Reaktion der Fische auf das Vorhandensein hydrokinetischer Turbinen als nachhaltige Energielösung

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7459 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Hydrokinetische Turbinen wie Vertikalachsenturbinen (VATs) können abgelegenen Gemeinden, die keinen Zugang zum Hauptenergienetz oder zu erneuerbaren Ressourcen haben, dezentrale, saubere und nachhaltige Energie liefern. Da traditionelle Wasserkraft aquatische Ökosysteme negativ verändert, ist es wichtig, die Umweltfolgen des Einsatzes von Mehrwertsteuern in Flussökosystemen zu bewerten, um den aktuellen und zukünftigen Energiebedarf zu decken. Diese Studie untersucht die Auswirkungen von Mehrwertsteuern auf die Fischbewegung, indem sie das Schwimmverhalten der Fische unter zwei Abflüssen, Turbinenbetriebszustände und Querschnittsbegrenzungen mithilfe skalierter Laborexperimente beobachtet. Unsere Ergebnisse zeigen, dass bei eingeschränkten Querschnittsbedingungen weder der Abfluss, das Vorhandensein einer Turbine noch der Betrieb der Vorrichtung die Fische daran hinderten, sowohl in der Aufwärts- als auch in der Abwärtsrichtung um die Turbine herum und durch sie hindurch zu wandern. Allerdings verbrachten die Fische die geringste Zeit in der Nähe der Turbine und im turbulenten, langsamen Nachlauf der Turbine, was auf ein Vermeidungsverhalten hindeutet. Das Schwimmen in einem weniger begrenzten Testabschnitt reduzierte die Zeit, die sie in der Nähe und im Nachlauf der Turbine verbrachten, weiter und vergrößerte den Abstand, den die Fische vom Gerät fernhielten. Unsere Ergebnisse tragen zum Verständnis von Mehrwertsteuern als risikoarme Gefahren für das Schwimmverhalten von Fischen bei und fördern das Potenzial des Einsatzes von Mehrwertsteuern in Flüssen, Flussmündungen oder im Meer als erneuerbare Energielösung für abgelegene Gemeinden.

Derzeit haben fast 800 Millionen Menschen keinen Zugang zu bezahlbarer, zuverlässiger und nachhaltiger Energieversorgung, was zu sozialer und wirtschaftlicher Ungleichheit führt1. Besonders betroffen sind Länder mit niedrigem bis mittlerem Einkommen, kleine Inseln und Binnenländer mit einer dünn verteilten Bevölkerung, die oft aus zahlreichen abgelegenen Gemeinden besteht, von denen die meisten keinen Zugang zu sauberer Energie haben. Die Agenda der Vereinten Nationen (UN) für nachhaltige Entwicklung zielt darauf ab, diese Ungerechtigkeit zu verringern, indem sie dafür sorgt, dass Anstrengungen unternommen werden, um bis 2030 einen universellen Zugang zu sauberer Energie zu ermöglichen (Ziel 7 für nachhaltige Entwicklung)1, was eine Erhöhung des Anteils erneuerbarer Energien erfordert.

Länder, die über große Wasserressourcen verfügen und daher ideale Standorte für Wasserkraftanwendungen sind, sind oft Hotspots für die Artenvielfalt, die geschützt und erhalten werden muss. Im Amazonas-, Kongo- und Mekong-Becken beispielsweise leben ein Drittel der Süßwasserfischarten der Welt, die meisten davon sind einzigartig in ihrer geografischen Lage2. Konventionelle Wasserkraftanlagen nutzen häufig Dämme und Wehre, die den Flussfluss umleiten oder aufstauen, um Stauseen und Höhenunterschiede zu schaffen, und so zur Fragmentierung von Flüssen beitragen. Die zahlreichen entlang der Flüsse installierten Wasserbauwerke und die raschen Veränderungen der aquatischen Umwelt schaffen nicht nur Migrationsbarrieren für Wasserorganismen, sondern begrenzen auch den Energie- und Sedimenttransport3,4,5,6, was beispielsweise zum Beinahe-Aussterben von 4 geführt hat –10 % der Fischarten in Südamerika7.

Um die Abhängigkeit von konventioneller Wasserkraft zu minimieren, müssen die Potenziale aller Arten von Wasserkrafttechnologien mithilfe innovativer Lösungen erschlossen werden. Eine Studie im brasilianischen Amazonasgebiet zeigte beispielsweise, dass In-Stream-Turbinen das Potenzial haben, etwa 63 % der geplanten Gesamtenergie in Form konventioneller Wasserkraft zu decken8. Hydrokinetische Strömungsturbinen wie Vertikalachsenturbinen (VAT) nutzen die kinetische Energie der frei fließenden Flussströmung, ohne sie umzuleiten oder eine hydraulische Struktur zur Erzeugung eines Fallhöhenunterschieds zu erfordern. Diese Turbinen können als zusammengebaute Einheit oder als Teile transportiert und vor Ort zusammengebaut werden und können problemlos in jedem Flussabschnitt installiert werden. Hydrokinetische Turbinen benötigen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen nur einen Bruchteil der Breite und Tiefe des Flusskanals, sodass Wasserorganismen möglicherweise die Möglichkeit haben, sich zu bewegen, was die Auswirkungen auf die Artenvielfalt verringert. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass das offene Rotordesign und die relativ niedrige Drehzahl der VAT das Risiko einer Fischkollision verringern9,10 – beides Vorteile im Vergleich zu Horizontalachsenturbinen (HATs).

Trotz dieser offensichtlichen Vorteile der Mehrwertsteuer ist wenig darüber bekannt, wie Querschnittsbeschränkung, Strömungszustand und damit verbundene hydrodynamische Nachlaufänderungen das Bewegungsverhalten der Fische beeinflussen könnten. In einer begrenzten Meeresfeldumgebung vermieden benthische Rifffische und größere Raubtiere, sich näher als 0,3 m bzw. 1,7 m von einem VAT-Rotor zu entfernen9. Ebenso neigten Bachforellen seltener dazu, eine Mehrwertsteuer im Labormaßstab weiterzugeben, was ein Vermeidungsverhalten und ein Bewusstsein für die Turbine zeigte11. Weitere gemeldete Verhaltensbeobachtungen umfassen das Fehlen von Kollisionen zwischen Fischen und Mehrwertsteuern (Klingen und Stützstruktur) bei Feldtests9 und Labortests10,11. Verhaltensanpassungen als Reaktion auf die Mehrwertsteuer werden jedoch selten im Zusammenhang mit Flussänderungen untersucht. Nur Berry et al.11 berichteten, dass Fische die Bereiche mit hohem Impuls auf beiden Seiten einer Turbine gegenüber dem Bereich mit niedrigem Impuls im Nachlauf der Turbine bevorzugten. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um den Einfluss von Umweltbedingungen, Turbinenpräsenz und Wirbelstromveränderungen auf die Fischbewegung zu verstehen.

In dieser Studie untersuchen wir, wie der Turbinenbetriebszustand (dh stationär vs. rotierend), die Entladung (dh mild vs. hoch) und die Querschnittsbeschränkung (dh begrenzter vs. unbeschränkter Kanalquerschnitt) die Bewegung und das Verhalten beeinflussen von jungen Regenbogenforellen (Oncorhynchus mykiss; Walbaum, 1792), einer weit verbreiteten, teilweise invasiven Süßwasser-Salmonidenart, die in den meisten Ländern der Welt vorkommt12.

Um die Auswirkungen einer eigenständigen Turbine mit vertikaler Achse (VAT) unter verschiedenen Strömungsbedingungen, Betriebszuständen und Gerinnebreiten auf die Fischbewegung zu untersuchen, führten wir Experimente in zwei umlaufenden hydraulischen Gerinnekanälen mit einer Turbinenbreite von \(w_{gerinne}/ durch. D\) = 2,5 (im Folgenden als „schmales Gerinne“ bezeichnet) und 10 (im Folgenden als „breites Gerinne“ bezeichnet) in der Hydraulikanlage der Universität Cardiff. In beiden Gerinnungen wurde ein ähnlicher Testabschnitt erstellt, in dessen Mitte sich ein maßstabsgetreues, dreiblättriges Modell von VAT befand.

Unter Verwendung einer vereinfachten, halbautomatischen Bewegungsverfolgungssoftware und visueller Beobachtungen wurde der Einfluss des Strömungszustands [Mild (M) vs. Hoch (H)] und des Turbinenbetriebszustands [Stationär (S) vs. Rotierend (R)] auf das Fischschwimmen untersucht Das Verhalten in einer im Querschnitt begrenzten Teststrecke (\(w_{gerinne}/D\) = 2,5, schmale Gerinne) wurde analysiert.

Unabhängig von den Strömungsbedingungen und dem Turbinenbetrieb verbrachten die Fische die meiste Zeit stromabwärts (MS: 78 %, MR: 75 %, HS: 83 %, HR: 68 %; GLM, p = 0,6395) und am wenigsten stromaufwärts (MS: 22 %, MR: 25 %, HS: 17 %, HR: 31 %; GLM, p = 0,6395) der Turbine, wie in Abb. 1A gezeigt und durch eine Zunahme der Streudichte in Abb. 2 angezeigt, die die Variation der Fischposition zeigt eine Frequenz von 1 Hz. Im flussabwärts gelegenen Abschnitt hielten sich die Fische lieber in der Nähe der Seitenwände auf, insbesondere am weitesten flussabwärts in den Ecken des Testabschnitts, wie durch die gelbe Markierung im Dichtestreuungsdiagramm hervorgehoben wird, die die Fischpositionen über die Zeit markiert (Abb. 2).

(A) Durchschnittlicher Prozentsatz der Zeit, die stromaufwärts (grün) und stromabwärts (blau) der Turbine verbracht wird. (B) Prozentsatz der in der Nähe der Turbine verbrachten Zeit (\(-2\le x/D\le 2\) und \(-1,25 \le y/D\le 1,25\) und \(-2,5 \ le y/D\le 2,5\) für die schmale (\(w_{rinne}/D=2,5\)) bzw. breite (\(w_{rinne}/D=10\)) Rinne mit der genutzten Fläche für die Analyse wird skaliert, um den Unterschied in der Gerinnebreite zu berücksichtigen), die als „Anziehung“ bezeichnet wird, und außerhalb dieses Bereichs wird sie als „Vermeidung“ bezeichnet. (C) Violindiagramme, die den Prozentsatz der im Kielwasser (\(0 \le x/D\le 5\), \(-0,5 \le y/D\le 0,5\)) und im Bug der Turbine verbrachten Zeit darstellen. Wake (\(0 \le x/D\le -2\), \(-0,5 \le y/D\le 0,5\)) für jeden getesteten Fisch. Die Ergebnisse werden für jede Behandlung dargestellt, einschließlich MS, MR, HS und HR für das schmale Gerinne und MS-WF und MR-WF für das breite Gerinne.

Streudiagramm, das die Fischpositionen über die 10-minütige Testzeit für alle getesteten Fische darstellt, konturiert durch die Dichte der Streuung, wobei Gelb die höchste Dichte der an einem bestimmten Ort beobachteten Fischpositionen markiert und blaue Farben niedrigere Dichten anzeigen. Die Ergebnisse werden für alle vier Behandlungen präsentiert, die im schmalen Gerinne analysiert wurden (MS, MR, HS, HR) und für beide Behandlungen, die im breiten Gerinne untersucht wurden (MS-WF, MR-WF). Hinweis: MS-WF und MR-WF bestehen aufgrund einer geringeren Anzahl analysierter Fische und einer niedrigeren Bildrate für die Tracking-Analyse aus weniger Datenpunkten. Der Fluss erfolgt von links nach rechts.

