Español 
English
Français
Deutsch
Italiano
Português
日本語
한국어
Русский
Respuesta de los peces a la presencia de turbinas hidrocinéticas como solución energética sostenible
Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7459 (2023) Citar este artículo
497 Accesos
3 Altmetric
Detalles de métricas
Las turbinas hidrocinéticas, como las turbinas de eje vertical (VAT), pueden proporcionar energía descentralizada, limpia y sostenible para comunidades remotas que carecen de acceso a la red de energía principal o a recursos renovables. Dado que la energía hidroeléctrica tradicional altera negativamente los ecosistemas acuáticos, es esencial evaluar las consecuencias ambientales del despliegue de IVA en los ecosistemas fluviales para satisfacer las necesidades energéticas actuales y futuras. Este estudio explora las implicaciones de los IVA en el movimiento de los peces al observar el comportamiento de natación de los peces bajo dos descargas, estados de operación de la turbina y confinamientos de secciones transversales utilizando experimentos de laboratorio a escala. Nuestros hallazgos revelan que, para condiciones confinadas de sección transversal, ni la descarga, ni la presencia de la turbina, ni el funcionamiento del dispositivo impidieron que los peces pasaran alrededor y a través de la turbina, tanto en dirección ascendente como descendente. Sin embargo, los peces pasaron menos tiempo cerca de la vecindad de la turbina y dentro de la estela turbulenta de baja velocidad de la turbina, lo que indica un comportamiento de evitación. Nadar en una sección de prueba menos confinada redujo aún más el tiempo que pasaban cerca de la turbina y la estela, aumentando la distancia que los peces se mantenían alejados del dispositivo. Nuestros resultados contribuyen a la comprensión de los VAT como peligros de bajo riesgo para el comportamiento de natación de los peces, mejorando el potencial de implementación de VAT en ríos, estuarios o mar como una solución de energía renovable para comunidades remotas.
Actualmente, casi 800 millones de personas carecen de acceso a un suministro de energía asequible, confiable y sostenible, lo que genera desigualdad socioeconómica1. Los países de ingresos bajos a medianos, las islas pequeñas y los países sin litoral se ven particularmente afectados, con poblaciones escasamente distribuidas, que a menudo consisten en numerosas comunidades remotas, la mayoría sin acceso a energía limpia. La Agenda de las Naciones Unidas (ONU) para el Desarrollo Sostenible tiene como objetivo reducir esta injusticia al garantizar que se realicen esfuerzos para proporcionar acceso universal a energía limpia para 2030 (Objetivo de Desarrollo Sostenible 7)1, lo que requiere un aumento en la participación de energía renovable.
Los países ricos en grandes recursos hídricos y, por lo tanto, lugares ideales para aplicaciones de energía hidroeléctrica, a menudo son puntos críticos para la biodiversidad que necesita protección y conservación. Las cuencas del Amazonas, el Congo y el Mekong, por ejemplo, albergan un tercio de las especies de peces de agua dulce del mundo, la mayoría de ellas exclusivas de su ubicación geográfica2. Los esquemas hidroeléctricos convencionales a menudo utilizan presas y presas, desviando o reteniendo el flujo del río para crear embalses y diferencias de altura, contribuyendo así a la fragmentación de los ríos. Las numerosas estructuras hidráulicas instaladas a lo largo de los ríos y los rápidos cambios en el medio acuático no solo crean barreras migratorias para los organismos acuáticos, sino que también limitan el transporte de energía y sedimentos3,4,5,6, lo que provocó, por ejemplo, la casi extinción de 4 –10% de las especies de peces en América del Sur7.
Para minimizar la dependencia de la energía hidroeléctrica convencional, se debe explorar el potencial de todos los tipos de tecnologías hidroeléctricas utilizando soluciones innovadoras. Un estudio de la Amazonía brasileña, por ejemplo, mostró que las turbinas en flujo tienen el potencial de cubrir aproximadamente el 63 % de la energía total que se planea instalar en forma de energía hidroeléctrica convencional8. Las turbinas hidrocinéticas en la corriente, como las turbinas de eje vertical (VAT), aprovechan la energía cinética del flujo del río que fluye libremente sin desviarlo ni requerir una estructura hidráulica para generar una diferencia de carga. Estas turbinas se pueden transportar como una unidad ensamblada o como partes y se ensamblan en el sitio y se pueden instalar fácilmente en cualquier sección del río. Las turbinas hidrocinéticas solo requieren una fracción del ancho y la profundidad del canal del río en comparación con los esquemas tradicionales, lo que potencialmente permite que los organismos acuáticos pasen, disminuyendo el impacto en la biodiversidad. Además, se supone que el diseño de rotor abierto y la velocidad de rotación relativamente baja del VAT reducen el riesgo de colisión de peces9,10, ambas ventajas en comparación con las turbinas de eje horizontal (HAT).
