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。
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Protocol
1. 酸/碱封装
- 在混合杯中以 H 2 C 2 O4（草酸）和 NaHCO3（碳酸氢钠）的重量按 1：2的比例混合（参见材料表）。如果酸碱粉末混合物结晶，则使用研钵和研杵将其研磨（图1A）。
- 取回 3 号植物胶囊和半自动胶囊灌装机以开始该过程（参见 材料表）。
- 将盖板平放在干净、干燥的表面上。使用黑色钉子将封装片对齐在盖板顶部，以将其正确固定到位（图1B）。
- 将胶囊顶部和底部分开，除非使用预先分离的胶囊。#3 号植物胶囊在关闭时，整体尺寸为 15.9 毫米长、5.57 毫米外径 （OD）、0.30 mL 体积和 47 毫克。
- 将胶囊顶部倒入封装片中（图1C）。以圆周运动轻轻摇晃顶部到孔中。执行此操作时，用一只手或粉末撒布器覆盖封装片壁上的间隙，以避免溢出顶部（图1D）。
- 填充孔后，将多余的胶囊顶部倒入干净的杯子中（图1E）。识别任何倒置的胶囊顶部并将它们翻转过来（图1F）。确保所有胶囊顶部都朝向盖板中的正确方向。确保正确的方向很重要，因为不正确的对准可能会导致胶囊顶部无法与胶囊底部正确连接。
- 取下封装片，将填充的盖片放在一边。
- 取出正文或“底部”床单。将其放在干净、干燥、平坦的表面上。将封装片固定在底片上，利用黑色钉子将其正确定位到位，确保正确对齐。
- 将胶囊底部倒入封装片中，并像以前一样以圆周运动摇晃以填充孔。倒掉多余的胶囊底部。识别任何倒置的胶囊底部并将它们翻转过来。
- 从底板上取下封装片并将其放在一边。
- 将酸/碱粉混合物倒在填充的底板上（图1G）。使用塑料撒布器用粉末填充胶囊底部（图1H）。检查所有胶囊底部是否已填充（图1I）。去除任何未使用的酸/碱粉。
- 将盖板放在平坦的表面上，将中间的盖板放在顶部，将其与黑色钉子对齐以确保正确贴合。确保将所有胶囊顶部与中间片上的相应孔对齐。
- 将盖板与粘贴的中间板倒置，并将其与填充的底板对齐（图1J）。
- 轻轻地按压盖板，将顶部和底部连接在一起，将胶囊的两侧安装在一起（图1K）。
- 从底板上取下盖板和中间板。此时，胶囊底部和顶部应正确连接在一起。
- 验证每个胶囊顶部和底部是否紧密贴合;如果没有，请手动将胶囊顶部和底部压在一起以形成紧密贴合。取出填充的胶囊并将它们放入密封的可密封容器中（图1L）。
注意： 为了安全操作，用户必须穿戴个人防护设备 （PPE） 和面部防护。应确保充分通风，并应采取预防措施，避免摄入、吸入和接触皮肤、眼睛或衣服上的物质。此外，防止灰尘的产生也很重要。有关安全性的详细信息，请参阅草酸和碳酸氢钠的安全数据表 （SDS）。为了保持酸/碱胶囊的完整性，建议将它们存放在远离阳光直射和高湿度的地方。将未使用的胶囊存放在密封的密封容器中。只要胶囊保持干燥且不受潮，就可以有效地使用它们以确保最佳功能。
- 验证每个胶囊顶部和底部是否紧密贴合;如果没有，请手动将胶囊顶部和底部压在一起以形成紧密贴合。取出填充的胶囊并将它们放入密封的可密封容器中（图1L）。
2.硅胶塞制造
- 使用熔融沉积成型 （FDM） 3D 打印机（参见 材料表），使用 补充文件 1 中提供的 STL 文件打印模板。
- 在模板的底部放置透明包装胶带，使每个开口都密封（图2A）。
- 将市售硅胶模具材料按 1：1 的重量比（例如，A 部分和 B 部分各 50 g）混合到混合杯中（参见 材料表）。使用一次性勺子，将化合物彻底混合约 5 分钟，或直至其变得均匀。
- 将带有包装胶带的模板放在一张纸上。纸张将捕获模具板上任何潜在的硅胶溢出物。
- 开始将硅胶混合物倒入每个塞孔中，确保它们都充满（图2B）。使用橡胶刮刀将硅胶涂抹到每个塞孔中（图2C）。从模板表面去除剩余的硅胶混合物。
- 让橡胶塞干燥4小时。在确保塞子完全固化后（例如，硅胶混合物已完全干燥和硬化），从模板背面取下胶带（图2D），然后开始将塞子从模具中拉出（图2E）。