Wenn sich die Turbine drehte, verbrachten die Fische etwas mehr Zeit in der Ecke der linken Seite des Testabschnitts (Blick flussabwärts; MS: 46 %, MR: 28 %, HS: 45 %, HR: 25 %). im Vergleich zur rechten Seite (MS: 23 %, MR: 33 %, HS: 35 %, HR: 29 %). Diese Beobachtungen wurden jedoch nicht durch die Behandlung beeinflusst (GLM, \(p=0,2089\) und \(p =0,7583\) für die linke bzw. rechte Seite). Angesichts der Tatsache, dass die meiste Zeit flussabwärts entlang der Gerinnewände verbracht wurde, wurden selten Fische beim Schwimmen im flussabwärts gelegenen Zentrum beobachtet (Abb. 1C; MS: 8 %, MR: 14 %, HS: 3 %, HR: 15 %), was dem entspricht Bereich mit geringem Impuls im Nachlauf der Turbine (siehe Abb. 6 im Abschnitt „Methoden und Materialien“). Obwohl weder der Abfluss noch der Betriebszustand der Turbine einen signifikanten Einfluss auf die Zeit hatten, die sie im Kielwasser verbrachten (GLM, \(p=0,195\)), verbrachten die Fische nicht signifikant mehr Zeit in dieser Region, wenn die Turbine rotierte, als wenn die Turbine stationär war (Abb. 2 und 3E), die möglicherweise mit geringeren mittleren Strömungsgeschwindigkeiten und damit einem geringeren Energieverbrauch der Fische verbunden sind.

(A) Boxdiagramm, das die Verteilung der von jedem Fisch zurückgelegten Distanzen zeigt (\(\overline{s}\)), wobei die dicke schwarze Linie die mittlere zurückgelegte Distanz markiert und die grauen Kreise die von jedem Fisch zurückgelegte Distanz darstellen. (B) Boxplot, das den mittleren Abstand darstellt, den Fische von der Turbine eingehalten haben (\(\overline{s}_{turbine}\)), wobei die dicke schwarze Linie den Mittelwert markiert und die grauen Sterne Ausreißer darstellen. (C) Mittlerer Anteil der Zeit, die in jedem Geschwindigkeitsintervall (\(v_{fish}\)) verbracht wird, im Bereich von 0 bis > 0,15 m/s. Die Ergebnisse werden für jede Behandlung dargestellt, einschließlich MS, MR, HS und HR für die schmale Rinne (\(w_{rinne}/D\) = 2,5) und MS-WF und MR-WF für die breite (\(w_{ Gerinne}/D\) = 10). (D) und (E) Beispielhafte Bewegungstrajektorien, die einen Fisch zeigen, der im Bugstrom (MR–WF) bzw. im Nachstrom der Turbine (HR) schwimmt. Die Farbe der Linie zeigt die Schwimmgeschwindigkeit \(v_{fish}\) in m/s an, wie im Farbbalken dargestellt. Der Fluss erfolgt von links nach rechts.

Um das Anziehungs- und Vermeidungsverhalten von Fischen zu analysieren, ist in Abb. 1B der Prozentsatz der Zeit dargestellt, die in und außerhalb der Turbinenumgebung verbracht wird. Fische verbrachten deutlich mehr Zeit damit, die Turbine zu meiden (MS: 86 %, MR: 86 %, HS: 85 %, HR: 88 %; GLM, \(p<0,001\)), unabhängig vom Turbinenbetriebszustand und den Strömungsbedingungen (GLM, Anziehung: \(p=0,1950\), Vermeidung: \(p=0,9658\)). Obwohl die „Anziehungszeit“ dadurch beeinflusst wurde, dass die Fische diese Region hauptsächlich nutzten, um sich zwischen den stromabwärts gelegenen und stromaufwärts gelegenen Regionen zu bewegen, wurde auch beobachtet, dass Fische in der Nähe der Turbine oder im Bugstrom der Turbine schwammen (Abb. 3D). Während aller Behandlungen schwammen jedoch nur wenige Fische im Bugstrom der Turbine (Abb. 1C; mittlere prozentuale Zeit: MS: 0 %, MR: 2 %, HS: 1 %, HR: 2 %, Z-Test; MS vs. MR: \(p=1,000\), HS vs. HR: \(p=1,000\), MS vs. HS: \(p=0,4788\), MR vs. HR: \(p=0,4996\ )), wobei die in dieser Region verbrachte Zeit von der Behandlung unberührt bleibt (GLM, \(p=0,6290\)).

Im Zusammenhang mit dem großen Anteil der Zeit, die damit verbracht wurde, die Turbine zu meiden, und der Zeit, die in den stromabwärts gelegenen Ecken des Testabschnitts verbracht wurde, betrug der mittlere Abstand von der Turbine (\(\overline{s}_{turbine}\)) ungefähr 8–9 \( L_{fish}\), wie in Abb. 3B gezeigt. Der mittlere Abstand von der Turbine war unabhängig von der Strömungsabgabe und dem Betriebszustand der Turbine (GLM, \(p=0,8932\)). Trotz des größeren Anteils der Zeit, die sie in den stromabwärts gelegenen Ecken verbrachten, bewegten sich die Fische durch den gesamten Testabschnitt, wie in Abb. 2 dargestellt. Die durchschnittlich zurückgelegten Distanzen (\(\overline{s}\)) betrugen 257, 266, 185 und 331 \( L_{fish}\) für MS, MR, HS bzw. HR, wie in Abb. 3A dargestellt, wobei Fische unter der HR-Behandlung im Vergleich zur HS-Behandlung (GLM, \(p=0,0090\)) deutlich größere Entfernungen (1,8-fach) schwimmen )).

Das Bewegungsverhalten wurde auch im Hinblick auf die Schwimmgeschwindigkeit untersucht, wobei die Verteilung der Schwimmgeschwindigkeit und der Prozentsatz der beim Schwimmen bei verschiedenen Geschwindigkeiten verbrachten Zeit in Abb. 3C dargestellt sind. Unabhängig von der Behandlung verbrachten die Fische die meiste Zeit damit, ihre Position zu halten oder langsam zu schwimmen (Schwimmgeschwindigkeiten von 0–0,03 m/s; GLM, p = 0,08227). Während Fische in diesem Geschwindigkeitsbereich unter milden Strömungsbedingungen bei stationärer und rotierender Turbine ähnlich lange schwammen (MS und MR: 71 %), verbrachten sie unter Bedingungen mit hoher Strömung bei eingeschalteter Turbine deutlich mehr Zeit bei 0–0,03 m/s war stationär im Vergleich zu dem Zeitpunkt, als die Turbine rotierte (HS: 84 %, HR: 63 %; GLM, p = 0,0114). Im Gegensatz dazu wurde die Zeit, die man mit Schwimmen bei Geschwindigkeiten \(\ge\) 0,15 m/s verbrachte, maßgeblich vom Entladungs- und Turbinenbetriebszustand beeinflusst (GLM, p = 0,0155). Insbesondere wurde beim Vergleich von HS und HR (GLM, p = 0,0068) sowie HR und MR (GLM, p = 0,0045) ein bemerkenswerter Unterschied in der Schwimmgeschwindigkeit festgestellt. Im Gegensatz dazu hatte der Turbinenbetriebszustand keinen Einfluss auf die Zeit, die beim Schwimmen bei Geschwindigkeiten von \(\ge\) 0,15 m/s unter milden Strömungsbedingungen (MR vs. MS; GLM p = 0,4928) verbracht wurde, und der Abfluss war kein Einflussparameter, wenn der Turbine war stationär (MS vs. HS; GLM, p = 0,5910).

Weitere analysierte Verhaltensweisen der Fische waren das Eindringen in den Rotorbereich, das Passieren in den stromaufwärts gelegenen Bereich, der Versuch, ihn zu passieren (bezeichnet als Beinahe-Pass), das aktive Ausweichen vor einer Kollision mit der Turbine und das Erleben eines Aufpralls durch eines der Turbinenblätter. Fische gelangten unter allen Behandlungen in den Rotorbereich, mit Ausnahme der HR-Bedingung (MS: 10 %, MR: 10 %, HS: 5 %, HR: 0 %; Z-Test; MS vs. MR, HS vs. HR und MS). vs. HS, p = 1,000, MR vs. HR, p = 0,4682). Ebenso hatte die Behandlung keinen Einfluss auf den Prozentsatz der Fische, die von der stromabwärts gelegenen in die stromaufwärts gelegene Region übergingen (MS: 75 %, MR: 50 %, HS: 65 %, HR: 55 %; Z-Test, MS vs. MR: p =). 0,1914, HS vs. HR: p = 0,7469, MS vs. HS: p = 0,7301, MR vs. HR: p = 1,000). Darüber hinaus wurde die Anzahl der Durchgänge pro Fisch (\(P_{Fisch}\)) aufgezeichnet, wie in Abb. 4B dargestellt, was ein ähnliches \(P_{Fisch}\) für alle Behandlungen zeigt (Mittelwert ± Standardabweichung; MS: 3 ±). 4; MR, HS und HR: 2 ± 3; GLM, p = 0,5365). Während eine große Anzahl von Fischen erfolgreich in den stromaufwärts gelegenen Abschnitt gelangten, versuchten andere zu passieren, trieben jedoch ab oder schwammen aktiv flussabwärts, nachdem sie die Mitte des Testabschnitts erreicht hatten (x/D = 0; rote Linie in Abb. 4). Prozentsatz der Fische, die versuchen zu passieren (MS: 20 %, MR: 30 %, HS: 15 %, HR: 35 %; Z-Test, MS vs. MR: \(p=0,715\), HS vs. HR: \ (p=0,2733\), MS vs. HS und MR vs. HR: \(p=1,000\)) und ebenso Beinahe-Pässe pro Fisch (\(NP_{Fisch}\); GLM, \(p=0,6189). \); Abb. 4C) unterschied sich nicht zwischen den Behandlungen. Ausweichbewegungen wurden nur bei rotierender Turbine beobachtet (MS: 0 %, MR: 35 %, HS: 0 %, HR: 20 %), die unter milden statt hohen Strömungsbedingungen deutlich höher waren (z-Test, MS vs. MR: p = 0,0125, HS vs. HR: p = 0,1138, MR vs. HR: p = 0,4788). Ebenso wurden potenzielle Kollisionen nur beobachtet, wenn sich die Turbine drehte (MS: 0 %, MR: 25 %, HS: 0 %, HR: 5 %), wobei der Prozentsatz der Fische, die möglicherweise einen Schlag erleiden, fast erheblich von der Entladung beeinflusst wird, wenn die Turbine drehte sich (MS vs. MR: p = 0,0558, HS vs. HR: p = 1,000, MR vs. HR: p = 0,184). Es waren keine Verletzungen erkennbar und alle Fische blieben aktiv und schwammen nach einem engen Kontakt mit einem Turbinenblatt weiter. Beachten Sie, dass die Fische nach den Experimenten nicht auf äußere und/oder innere Verletzungen überwacht wurden.