A pesar de estas aparentes ventajas del VAT, se sabe poco acerca de cómo el confinamiento de la sección transversal, la condición del flujo y las alteraciones hidrodinámicas de la estela asociadas pueden influir en el comportamiento del movimiento de los peces. En un entorno de campo marino confinado, los peces de arrecife bentónicos y los depredadores más grandes evitaron alejarse más de 0,3 m y 1,7 m, respectivamente, de un rotor VAT9. De manera similar, la trucha marrón tenía menos probabilidades de pasar por un VAT a escala de laboratorio, mostrando un comportamiento de evitación y conciencia de la turbina11. Otras observaciones de comportamiento reportadas incluyen la falta de colisiones entre peces y VATs (cuchillas y estructura de soporte) en pruebas de campo9 y de laboratorio10,11. Sin embargo, las adaptaciones conductuales en respuesta al VAT rara vez se investigan en el contexto de las alteraciones del flujo. Solo Berry et al.11 informaron que los peces preferían las regiones de alto impulso a ambos lados de una turbina en comparación con el área de bajo impulso de la estela de la turbina. Por lo tanto, se requiere más investigación para comprender la influencia de las condiciones ambientales, la presencia de turbinas y las alteraciones de la estela en el movimiento de los peces.
En este estudio, exploramos cómo el estado de operación de la turbina (es decir, estacionario versus giratorio), la descarga (es decir, leve versus alta) y el confinamiento de la sección transversal (es decir, sección transversal del canal confinado versus no confinado) influye en el movimiento y el comportamiento. de juveniles de trucha arcoíris (Oncorhynchus mykiss; Walbaum, 1792), una especie de salmónido de agua dulce ampliamente distribuida y parcialmente invasiva que se puede encontrar en la mayoría de los países del mundo12.
Para investigar los efectos de una turbina de eje vertical (VAT) independiente bajo una variedad de condiciones de flujo, estados de operación y anchos de canal sobre el movimiento de los peces, llevamos a cabo experimentos en dos canales hidráulicos de recirculación de canal a un ancho de turbina de \(w_{canal}/ D\) = 2,5 (en lo sucesivo, "canal estrecho") y 10 (en lo sucesivo, "canal ancho") en las instalaciones hidráulicas de la Universidad de Cardiff. En ambos canales se creó una sección de prueba similar, con un modelo de VAT de tres palas a escala en su centro.
Usando un software de seguimiento de movimiento semiautomático simplificado y observaciones visuales, el impacto de la condición de flujo [Leve (M) vs. Alto (H)] y el estado de operación de la turbina [Estacionario (S) vs. Giratorio (R)] en la natación de los peces Se analizó el comportamiento en una sección de prueba confinada de sección transversal (\(w_{canal}/D\) = 2,5, canal estrecho).
Independientemente de la condición de flujo y la operación de la turbina, los peces pasaron la mayor parte del tiempo río abajo (MS: 78 %, MR: 75 %, HS: 83 %, HR: 68 %; GLM, p = 0,6395) y menos tiempo río arriba (MS: 22 %, MR: 25 %, HS: 17 %, HR: 31 %, GLM, p = 0,6395) de la turbina, como se muestra en la Fig. 1A e indicado por un aumento en la densidad de dispersión en la Fig. 2, que muestra la variación de la posición del pez en una frecuencia de 1 Hz. Dentro de la sección aguas abajo, los peces prefirieron permanecer cerca de las paredes laterales, particularmente aguas abajo dentro de las esquinas de la sección de prueba, como se resalta en amarillo en el gráfico de dispersión de densidad que marca las posiciones de los peces a lo largo del tiempo (Fig. 2).
(A) Porcentaje medio de tiempo pasado aguas arriba (verde) y aguas abajo (azul) de la turbina. (B) Porcentaje de tiempo pasado cerca de la turbina (\(-2\le x/D\le 2\), y \(-1.25 \le y/D\le 1.25\) y \(-2.5 \ le y/D\le 2.5\) para el canal estrecho (\(w_{canal}/D=2.5\)) y ancho (\(w_{canal}/D=10\)), respectivamente, con el área utilizada para el análisis que se escala para tener en cuenta la diferencia en el ancho del canal), denominado "atracción", y fuera de esta región, denominado "evitación". (C) Gráficos de violín que presentan el porcentaje de tiempo pasado dentro de la estela (\(0 \le x/D\le 5\), \(-0.5 \le y/D\le 0.5\)) y dentro de la proa de la turbina- wake (\(0 \le x/D\le -2\), \(-0.5 \le y/D\le 0.5\)) para cada pez probado. Los resultados se presentan para cada tratamiento, incluidos MS, MR, HS y HR para el canal angosto y MS-WF y MR-WF para el canal ancho.
Gráfico de dispersión que representa las posiciones de los peces durante el tiempo de prueba de 10 minutos para todos los peces analizados, contorneado por la densidad de la dispersión, con amarillo que marca la mayor densidad de posiciones de peces observadas en un lugar determinado y colores azules que muestran densidades más bajas. Los resultados se presentan para los cuatro tratamientos analizados en el canal angosto (MS, MR, HS, HR) y ambos tratamientos investigados en el canal ancho (MS-WF, MR-WF). Nota: MS-WF y MR-WF consisten en menos puntos de datos debido a una cantidad reducida de peces analizados y una velocidad de fotogramas más baja utilizada para el análisis de seguimiento. El flujo es de izquierda a derecha.
