Technique de fabrication d’étiquettes de ballons pour la récupération de poissons capteurs et de poissons vivants

Résumé

Un protocole est présenté pour la conception et la fabrication de ballons de récupération de poissons capteurs et de poissons vivants, permettant d’évaluer leur condition physique et leurs performances biologiques dans les structures hydrauliques. La méthode optimise les performances de l’étiquette du ballon en tenant compte de facteurs tels que le volume du ballon, les temps de gonflage/dégonflage, la sélection des composants et les caractéristiques de l’eau injectée.

Résumé

Les poissons peuvent subir des blessures et mourir lorsqu’ils traversent les moyens de transport hydrauliques des barrages hydroélectriques, même si ces moyens de transport sont conçus pour être respectueux des poissons, comme les systèmes de dérivation en aval, les évacuateurs de crues modifiés et les turbines. Les principales méthodes utilisées pour étudier les conditions de passage des poissons dans les structures hydrauliques consistent en des tests directs et in situ à l’aide de la technologie Sensor Fish et de poissons vivants. Les données des poissons capteurs aident à identifier les facteurs de stress physiques et leur emplacement dans l’environnement de passage des poissons, tandis que les poissons vivants sont évalués pour les blessures et la mortalité. Les étiquettes de ballon, qui sont des ballons autogonflants attachés à l’extérieur aux poissons capteurs et aux poissons vivants, aident à leur récupération après avoir traversé des structures hydrauliques.

Cet article se concentre sur le développement d’étiquettes de ballons avec un nombre variable de capsules solubles à base de plantes contenant un mélange d’acide oxalique, de poudres de bicarbonate de sodium et d’eau à deux températures différentes. Nos recherches ont permis de déterminer que les ballons étiquetés avec trois capsules, injectés avec 5 ml d’eau à 18,3 °C, atteignaient systématiquement le volume de ballonnet souhaité. Ces étiquettes avaient un volume de gonflage moyen de 114 cm 3 avec un écart-type de 1,2 cm³. Parmi les ballons à ballons injectés avec de l’eau à 18,3 °C, il a été observé que les ballons à deux capsules mettaient le plus de temps à atteindre leur gonflage complet. De plus, les étiquettes de ballons à quatre capsules ont démontré un temps de début de gonflage plus rapide, tandis que les étiquettes de ballons à trois capsules ont démontré un temps de début de dégonflage plus rapide. Dans l’ensemble, cette approche s’avère efficace pour valider le rendement des nouvelles technologies, améliorer la conception des turbines et prendre des décisions opérationnelles pour améliorer les conditions de passage des poissons. Il s’agit d’un outil précieux pour la recherche et les évaluations sur le terrain, aidant à affiner la conception et l’exploitation des structures hydrauliques.

Introduction

L’hydroélectricité est une ressource d’énergie renouvelable importante dans le monde entier. Aux États-Unis, on estime que l’hydroélectricité contribue à hauteur de 38 %, soit 274 TWh, à l’électricité produite à partir de sources renouvelables¹ et qu’elle pourrait ajouter environ 460 TWh par an². Cependant, à mesure que le développement de l’hydroélectricité augmente, les préoccupations concernant les blessures et la mortalité des poissons lors du passage hydraulique sont devenues primordiales³. Divers mécanismes contribuent aux blessures des poissons pendant le passage, notamment la décompression rapide (barotraumatisme), la contrainte de cisaillement, la turbulence, les frappes, la cavitation et le broyage⁴. Bien que ces mécanismes de blessure n’aient pas d’impact immédiat sur l’état général des poissons, ils peuvent les rendre plus vulnérables aux maladies, aux infections fongiques, aux parasites et à la prédation⁵. De plus, les blessures physiques directes résultant de collisions avec des turbines ou d’autres structures hydrauliques peuvent entraîner une mortalité importante, ce qui souligne l’importance d’atténuer ces risques dans le développement de l’hydroélectricité.

L’une des méthodes les plus courantes pour évaluer les conditions de passage des poissons consiste à relâcher des poissons-capteurs et des poissons vivants à travers des structures hydrauliques ^6,7. Le Sensor Fish est un dispositif autonome conçu pour étudier les conditions physiques que subissent les poissons lors de leur passage à travers les structures hydrauliques, y compris les turbines, les évacuateurs de crues et les alternatives de contournement des barrages ^8,9. Équipé d’un accéléromètre 3D, d’un gyroscope 3D, d’un capteur de température et d’un capteur de pression⁹, le Sensor Fish fournit des données précieuses sur les conditions de passage des poissons.