(A) Spyder-Diagramme, die den Prozentsatz der Fische darstellen, die beobachtet wurden, um die folgenden Verhaltensweisen zu zeigen: Betreten des von der Turbine umspülten Bereichs; Übergang vom stromabwärts gelegenen in den stromaufwärts gelegenen Abschnitt; Beinahe-Pass, dh der Versuch, in den stromaufwärts gelegenen Abschnitt zu gelangen, aber vor dem Passieren x/D = 0 zu treiben oder aktiv stromabwärts zu schwimmen; Ausweichen, dh plötzliche Bewegung, um eine Kollision mit dem Rotorblatt der Turbine zu vermeiden; und Strike, dh Fische, die möglicherweise mit dem Rotorblatt der Turbine kollidieren. (B) Verteilung der stromaufwärts gelegenen Durchgänge pro Fisch (\(P_{Fisch}\)) und (C) der Beinahe-Durchgänge pro Fisch (\(NP_{Fisch}\)), dargestellt als Geigendiagramm, wobei die schwarzen und grünen Linien die markieren Mittelwert und Median der Verteilung. Die Ergebnisse werden für alle vier im schmalen Gerinne analysierten Behandlungen (MS, MR, HS, HR) und für beide im breiten Gerinne untersuchten Behandlungen (MS-WF, MR-WF) präsentiert.

Die Auswirkung räumlicher Enge wurde untersucht, indem Fische beim Schwimmen in der schmalen Rinne (Rinnebreite: 0,3 m; Behandlungen: MS und MR) mit der breiten Rinne (Rinnebreite: 1,2 m; Behandlung: MS-WF und MR-WF) bei mildem Wetter verglichen wurden Strömungsbedingungen und für beide Turbinenrotationszustände [stationär (S) und rotierend (R)] (siehe Abschnitt „Methoden und Materialien“). Hier betrug die seitliche Länge des Testabschnitts des breiten Gerinnes das Vierfache der Breite des schmalen Gerinnes und bot somit mehr Platz für Fische, um die Turbine zu umrunden, jedoch mit gleicher Tiefendurchschnittsgeschwindigkeit und Wassertiefe. Um den Unterschied in der seitlichen Verstopfung zu berücksichtigen, werden Ergebnisse, die nicht durch die Gerinnebreite (\(w_{gerinne}\)) dimensioniert sind, in Klammern für den von der Turbine eingehaltenen Abstand \(\overline{s}_{turbine}\) hinzugefügt. und die geschwommene Distanz, \(\overline{s}\)).

Während die Fische unter engen Gerinnebedingungen (schmales Gerinne) die meiste Zeit stromabwärts und die wenigste Zeit stromaufwärts verbrachten, führte die Vergrößerung des seitlichen Raums zu einem höheren Prozentsatz der Zeit, die sie stromaufwärts verbrachten, unabhängig vom Betriebszustand der Turbine (MS: 22 %, MR: 25 %, MS-WF: 60 %, MR-WF: 40 % wie in Abb. 1A dargestellt, was einen signifikanten Einfluss der räumlichen Bedingungen hervorhebt (GLM, prozentuale Zeit stromaufwärts: p = 0,0044, prozentuale Zeit stromabwärts: p = 0,0045). Insbesondere wenn die Turbine stationär war (MS und MS-WF), unterschied sich die Zeit, die stromaufwärts und stromabwärts verbracht wurde, zwischen den beiden Kanälen erheblich (GLM, p = 0,0012 bzw. p = 0,0012). Stromabwärts der Turbine verbrachten die Fische unabhängig von der Gerinnebreite die meiste Zeit an den Gerinnewänden, wie in Abb. 2 dargestellt (LHS: MS: 46 %, MR: 28 %, MS-WF: 27 %, MR-WF: 48). %, GLM, p = 0,1672; RHS: MS: 23 %, MR: 33 %, MS-WF: 12 %, MR-WF: 11 %, GLM, p = 0,0591). Daher verbrachten die Fische weniger Zeit in der stromabwärts gelegenen Mitte des Testabschnitts, wie in Abb. 1C dargestellt (MS: 8 %, MR: 14 %, MS-WF: 1 %, MR-WF: 1 %; GLM, p = 0,2934). ) und Abb. 2. Die Fischlänge beeinflusste die Zeit, die sie im Nachlauf der Turbine verbrachten, wobei größere Tiere mehr Zeit im Bereich mit geringem Impuls verbrachten (GLM, Schätzung: 1,1228, Standardfehler: 0,2671, \(p<\) 0,001; Abb. 6 im Abschnitt „Methoden und Materialien“.

Ähnlich wie beim Testfall mit schmalem Gerinne wurde auch beobachtet, dass Fische im Bugstrom der Turbine im breiten Gerinne schwammen (MS: 35 %, MR: 40 %, MS-WF: 5 %, MR-WF: 11 %). Räumliche Blockaden hatten keinen signifikanten Einfluss auf die Anzahl der Fische, die im Bugwache schwimmend beobachtet wurden, wenn die Turbine stationär war (MS vs. MS-WF; z-Test, p = 0,0572) oder wenn die Turbine rotierte (MR vs. MR-WF). ; Z-Test, p = 0,0818). Während die im Bugwache verbrachte Zeit von Person zu Person stark schwankte (Abb. 1C), wurde der Prozentsatz der verbrachten Zeit nicht von der Standardlänge des Fisches (GLM, p = 0,6961) und der Behandlung (GLM, p = 0,5156) beeinflusst.

Unabhängig vom Turbinenbetriebszustand und dem Querschnittsraum (GLM, \(p< 0,001\)) verbrachten Fische deutlich mehr Zeit draußen (MS: 86 %, MR: 86 %, MS-WF: 98 %, MR-WF: 6 %; GLM, p = 0,0942) als innerhalb der Turbinenumgebung (MS: 14 %, MR: 14 %, MS-WF: 2 %, MR-WF: 6 %; GLM, p = 0,0962), was auf ein Vermeidungsverhalten hindeutet ( Abb. 1C). Nur wenn die Turbine stationär war, unterschied sich die in der Nähe der Turbine verbrachte Zeit signifikant zwischen den Gerinnungen (MS vs. MS-WF; GLM, p = 0,0424).

Im Durchschnitt war bei MS–WF eine größere mittlere Schwimmdistanz zu erkennen, die fast doppelt so hoch war wie die Distanz der anderen Behandlungen (MS: 257 \(L_{fish}\) (50 \(w_{flume}\)), MR : 266 \(L_{fish}\) (50 \(w_{flume}\)), MS–WF: 489 \(L_{fish}\) (80 \(w_{flume}\)), MR–WF : 230 \(L_{fish}\) (30 \(w_{flume}\))), was den erheblichen Einfluss der Querschnittsbeschränkung und des Turbinenbetriebszustands (GLM, \(p<0,001\)) hervorhebt (Abb . 3A). Genauer gesagt legten die Fische unter unbeschränkten Bedingungen eine größere Distanz zurück, wenn die Turbine stationär war, anstatt sich zu drehen (MS-WF vs. MR-WF; GLM, \(p<0,001\)). Allerdings hatte die Standardlänge der Fische keinen signifikanten Einfluss auf die Schwimmdistanz (GLM, p = 0,75421). Aufgrund der Vergrößerung des seitlichen Raums im Fall des breiten Gerinnes und in Übereinstimmung mit den Beobachtungen, dass Fische die meiste Zeit in den stromabwärts gelegenen Ecken verbrachten (Abb. 2), erhöhte sich der mittlere Abstand von der Turbine auf 13 und 14 \(L_{ fish}\) (2 \(w_{flume}\)) für MS-WF bzw. MR-WF, verglichen mit 8 \(L_{fish}\) (2 \(w_{flume}\)) für MS und MR (Abb. 3C). Daher führte mehr Platz dazu, dass die Fische unabhängig von der Turbine eine größere Entfernung von der Turbine schwammen (GLM, MR vs. MR-WF: \(p<0,001\) und MS vs. MS-WF: \(p<0,001\)). Betriebszustand (GLM, MR vs. MS: p = 0,6623 und MR-WF vs. MS-WF: p = 0,1499). Dies wurde auch durch die Fischstandardlänge (GLM, p = 0,0043) beeinflusst.

Die Schwimmgeschwindigkeiten wurden analysiert, indem die Dichteverteilung der aufgezeichneten Schwimmgeschwindigkeiten und der Prozentsatz der bei diesen Geschwindigkeiten verbrachten Zeit verglichen wurden (jeweils Abb. 3C). Bei Schwimmgeschwindigkeiten von 0–0,03 m/s blieben die Fische stehen oder schwammen am meisten (MS: 71 %, MR: 71 %, MS-WF: 49 %, MR-WF: 51 %), unbeeinflusst von der Behandlung (GLM, S = 0,0992) und Fischstandardlänge (GLM, p = 0,2397). Während die Fische unter beengten Bedingungen die gleiche Zeit mit dem Schwimmen bei diesen Geschwindigkeiten verbrachten (MS und MR: 71 %), verbrachten sie unter unbeschränkten Bedingungen deutlich weniger Zeit bei den niedrigeren Geschwindigkeiten, wenn die Turbine stationär war (MR-WF vs. MS-WF; GLM, p = 0,0134). Im Gegensatz dazu hatte die Behandlung einen signifikanten Einfluss auf die Zeit, die bei Schwimmgeschwindigkeiten von mehr als 0,15 m/s verbracht wurde (GLM, \(p<0,001\)), während die Standardlänge der Fische ein nicht signifikanter Parameter war (GLM, p = 0,5291). Ein wesentlich größerer Anteil der Zeit wurde bei höheren Geschwindigkeiten unter unbeschränkten Bedingungen verbracht als unter beengten Bedingungen, wenn die Turbine stationär war (MS vs. MS-WF; GLM, \(p<0,001\)) und wenn die Turbine rotierte (MS-WF). vs. MR-WF; GLM, \(p<0,001\)).

Fische gelangten unter allen Behandlungen mit Ausnahme der MR-WF-Bedingung in die Rotorregion (MS: 10 %, MR: 10 %, MS-WF: 5 %, MR-WF: 0 %; Z-Test, MS vs. MS-WF). : p = 0,9793 und MR und MR-WF: p = 0,4908) (Abb. 4A). Schläge wurden hingegen unabhängig von der seitlichen Blockade nur bei rotierender Turbine beobachtet (MS: 0 %, MR: 25 %, MS–WF: 0 %, MR-WF: 5 %; Z-Test, MS). vs. MS–WF: p = NA und MR vs. MR–WF: p = 0,2064). Ebenso wurden Ausweichbewegungen nur beobachtet, wenn sich die Turbine drehte, wobei unter uneingeschränkten Bedingungen eine deutlich geringere Anzahl von Fischen auswich (MR: 25 %, MR-WF: 5 %; Z-Test, MR vs. MR-WF: p = 0,0151). ).