Cuando la turbina giraba, los peces pasaban un poco más de tiempo en la esquina del lado izquierdo de la sección de prueba (mirando hacia abajo; MS: 46 %, MR: 28 %, HS: 45 %, HR: 25 %). en comparación con el lado derecho (MS: 23%, MR: 33%, HS: 35%, HR: 29%). Estas observaciones, sin embargo, no fueron influenciadas por el tratamiento (GLM, \(p=0.2089\) y \(p =0.7583\) para el lado izquierdo y derecho, respectivamente). Dado que la mayor parte del tiempo río abajo se pasó a lo largo de las paredes del canal, los peces se observaron con poca frecuencia nadando dentro del centro río abajo (Fig. 1C; MS: 8%, MR: 14%, HS: 3%, HR: 15%) que corresponde a la región de bajo impulso de la estela de la turbina (ver Fig. 6 en la sección "Métodos y materiales"). Aunque ni la descarga ni el estado de operación de la turbina influyeron significativamente en el tiempo que pasaron dentro de la estela (GLM, \(p=0.195\)), los peces pasaron no significativamente más tiempo en esta región cuando la turbina giraba que cuando la turbina estaba estacionaria (Figs. 2 y 3E), lo que podría estar asociado con velocidades medias más bajas en el sentido de la corriente y, por lo tanto, con una disminución en el gasto de energía de los peces.
(A) Diagrama de caja que muestra la distribución de las distancias nadadas por cada pez (\(\overline{s}\)), con la línea negra gruesa que marca la distancia media recorrida, los círculos grises representan la distancia recorrida por cada pez. (B) Diagrama de caja que representa la distancia media que los peces mantuvieron desde la turbina (\(\overline{s}_{turbine}\)), con la línea negra gruesa que marca la mediana y las estrellas grises que muestran los valores atípicos. (C) Proporción media del tiempo pasado en cada categoría de velocidad (\(v_{fish}\)), que va de 0 a > 0,15 m/s. Los resultados se presentan para cada tratamiento, incluidos MS, MR, HS y HR para el canal angosto (\(w_{canal}/D\) = 2.5), y MS–WF y MR–WF para el canal ancho (\(w_{ canal}/D\) = 10). (D) y (E) Ejemplos de trayectorias de movimiento que muestran un pez nadando en la estela de proa de la turbina (MR–WF) y la estela de la turbina (HR), respectivamente. El color de la línea indicaba la velocidad de nado \(v_{fish}\) en m/s como se muestra en la barra de color. El flujo es de izquierda a derecha.
Para analizar el comportamiento de atracción y evitación de peces, el porcentaje de tiempo pasado dentro y fuera de las inmediaciones de la turbina se muestra en la Fig. 1B. Los peces pasaron significativamente más tiempo evitando la turbina (MS: 86 %, MR: 86 %, HS: 85 %, HR: 88 %; GLM, \(p<0.001\)) independientemente del estado de funcionamiento de la turbina y la condición del flujo (GLM, atracción: \(p=0.1950\), evitación: \(p=0.9658\)). Aunque el tiempo de "atracción" estuvo influenciado por los peces que usaban principalmente esta región para moverse entre las regiones corriente abajo y corriente arriba, también se observó que los peces nadaban cerca de la turbina o dentro de la estela de proa de la turbina (Fig. 3D). Sin embargo, durante todos los tratamientos, solo unos pocos peces nadaron en la estela de proa de la turbina (Fig. 1C; porcentaje medio de tiempo: MS: 0 %, MR: 2 %, HS: 1 %, HR: 2 %, prueba z; MS vs MR: \(p=1.000\), HS vs HR: \(p=1.000\), MS vs HS: \(p=0.4788\), MR vs HR: \(p=0.4996\ )), con el tiempo pasado dentro de esta región sin verse afectado por el tratamiento (GLM, \(p=0.6290\)).
En correlación con la gran proporción de tiempo que se pasó evitando la turbina y el tiempo que se pasó en las esquinas aguas abajo de la sección de prueba, la distancia media desde la turbina (\(\overline{s}_{turbine}\)) fue de aproximadamente 8–9 \( L_{fish}\), como se muestra en la Fig. 3B. La distancia media desde la turbina fue independiente de la descarga del flujo y del estado de funcionamiento de la turbina (GLM, \(p=0,8932\)). A pesar de la mayor proporción de tiempo pasado dentro de las esquinas aguas abajo, los peces se movieron a través de toda la sección de prueba como se muestra en la Fig. 2. Las distancias medias recorridas (\(\overline{s}\)) fueron 257, 266, 185 y 331 \( L_{fish}\) para MS, MR, HS y HR, respectivamente, como se presenta en la Fig. 3A, con peces nadando distancias significativamente mayores (1,8 veces) bajo el tratamiento HR en comparación con el tratamiento HS (GLM, \(p=0,0090\ )).
