气球标记制造技术用于传感器鱼和活鱼回收

摘要

本文介绍了一种设计和制造气球标记物的方案，用于回收传感器鱼和活体鱼类，以评估其在水力结构中的身体状况和生物学表现。该方法通过考虑气球体积、充气/放气时间、组件选择以及注入水的特性等因素，优化了气球标记物的性能。

摘要

鱼类在通过水电站的水力输送通道时可能会受到伤害甚至死亡，即使这些通道被设计为对鱼类友好的结构，如下游旁通系统、改良溢洪道 和水轮机。研究水工建筑物中鱼类过流条件的主要方法包括使用传感器鱼技术和活体鱼类进行直接的原位测试。传感器鱼数据有助于识别鱼类过流环境中物理胁迫因素及其发生位置，而活体鱼类则用于评估受伤情况和死亡率。气球标记是一种自充气的外部附着气球，可安装在传感器鱼和活体鱼上，有助于其在通过水工建筑物后的回收。

本文重点研究了带有不同数量可溶解植物基胶囊的气球标签，这些胶囊内含有草酸、碳酸氢钠粉末的混合物，并在两种不同温度下注入水。我们的研究确定，带有三个胶囊的气球标签在注入5 mL、18.3 °C的水后，能够持续达到预期的气球体积。这些标签的平均膨胀体积为114 cm³，标准差为1.2 cm³。在注入18.3 °C水的气球标签中，观察到双胶囊气球标签达到完全膨胀所需时间最长。此外，四胶囊气球标签表现出更快的膨胀启动时间，而三胶囊气球标签则表现出更快的收缩启动时间。总体而言，该方法在验证新技术性能、改进涡轮机设计以及优化运行决策以改善鱼类通过条件方面被证明是有效的。它为研究和现场评估提供了一种有价值的工具，有助于完善水力结构的设计与运行。

引言

水电是全球重要的可再生能源。在美国，水电约占可再生能源发电量的38%，即274太瓦时（TWh）¹，每年还有潜力新增约460太瓦时的发电量²。然而，随着水电开发的增加，鱼类在水力通过过程中遭受伤害和死亡的问题日益突出³。多种机制会导致鱼类在通过过程中的损伤，包括快速减压（气压性创伤）、剪切应力、湍流、撞击、空化和研磨⁴。尽管这些损伤机制可能不会立即影响鱼类的整体健康状况，但会使它们更容易受到疾病、真菌感染、寄生虫和捕食者的侵害⁵。此外，与水轮机或其他水力结构碰撞造成的直接物理损伤可能导致显著的死亡率，凸显了在水电开发中减轻这些风险的重要性。

评估鱼类通过条件的最常用方法之一是将传感器鱼和活鱼释放通过水力结构^6,7。传感器鱼是一种自主式装置，旨在研究鱼类在通过水力结构（包括水轮机、溢洪道以及大坝旁通设施等替代通道）时所经历的物理条件^8,9。传感器鱼配备有三维加速度计、三维陀螺仪、温度传感器和压力传感器⁹，可提供有关鱼类通过条件的宝贵数据。

气球标签是一种外部附着在传感器鱼和活鱼上的自充气气球，有助于它们在通过水力结构后被回收。气球标签由可溶解胶囊（内含产气化学物质，例如草酸和碳酸氢钠）、硅胶塞和钓线组成。在部署前，通过硅胶塞向气球内注入水。水溶解了植物基的胶囊，触发化学反应生成气体 ，从而使气球膨胀。在此中和反应中，作为弱碱的碳酸氢钠与作为弱酸的草酸反应，生成二氧化碳、水和草酸钠¹⁰。化学反应式如下所示：

2NaHCO₃+ H₂C2O₄ → 2CO₂ + 2H2O + Na₂C₂O₄

膨胀的气球增加了传感器鱼和活鱼的浮力，使其能够漂浮在水面上 水面以便于回收。

实现漂浮并协助回收样本（例如传感器鱼或活鱼）所需的气球标签数量，可能因样本的体积和质量特性而异。通过注入不同温度的水，可以调节气球标签的充气持续时间：较低温度的水会延长充气时间，而较高温度的水则会缩短充气时间。气球标签已在多个地点成功应用，包括位于俄勒冈州胡德河的法默斯筛网（Farmers Screen）——一种独特的水平平板式鱼类和杂物筛网结构¹¹，以及老挝人民民主共和国南俄水电站的大坝中的弗朗西斯水轮机¹²。另一种 commercially available 的气球标签实例是 Hi-Z Turb'N Tag^13,14。Hi-Z Turb'N Tag 可根据注入水温的不同，将充气时间调节在 2 分钟至 60 分钟之间¹³。该技术已在多个野外研究现场用于鱼类研究，包括在哥伦比亚河的罗基里奇大坝释放的奇努克鲑幼鱼研究，以及在康涅狄格河的哈德利瀑布大坝进行的美洲西鲱幼鱼研究^15,16。这两种技术均利用酸碱 化学反应使气球标签充气，以便回收。