Les étiquettes de ballons, qui sont des ballons autogonflants attachés à l’extérieur aux poissons capteurs et aux poissons vivants, aident à leur récupération après avoir traversé des structures hydrauliques. Les étiquettes de ballons sont constituées de capsules solubles remplies de produits chimiques générant des gaz (par exemple, de l’acide oxalique et du bicarbonate de sodium), d’un bouchon en silicone et d’une ligne de pêche. Avant le déploiement, de l’eau est injectée à travers le bouchon en silicone dans le ballon. L’eau dissout les capsules végétales, déclenchant une réaction chimique qui produit du gaz gonflant le ballon. Dans cette réaction de neutralisation, le bicarbonate de sodium, une base faible, et l’acide oxalique, un acide faible, réagissent pour former du dioxyde de carbone, de l’eau et de l’oxalate de sodium¹⁰. La réaction chimique est fournie ci-dessous :

2NaHCO₃+ H 2 C2O 4 → 2CO 2 + 2H2O + Na 2 C₂O₄

Le ballon gonflé augmente la flottabilité des poissons capteurs et des poissons vivants, leur permettant de flotter à la surface de l’eau pour une récupération plus facile.

Le nombre d’étiquettes de ballonnet nécessaires pour réaliser la flottaison et faciliter la récupération d’un échantillon (p. ex., poisson capteur ou poisson vivant) peut varier en fonction des caractéristiques du volume et de la masse de l’échantillon. La durée de gonflage de l’étiquette du ballon peut être ajustée en injectant de l’eau à différentes températures. L’eau plus froide augmentera le temps de gonflage, tandis que l’eau plus chaude le diminuera. Des étiquettes de ballons ont été utilisées avec succès dans divers endroits, y compris le Farmers Screen, une structure horizontale unique de criblage de poissons et de débris à Hood River, dans l’Oregon¹¹, et une turbine Francis au barrage de Nam Ngum en République démocratique populaire lao¹². Un autre exemple d’étiquette de ballon disponible dans le commerce est le Hi-Z Turb’N Tag^13,14. Le Hi-Z Turb’N Tag permet de régler le temps de gonflage entre 2 min et 60 min, en fonction de la température de l’eau injectée¹³. Cette technologie a été utilisée dans le cadre d’études sur les poissons dans de nombreux sites sur le terrain, y compris des études portant sur des saumoneaux quinnat relâchés au barrage Rocky Reach, sur le fleuve Columbia, et sur des aloses savoureuses juvéniles au barrage Hadley Falls, sur la rivière Connecticut^15,16. Les deux technologies utilisent des réactions chimiques acido-basiques pour gonfler les étiquettes des ballons en vue de leur récupération.

Cette méthode offre une rentabilité et une simplicité de fabrication, avec un coût de matériau estimé à seulement 0,50 $ par ballon. Comme décrit ici, le processus de fabrication est facile à suivre, ce qui rend la production d’étiquettes de ballons accessible à tous.