El comportamiento del movimiento también se investigó en términos de velocidad de nado, con la distribución de la velocidad de nado y el porcentaje de tiempo dedicado a nadar a diferentes velocidades presentado en la Fig. 3C. Independientemente del tratamiento, los peces pasaron la mayor parte del tiempo en posición o nadando lentamente (velocidades de nado de 0–0,03 m/s; GLM, p = 0,08227). Mientras que los peces nadaron durante tiempos similares en este rango de velocidad bajo condiciones de flujo suaves cuando la turbina estaba estacionaria y girando (MS y MR: 71%), bajo condiciones de flujo alto, pasaron significativamente más tiempo a 0–0.03 m/s cuando la turbina estaba rotando. estaba estacionario en comparación con cuando la turbina giraba (HS: 84 %, HR: 63 %; GLM, p = 0,0114). Por el contrario, el tiempo dedicado a nadar a velocidades \(\ge\) 0,15 m/s estuvo significativamente influenciado por la descarga y el estado de funcionamiento de la turbina (GLM, p = 0,0155). Específicamente, se encontró una diferencia notable en la velocidad de natación al comparar HS y HR (GLM, p = 0,0068) y HR y MR (GLM, p = 0,0045). Por el contrario, el estado de funcionamiento de la turbina no afectó el tiempo dedicado a nadar a velocidades \(\ge\) 0,15 m/s en condiciones de flujo moderado (MR frente a MS; GLM p = 0,4928), y la descarga no fue un parámetro influyente cuando el la turbina estaba estacionaria (MS vs HS; GLM, p = 0.5910).
Otros comportamientos de los peces analizados incluyeron entrar en el área del rotor, pasar a la región aguas arriba, intentar pasar (denotados como pases cercanos), evadir activamente una colisión con la turbina y experimentar un golpe de una de las palas de la turbina. Los peces ingresaron al área del rotor en todos los tratamientos, excepto en la condición HR (MS: 10 %, MR: 10 %, HS: 5 %, HR: 0 %; prueba z; MS vs. MR, HS vs. HR y MS vs HS, p = 1.000, MR vs HR, p = 0.4682). De manera similar, el tratamiento no afectó el porcentaje de peces que pasan de la región aguas abajo a la región aguas arriba (MS: 75 %, MR: 50 %, HS: 65 %, HR: 55 %; prueba z, MS vs. MR: p = 0,1914, HS vs HR: p = 0,7469, MS vs HS: p = 0,7301, MR vs HR: p = 1,000). Además, el número de pases por pez (\(P_{fish}\)) se registró como se muestra en la Fig. 4B, mostrando \(P_{fish}\) similares para todos los tratamientos (media ± sd; MS: 3 ± 4; MR, HS y HR: 2 ± 3; GLM, p = 0,5365). Si bien una gran cantidad de peces pasó con éxito a la sección corriente arriba, otros intentaron pasar pero se desviaron o nadaron activamente corriente abajo después de llegar al centro de la sección de prueba (x/D = 0; línea roja en la Fig. 4). Porcentaje de peces que intentan pasar (MS: 20 %, MR: 30 %, HS: 15 %, HR: 35 %; prueba z, MS frente a MR: \(p=0,715\), HS frente a HR: \ (p=0.2733\), MS vs HS y MR vs HR: \(p=1.000\)) y así mismo, pases de cerca por pez (\(NP_{fish}\); GLM, \(p=0.6189 \); Fig. 4C) no difirió entre los tratamientos. Los movimientos de evasión solo se observaron cuando la turbina giraba (MS: 0 %, MR: 35 %, HS: 0 %, HR: 20 %), que fueron significativamente más altos en condiciones de flujo suave que en condiciones de flujo alto (prueba z, MS vs. MR: p = 0,0125, HS vs HR: p = 0,1138, MR vs HR: p = 0,4788). Del mismo modo, solo se observaron colisiones potenciales cuando la turbina giraba (MS: 0 %, MR: 25 %, HS: 0 %, HR: 5 %), y el porcentaje de peces que potencialmente experimentan una colisión se ve afectado casi significativamente por la descarga cuando la turbina giró (MS vs MR: p = 0,0558, HS vs HR: p = 1,000, MR vs HR: p = 0,184). No hubo lesiones aparentes y todos los peces permanecieron activos y continuaron nadando después de un contacto cercano con una pala de turbina. Tenga en cuenta que los peces no fueron monitoreados después de los experimentos por lesiones externas y/o internas.
(A) Gráficos de Spyder que representan el porcentaje de peces observados para realizar los siguientes comportamientos: Entrar en el área de barrido de la turbina; Pasar del tramo aguas abajo al tramo aguas arriba; Paso cercano, es decir, intento de pasar a la sección corriente arriba pero se desvía o nada activamente corriente abajo antes de pasar x/D = 0; Evasión, es decir, movimiento brusco para evitar una colisión con el álabe de la turbina; y Golpe, es decir, peces que potencialmente colisionan con la pala de la turbina. (B) Distribución de pasos aguas arriba por pez (\(P_{pez}\)) y (C) pasos cercanos por pez (\(NP_{pez}\)) presentados como diagrama de violín con las líneas negras y verdes marcando el media y mediana de la distribución. Los resultados se presentan para los cuatro tratamientos analizados en el canal angosto (MS, MR, HS, HR) y ambos tratamientos investigados en el canal ancho (MS-WF, MR-WF).