- 去除附着在塞子上的任何多余硅胶（图 2F）。
3.气球标签组装
- 小心地将穿孔工具（例如，直牙镐）插入硅胶塞（图 3A）（参见 材料表）。将穿刺工具插入15G注射器针头，然后从硅胶塞上取下穿刺工具，仅将15G针留在里面（图3B）。穿孔工具将在硅胶塞内形成一个狭缝，而无需切割或去除任何材料。
- 将一根 50 磅重的钓鱼线（见 材料表）切成 150 毫米的长度。将钓鱼线穿过15G注射器针头并插入硅胶塞中（图3C）。
- 在小心地将鱼塞和鱼线握在一起的同时，从鱼塞的主体上取下15G注射器针头，将鱼线留在鱼塞内（图3D）。确保鱼线长度均匀在塞子的两侧。
- 将两个充满酸/碱粉的胶囊插入乳胶球囊中（图3E）（参见 材料表）。使用橡皮筋膨胀工具（即去势带钳）扩大球囊开口，然后小心地将一个硅胶塞插入球囊开口（图3F），将钓鱼线的两端留在球囊外。
- 将两个 O 形圈（1.6 mm 宽，8.1 mm 内径，参见 材料表）放在橡皮筋膨胀工具上并展开它们。将乳胶球囊的颈部插入两个扩展的O形圈（图3G）。小心地将两个O形圈从橡皮筋膨胀工具上拉开，使它们紧紧缠绕在气球的颈部，以塞子为中心（图3H）。
4. 将气球标签连接到传感器鱼帽上
- 将钓鱼线的一端穿过传感器鱼盖上的一个小孔（参见 材料表），然后将其穿过鱼盖中心的大孔（图 4A）。
- 将钓鱼线的两端绑在一起，在盖子顶部和气球底部之间留出约 13 到 26 毫米的距离。绑鱼线时，使用四个反手结相互叠放。
- 将额外的钓鱼线连接起来，因为将其切得太靠近结可能会导致结解开（图 4B）。
- 用手指抓住绳结两侧的钓鱼线并尽可能用力拉动来测试绳结。注意不要把气球拉得太近，因为它可能会无意中将钓鱼线穿过橡胶塞。
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Representative Results
进行了一项研究以确定制造气球标签的最佳方法，重点是注入气球的水的体积和温度。该研究检查了各种输入参数，包括充气开始时间、完全充气时间、通气开始时间和充气时气球的体积。该研究在环境温度为21°C的办公桌上进行。
该研究共准备了 360 个气球标签。标签分为 36 组，每组包含 10 个气球标签。这些套装根据胶囊的数量进行分类，包括两个、三个或四个胶囊。在18.3或12.7°C的温度下向每组标签注入5、6、7、8、9或10 mL水。 为了实用起见，选择12.7°C的温度作为仍允许胶囊溶解的最低温度，而18.3°C代表室温。
结果表明，与12.7 °C相比，在18.3 °C下使用水时，完全充气发生得更快（图5）。植物性胶囊在较低温度下的溶解速度较慢，导致膨胀延迟。在测试条件下，在18.3 °C下注入5 mL水的三胶囊球囊标签表现出一致的尺寸，平均体积为114 cm 3，标准偏差为1.28 cm3（表1）。在 18.3 °C 时，四胶囊球囊标签表现出更快的充气开始时间，而三胶囊球囊标签表现出更快的放气开始时间（图 6）。然而，两胶囊和四胶囊球囊标签的完全充气时间几乎相同。三胶囊首先开始放气，然后是四胶囊，最后是两胶囊。
图 1：说明球囊标签充气试剂胶囊填充过程的分步图像 。 （A）草酸和碳酸氢钠的混合研磨。（B） 将封装片对准盖板的顶部。（C） 将胶囊顶部倒入封装片中。（D） 将顶部摇晃到封装片的孔中。（E） 将多余的顶部倒入干净的杯子中。（F） 识别倒置的胶囊顶部并将它们翻转过来。（G） 将酸/碱粉混合物倒在底板上。（H） 将粉末铺开以填充胶囊底部。（I） 验证所有胶囊底部是否已填充。（J） 将盖板与粘贴的中间板倒置，并将其与填充的底板对齐。（K） 按下盖板以连接顶部和底部胶囊。（L） 确保每个胶囊顶部和底部紧密贴合。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 2：演示气球标签硅胶塞制作过程的分步图像 。 （A） 在模板底部用透明包装胶带密封每个开口。（B） 将硅胶混合物倒入每个塞孔中。（C） 使用橡胶刮刀将硅胶铺入每个塞孔中。（D） 塞子固化后，从模板背面取下胶带。