Protocole

1. Encapsulation acide/base

1. Mélanger un rapport de 1 :2 en poids de H 2 C₂O₄ (acide oxalique) et NaHCO₃ (bicarbonate de sodium) dans un gobelet à mélanger (voir le tableau des matériaux). Si le mélange de poudre acide-base est cristallisé, broyez-le à l’aide d’un mortier et d’un pilon (Figure 1A).
2. Récupérez les capsules végétales de taille 3 et la remplisseuse de capsules semi-automatique pour commencer le processus (voir le tableau des matériaux).
3. Placez la feuille de finition à plat sur une surface propre et sèche. Alignez la feuille d’encapsulation sur le dessus de la feuille de finition à l’aide des chevilles noires pour la fixer correctement en place (Figure 1B).
4. Séparez le haut et le bas des capsules, sauf si vous utilisez des capsules pré-séparées. Les capsules végétales de taille #3, lorsqu’elles sont fermées, ont des dimensions globales de 15,9 mm de longueur, 5,57 mm de diamètre extérieur (OD), 0,30 mL de volume et pèsent 47 mg.
5. Versez les bouchons des capsules dans la feuille d’encapsulation (Figure 1C). Secouez doucement les sommets dans les trous avec un mouvement circulaire. Ce faisant, couvrez l’espace dans la paroi de la feuille d’encapsulation d’une main ou d’un épandeur de poudre pour éviter de renverser les sommets (Figure 1D).
   1. Une fois les trous remplis, versez l’excédent de capsules dans un gobelet propre (Figure 1E). Identifiez tous les couvercles de capsules à l’envers et retournez-les (Figure 1F). Assurez-vous que tous les couvercles des capsules sont orientés dans la bonne direction dans la feuille de finition. Il est important de s’assurer d’une bonne orientation, car un mauvais alignement peut empêcher le haut de la capsule de se joindre correctement au fond de la capsule.
6. Retirez la feuille d’encapsulation et mettez de côté la feuille de finition remplie.
7. Sortez le corps ou la feuille « inférieure ». Placez-le sur une surface propre, sèche et plane. Fixez la feuille d’encapsulation à la feuille inférieure, en assurant un bon alignement en utilisant les chevilles noires pour la positionner correctement en place.
8. Versez le fond de la capsule dans la feuille d’encapsulation et secouez comme précédemment dans un mouvement circulaire pour remplir les trous. Videz l’excédent de fonds de capsule. Identifiez les fonds de capsules à l’envers et retournez-les.
9. Retirez la feuille d’encapsulation de la feuille inférieure et mettez-la de côté.
10. Versez le mélange acide/poudre de base sur la feuille inférieure remplie (Figure 1G). Utilisez un épandeur en plastique pour remplir le fond de la capsule avec la poudre (Figure 1H). Vérifiez que tous les fonds de capsule sont remplis (Figure 1I). Retirez toute poudre acide/base inutilisée.
11. Placez la feuille de finition sur une surface plane et positionnez la feuille centrale sur le dessus, en l’alignant avec les chevilles noires pour assurer un ajustement correct. Assurez-vous d’aligner tous les sommets des capsules avec les trous correspondants dans la feuille centrale.
12. Retournez la feuille de finition avec la feuille centrale apposée et alignez-la avec la feuille inférieure remplie (Figure 1J).
13. Appuyez doucement sur la feuille de finition de manière égale de tous les côtés pour joindre le haut et le bas, en ajustant les deux côtés de la capsule ensemble (Figure 1K).
14. Retirez la feuille de finition et la feuille du milieu de la feuille inférieure. À ce stade, le fond et le dessus de la capsule doivent être correctement assemblés.
    1. Vérifiez que le haut et le bas de chaque capsule sont bien ajustés ; Si ce n’est pas le cas, pressez manuellement le haut et le bas de la capsule ensemble pour créer un ajustement serré. Retirez les capsules remplies et placez-les dans un contenant hermétique et refermable (figure 1L).
       REMARQUE : Pour une manipulation en toute sécurité, il est essentiel que les utilisateurs portent un équipement de protection individuelle (EPI) et une protection faciale. Une ventilation adéquate doit être assurée et des précautions doivent être prises pour éviter l’ingestion, l’inhalation et le contact avec la substance sur la peau, les yeux ou les vêtements. De plus, il est important d’éviter la génération de poussière. Pour des informations détaillées sur la sécurité, veuillez vous référer à la fiche de données de sécurité (FDS) pour l’acide oxalique et le bicarbonate de sodium. Pour maintenir l’intégrité des capsules acides/basiques, il est conseillé de les stocker à l’abri de la lumière directe du soleil et d’une humidité élevée. Conservez les capsules inutilisées dans un récipient hermétique hermétique. Tant que les capsules sont maintenues au sec et à l’abri de l’humidité, elles peuvent être utilisées efficacement pour assurer une fonctionnalité optimale.

2. Fabrication de bouchons en silicone

1. À l’aide d’une imprimante 3D de modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) (voir la table des matériaux), imprimez une plaque de moulage à l’aide du fichier STL fourni dans le fichier supplémentaire 1.
2. Placez un ruban d’emballage transparent sur la face inférieure de la plaque de moule de manière à ce que chaque ouverture soit scellée (Figure 2A).
3. Mélangez un rapport de 1 :1 en poids (par exemple, 50 g chacun de la partie A et de la partie B) du matériau de moule en silicone disponible dans le commerce dans un gobelet à mélanger (voir le tableau des matériaux). À l’aide d’une cuillère jetable, mélangez soigneusement le composé chimique pendant environ 5 minutes, ou jusqu’à ce qu’il soit uniforme.
4. Placez la plaque de moule avec le ruban d’emballage sur une feuille de papier. Le papier attrapera tout déversement potentiel de silicone de la plaque de moule.
5. Commencez à verser le mélange de silicone dans chaque trou d’obturation, en vous assurant qu’ils sont tous remplis (Figure 2B). À l’aide d’une raclette en caoutchouc, étalez le silicone dans chaque trou d’arrêt (Figure 2C). Retirez le reste du mélange de silicone de la surface de la plaque de moule.
6. Laissez sécher les bouchons en caoutchouc pendant 4 h. Après vous être assuré que les bouchons sont complètement durcis (par exemple, le mélange de silicone a complètement séché et durci), retirez le ruban adhésif à l’arrière de la plaque du moule (Figure 2D), puis commencez à retirer les bouchons du moule (Figure 2E).
7. Retirez tout excès de silicone fixé aux bouchons (Figure 2F).