El impacto de la constricción espacial se investigó comparando los peces que nadan en el canal angosto (ancho del canal: 0,3 m; tratamientos: MS y MR) versus el canal ancho (ancho del canal: 1,2 m; tratamiento: MS-WF y MR-WF) bajo condiciones leves. condiciones de flujo y para ambos estados de rotación de la turbina [estacionario (S) y giratorio (R)] (ver sección "Métodos y materiales"). Aquí, la longitud lateral de la sección de prueba del canal ancho era cuatro veces el ancho del canal angosto, lo que proporcionaba más espacio para que los peces pasaran alrededor de la turbina, pero con la misma velocidad promedio de profundidad y profundidad del agua. Para tener en cuenta la diferencia en el bloqueo lateral, los resultados no dimensionalizados por el ancho del canal (\(w_{canal}\)) se agregan entre paréntesis para la distancia mantenida desde la turbina, \(\overline{s}_{turbine}\) , y la distancia nadada, \(\overline{s}\)).
Si bien los peces pasaron la mayor parte del tiempo río abajo y el menor tiempo río arriba en condiciones de canal confinado (canal angosto), el aumento del espacio lateral resultó en un mayor porcentaje de tiempo aguas arriba independientemente del estado de operación de la turbina (MS: 22%, MR: 25%, MS-WF: 60%, MR-WF: 40%) como se muestra en la Fig. 1A, destacando un impacto significativo de las condiciones espaciales (GLM, porcentaje de tiempo aguas arriba: p = 0,0044, porcentaje de tiempo aguas abajo: p = 0,0045). Particularmente cuando la turbina estaba estacionaria (MS y MS-WF), el tiempo pasado aguas arriba y aguas abajo difería significativamente entre los dos canales (GLM, p = 0.0012 y p = 0.0012, respectivamente). Aguas abajo de la turbina, los peces pasaban la mayor parte del tiempo a lo largo de las paredes del canal independientemente del ancho del canal, como se muestra en la Fig. 2 (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). Por lo tanto, los peces pasaron menos tiempo en el centro aguas abajo de la sección de prueba, como se muestra en la Fig. 1C (MS: 8 %, MR: 14 %, MS-WF: 1 %, MR-WF: 1 %; GLM, p = 0,2934 ) y Fig. 2. El tamaño del pez impactó el tiempo que pasó dentro de la estela de la turbina, con individuos más grandes pasando más tiempo dentro de la región de bajo impulso (GLM, estimación: 1.1228, error estándar: 0.2671, \(p<\) 0.001; Fig. 6 en la sección "Métodos y materiales").
Similar al caso de prueba del canal estrecho, también se observó que los peces nadaban dentro de la estela de proa de la turbina en el canal ancho (MS: 35 %, MR: 40 %, MS-WF: 5 %, MR-WF: 11 %). El bloqueo espacial no afectó significativamente el número de peces observados nadando en la estela de proa cuando la turbina estaba estacionaria (MS vs. MS-WF; prueba z, p = 0.0572) o cuando la turbina giraba (MR vs. MR-WF ; prueba z, p = 0,0818). Si bien el tiempo pasado en la estela de proa varió mucho entre los individuos (Fig. 1C), el porcentaje de tiempo pasado no se vio afectado por la talla estándar de los peces (GLM, p = 0,6961) y el tratamiento (GLM, p = 0,5156).
Independientemente del estado de funcionamiento de la turbina y del espacio transversal (GLM, \(p< 0,001\)), los peces pasaron mucho más tiempo al aire libre (MS: 86 %, MR: 86 %, MS-WF: 98 %, MR-WF: 6 %; GLM, p = 0,0942) que dentro de las inmediaciones de la turbina (MS: 14 %, MR: 14 %, MS-WF: 2 %, MR-WF: 6 %; GLM, p = 0,0962), lo que indica un comportamiento de evitación ( figura 1C). Solo cuando la turbina estaba estacionaria, el tiempo pasado cerca de la turbina difería significativamente entre los canales (MS vs. MS-WF; GLM, p = 0.0424).