（E） 从模具中取出塞子。（F） 去除附着在塞子上的任何多余硅胶。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 3：说明气球标签组装的分步照片 。 （A） 将穿刺工具插入硅胶塞中。（B） 将穿刺工具插入 15 G 注射器针头。（C） 切割一根 6 英寸的 50 磅钓鱼线，并将其穿过 15 G 注射器针头并插入硅胶塞中。（D） 从塞子上取下 15 G 注射器针头，将钓鱼线留在里面。（E） 将两个充满酸/碱的胶囊插入乳胶球囊中。（F） 用橡皮筋膨胀工具扩大球囊开口并插入一个硅胶塞。（G） 将两个 O 形圈放在橡皮筋膨胀工具上，展开它们，然后将乳胶球囊颈部插入膨胀的 O 形圈。（H） 小心地将两个 O 形圈从橡皮筋膨胀工具上拉开，将它们紧紧缠绕在气球颈部，以塞子为中心。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 4：分步照片演示 了将气球标签绑在传感器鱼帽上的过程。 （A） 将鱼线的一端穿过传感器鱼帽上的一个小孔，将其穿过大中心孔，然后将两端绑在一起，在鱼线帽的顶部和气球底部之间留出 13 到 26 毫米的间隙。（B） 气球标签附在传感器鱼帽上。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 5：气球标签的充气。 在 （A） 12.7 °C 和 （B） 18.3 °C 下，使用 5 至 10 mL 水对两胶囊（绿色）、三胶囊（蓝色）和四胶囊（灰色）球囊标签进行水球囊标签的平均充气时间。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 6：气球标签的体积和充气时间。 （A） 完全充气时的气球体积，以及 （B） 在 18.3 °C 下用 5 mL 水的两胶囊（正方形）、三胶囊（三角形）和四胶囊（星形）气球标签开始充气、完全充气和开始放气的平均时间。 请点击这里查看此图的较大版本.
| 水温 | 18.3°摄氏度 | 12.7°摄氏度 | ||||
| 胶囊数量 | 2 | 3 | 4 | 2 | 3 | 4 |
| 平均成交量 | 76.1 | 114 | 120 | 72.1 | 103 | 117 |
| 标准差 | 6.53 | 1.28 | 7.53 | 6.82 | 5.07 | 6.14 |
表 1：在 18.3 °C 和 12.7 °C 下注入 5 mL 水后，两胶囊、三胶囊和四胶囊球囊标签的平均体积和标准偏差 （cm3）。
补充文件1：用于打印模板的STL文件。请点击这里下载此文件。
补充文件2：柠檬酸。请点击这里下载此文件。
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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度变慢，从而允许在鱼类或传感器鱼可能分布更广且需要更长检索时间的大型设施中进行测试，类似于Martinez等人进行的实地研究7,12。温水可用于提高膨胀率，以测试缩小比例模型和小型水工结构，例如农民屏幕和比例水轮机11,17。
制造球囊标签的最关键步骤包括确保在封装之前使用研钵和研杵充分混合碳酸氢钠和草酸粉末。这将产生一种精细研磨的化合物，而不会产生团块，否则可能会改变化学比例。制造后，胶囊必须避免阳光直射，并密封在密闭容器中，以防止空气中的水分吸收，从而降解植物性胶囊18。
这种方法的主要优点是其成本效益和简单的制造工艺。生产一个气球的估计材料成本仅为 0.50 美元。这对于预算有限且需要大量样本的研究是有利的。气球标签将支持水电大坝和其他水力结构的传感器鱼部署以及鱼类生存和伤害评估。这种方法满足了美国对可持续能源和持续更换涡轮机日益增长的需求19.在部署新技术之后，有必要进行现场评估，以验证该技术20的设计改进。评估结果还可以为改进涡轮机设计提供见解，并为有关涡轮机运行的管理决策提供信息，以改善鱼类通道条件21.