该方法在制造上具有成本效益高和操作简便的优点，每个气球的材料成本估计仅为0.50美元。如本文所述，制造过程易于遵循，使得气球标签的生产可被任何人掌握。

方案

1. 酸/碱封装

1. 在混合杯中按重量比1:2混合H₂C₂O₄（草酸）和NaHCO₃（碳酸氢钠）（见材料表）。如果酸碱粉末混合物已结晶，使用研钵和研杵将其研磨成粉末（图1A）。
2. 取出3号植物性胶囊和半自动胶囊填充机，准备开始操作（见材料表）。
3. 将帽片平放在清洁、干燥的表面上。利用黑色定位销将胶囊封装片对准并固定在帽片上方（图1B）。
4. 将胶囊的帽部和体部分开，除非使用的是预先分离的胶囊。3号植物胶囊闭合后总长度为15.9 mm，外径（OD）为5.57 mm，容积为0.30 mL，重量为47 mg。
5. 将胶囊帽部倒入封装片中（图1C）。以环形动作轻轻摇晃，使帽部落入孔中。操作时，用手或粉末刮板遮住封装片侧壁的开口，防止帽部洒出（图1D）。
   1. 待所有孔均被填满后，将多余的胶囊帽部倒入干净的杯子中（图1E）。检查是否有倒置的胶囊帽部，并将其翻转（图1F）。确保所有胶囊帽部在帽片中方向正确。正确朝向至关重要，因为方向错误可能导致帽部无法与体部正确连接。
6. 取下封装片，将已装入帽部的帽片暂放一旁。
7. 取出体部（即"底部"）片，将其放置在清洁、干燥、平整的表面上。将封装片固定在底部片上，利用黑色定位销确保正确对齐。
8. 将胶囊体部倒入封装片中，以与之前相同的环形动作轻轻摇晃，使孔被填满。倒出多余的胶囊体部。检查是否有倒置的体部，并将其翻转。
9. 从底部片上取下封装片，并暂放一旁。
10. 将酸碱粉末混合物倒入已装满体部的底部片上（图1G）。使用塑料刮板将粉末填入胶囊体部中（图1H）。检查所有体部是否均已填满（图1I）。清除未使用的酸碱粉末。
11. 将帽片放在平整表面上，将中间片置于其上，并利用黑色定位销对齐，确保正确贴合。确保所有胶囊帽部与中间片上的对应孔对齐。
12. 将附有中间片的帽片翻转，并与已填充的底部片对齐（图1J）。
13. 均匀地从各个方向轻轻按压帽片，使帽部与体部结合，完成胶囊的闭合（图1K）。
14. 从底部片上取下帽片和中间片。此时，胶囊的帽部和体部应已正确连接。
    1. 检查每个胶囊的帽部与体部是否紧密贴合；若未完全闭合，可手动按压帽部与体部使其紧密结合。取出已填充的胶囊，并将其放入密封、防潮的容器中（图1L）。
       注意：为确保操作安全，使用者必须佩戴个人防护装备（PPE）和面部防护装置。应保证足够的通风，并采取预防措施避免物质被摄入、吸入，或接触皮肤、眼睛及衣物。此外，应避免产生粉尘。有关安全的详细信息，请参阅草酸和碳酸氢钠的安全数据表（SDS）。为保持酸碱胶囊的完整性，建议将其避光、防潮储存。未使用的胶囊应存放在密封、防潮的容器中。只要胶囊保持干燥、不受潮，即可有效使用，确保其最佳性能。

2. 硅胶塞的制备

1. 使用熔融沉积成型（FDM）3D打印机（见材料表），根据补充文件1中提供的STL文件打印模具板。
2. 在模具板的底面贴上透明包装胶带，确保每个开口均被密封（图2A）。
3. 按重量比1:1（例如，A组分和B组分各50 g）将市售硅胶模具材料混合至混合杯中（见材料表）。使用一次性勺子彻底搅拌该化合物约5分钟，直至混合物均匀一致。
4. 将贴有包装胶带的模具板放置在一张纸上。该纸张可用于承接模具板可能溢出的硅胶。
5. 开始将硅胶混合物倒入每个塞孔中，确保所有孔洞均被填满（图2B）。使用橡胶刮板将硅胶均匀涂抹至每个塞孔内（图2C），并清除模具板表面多余的硅胶混合物。
6. 让橡胶塞静置干燥4小时。确认塞子已完全固化（例如，硅胶混合物已完全干燥并硬化）后，从模具板背面撕下胶带（图2D），然后开始将塞子从模具中取出（图2E）。
7. 去除附着在塞子上的多余硅胶（图2F）。