En promedio, se observó una mayor distancia media de nado para MS-WF, que era casi el doble de la distancia de los otros tratamientos (MS: 257 \(L_{fish}\) (50 \(w_{flume}\)), MR : 266 \(L_{fish}\) (50 \(w_{canal}\)), MS–WF: 489 \(L_{fish}\) (80 \(w_{canal}\)), MR–WF : 230 \(L_{fish}\) (30 \(w_{flume}\))), destacando el impacto significativo del confinamiento transversal y el estado de operación de la turbina (GLM, \(p<0.001\)) (Fig. .3A). Más específicamente, en condiciones no confinadas, los peces cubrieron una mayor distancia cuando la turbina estaba estacionaria en lugar de rotando (MS–WF vs. MR–WF; GLM, \(p<0.001\)). Sin embargo, la longitud estándar de los peces no influyó significativamente en la distancia nadada (GLM, p = 0,75421). Debido al aumento del espacio lateral en el caso del canal ancho y de acuerdo con las observaciones de que los peces pasaban la mayor parte del tiempo dentro de las esquinas aguas abajo (Fig. 2), la distancia media mantenida desde la turbina aumentó a 13 y 14 \(L_{ fish}\) (2 \(w_{flume}\)) para MS–WF y MR–WF, respectivamente, en comparación con 8 \(L_{fish}\) (2 \(w_{flume}\)) para MS y RM (Fig. 3C). Por lo tanto, más espacio dio como resultado que los peces nadaran a mayor distancia de la turbina (GLM, MR vs. MR–WF: \(p<0.001\) y MS vs. MS–WF: \(p<0.001\)) independientemente de la turbina estado de funcionamiento (GLM, MR vs MS: p = 0,6623 y MR-WF vs MS-WF: p = 0,1499). Esto también estuvo influenciado por la talla estándar de los peces (GLM, p = 0,0043).
Las velocidades de nado se analizaron comparando la distribución de la densidad de las velocidades de nado registradas y el porcentaje de tiempo pasado en estas velocidades (Fig. 3C, respectivamente). Los peces se mantuvieron en la estación o nadaron más a velocidades de natación de 0–0,03 m/s (MS: 71 %, MR: 71 %, MS-WF: 49 %, MR-WF: 51 %), no afectados por el tratamiento (GLM, p = 0,0992) y talla estándar de pescado (GLM, p = 0,2397). Mientras que en condiciones confinadas, los peces pasaron el mismo tiempo nadando a estas velocidades (MS y MR: 71 %), en condiciones no confinadas, pasaron significativamente menos tiempo a velocidades más bajas cuando la turbina estaba estacionaria (MR-WF vs. MS-WF; GLM, p = 0,0134). Por el contrario, el tratamiento influyó significativamente en el tiempo de natación a velocidades superiores a 0,15 m/s (GLM, \(p<0,001\)), mientras que la longitud estándar de los peces no fue un parámetro significativo (GLM, p = 0,5291). Se pasó una proporción significativamente mayor de tiempo a velocidades más altas en condiciones no confinadas en comparación con condiciones confinadas cuando la turbina estaba estacionaria (MS vs. MS-WF; GLM, \(p<0.001\)) y cuando la turbina giraba (MS-WF vs. MR-WF; GLM, \(p<0.001\)).
Los peces ingresaron a la región del rotor en todos los tratamientos, excepto en la condición MR-WF (MS: 10 %, MR: 10 %, MS-WF: 5 %, MR-WF: 0 %; prueba z, MS frente a MS-WF : p = 0,9793 y MR y MR-WF: p = 0,4908) (Fig. 4A). Los golpes, por el contrario, solo se observaron cuando la turbina giraba, independientemente del bloqueo lateral (MS: 0 %, MR: 25 %, MS–WF: 0 %, MR-WF: 5 %; prueba z, MS vs MS-WF: p = NA y MR vs MR-WF: p = 0,2064). Asimismo, los movimientos de evasión solo se observaron cuando la turbina giraba, con un número significativamente menor de peces evadiendo en condiciones no confinadas (MR: 25 %, MR–WF: 5 %; prueba z, MR vs. MR–WF: p = 0,0151 ).
Los pases aguas arriba y los pases cercanos fueron los comportamientos observados con mayor frecuencia. Independientemente del estado de funcionamiento de la turbina y del confinamiento de la sección transversal, cantidades similares de peces pasaron a la sección aguas arriba (MS: 75 %, MR: 50 %, MS–WF: 89 %, MR–WF: 63 %; prueba z, MS vs MS-WF: p = 0,4473 y MR vs MR-WF: p = 0,6134) e intentó pasar aguas arriba (MS: 20 %, MR: 30 %, MS-WF: 5 % y MR-WF: 5 %; prueba z, MS vs MS-WF: p = 0,3698 y MR vs MR-WF: p = 0,1108). De acuerdo con el número de peces que pasan e intentan pasar, el número de pases por pez (MS: 20%, MR: 30%, MS-WF y MR-WF: 5%; GLM, p = 0.1325; Fig. 4B ) y número de pases cercanos por pez (media ± sd; MS: 1 ± 2, MR: 1 ± 1, MS-WF: 0 ± 1, MR-WF: 0; GLM, p = 0.7544; Fig. 4C) no se vieron afectados por el estado de operación de la turbina y el confinamiento de la sección transversal. Sin embargo, la longitud estándar de los peces afectó el número de pases cercanos por pez, siendo más probable que los individuos más grandes experimentaran intentos de paso hacia la región aguas arriba (GLM, estimación: 0,04049, error estándar: 0,01708, p = 0,0202).