Flussaufwärtspassagen und Beinahepassagen waren die am häufigsten beobachteten Verhaltensweisen. Unabhängig vom Turbinenbetriebszustand und der Querschnittsbeschränkung gelangten ähnliche Zahlen an Fischen in den stromaufwärts gelegenen Abschnitt (MS: 75 %, MR: 50 %, MS–WF: 89 %, MR–WF: 63 %; Z-Test, MS vs. MS-WF: p = 0,4473 und MR vs. MR-WF: p = 0,6134) und versucht, stromaufwärts zu passieren (MS: 20 %, MR: 30 %, MS-WF: 5 % und MR-WF: 5). %; Z-Test, MS vs. MS-WF: p = 0,3698 und MR vs. MR-WF: p = 0,1108). In Übereinstimmung mit der Anzahl der vorbeikommenden und versuchenden Fische, die Anzahl der Durchgänge pro Fisch (MS: 20 %, MR: 30 %, MS-WF und MR-WF: 5 %; GLM, p = 0,1325; Abb. 4B ) und Anzahl der Beinahe-Pässe pro Fisch (Mittelwert ± Standardabweichung; MS: 1 ± 2, MR: 1 ± 1, MS-WF: 0 ± 1, MR-WF: 0; GLM, p = 0,7544; Abb. 4C) blieben vom Turbinenbetriebszustand und der Querschnittsbegrenzung unbeeinflusst. Die Standardlänge der Fische wirkte sich jedoch auf die Anzahl der Beinahepassagen pro Fisch aus, wobei größere Individuen mit größerer Wahrscheinlichkeit Passageversuche in die stromaufwärts gelegene Region unternehmen (GLM, Schätzung: 0,04049, Standardfehler: 0,01708, p = 0,0202).

Als Alternative zur aufwändigen Infrastruktur hat die Kleinwasserkraft mittels Flussturbinen das Potenzial, ausreichend dezentrale, saubere Energie für abgelegene Gemeinden zu erzeugen. Das Vorhandensein von Turbinen mit vertikaler Achse (VATs) und ihre Veränderungen in der Hydrodynamik des Flussflusses können jedoch die einzigartige aquatische Umwelt beeinflussen, indem sie die Bewegung von Wasserorganismen verändern. Daher untersuchten wir die Auswirkungen einer einzigen Mehrwertsteuer auf die Fischbewegung durch eine Reihe von Experimenten und untersuchten den Einfluss von Strömungsabfluss, Turbinenbetriebszustand und Querschnittsbeschränkung.

Am wichtigsten ist, dass Fische zwar am stromabwärtigen Ende des Testabschnitts freigelassen wurden, das Vorhandensein der Turbine, der Betrieb, die Strömungsverhältnisse und die Querschnittsbeschränkung sie jedoch nicht daran hinderten, in den stromaufwärtigen Bereich zu gelangen. Unter allen Testbedingungen zeigten die Fische jedoch ein Vermeidungsverhalten gegenüber dem nahen Bereich um die Turbine und deren Nachlauf und daher nur eine begrenzte Interaktion mit der Turbine. Die Vergrößerung der Querschnittsfläche des Testabschnitts führte zu noch größeren Abständen zur Turbine und zu mehr Zeit, die außerhalb des Nachlaufs der Turbine verbracht wurde. Beobachtete Verhaltensweisen (z. B. Eintreten, Passieren, Beinahe-Passieren, Zusammenstoßen, Ausweichen) blieben jedoch von der Querschnittsbeschränkung unberührt.

Der Einfluss von Abfluss und Turbinenbetriebszustand wurde unter querschnittsbegrenzten Bedingungen (enge Gerinne) untersucht, die natürlicherweise auftreten können, wenn Turbinen in engen Flussquerschnitten, zwischen Felsen9, Kanälen13,14 oder Arrays15,16 positioniert werden, um die Turbinenleistung zu erhöhen.

Unabhängig vom Entladungs- und Turbinenbetriebszustand verbrachten die Fische die meiste Zeit im stromabwärts gelegenen Abschnitt, insbesondere entlang der Seitenwand und den am weitesten flussabwärts gelegenen Ecken. Daher schwammen nur wenige Fische im Nachlauf der Turbine. Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass der große Teil der flussabwärts verbrachten Zeit möglicherweise dadurch beeinflusst wird, dass Fische in der flussabwärts gelegenen Mitte des Testabschnitts freigesetzt werden, Fische Schutz vor Raubtieren suchen und/oder Fische in den Regionen mit geringer Geschwindigkeit in der Nähe Schutz suchen Gerinnewände und Strömungsgleichrichter. Diese Beobachtung stand im Gegensatz zu dem, was erwartet wurde, da zuvor beobachtet wurde, dass Fische im Kielwasser einer Meeresturbinen-Stützstruktur blieben, die in einer unbegrenzten Meeresumgebung positioniert war17,18. Die begrenzte Anziehungskraft des Turbinennachlaufs kann auf unseren niedrigen oberen Testabfluss zurückzuführen sein, der durch die Pumpenanlage eingeschränkt ist. Es wird erwartet, dass Fische, die einer Umgebung mit noch höherem Abfluss ausgesetzt sind (dh einem höheren Zufluss), Bereiche mit geringem Impuls wie den Turbinennachlauf nutzen, um Zuflucht zu suchen und Energiekosten zu sparen. Zur Verifizierung dieser Hypothese sind weitere Experimente zur Untersuchung des räumlichen Verhaltens von Fischen unter höheren Strömungsbedingungen erforderlich. Darüber hinaus kann die geringe Anziehungskraft des Turbinennachlaufs auf die dreidimensionalen turbulenten Strukturen zurückzuführen sein, die von den Turbinenschaufeln abgelöst werden und Taschen mit hoher turbulenter kinetischer Energie und Reynolds-Scherspannungen erzeugen16 (Abb. 6). Frühere Studien zeigten, dass Fische Regionen mit hoher Wirbelkraft, Reynoldsscher Spannung und turbulenter kinetischer Energie meiden19,20 und betonten die Fähigkeit kohärenter Wirbel, Fische zu destabilisieren19,21. Die Ausnutzung des beobachteten Vermeidungsverhaltens turbulenter Kielwasserregionen kann dazu beitragen, Fische von diesen Hindernissen innerhalb von Flüssen abzulenken und so den Kontakt zwischen Fischen und Turbinen und daraus resultierende Verletzungen weiter zu minimieren. Ähnliche Ansätze, bei denen Wirbel verwendet werden, um Fische von Turbineneingängen wegzuleiten, werden derzeit untersucht22. Dennoch sind weitere Kenntnisse erforderlich, um die Wechselwirkungen zwischen Fischen und diesen hochenergetischen Wirbeln zu quantifizieren, beispielsweise mithilfe von Partikelbild-Velocimetrie, Laser-Doppler-Anemometrie oder numerischer Modellierung (z. B. Large-Eddy-Simulation oder maschinelles Lernen23). Darüber hinaus kann es vorkommen, dass Fische dem Turbinennachlauf aufgrund von Lärm oder Sicht ausweichen, es ist jedoch nicht zu erwarten, dass sie die Turbine aufgrund von Druckänderungen meiden. Änderungen des Druckfelds aufgrund der Turbine werden überwiegend durch im Turbinennachlauf abgelöste Wirbel und nicht durch Änderungen des hydrostatischen Drucks erzeugt und sind daher sehr gering.

Interessanterweise, wenn auch unbedeutend, schwamm eine kleine Anzahl Fische (5–40 %) im Bugstrom unmittelbar stromaufwärts der Turbine. Bisher wurde dieses Verhalten nur für stationäre steile Hindernisse wie D-förmige Zylinder24,25,26 berichtet. Der Bugstrom eines D-förmigen Zylinders zeichnet sich durch niedrige Strömungsgeschwindigkeiten und hohen Druck aus24, während eine Turbine ein poröser Körper ist, der den Druckabfall in Strömungsrichtung verringert. Regenbogenforellen, die in dieser Region schwimmen, schwammen mit verringerter Schwanzschlagfrequenz, Körperwellengeschwindigkeit und Körperkrümmung, was auf einen geringeren Energieverbrauch hinweist24. Obwohl das Bugwaken durch eine niedrige Strouhal-Zahl der Fische (basierend auf der Fischlänge) gekennzeichnet ist, was auf eine suboptimale Schwimmeffizienz hinweist, deutet der in dieser Region beobachtete Energieaufwand darauf hin, dass das „Bugwaken“ ein einzigartiger Schwimmmechanismus ist, um die Position zu halten. ähnlich dem Kármán-Gang24.

Abgesehen von möglichen Vermeidungseffekten, die mit dem Nachlauf der Turbine einhergehen, mieden Fische die Turbinenstruktur, was durch den großen Abstand zur Turbine und die meiste Zeit, die sie außerhalb ihrer Nähe verbrachten, deutlich wird. In ähnlicher Weise wurde über eine Laborstudie berichtet, in der die Auswirkungen einer kleinen Turbine mit horizontaler Achse (Turbinendurchmesser D = 0,25 m, Geschwindigkeitsverhältnis TSR = 5, Drehzahl 20 U/min) auf Oryzias latipes, Gnathopogon elongatus und Rhodeus ocellatus ocellatus untersucht wurden dass 71 % der Fische den Turbinenbereich mieden oder von der Turbine wegschwammen27.

Obwohl sie der Turbine und ihrem Kielwasser aus dem Weg gingen, schwammen die Fische über die gesamte Länge des Testabschnitts in Flussrichtung, einschließlich der flussabwärts und flussaufwärts gelegenen Regionen. Bei der Erkundung des Testabschnitts der schmalen Gerinne gelangten mehr als 50 % der Fische unbeschadet der Behandlung mindestens einmal von flussabwärts in den flussaufwärts gelegenen Bereich. Das häufigste Verhalten war die Stromaufwärtspassage, wie auch von Yoshida et al.28 beobachtet. Das Passageverhalten ist artspezifisch, wurde aber bisher nur für wandernde Fischarten untersucht. Atlantischer Lachs (Salmo salar) passierte beispielsweise häufiger eine Muster-Mehrwertsteuer als Bachforelle (Salmo trutta)11 und Amerikanischer Maifisch (Alosa sapidissima)10. Berry et al.11 hoben außerdem hervor, dass Fische es vorziehen, um die Turbine herum statt durch den Rotorbereich zu wandern, was mit den hier präsentierten Ergebnissen übereinstimmt. Im Gegensatz dazu berichteten Castro-Santos und Haro10, dass 72 % der stromabwärts wandernden Atlantischen Lachs-Smolts durch, über oder unter dem VAT-Rotor in einem begrenzten Gerinne (\(w_{gerinne}/D\) = 2) passierten, während nur 28 % wurden um die Turbine herumgeleitet, was möglicherweise damit zusammenhängt, dass Smolts aktiv mitgerissen oder sogar von der Turbine angezogen werden. Das Durchgangsverhalten rund um die Turbine wird mit der Körperform der Fische in Verbindung gebracht, wobei kompressiforme (torpedoförmige) Fische im Vergleich zu fusiformen (große und dünne Form, kleine Körperbreite) Fische durch den Spalt passieren, der am weitesten von der Turbine entfernt ist9.

Ein weiteres in der aktuellen Studie beobachtetes Verhalten bestand darin, dass Fische in den Rotorbereich eindrangen, was bei allen Behandlungen auftrat, außer wenn die Turbine unter Bedingungen hoher Strömung (d. h. HR) rotierte. Ähnliche Beobachtungen wurden für eine zwischen Korallen installierte spiralförmige Meeres-VAT gemeldet, die zeigte, dass Fische nur bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und Turbinenrotationsgeschwindigkeiten in den Rotorbereich gelangten9. Darüber hinaus ergab die Untersuchung einer Flussturbine mit Kanalisierung, dass bei rotierender Turbine im Vergleich zu stationären Bedingungen 35 % weniger Fische in den Rotorbereich gelangten29.