3. 气球标签组装

1. 小心地将穿刺工具（例如直头牙科挑针）插入硅胶塞中（图3A）（参见材料表）。将穿刺工具插入一支15 G注射器针头中，然后将穿刺工具从硅胶塞中取出，仅留下15 G针头在硅胶塞内（图3B）。穿刺工具会在硅胶塞内部形成一条切口，而不会切割或移除任何材料。
2. 剪取一段50磅钓线（参见材料表），长度为150 mm。将钓线穿过15 G注射器针头，并穿入硅胶塞中（图3C）。
   1. 在小心握住硅胶塞和钓线的同时，将15 G注射器针头从硅胶塞本体中取出，使钓线保留在硅胶塞内部（图3D）。确保钓线在硅胶塞两侧的长度相等。
3. 将两粒装有酸/碱粉末的胶囊放入乳胶气球中（图3E）（参见材料表）。使用橡皮筋扩张工具（即阉割胶圈钳）撑大气球开口，然后小心地将一个硅胶塞插入气球开口内（图3F），使钓线的两端留在气球外部。
4. 将两个O形圈（宽1.6 mm，内径8.1 mm，参见材料表）套在橡皮筋扩张工具上并将其撑开。将乳胶气球的颈部穿过这两个已撑开的O形圈（图3G）。小心地将两个O形圈从橡皮筋扩张工具上拉下，使其紧密缠绕在气球颈部，并以硅胶塞为中心固定（图3H）。

4. 将气球标签附着到传感器鱼帽上

1. 将鱼线的一端穿过传感器鱼帽上的一个小孔（见材料表），然后从鱼帽中心的大孔中穿出（图4A）。
2. 将鱼线的两端系在一起，使鱼帽顶部与气球底部之间保留约13至26 mm的距离。打结时，使用四个依次叠加的单结固定鱼线。
3. 保留多余的鱼线，不要剪除过短，以免剪得离结太近而导致结松脱（图4B）。
4. 用手指捏住打结处两侧的鱼线，尽可能用力拉拽，以测试结的牢固性。注意不要在靠近气球的位置施力过猛，以免意外将鱼线从橡胶塞中拉出。

结果

本研究旨在确定制造气球标签的最佳方法，重点考察注入气球中的水的体积和温度。研究分析了多个输入参数，包括开始充气时间、完全充气时间、开始放气时间以及气球在完全充气状态下的体积。实验在环境温度为 21 °C 的实验台上进行。

本研究共制备了 360 个球囊标签。这些标签被分为 36 组，每组包含 10 个球囊标签。各组根据胶囊数量进行分类，包括两个、三个或四个胶囊。每组标签分别注入 5、6、7、8、9 或 10 mL 的水，水温为 18.3 或 12.7 °C。选择 12.7 °C 是因为这是仍能实现胶囊溶解的最低温度，而 18.3 °C 则代表实际应用中的室温。

结果显示，使用18.3 °C的水比使用12.7 °C的水时，充气完成所需时间更短（图5）。植物基胶囊在较低温度下溶解较慢，导致充气延迟。在测试的条件下，注入5 mL、18.3 °C水的三胶囊气球标签表现出一致的尺寸，平均体积为114 cm³，标准差为1.28 cm³（...

讨论

本研究得出结论：在注入18.3 °C的5 mL水后，三胶囊气囊标签的初始膨胀时间较慢，且体积始终大于双胶囊和四胶囊气囊标签。当气囊标签注入12.7 °C的水时，平均体积较小，膨胀时间较长。三胶囊气囊最先开始放气，随后是四胶囊气囊，最后是双胶囊气囊。不同水温对应的膨胀和放气时间在实际应用中具有参考价值。对于需要较长膨胀时间的研究，使用较冷的水可使气囊标签膨胀更缓慢，适用于鱼类或传感器鱼分布范围较广、需要较长回收时间的大型设施测试，类似于Martinez等人^7,12所开展的野外研究。而较温暖的水可用于提高膨胀速率，适用于缩小比例模型和小型水力结构（如农用筛网和缩比水轮机）的测试^11,17。

制造气球标签中最关键的步骤包括：在封装前，使用研钵和研杵将碳酸氢钠和草酸粉末充分混合。这将产生细碎且无结块的化合物，避免结块导致化学比例改变。制造完成后，胶囊必须避光...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3D 打印硅胶密封板	NA	NA
ARC800 传感器鱼	ATS	NA
FDM 3D 打印机	NA	NA
手动胶囊填充机 CN-400CL（3 号规格）	Capsulcn	NA
Mold Star 15 SLOW	Smooth-On	NA
耐油型 Buna-N 橡胶 O 型圈	McMaster-Carr	货号：9262K141
草酸，98%，无水粉末（C2H2O4)	赛默飞世尔科技	CAS：144-62-7
橡胶带扩张工具	iplusmile	NA
分离式植物纤维素胶囊（3 号规格）	Capsule Connection	NA
笑脸图案 YoYo 乳胶气球	YoYo Balloons, Etc.	NA
碳酸氢钠粉末（CHNaO3)	Sigma	CAS：144-55-8
光谱纤维编织钓鱼线（50 磅）	Power Pro	NA