Como alternativa a la infraestructura de ingeniería dura, la energía hidroeléctrica a pequeña escala por medio de turbinas fluviales en la corriente tiene el potencial de generar suficiente energía limpia y descentralizada para comunidades remotas. Sin embargo, la presencia de turbinas de eje vertical (VAT) y sus cambios en la hidrodinámica del flujo del río pueden influir en el entorno acuático único al alterar el movimiento de los organismos acuáticos. Por lo tanto, exploramos el impacto de un solo VAT en el movimiento de peces a través de una serie de experimentos, estudiando la influencia de la descarga de flujo, el estado de operación de la turbina y el confinamiento de la sección transversal.
Lo que es más importante, si bien los peces se liberaron en el extremo aguas abajo de la sección de prueba, la presencia de turbinas, el funcionamiento, las condiciones de flujo y el confinamiento de la sección transversal no impidieron que pasaran a la región aguas arriba. Sin embargo, en todas las condiciones de prueba, los peces mostraron un comportamiento de evitación del área cercana alrededor de la turbina y su estela y, por lo tanto, una interacción limitada con la turbina. Al aumentar el área de la sección transversal de la sección de prueba, se mantuvieron distancias aún mayores de la turbina y se pasó más tiempo fuera de la estela de la turbina. Los comportamientos observados (es decir, entrar, pasar, pasar cerca, colisionar, evadir), sin embargo, no se vieron afectados por el confinamiento transversal.
El impacto de la descarga y el estado de operación de la turbina se examinó en condiciones de confinamiento de sección transversal (canal angosto), que pueden surgir naturalmente cuando se colocan turbinas en secciones transversales de ríos angostas, entre rocas9, conductos13,14 o arreglos15,16 para aumentar el rendimiento de la turbina.
Independientemente del estado de funcionamiento de la descarga y la turbina, los peces pasaban la mayor parte del tiempo dentro de la sección aguas abajo, particularmente a lo largo de la pared lateral y las esquinas aguas abajo más alejadas. Por lo tanto, solo unos pocos peces nadaron en la estela de la turbina. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la gran proporción de tiempo que se pasa río abajo puede verse influida por la liberación de peces en el centro aguas abajo de la sección de prueba, los peces que buscan refugio de los depredadores y/o los peces que buscan refugio en las regiones de baja velocidad cerca de la sección de prueba. paredes de canales y enderezadores de flujo. Esta observación fue contraria a lo que se esperaba, ya que anteriormente se observó que los peces permanecían en la estela de una estructura de soporte de turbina marina ubicada en un entorno marino no confinado17,18. La atracción limitada a la estela de la turbina puede ser el resultado de nuestra baja descarga superior de prueba, restringida por la instalación de la bomba. Se prevé que los peces expuestos a un entorno de descarga aún mayor (es decir, un flujo de entrada más alto) utilicen áreas de bajo impulso, como la estela de la turbina, para buscar refugio y ahorrar energía. Se requerirán experimentos adicionales que investiguen el comportamiento espacial de los peces en condiciones de mayor flujo para verificar esta hipótesis. Además, la baja atracción a la estela de la turbina puede ser el resultado de las estructuras turbulentas tridimensionales arrojadas por los álabes de la turbina, creando focos de alta energía cinética turbulenta y esfuerzos cortantes de Reynolds16 (Fig. 6). Estudios previos mostraron que los peces evitan las regiones de alta vorticidad, el esfuerzo cortante de Reynolds y la energía cinética turbulenta19,20, y destacaron la capacidad de los vórtices coherentes para desestabilizar a los peces19,21. Aprovechar el comportamiento de evasión observado en las regiones de estela turbulenta puede ayudar a desviar a los peces lejos de estas obstrucciones dentro de los ríos, minimizando aún más el contacto entre peces y turbinas y las lesiones posteriores. Actualmente se investigan enfoques similares que utilizan vórtices para alejar a los peces de las entradas de las turbinas22. Sin embargo, se requerirán más conocimientos para cuantificar las interacciones entre los peces y estos vórtices de alta energía, por ejemplo, utilizando velocimetría de imágenes de partículas, anemometría láser Doppler o modelado numérico (p. ej., simulación de grandes remolinos o aprendizaje automático23). Además, los peces pueden evitar la estela de la turbina debido al ruido oa la vista, pero no se espera que eviten la turbina debido a los cambios de presión. Los cambios en el campo de presión debidos a la turbina son generados predominantemente por vórtices generados en la estela de la turbina y no generados por cambios en la presión hidrostática y, por lo tanto, son muy pequeños.
Curiosamente, aunque no significativo, un pequeño número de peces (5–40 %) nadaron inmediatamente corriente arriba de la turbina en la estela de proa. Hasta ahora, este comportamiento solo se ha informado para obstáculos erráticos como cilindros en forma de D24,25,26. La estela de proa de un cilindro en forma de D se caracteriza por bajas velocidades en el sentido de la corriente y alta presión24, mientras que una turbina es un cuerpo poroso que reduce la caída de presión en la dirección del flujo. Las truchas arco iris que nadan en esta región nadaron con una frecuencia de batido de cola, una velocidad de onda corporal y una curvatura corporal reducidas, lo que indica una disminución en el gasto de energía24. Aunque la estela de proa se caracteriza por un bajo número de Strouhal del pez (basado en la longitud del pez), lo que indica una eficiencia de natación subóptima, el gasto de energía observado en esta región sugiere que la "vigilia de proa" es un mecanismo de natación único para mantener la posición. similar a la marcha de Kármán24.