In der aktuellen Studie wurden mögliche Kollisionen zwischen einzelnen Fischen und der Turbine sowie Ausweichbewegungen zur Vermeidung einer direkten Kollision mit der Turbinenschaufel nur bei 5–25 % bzw. 0–35 % aller Individuen bei rotierender Turbine beobachtet. Bei einer Vielzahl von Arten wurden Ausweichbewegungen beobachtet, die durch stoßweises Wegschwimmen von der Turbine und plötzliche Bewegungen in der Nähe der Turbinenschaufel gekennzeichnet sind9. Die hier beobachtete geringe Anzahl enger Kontakte steht im Einklang mit der Studie von Hammar et al.9 und Berry et al.11, die keine Kollision oder enge Kontakte mit einer Modell-Mehrwertsteuer meldeten. Während davon ausgegangen wird, dass das Kollisionsrisiko durch Wirbelstromveränderungen beeinflusst wird, die Fische von der Turbine ablenken, haben unter natürlichen Bedingungen auch andere Umweltfaktoren einen starken Einfluss auf das Kollisionsrisiko (z. B. Lärm, Trübung)28. Die Nähe zur Turbine kann auch von der Persönlichkeit des Fisches abhängen9,11, wobei mutigere, forschere Fische näher an der Turbine sind oder sogar in den Rotorbereich eindringen, während schüchternere Tiere größere Distanzen einhalten. Die Interaktion zwischen Fisch und Turbine (z. B. Eintreten, Zusammenstoßen, Ausweichen) steht auch mit der Schwimmfähigkeit der Fische in Zusammenhang27. Eine Laborstudie, die die Auswirkungen eines skalierten HAT untersuchte, zeigte, dass Gnathopogon-Elongaten in der Nähe der Turbine aktiver waren, da ihre maximale Schwimmgeschwindigkeit die Spitzengeschwindigkeit der Turbine überstieg. Im Gegensatz dazu vermieden Fische mit langsameren Schwimmgeschwindigkeiten oder solche, die lieber in Bodennähe schwimmen, wie Oryzias latipes und Rhodeus ocellatus ocellatus, das Schwimmen in der Nähe des Rotors, was zu einer geringeren Turbineninteraktion führte27.

Während die meisten Laborstudien die Auswirkungen hydrokinetischer Turbinen unter Laborbedingungen mit eingeschränktem Querschnitt untersuchten10,11,27,28, haben nur wenige Studien den Einfluss der Querschnittsbeschränkung der Turbine auf die Fischbewegung untersucht9.

Obwohl die Fische am stromabwärts gelegenen Ende des Testabschnitts freigelassen wurden, verbrachten sie mehr Zeit flussaufwärts im breiten Gerinne. Im stromabwärts gelegenen Abschnitt verbrachten die Fische die meiste Zeit in der Nähe der Gerinnewände, die durch freie Strömungsgeschwindigkeiten gekennzeichnet sind. Wie unter den beengten Bedingungen verbrachten die Fische die kürzeste Zeit im Turbinennachlauf. Daher bevorzugten Fische die freie Strömungsregion gegenüber der Region mit geringem Impuls.

Ebenso verbrachten Fische unter unbeschränkten Bedingungen weniger Zeit in der Nähe der Turbine als unter querschnittsbeschränkten Bedingungen, was die Annahme weiter bestätigt, dass Fische den Bereich in der Nähe der Turbine meiden. Der Unterschied in der Zeit, die die beiden Einschlussbedingungen in der Nähe der Turbine verbringen, ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass Fische durch diese Region wandern, um sich zwischen stromabwärts und stromaufwärts gelegenen Abschnitten im engen Gerinne zu bewegen. Die zunehmende Umgehung des Turbinenbereichs spiegelte sich auch in einem größeren Abstand zur Turbine unter uneingeschränkten räumlichen Bedingungen aufgrund der Vergrößerung des verfügbaren Schwimmraums wider. Die Vergrößerung des Schwimmraums führte jedoch nicht zu einer Vergrößerung der Schwimmstrecke bei rotierender Turbine (MR-WF), sondern nur bei stillstehender Turbine (MS-WF), was darauf hindeutet, dass der seitliche Abstand nicht der einzige dominante Einflussfaktor ist Schwimmverhalten der Fische.

Obwohl die Fische in der breiten Rinne noch weniger Zeit in der Nähe der Turbinen verbrachten, wurde eine ähnliche Anzahl von Fischen beobachtet, die in den Rotorbereich gelangten, möglicherweise Schläge erlitten und Ausweichbewegungen zeigten. Ebenso führte eine Vergrößerung des seitlichen Querschnitts nicht zu einer Erhöhung der Zahl der Fische, die flussaufwärts vorbeikamen oder versuchten, zu passieren.

Folglich führte eine Vergrößerung des seitlichen Querschnitts dazu, dass sich die Fische weniger Zeit in der Nähe der Turbine oder ihres Kielwassers aufhielten, was auf eine stärkere Vermeidung hindeutet, was sich jedoch nicht in ihrem Verhalten widerspiegelte. Aufgrund der Unschlüssigkeit der Ergebnisse in diesem Abschnitt sind weitere Untersuchungen erforderlich, um die Auswirkungen der seitlichen Begrenzung auf die Fischbewegung besser zu verstehen und den idealen Raum zu definieren, der zwischen Turbinen innerhalb eines Arrays oder zwischen Turbine und Begrenzung (z. B. Kanal, Felsen) benötigt wird. .

Die Verallgemeinerung, Übertragbarkeit und Vergleichbarkeit der Verhaltensexperimente von Fischen und der entsprechenden Ergebnisse mit der hydrokinetischen Mehrwertsteuer in vollem Maßstab, die in Fluss-, Flussmündungs- und Meeresumgebungen eingesetzt wird, sind begrenzt. Studien zum Fischverhalten wurden unter vereinfachten Laborbedingungen mit sauberem, gereinigtem Wasser durchgeführt, wobei die natürliche Trübung beispielsweise von Flüssen und Flussmündungen außer Acht gelassen wurde. Wassertrübung kann ein wichtiger Faktor sein, der das Sehvermögen der Fische beeinflusst und das Verhalten der Fische beeinflussen kann. Darüber hinaus wurden Experimente unter starken Lichtbedingungen durchgeführt. Um eine umfassende Bewertung der Auswirkungen der Mehrwertsteuer auf den Fischverkehr zu ermöglichen, müssen weitere Licht- und Trübungsbedingungen getestet werden, darunter beispielsweise auch Dunkelheit10,11. Studien, die HAT untersuchten, berichteten über eine Zunahme des Vermeidungsverhaltens, das dadurch gekennzeichnet war, dass mehr Fische der Turbine auswichen, wegschwammen und sich der Turbine bei Dunkelheit seltener näherten27. Es wurde angenommen, dass dieses beobachtete Verhalten mit der Unfähigkeit zusammenhängt, die Klingen visuell zu erkennen27.

Eine weitere Einschränkung der Studie entsteht durch die Notwendigkeit, den Versuchsaufbau an die verfügbare Gerinnegröße anzupassen. Während Strömungsbedingungen und Geometrie des untersuchten Hindernisses mithilfe der Froude- und Reynolds- bzw. geometrischen Skalierungsgesetze skaliert werden können, bleibt die Bestimmung der richtigen Fischgröße bzw. der Skalierung von Fischen eine Herausforderung. Allometrische Skalierung kann beispielsweise angewendet werden, um die Größe oder Masse eines Fisches anhand morphologischer, physiologischer und ökologischer Merkmale zu skalieren30. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die geometrische Skalierung Länge und Volumen und Oberfläche und Volumen angemessen skaliert, wobei die Masse \(\sim\) Volumen angenommen wird31. Die Anpassung der Größe eines Fisches an den Maßstab des Versuchsaufbaus kann dazu führen, dass unterschiedliche Lebensstadien verwendet werden, was wiederum zu erheblichen Abweichungen in den Verhaltensreaktionen führen kann, die beispielsweise von früheren Erfahrungen, Lärm, Raubtieren und der Fütterung abhängen und Hydrodynamik32. Bei der Verwendung bestimmter Lebensstadien muss auch der biologische Zeitpunkt berücksichtigt werden.

Weitere Einschränkungen ergaben sich aus dem Versuchsaufbau. Um den gesamten Testabschnitt zu erfassen, wurde eine einzelne Kamera in einer Höhe positioniert, die im Widerspruch zu anderen Laborinstallationen stand, was zu verzerrten und verzerrten Bildern führte. Um die Schwimmweg- und Schwimmgeschwindigkeitsanalyse zu verbessern, kann ein Stereokamerasystem und/oder eine Kombination aus Draufsicht- und Seitenansichtskameras eingesetzt werden, die die Extraktion der 3D-Fischposition ermöglichen. 3D-Tracks in Kombination mit High-Fidelity-Simulationen oder anderen fortschrittlichen Messtechniken (z. B. PIV) zur Quantifizierung des 3D-Strömungsfelds vor und nach der Turbine können vorteilhaft sein, um Schwimmgeschwindigkeiten und Schwimmmodi (z. B. Burst-/Dauerschwimmen, Station) zu extrahieren Halten, Driften) sowie Schwimmrichtungen (z. B. aktives Auf-/Abschwimmen).

Um das Potenzial des Einsatzes von vertikalachsigen In-Stream-Turbinen (VAT) zu analysieren, untersuchten wir die Auswirkungen einer einzelnen VAT auf die Fischbewegung (junge Regenbogenforellen) durch eine Reihe maßstabsgetreuer Laborexperimente und untersuchten den Einfluss von Abfluss und Turbinenbetriebszustand und Querschnittsbegrenzung.

Unsere Ergebnisse zeigten, dass der Einsatz einer Mehrwertsteuer unter Querschnittseinschränkung die Fische nicht daran hinderte, sich zwischen dem stromabwärts gelegenen und dem stromaufwärts gelegenen Abschnitt zu bewegen, obwohl sie einen Hochgeschwindigkeitsbereich passieren mussten, der auf beiden Seiten der Turbine in der Nähe der Turbine selbst erzeugt wurde. Die Wechselwirkungen zwischen Fisch und Turbine waren begrenzt, was darauf hindeutet, dass Fische die Turbine meiden. Ebenso verbrachten Fische nur eine begrenzte Zeit im Nachlauf der Turbine und zeigten keine Anziehungskraft auf den turbulenten Nachlaufbereich mit geringem Impuls. Weder der Turbinenbetriebszustand noch eine Erhöhung des Abflusses veränderten das beobachtete Schwimmverhalten unter begrenzten Testbedingungen. Die Bereitstellung eines größeren Querschnittsraums um die Turbine herum führte zu einer weiteren Reduzierung der Zeit, die in der Nähe der Turbine und in ihrem Nachlauf verbracht wurde, was mit dem größeren Abstand zur Turbine einherging. Trotz der verstärkten Vermeidung der Turbine wurde ein ähnliches Verhalten in Bezug auf das Eindringen, Passieren, Passieren, Zusammenstoßen und Ausweichen von Fischen durch die Turbine beobachtet wie unter beengten Testbedingungen.

