio di 114 cm 3 con una deviazione standard di 1,2 cm3. Tra i tag a palloncino iniettati con acqua a 18,3 °C, è stato osservato che i tag a palloncino a due capsule hanno impiegato il tempo più lungo per raggiungere il gonfiaggio completo. Inoltre, le etichette a palloncino a quattro capsule hanno dimostrato un tempo di inizio del gonfiaggio più rapido, mentre le etichette a palloncino a tre capsule hanno dimostrato un tempo di inizio dello sgonfiaggio più rapido. Nel complesso, questo approccio si dimostra efficace per convalidare le prestazioni di nuove tecnologie, migliorare la progettazione delle turbine e prendere decisioni operative per migliorare le condizioni di passaggio dei pesci. Funge da strumento prezioso per la ricerca e le valutazioni sul campo, aiutando a perfezionare sia la progettazione che il funzionamento delle strutture idrauliche.
Introduction
L’energia idroelettrica è un’importante risorsa di energia rinnovabile in tutto il mondo. Negli Stati Uniti, l’energia idroelettrica contribuisce con circa il 38% o 274 TWh di elettricità generata da fonti rinnovabili1 e ha il potenziale per aggiungere circa 460 TWh all’anno2. Tuttavia, con l’aumento dello sviluppo dell’energia idroelettrica, le preoccupazioni per le lesioni e la mortalità dei pesci durante il passaggio idraulico sono diventate fondamentali3. Vari meccanismi contribuiscono alle lesioni dei pesci durante il passaggio, tra cui la decompressione rapida (barotrauma), lo stress da taglio, la turbolenza, gli urti, la cavitazione e la macinazione4. Sebbene questi meccanismi di lesione possano non avere un impatto immediato sulle condizioni generali dei pesci, possono renderli più vulnerabili a malattie, infezioni fungine, parassiti e predazione5. Inoltre, le lesioni fisiche dirette derivanti da collisioni con turbine o altre strutture idrauliche possono portare a una mortalità significativa, sottolineando l’importanza di mitigare questi rischi nello sviluppo dell’energia idroelettrica.
Uno dei metodi più comuni per valutare le condizioni di passaggio dei pesci è il rilascio di pesci sensore e pesci vivi attraverso strutture idrauliche 6,7. Il Sensor Fish è un dispositivo autonomo progettato per studiare le condizioni fisiche che i pesci sperimentano durante il passaggio attraverso strutture idrauliche, tra cui turbine, sfioratori e alternative di bypassdelle dighe 8,9. Dotato di un accelerometro 3D, un giroscopio 3D, un sensore di temperatura e un sensore di pressione 9, il Sensor Fish fornisce dati preziosi sulle condizionidi passaggio dei pesci.
I tag a palloncino, che sono palloncini autogonfiabili attaccati esternamente a Sensor Fish e pesci vivi, aiutano nel loro recupero dopo essere passati attraverso le strutture idrauliche. Le etichette a palloncino sono costituite da capsule solubili riempite con sostanze chimiche che generano gas (ad es. acido ossalico e bicarbonato di sodio), un tappo in silicone e una lenza. Prima del dispiegamento, l’acqua viene iniettata nel palloncino attraverso il tappo in silicone. L’acqua scioglie le capsule a base vegetale, innescando una reazione chimica che produce gas gonfiando il palloncino. In questa reazione di neutralizzazione, il bicarbonato di sodio, una base debole, e l’acido ossalico, un acido debole, reagiscono per formare anidride carbonica, acqua e ossalato di sodio10. La reazione chimica è fornita di seguito:
2NaHCO3+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C2O4
Il pallone gonfiato aumenta la galleggiabilità del pesce sensore e dei pesci vivi, consentendo loro di galleggiare sulla superficie dell’acqua per un recupero più facile.
Il numero di tag a palloncino necessari per ottenere la flottazione e facilitare il recupero di un campione (ad esempio, pesci sensore o pesci vivi) può variare in base alle caratteristiche di volume e massa del campione. La durata del gonfiaggio dell’etichetta del palloncino può essere regolata iniettando acqua a diverse temperature. L’acqua più fredda aumenterà il tempo di gonfiaggio, mentre l’acqua più calda lo diminuirà. Le targhette a palloncino sono state impiegate con successo in varie località, tra cui il Farmers Screen, un’esclusiva struttura orizzontale a piastra piana per pesci e detriti a Hood River, Oregon11, e una turbina Francis presso la diga di Nam Ngum nella Repubblica Democratica Popolare del Laos12. Un altro esempio di tag a palloncino disponibile in commercio è l’Hi-Z Turb’N Tag13,14. L’Hi-Z Turb’N Tag consente di regolare il tempo di gonfiaggio tra 2 min e 60 min, a seconda della temperatura dell’acqua iniettata13. Questa tecnologia è stata utilizzata in studi sui pesci in molti siti sul campo, compresi gli studi che hanno coinvolto i giovani salmoni Chinook rilasciati alla diga di Rocky Reach sul fiume Columbia e i giovani aloni americani alla diga di Hadley Falls sul fiume Connecticut15,16. Entrambe le tecnologie utilizzano reazioni chimiche acido-base per gonfiare le etichette del palloncino per il recupero.
Questo metodo offre economicità e semplicità nella produzione, con un costo del materiale stimato di soli $ 0,50 per palloncino. Come descritto qui, il processo di produzione è facile da seguire, rendendo la produzione di tag a palloncino accessibile a chiunque.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo studio ha concluso che i tag a palloncino a tre capsule iniettati con 5 mL di acqua a 18,3 °C avevano un tempo di gonfiaggio iniziale più lento e un volume costantemente maggiore rispetto ai tag a palloncino a due e quattro capsule. Quando i tag del palloncino sono stati iniettati con acqua a 12,7 °C, il volume medio era inferiore e il tempo di gonfiaggio era più lungo. La capsula a tre capsule inizia a sgonfiarsi per prima, seguita da quella a quattro capsule e infine da quella a due capsule. I periodi di gon…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo studio è stato finanziato dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) Water Power Technologies Office. Gli studi di laboratorio sono stati condotti presso il Pacific Northwest National Laboratory, gestito da Battelle per il DOE nell’ambito del contratto 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 |
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