3. Assemblage de l’étiquette de ballon

1. Insérez délicatement l’outil de perçage (par exemple, un cure-dent droit) dans le bouchon en silicone (Figure 3A) (voir le tableau des matériaux). Insérez l’outil de perçage dans une aiguille de seringue de 15 G, puis retirez l’outil de perçage du bouchon en silicone, en ne laissant que l’aiguille de 15 G à l’intérieur (Figure 3B). L’outil de perçage créera une fente à l’intérieur du bouchon en silicone sans couper ni enlever de matériau.
2. Coupez un morceau de fil de pêche de 50 lb (voir le tableau des matériaux) à une longueur de 150 mm. Insérez le fil de pêche dans l’aiguille de la seringue de 15 G et dans le bouchon en silicone (Figure 3C).
   1. Tout en maintenant soigneusement le bouchon et le fil de pêche ensemble, retirez l’aiguille de seringue de 15 G du corps du bouchon, en laissant le fil de pêche à l’intérieur du bouchon (Figure 3D). Assurez-vous que les longueurs de fil de pêche sont égales des deux côtés du bouchon.
3. Insérez deux capsules remplies d’acide ou de poudre de base dans un ballon en latex (figure 3E) (voir le tableau des matériaux). Élargissez l’ouverture du ballon à l’aide de l’outil d’expansion à élastique (c’est-à-dire une pince à bande de castration), puis insérez soigneusement un bouchon en silicone dans l’ouverture du ballon (Figure 3F), en laissant les deux extrémités du fil de pêche à l’extérieur du ballon.
4. Placez deux joints toriques (1,6 mm de large, 8,1 mm de diamètre intérieur, voir tableau des matériaux) sur l’outil d’expansion de l’élastique et déployez-les. Insérez le col du ballon en latex à travers les deux joints toriques expansés (Figure 3G). Retirez délicatement les deux joints toriques de l’outil d’expansion de l’élastique, en les laissant étroitement enroulés autour du cou du ballon, centrés sur le bouchon (Figure 3H).

4. Fixation de l’étiquette de ballon aux capuchons Sensor Fish

1. Placez une extrémité de la ligne de pêche dans l’un des petits trous du capuchon du Sensor Fish (voir le tableau des matériaux) et amenez-la à travers le grand trou au centre du capuchon (Figure 4A).
2. Attachez les deux extrémités du fil de pêche ensemble, en laissant environ 13 à 26 mm entre le haut du capuchon et la base du ballon. Utilisez quatre nœuds plats les uns sur les autres lorsque vous attachez la ligne de pêche.
3. Laissez le fil de pêche supplémentaire attaché, car le couper trop près d’un nœud pourrait potentiellement le défaire (Figure 4B).
4. Testez le nœud en saisissant la ligne de pêche de chaque côté du nœud avec les doigts et en tirant aussi fort que possible. Veillez à ne pas vous approcher trop près du ballon, car il pourrait involontairement déchirer la ligne de pêche à travers le bouchon en caoutchouc.

Résultats

Une étude a été menée pour déterminer les méthodes optimales de fabrication des étiquettes de ballon, en se concentrant sur le volume et la température de l’eau injectée dans le ballon. L’étude a examiné divers paramètres d’entrée, notamment l’heure de début du gonflage, le temps de gonflage complet, l’heure de début du dégonflage et le volume du ballon au gonflage complet. L’étude a été menée sur un bureau avec une température ambiante de 21 °C.

Au total, 360...

Discussion

Cette étude a conclu que les étiquettes à ballonnet à trois capsules injectées avec 5 mL d’eau à 18,3 °C avaient un temps de gonflage plus lent et un volume systématiquement plus important que les étiquettes à ballons à deux et quatre capsules. Lorsque les étiquettes du ballon ont été injectées avec de l’eau à 12,7 °C, le volume moyen était plus petit et le temps de gonflage était plus long. Les trois capsules commencent à se dégonfler en premier, suivies des quatre capsules et enfin des deux cap...

matériels

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