气球标签的制造和使用有一定的局限性，需要考虑。使用研钵和研杵进行手动混合，以确保在封装前彻底混合碳酸氢钠和草酸粉末，这一过程可能既费时又费力，限制了可扩展性。此外，标签中使用的植物性胶囊需要小心地存放在密闭容器中，避免阳光直射，以防止降解，这增加了处理和运输的复杂性，尤其是在野外环境中。此外，球囊标签的性能与温度有关，较冷的水会导致较小的平均体积和较长的充气时间，从而限制了它们对需要较短充气期的研究或在较小水力结构下进行测试的适用性。相反，较暖的水会增加膨胀率，但可能会限制在较冷环境或需要较长检索时间的大型设施中的适用性。应仔细考虑和解决这些限制，以便在各种研究场景中最佳地使用球囊标签。
为确保您在使用危险化学品（如本手稿中详述的化学品）时的安全，必须查阅 SDS，以获取有关正确处理和储存的全面指导。具体来说，草酸如果与皮肤接触或被摄入，会对人体健康构成风险。此外，它对热敏感，可以与硝酸盐等氧化剂发生剧烈反应，可能导致火灾和爆炸22。因此，在处理草酸时，必须在通风良好的通风橱中工作，并佩戴个人防护装备，如护目镜、口罩和手套，以防止受伤或刺激。
柠檬酸可以代替草酸作为气球标签的替代化学品，这主要是因为它被美国食品和药物管理局认可为用于食品和皮肤产品的安全物质23。与草酸相比，柠檬酸对热的敏感性降低，并且与氧化剂、强碱或酸不相容。就像草酸一样，处理柠檬酸需要使用通风良好的通风柜和适当的个人防护装备。
柠檬酸 （C6H8O7） 和碳酸氢钠 （NaHCO3） 在水中的反应也会产生二氧化碳 （CO2） 用于给气球标签充气。该化学过程导致柠檬酸钠 （Na3C6H5O7）、水和二氧化碳的形成，如下式所示：
C 6 H8O 7 + 3NaHCO 3 → Na 3C6H5O 7 + 3H 2 O +3CO2
使用柠檬酸的局限性在于，对于储存在球囊标签内的相同质量的材料（酸+碳酸氢钠），产生的 CO2 量约为草酸产生的 CO 量的 81%。这是一个至关重要的考虑因素，因为它减小了气球标签的尺寸，并且气球标签的完全充气持续时间更长。如果用柠檬酸代替草酸，建议使用1：2的质量比（碳酸氢钠与柠檬酸），以达到46cm3 的球囊体积和15分钟的完全充气时间。有关更多信息，请参阅补充文件 2：柠檬酸。
这项研究的重点是开发和利用气球标签技术，这是一种旨在定位和帮助恢复传感器鱼和活鱼在水力结构中航行的工具。主要目标是提高对这些结构如何影响水生动物的理解，最终促进创建更适合鱼类的涡轮机。这种方法不仅具有成本效益，而且还包含简单的制造工艺，经过优化后，可以实现这些标签的大规模生产。此外，这些标签可以定制以适应各种物种和水生环境。未来的研究将深入探讨在不同条件下优化气球标签的性能，探索它们对鱼类行为的影响，并解决环境问题。虽然我们的初步结果很有希望，但广泛的现场测试对于实际验证和长期耐久性评估是必要的。总体而言，本研究旨在通过提供一种有助于评估和减轻水力结构对鱼类影响的工具，促进可持续和负责任的水电开发。
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Disclosures
作者没有利益冲突。
Acknowledgments
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
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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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