Unter Berücksichtigung des beobachteten Vermeidungsverhaltens der Turbine selbst und ihres Nachlaufs durch Fische sollten die Positionierung der Turbine innerhalb des Hauptflusskanals und der seitliche Abstand zwischen mehreren Turbinen und ihren Begrenzungen sorgfältig geprüft werden, um die Konnektivität der Lebensräume und die Migrationsrouten zu wahren. Darüber hinaus sollten weitere Parameter untersucht werden, die potenziell zu Vermeidungsverhalten führen, darunter beispielsweise der Turbinenlärm und die Sichtverhältnisse. Obwohl Fische unter Testbedingungen mit begrenztem Querschnitt nicht daran gehindert wurden, die Turbine zu passieren, kann die Bereitstellung von mehr Platz um die Turbine herum die Interaktion zwischen Fisch und Turbine weiter verringern und möglicherweise die Auswirkungen der Mehrwertsteuer auf die Fischbewegung und das Risiko von Fischkollisionen verringern. Es bedarf jedoch weiterer Forschung, um Richtlinien für den geeigneten Einsatz von Turbinen in Flüssen zu entwickeln (z. B. Quer- und Längsabstände), um die Bewegung der Fische nicht zu beeinträchtigen und gleichzeitig die höchstmögliche Energieerzeugung zu erreichen.

Experimente zum Fischverhalten wurden im Hydrauliklabor des Hydro-Environmental Research Centre an der Universität Cardiff (Großbritannien) durchgeführt. Alle Experimente wurden in Übereinstimmung mit den relevanten Richtlinien und Vorschriften durchgeführt und vom Tierethikkomitee der Universität Cardiff genehmigt und unter der Home Office-Lizenz PPL 303424 gemäß den ARRIVE-Richtlinien33 durchgeführt.

Die ersten Experimente wurden in einem 10 m langen, 0,3 m breiten und tiefen Umlaufgerinne mit einer Längsneigung des Bettes von 1/1000 durchgeführt (im Folgenden als schmales Gerinne bezeichnet und als „im Querschnitt begrenzter Zustand“ bezeichnet; Abb. 5A). . Eine dreiflügelige Einzel-VAT mit einer Höhe und einem Durchmesser von D = 0,12 m (Abb. 5C; weitere Details finden Sie bei Müller et al.16) wurde etwa 4,4 m stromabwärts des Gerinneeinlasses platziert und mit einem optimalen Spitzengeschwindigkeitsverhältnis von 1,934 betrieben . Um den Schacht mit dem Gerinnebett zu verbinden und den Kontrast zwischen Fisch und Gerinnebett zu verstärken, wurde eine ca. 10 mm dicke weiße PVC-Platte auf dem Gerinnebett befestigt und ermöglichte die Integration eines Lagers zur Anbindung der Turbine.

Foto des Versuchsaufbaus im schmalen Gerinne (\(w_{gerinne}/D\) = 2,5) (A) und breiten Gerinne (\(w_{gerinne}/D\) = 10) (B), das die Strömungsrichtung zeigt Standort einer einzelnen Turbine mit vertikaler Achse und Durchmesser D. Die in (C) gezeigte Turbine mit vertikaler Achse befand sich in der seitlichen Mitte des Gerinnes, etwa 4,4 m stromabwärts des Gerinneeinlasses, und drehte sich gegen den Uhrzeigersinn. Alle Fotos blicken flussaufwärts.

Um die Auswirkungen der Querschnittsbeschränkung auf Fische zu untersuchen, wurde ein zweites Experiment in einem Gerinne mit einer Länge von 10 m, einer Breite von 1,2 m und einer Tiefe von 0,3 m und derselben Bodenneigung durchgeführt (im Folgenden als breites Gerinne [WF] bezeichnet und bezeichnet). als „querschnittsfreie Bedingungen“; Abb. 5B). Wie bei der schmalen Gerinne wurde etwa 4,4 m stromabwärts des Gerinneeinlasses in der seitlichen Mitte der Gerinne ein MwSt. mit ähnlichen Abmessungen und Drehrichtung platziert. Die Schüttgutgeschwindigkeit und die Fließtiefe wurden im schmalen und breiten Gerinne konstant gehalten, um eine Vergleichbarkeit zwischen den Tests zu ermöglichen.

Beide Testabschnitte wurden von zwei Strahlern (Neewer Bi-Color LED) beleuchtet, die auf beiden Seiten des Testabschnitts positioniert waren, um Schattenbereiche zu minimieren und eine gleichmäßige Lichtverteilung sicherzustellen. Alle Experimente wurden unter Umgebungslichtbedingungen mit an der Raumdecke montierten LED-Leuchten durchgeführt.

Um das Schwimmverhalten der Fische zu überwachen, wurde eine Baumer-Kamera über dem Gerinne montiert, die monochrome Serien von TIF-Bildern der Größe 600 \(\times\) 2352 Pixel und 2048 \(\times\) 2000 Pixel mit etwa 80 fps und 55 fps aufzeichnete die schmale bzw. breite Rinne. Um zu verhindern, dass Lichtreflexionen die Bildqualität beeinträchtigen, wurde eine 10 mm dicke, klare, transparente Plexiglasplatte auf der Wasseroberfläche montiert. Zusätzlich wurde eine GoPro Hero-Kamera (Version 5, 7 und 9; 60 fps, 1080 \(\times\) 1920 Pixel), die auf der linken Seite der Gerinne positioniert und auf einem Stativ montiert war, zur gleichzeitigen Aufzeichnung verwendet Seitenansicht der Teststrecke.

Experimente im schmalen Gerinne (\(w_{gerinne}/D\) = 10) wurden für zwei Strömungsbedingungen durchgeführt: bezeichnet als „mild“ (M; Q = 13 \(ls^{-1}\); h = 0,23 m) und „hoch“ (H; Q = 17 \(ls^{-1}\); h = 0,23 m) und zwei Turbinenbetriebszustände: bezeichnet als „stationär“ (S; 0 U/min) und „drehend“. " (R; 58 und 75 U/min für 13 bzw. 17 \(ls^{-1}\). Im Gegensatz dazu wurden die Versuche in der Weitrinne nur unter „milden“ Bedingungen durchgeführt. Um die Vergleichbarkeit zwischen den beiden Gerinnen zu gewährleisten, wurde in der breiten Gerinne eine Fließtiefe von h = 0,23 m eingehalten, während der Abfluss an Q = 53 \(ls^{-1}\) angepasst wurde, um eine Schüttgutgeschwindigkeit von U = 0,19 sicherzustellen \(ms^{-1}\) in beiden Gerinnungen. Der Abfluss (Q) und die Fließtiefe (h) wurden durch eine Pumpe mit 30 \(ls^{-1}\) bzw. 60 \(ls^{-1}\) Kapazität für das schmale bzw. breite Gerinne reguliert ein Heckklappenwehr am stromabwärtigen Ende jedes Gerinnes und wurde während der gesamten Experimente konstant gehalten. Die Fließtiefe wurde mit einem Nonius-Zeigermessgerät mit einer Genauigkeit von ± 0,1 mm gemessen, und der Abfluss wurde mit einem Ultraschall-Durchflussmesser (TecFluid Nixon CU100) mit einer Genauigkeit von ± 1,5 % gemessen.

Vor und nach den Experimenten wurden etwa 50 Fische in 60–80-l-Tanks in einem zirkulierenden Aquakultursystem (RAS) im Cardiff University Aquarium gehalten, eingeschlossen in einem temperaturkontrollierten Raum, der 12:12 Stunden lang auf 14 ± 0,5 °C gehalten wurde Dunkel-Hell-Zyklus. Dieses System verfügt über integrierte Beutel- und Trommelfilter (Pall Cooperation) sowie ein Kunststoff-Biomedium im Sumpftank und ein UV-Sterilisationssystem. Die Wassertemperatur und der Sauerstoffgehalt wurden ständig überwacht, während der Nitritgehalt wöchentlich mit einem Wasserqualitätstestkit (Nutrafin) getestet wurde. Die Fische wurden jeden Morgen mit handelsüblichen Forellenpellets gefüttert.

Vor Beginn der Experimente wurden die Fische in einen provisorischen Vorratstank in den hydraulischen Anlagen der Universität Cardiff transportiert. Der Vorratstank bestand aus 500 l entchlortem Wasser (Seachem Prime Concentrated Conditioner, Tetra AquaSafe), das ständig umgewälzt und auf 13 ± 1 °C gekühlt wurde (D–D The Aquarium Solution, DC 750) mit einem externen Filter (Aquamanta, EXF 600). . Der Tank wurde durch mehrere externe Luftpumpen (z. B. Tetratec Aps 400) belüftet. Aufgrund der manuellen Steuerung des Umgebungslichts wurden die Fische in einem 14-Stunden-10-Stunden-Dunkel-Hell-Zyklus gehalten. Je nach Experiment wurden die Fische entweder frei im Becken schwimmend gehalten oder in schwimmenden Netzkäfigen gehalten.

Alle Tanks und Käfige im Cardiff University Aquarium und die hydraulischen Anlagen wurden mit Umweltanreicherungen ausgestattet, um Rückzugsmöglichkeiten (z. B. Pflanzentöpfe) zu bieten und Stress zu minimieren. Besonderes Augenmerk wurde darauf gelegt, den Stress bei der Handhabung und dem Transport von Fischen (maximal 20 Minuten Fahrt) zwischen Einrichtungen und Tanks zu minimieren, wobei den Fischen nach dem Transfer eine Erholungszeit von mindestens 24 Stunden gewährt wurde.

Am Testtag wurden die Fische in der Mitte des am weitesten flussabwärts gelegenen Endes des Testabschnitts in die Rinne eingeführt und einer 20-minütigen Akklimatisierungsphase unterzogen. Während dieser Zeit durften die Fische den gesamten Testabschnitt erkunden, wobei sie in den ersten 10 Minuten einen 5-minütigen schrittweisen Anstieg des Abflusses bis zum Testabflusspegel (Mild = 13 \(ls^{-1}\)) erlebten. , Hoch = 17 \(ls^{-1}\)), gefolgt von einer 10-minütigen Akklimatisierung an der Testentladung. Das stromabwärts gelegene Heckklappenwehr blieb jederzeit auf einer vorbestimmten Höhe fixiert, die für eine gleichmäßige Strömungsbedingung eingestellt war. Nach der Akklimatisierung wurden die Fische mit einem Fischernetz gefangen und die Plexiglasplatte auf der Wasseroberfläche montiert. Anschließend wurden die Fische am stromabwärts gelegenen Ende des Testabschnitts in der Mittellinie des Hauptkanals wieder freigelassen. Jeder Versuch dauerte 10 Minuten und 30 Sekunden. Die zusätzlichen 30 Sekunden, die der Aufzeichnung hinzugefügt wurden, entfielen auf die Handhabung und Freilassung der Fische sowie die Reinigung der Plexiglasplatte zu Beginn jedes Versuchs und wurden von der Analyse ausgeschlossen, was zu einer Gesamtanalysezeit von T = 600 Sekunden führte .

Während der Tests wurde menschliches Eingreifen nach Möglichkeit vermieden und nur dann durchgeführt, wenn Fische gegen den Zaun prallten, was oft unmittelbar nach der Freilassung und innerhalb der ersten 30 Sekunden, die zum Aufbau des Versuchs dienten, geschah. In diesem Fall wurden die Fische vorsichtig zum Schwimmen angeregt oder durch Klopfen aus dem Strömungsgleichrichter entfernt. Im Falle einer wiederholten Beaufschlagung des Strömungsgleichrichters wurde das Experiment abgebrochen und die Fische wurden aus der Teststrecke und der Analyse entfernt (angegeben durch die Anzahl der ausgeschlossenen Fische \(N_{ausgeschlossen}\)).

Nach Abschluss des Tests (10 Min. 30 Sek.) wurden die Fische gewogen und gemessen und dann in den Vorratstank zurückgebracht. Am Ende jeder Testreihe wurden die Fische zurück zum RAS im Cardiff University Aquarium transportiert.

Während des Tests wurden folgende Parameter erfasst und analysiert:

Um die räumliche Nutzung des Testabschnitts zu analysieren, wurde jede Bildserie in ein Video umgewandelt, das anschließend mit JWatcher v.1.0 analysiert wurde. Der Testabschnitt wurde in 30 bzw. 70 Quadranten für die schmalen bzw. breiten Rinnen unterteilt. Diese Quadranten waren gleichmäßig auf die stromaufwärts und stromabwärts gelegene Region verteilt. Für jeden Quadranten wurde die aufgewendete Zeit (\(t_{aufgewendet}\)) manuell protokolliert und der Prozentsatz der gesamten analysierten Zeit (\(T=600\) s) berechnet.

Die folgenden Parameter wurden basierend auf den Prozentsätzen der aufgezeichneten Zeit bestimmt, darunter:

Prozentsatz der stromaufwärts verbrachten Zeit (-5\(\le x/D\le\)0, schmales Gerinne: \(-1,25\le y/D\le 1,25\) oder breites Gerinne: \(-5 \le y/ D\le 5\)) und stromabwärts (\(0 \le x/D\le 5\), schmales Gerinne: \(-1,25 \le y/D\le 1,25\) oder breites Gerinne: \(-5 \ le y/D\le 5\)) der Turbine

Prozentsatz der Einschwimmzeit in der Mitte (\(0 \le x/D\le 5\), \(-0,5 \le y/D\le 0,5\)), links (\(0 \le x/D\ le 5\), schmales Gerinne: \(-1,25 \le y/D\le -0,5\) oder breites Gerinne: \(-5 \le y/D\le -0,5\)) und rechtshändig (\( 0\le x/D \le 5\), schmales Gerinne: \(0,5 \le y/D\le 1,25\) oder breites Gerinne: \(0,5 \le y/D\le 5\)) stromabwärts Abschnitt

Prozentsatz der Zeit, in der unmittelbar vor der Turbine geschwommen wird (hier als „Bugwaken“ bezeichnet; \(-2 \le x/D\le -0,5\), \(-0,5 \le y/D\le 0,5\))

Prozentsatz der Schwimmzeit in (\(-2 \le x/D\le 2\), schmalem Schwimmbecken: \(-1,25 \le y/D\le 1,25\) oder breitem Schwimmbecken: \(-2,5 \le y/ D\le 2,5\)) und außen (\(-2 \le x/D\ge 2\), schmale Rinne: \(-1,25 \le y/D\ge 1,25\) oder breite Rinne: \(-2,5 \le y/D\ge 2,5\)) der Umgebung der Turbine (hier als Vermeidung bzw. Anziehung bezeichnet)

Es ist zu beachten, dass die Fläche, über die die Zeit in der Nähe der Turbine (Anziehung) und von der Turbine entfernt (Vermeidung) verbracht wurde, für das breite Gerinne berechnet und skaliert wurde, um der Vergrößerung des Querschnittsraums Rechnung zu tragen.

Die Fischposition wurde mit Kinovea v0.8.15, einer halbautomatischen Open-Source-Tracking-Software35, extrahiert. Aufgrund der hohen Fehleranfälligkeit (z. B. schattige Bereiche, nahe an Gerinnewänden schwimmende Fische, durch die Teststrecke treibende Partikel) wurden Videos mit einer reduzierten Bildrate von 2 fps bzw. 1 fps für die schmale bzw. breite Gerinne erstellt , um solche Fehler durch manuelle Korrektur der Frames zu reduzieren. Für jedes Bild wurde die strömungsmäßige (x) und seitliche (y) Position des Fisches aufgezeichnet und aus der Software extrahiert. Anschließend wurden die Daten mit MS Excel und Matlab 2019a,b und 2020a analysiert. Vor der Analyse wurden die extrahierten Fischpositionen skaliert, um Kalibrierungsfehler zu berücksichtigen. Basierend auf den korrigierten Koordinaten wurde die von jedem Fisch zurückgelegte Gesamtstrecke (\(\overline{s}\)) mithilfe des Satzes des Pythagoras geschätzt. Ebenso wurde der mittlere Abstand zwischen Fisch und Turbine (\(\overline{s}_{turbine}\)) über die Zeit geschätzt.

Die Schwimmgeschwindigkeiten wurden basierend auf der zurückgelegten Distanz (wie in (ii) beschrieben) zwischen den Frames und dem entsprechenden Zeitschritt (\(v_{fish}=s/\Delta t\)) bestimmt. Dieser Ansatz liefert eine Schätzung der Schwimmgeschwindigkeiten über die Zeit, vernachlässigt jedoch die Richtung des Fisches (d. h. ob der Fisch aktiv schwamm oder flussabwärts driftete), die Schwimmtiefe und die lokale Strömungsgeschwindigkeit, da Nachlaufgeschwindigkeiten nur für die MR-WF-Behandlung aufgezeichnet wurden. Basierend auf den berechneten Geschwindigkeiten wurde die Zeit berechnet, die in vordefinierten Schwimmgeschwindigkeitsbereichen verbracht wurde.

Bei der Analyse der Datensätze wurde eine Reihe von Verhaltensweisen definiert und aufgezeichnet28,36. Die untersuchten Verhaltensweisen werden in Tabelle 1 beschrieben und visualisiert. Zusätzlich werden die einzelnen Verhaltensweisen in den bereitgestellten kurzen Videoclips dargestellt. Zur Vereinfachung wurden die Anzahl der Upstream-Passagen pro Fisch und der Prozentsatz der Upstream-Passagen pro Fisch unter dem Begriff „Passageverhalten“ zusammengefasst. In ähnlicher Weise wurde auch der Begriff „Bewegungsverhalten“ verwendet, der sich auf die von der Turbine zurückgelegte und eingehaltene Distanz sowie auf die Bandbreite der beobachteten Schwimmgeschwindigkeiten bezieht.

Insgesamt wurden zwei experimentelle Studien durchgeführt, um die Auswirkungen einer einzigen Mehrwertsteuer auf einzelne junge Regenbogenforellen (Oncorhynchus mykiss, Walbaum 1792) zu untersuchen, die von der Bibury Trout Farm, Großbritannien, stammen und als generische Modellarten ausgewählt wurden.

In einer ersten Studie, die im schmalen Gerinne durchgeführt wurde, wurde die Auswirkung von Abfluss und Turbinenbetriebszustand auf die Fischbewegung untersucht, indem einzelne Fische zwei Abflüssen ausgesetzt wurden (mild: Q = 13\(ls^{-1}\) und hohe 17 \ (ls^{-1}\)) und zwei Turbinenbetriebszustände (rotierend und stationär) unter begrenzten Testbedingungen im engen Gerinne. Die Auswahl an Testkombinationen führte zu den folgenden vier Behandlungen: MS (mild-stationär), MR (mild-rotierend), HS (hoch-stationär) und HR (hoch-rotierend).

Zwischen dem 23. November und dem 1. Dezember 2020 wurden zwischen 8 und 17 Uhr Untersuchungen zum Fischdurchgangsverhalten durchgeführt. Für jede Behandlung wurden \(N_{getestet}\) = 20 junge Regenbogenforellen getestet, was insgesamt 80 Fische mit einer mittleren Standardlänge ± sd, 57,0 ± 5,9 mm, einer mittleren Gesamtlänge ± sd, 66,8 ± 6,9 mm, ergab. und mittlere Masse ± sd, 3,1 ± 0,9 g. Eine Übersicht über die Anzahl der getesteten (\(N_{tested}\)), ausgeschlossenen (\(N_{excluded}\)) und analysierten (\(N_{analysiert}\)) Fische sowie der Masse (m), Die Standardlänge (\(L_{fish}\)) und die Gesamtlänge (\(L_{fish, total}\)) finden Sie im Abschnitt „Methoden und Materialien“. Die für jede Behandlung getesteten Fische unterschieden sich nicht signifikant in der Fischstandardlänge (GLM, p = 0,7904), der Gesamtlänge (GLM, p = 0,5691) und der Masse (GLM, p = 0,1281).

Die Behandlungsreihenfolge wurde nicht randomisiert, da jeder Fisch nur einer einzigen Behandlung ausgesetzt war. Zuerst wurde die MS-Behandlung getestet, gefolgt von MR, HS und HR. Für jeden Test wurden die im Abschnitt „Methoden und Materialien“ aufgeführten Parameter anhand der erhaltenen Bildserien analysiert.

Die statistische Analyse wurde mit der Statistiksoftware R v.3.6.3 durchgeführt. Unter Verwendung eines Gaußschen Allgemeinen Linearen Modells (GLM) wurde die Zeit stromaufwärts und stromabwärts mit einer Identitäts- bzw. Umkehrverbindungsfunktion auf Signifikanz getestet. Ein Gaußsches GLM mit Identitätsverbindungsfunktion wurde auch verwendet, um die Anteile der Zeit zu untersuchen, die mit dem Aufwachen des Bogens verbracht wurde, sowohl innerhalb der stromabwärts gelegenen Mitte als auch auf der linken und rechten Seite des stromabwärts gelegenen Abschnitts; Anziehungs- und Vermeidungszeit; das Zeitverhältnis innerhalb und außerhalb der Turbinenumgebung; die Anteile der Zeit, die mit Schwimmen bei unterschiedlichen Schwimmgeschwindigkeiten verbracht wurde; und der Unterschied in der geschwommenen Entfernung und der eingehaltenen Entfernung von der Turbine und den Behandlungen. Ebenso wurden die Unterschiede in der Standardlänge, der Gesamtlänge und der Masse der Fische zwischen den Behandlungen mithilfe von Gaußschen GLMs mit Identitätsverknüpfung auf Signifikanz getestet. Da sich diese Parameter zwischen den Behandlungen nicht wesentlich unterschieden, wurde die Standardlänge der Fische nicht als unabhängiger Parameter in die endgültigen Modelle einbezogen. Daher war die Behandlung die einzige unabhängige Variable. Darüber hinaus wurde ein Zwei-Proportionen-Z-Test angewendet, um den signifikanten Unterschied zwischen den Behandlungen hinsichtlich des Prozentsatzes der Fische zu untersuchen, die flussaufwärts wandern, Beinahepassagen durchführen, den Bug aufwecken, eindringen, Ausweichverhalten zeigen oder Schläge erleiden. Nicht signifikante Variablen wurden schrittweise aus der statistischen Analyse entfernt und Residuen zur Beurteilung der Eignung der Tests verwendet. Die p-Wert-Signifikanz wurde mit 0,05 angenommen.

Hier wurde die Auswirkung der Querschnittsbeschränkung durch die Durchführung eines Replikattests in der breiten Rinne getestet. Die Teststrecke in diesem Gerinne war viermal so breit wie die Teststrecke in der schmalen Gerinne. Die Auswirkungen von Strömungsblockaden wurden für beide Turbinenbetriebszustände (stationär und rotierend) und den milden Strömungszustand analysiert. Diese Behandlungen werden als MS-WF und MR-WF bezeichnet.

Die Verhaltensexperimente der Fische für diese Studie wurden zwischen dem 29. März und dem 7. April 2021 zwischen 8 und 17 Uhr durchgeführt. Insgesamt wurden 22 bzw. 21 Fische auf MS-WF bzw. MR-WF getestet. Aufgrund technischer Schwierigkeiten (z. B. unvollständige Aufzeichnungen) und des Aufpralls von Fischen auf den nachgeschalteten Strömungsgleichrichter wurden \(N_{ausgeschlossen}\) = 5 Fische von den Analysen ausgeschlossen, was zu 19 Fischen pro Behandlung und damit zu einer Gesamtzahl von \( N_{analysiert}\) = 38 Fische mit einer mittleren Standardlänge ± sd, 50,0 ± 3,4 mm, einer mittleren Gesamtlänge ± Standardabweichung, 57,7 ± 3,2 mm und einer mittleren Masse, ± sd, 2,0 ± 0,4 g. Eine Übersicht über die Anzahl der getesteten (\(N_{tested}\)), ausgeschlossenen (\(N_{excluded}\)) und analysierten (\(N_{analysiert}\)) Fische sowie der Masse (m), Die Standardlänge (\(L_{fish}\)) und die Gesamtlänge (\(L_{fish, total}\)) werden für jede Behandlung im Abschnitt „Methoden und Materialien“ angegeben. Die für jede Behandlung getesteten Fische unterschieden sich weder in der Fischstandardlänge (GLM, p = 0,1658), noch in der Gesamtlänge (GLM, p = 0,1926) noch in der Masse (GLM, p = 0,0642).

Wie im Experiment mit schmalen Gerinnen (Abschnitt „Methoden und Materialien“) wurde die Behandlungsreihenfolge nicht randomisiert, da jeder Fisch nur einer einzigen Behandlung ausgesetzt wurde. Zuerst wurde die MS-WF-Behandlung getestet, gefolgt von MR-WF. Für jeden Test wurden die im Abschnitt „Methoden und Materialien“ aufgeführten Parameter anhand der erhaltenen Bildserien analysiert.

Da der Schwerpunkt dieses Experiments auf einem Vergleich von querschnittsbegrenzten und unbeschränkten Bedingungen für die Fischbewegung lag, wurden die Ergebnisse von MS-WF und MR-WF mit den Ergebnissen verglichen, die im Experiment mit schmalen Gerinnen für MS und MR erhalten wurden. Aufgrund des signifikanten Unterschieds in der Fischstandardlänge (GLM, \(p<0,001\)), der Gesamtlänge (GLM, \(p<0,001\)) und der Masse (GLM, \(p<0,001\)) zwischen den Fischen Bei der Verwendung im Experiment mit schmalem und breitem Gerinne wurde die Standardlänge der Fische neben der Behandlung als unabhängige Variable einbezogen. Die Standardlänge der im Wide-Rinne-Experiment verwendeten Fische war deutlich kleiner als die der im Schmal-Rinne-Experiment getesteten Fische (GLM, MR vs. MR-WF: \(p<0,001\), MS vs. MS-WF: \ (p<0,001\)). Der Unterschied in Standardlänge, Gesamtlänge und Masse für MS-WF und MR-WF sowie für MS, MR, MS-WF und MR-WF wurde unter Verwendung eines Gaußschen GLM mit Identitätsverknüpfungsfunktion bestimmt. Wie im Experiment mit schmalen Gerinnen basiert der signifikante Einfluss der Behandlung und der Standardlänge auf Parameter auf dem Anteil der verbrachten Zeit (d. h. stromaufwärts, stromabwärts, stromabwärts in der Mitte, links und rechts, innerhalb und außerhalb der Turbinenumgebung, Schwimmgeschwindigkeiten). ) wurde unter Verwendung von Gaußschen GLMs mit Identitätsverknüpfungsfunktion untersucht. In ähnlicher Weise wurden die Anziehungs- und Vermeidungszeit mithilfe eines Gaußschen GLM mit Identitätsverknüpfungsfunktion verglichen. Die während des Testzeitraums zurückgelegte Entfernung und die mittlere Entfernung, die von der Turbine eingehalten wurde, wurden mithilfe von Gaußschen GLMs mit Identitäts- bzw. Invers-Link-Funktion auf Signifikanz getestet. Ein Zwei-Proportionen-Z-Test wurde verwendet, um die Auswirkungen räumlicher Blockaden je nach Betriebszustand der Turbine auf die Anzahl der flussaufwärts vorbeiziehenden Fische, der Fische, die versuchen zu passieren, des Bugwakens, des Eindringens in die Turbine, des Ausweichens und der Anzahl der Fische, die einen Angriff erleiden, zu vergleichen. Nicht signifikante Variablen wurden schrittweise aus der statistischen Analyse entfernt und Residuen zur Beurteilung der Eignung der Tests verwendet. Die P-Wert-Signifikanz wurde mit 0,05 angenommen.

Tabelle 2 bietet einen Überblick über die Anzahl der getesteten (\(N_{tested}\)), ausgeschlossenen (\(N_{excluded}\)) und analysierten (\(N_{analysed}\)) Fische sowie deren Masse ( m), Standard- (\(L_{fish}\)) und Gesamtlänge (\(L_{fish, total}\)) für jede Behandlung, die im schmalen Gerinne (MS, MR, HS, HR) und 2 (MS) getestet wurde -WF, MR-WF).

Es werden Videos bereitgestellt, die das beobachtete Schwimmverhalten veranschaulichen, einschließlich eines Videoclips, der Eintreten, Ausweichen, Beinahe-Passieren, Überholen, engen Kontakt, Schwimmen im Kielwasser und das Bugschleppen der Turbine zeigt. Bei allen Videoclips handelt es sich um Draufsichtaufnahmen mit dem Fluss von rechts nach links. Lediglich das Video, das zeigt, wie ein Fisch in den Turbinenspülbereich eindringt, wurde mit einer Seitenansichtkamera mit Strömung von rechts nach links aufgenommen.

Ergänzend zu den vorgestellten Fischverhaltensexperimenten wurden umfangreiche hydrodynamische Messungen durchgeführt, um die dreidimensionalen Nachlaufeffekte einer einzelnen Mehrwertsteuer zu quantifizieren. Mittels akustischer Doppler-Geschwindigkeitsmessung wurden 10 stromabwärts gelegene Querschnitte innerhalb der yz-Ebene für einen ähnlichen Versuchsaufbau und ähnliche hydraulische Bedingungen wie für das breite Gerinne beschrieben gemessen (ausschließlich ohne weißen Hintergrund). Eine detaillierte Beschreibung der Methodik liefert Müller et al.16.

Hier wird ein beispielhafter Querschnitt dargestellt, der die yz-Ebene in der Mitte der Turbinenhöhe für (a) mittlere Strömungsgeschwindigkeiten darstellt, normalisiert durch U = 0,19 \({\textrm{m}}\,{\textrm{s}} ^{-1}\), (b) strömungsmäßige Turbulenzintensität normalisiert durch U, (c) turbulente kinetische Energie normalisiert durch \(U^{2}\) und (d) horizontale Reynolds-Scherspannung normalisiert durch \(U^{ 2}\) (Abb. 6).

Horizontale Ebenen in der Mitte der Turbinenhöhe (z/D = 0,67), die Konturen normalisierter (A) mittlerer Geschwindigkeiten in Strömungsrichtung, (B) Turbulenzintensität in Strömungsrichtung, (C) turbulenter kinetischer Energie und (D) horizontaler Reynolds-Scherspannung stromabwärts der einzelnen Turbine zeigen rotierende Mehrwertsteuer unter milden Strömungsbedingungen (d. h. MR). Der Fluss erfolgt von links nach rechts.

Unsere Ergebnisse zeigen einen Bereich mit geringer Impulsgeschwindigkeit unmittelbar stromabwärts des Turbinenrotors. Dieser Bereich war besonders ausgeprägt auf der Aufwärtsseite, wo sich die Rotorblätter gegen die Strömung bewegten (dh auf der linken Seite des Gerinnes, wenn man stromabwärts blickt), was dazu führte, dass der Nachlauf um seine Mittellinie asymmetrisch war37,38,39. Neben der Verringerung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit (a) auf der Aufschlagseite war der Nachlauf einer einzelnen VAT durch hohe Werte von \(\overline{u}'/U\), \(tke/U^{2}\) gekennzeichnet. ) und \(\overline{u'v'}/U^{2}\). Die Zunahme der Turbulenzen in dieser Region ist eine Folge der Ablösung energiereicher Wirbel40,41, die jedoch nur innerhalb des nahen Nachlaufs (\(x/D<2\))34 vorherrschten. Die Abwärtsbewegungsseite (dh die rechte Seite des Gerinnes) war dagegen durch geringere Turbulenzniveaus gekennzeichnet. Nach dem nahen Nachlauf (\(x/D<3\)) dehnte sich der Nachlauf innerhalb des Übergangsbereichs (3\(

Eine detailliertere Analyse der Nachlaufhydrodynamik einer einzelnen Mehrwertsteuer findet sich bei Müller et al.16.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind im Datenrepository der Cardiff University verfügbar: http://doi.org/10.17035/d.2022.0220288116.

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Dieses Projekt wurde durch Anschubfinanzierung aus der GCRF QR-Förderung der Cardiff University vom Higher Education Funding Council for Wales, einem Stipendium des Water Informatics Science and Engineering Centre for Doctoral Training (WISE CDT) (EP/L016214/1) der Fakultät für Ingenieurwesen und Physik unterstützt Science Research Council (EPSRC) an SM und ein Center for Doctoral Training in Freshwater Biosciences and Sustainability (FRESH CDT)-Stipendium (NE/R011524/1) vom Natural Environment Research Council (NERC) an GSS.

Wir danken Dr. Aldo German Benavides Moran und Dr. Carlos Alberto Duque Daza von der National University of Colombia und Prof. Edevar Luvizotto Junior von der University of Campinas (Brasilien) für fruchtbare Gespräche über diese Forschung, Paul Leach für technische Unterstützung und Rhi Hunt und Scott MacAuley für ihre Unterstützung bei der Erhaltung der Fischbestände und ihre statistische Beratung.

School of Engineering, Cardiff University, The Parade, Cardiff, Wales, CF24 3AA, Großbritannien

Stephanie Müller, Valentine Muhawenimana, Guglielmo Sonnino-Sorisio und Catherine AME Wilson

School of Biosciences, Cardiff University, Park Place, Cardiff, Wales, CF10 3AX, Großbritannien

Joanne Cable

School of Engineering, University of Manchester, Oxford Road, Manchester, England, M13 9PL, Großbritannien

Pablo Gold

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CW, JC und PO besorgten die Finanzierung und überwachten die Arbeit. Alle Autoren planten die experimentelle Arbeit. SM, VM und GSS führten die experimentelle Arbeit und Datenanalyse durch. SM hat alle Zahlen vorbereitet. SM, PO, VM haben das Originalmanuskript erstellt. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Pablo Gold.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Müller, S., Muhawenimana, V., Sonnino-Sorisio, G. et al. Reaktion der Fische auf das Vorhandensein hydrokinetischer Turbinen als nachhaltige Energielösung. Sci Rep 13, 7459 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33000-w

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Eingegangen: 30. Oktober 2022

Angenommen: 05. April 2023

Veröffentlicht: 08. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33000-w

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