Además de los posibles efectos de evitación asociados con la estela de la turbina, los peces evitaron la estructura de la turbina, como lo demuestra la gran distancia que se mantuvo de la turbina y la mayor parte del tiempo que pasó fuera de su vecindad. De manera similar, un estudio de laboratorio que investigó el impacto de una turbina de eje horizontal a pequeña escala (diámetro de la turbina D = 0,25 m, relación de velocidad punta TSR = 5, velocidad de rotación de 20 rpm) en Oryzias latipes, Gnathopogon elongatus y Rhodeus ocellatus ocellatus informó que el 71% de los peces evitaron el área de la turbina o se alejaron nadando de la turbina27.
A pesar de evitar la turbina y su estela, los peces nadaron a lo largo de la sección de prueba, incluidas las regiones aguas abajo y aguas arriba. Mientras exploraba la sección de prueba del canal angosto, más del 50 % de los peces pasaron al menos una vez río abajo a la región río arriba, sin verse afectados por el tratamiento. El paso corriente arriba fue el comportamiento más común, como también observaron Yoshida et al.28. El comportamiento de paso es específico de la especie, pero hasta ahora solo se ha estudiado para las especies de peces migratorios. El salmón del Atlántico (Salmo salar), por ejemplo, pasó un modelo de IVA con más frecuencia que la trucha marrón (Salmo trutta)11 y el sábalo americano (Alosa sapidissima)10. Berry et al.11 también destacaron que los peces preferían pasar alrededor de la turbina en lugar del área del rotor, de acuerdo con los resultados presentados aquí. En contraste, Castro-Santos y Haro10 informaron que el 72 % de los smolts de salmón del Atlántico que migran aguas abajo pasaron a través, por encima o por debajo del rotor VAT en un canal confinado (\(w_{canal}/D\) = 2), mientras que solo 28 % pasado alrededor de la turbina, potencialmente asociado con smolts siendo arrastrados activamente o incluso atraídos por la turbina. El comportamiento de paso alrededor de la turbina se ha asociado con la forma del cuerpo del pez, con peces compresiformes (forma de torpedo) que pasan a través del espacio más alejado de la turbina en comparación con peces fusiformes (forma alta y delgada, cuerpo pequeño)9.
Otro comportamiento observado en el estudio actual fue la entrada de peces en el área del rotor, lo que ocurrió durante todos los tratamientos, excepto cuando la turbina giraba en condiciones de alto flujo (es decir, HR). Se informaron observaciones similares para un VAT marino helicoidal instalado entre corales, que muestran que los peces solo ingresan al área del rotor a bajas velocidades de flujo y velocidades de rotación de la turbina9. Además, la investigación de una turbina fluvial canalizada mostró que un 35 % menos de peces entraban en el área del rotor cuando la turbina giraba en comparación con las condiciones estacionarias29.
En el estudio actual, las posibles colisiones entre los peces individuales y la turbina y los movimientos de evasión para evitar una colisión directa con la pala de la turbina solo se observaron en un 5-25 % y en un 0-35 % de todos los individuos cuando la turbina giraba, respectivamente. El movimiento de evasión se ha observado en una amplia gama de especies, caracterizado por una ráfaga que se aleja de la turbina y movimientos repentinos cerca de la pala de la turbina9. El bajo número de contactos cercanos observados aquí es consistente con el estudio de Hammar et al.9 y Berry et al.11 quienes informaron que no hubo colisiones ni contactos cercanos con un modelo VAT. Si bien se supone que el riesgo de colisión está influenciado por las alteraciones de la estela que distraen a los peces de la turbina, en condiciones naturales, otros factores ambientales también influirán fuertemente en el riesgo de colisión (p. ej., ruido, turbidez)28. La proximidad a la turbina también puede depender de la personalidad del pez9,11, con peces más audaces y exploradores que están más cerca de la turbina o incluso ingresan al área del rotor, y los individuos más tímidos mantienen distancias mayores. La interacción pez-turbina (p. ej., entrar, colisionar, esquivar) también se ha relacionado con la capacidad de natación de los peces27. Un estudio de laboratorio que examinó el impacto de un HAT escalado mostró que los alargados de Gnathopogon eran más activos cerca de la turbina ya que su velocidad máxima de natación excedía la velocidad de la punta de la turbina. Por el contrario, los peces con velocidades de nado más lentas o aquellos con preferencia por nadar cerca del lecho, como Oryzias latipes y Rhodeus ocellatus ocellatus, evitaron nadar cerca del rotor, lo que resultó en una interacción de turbina reducida27.
Si bien la mayoría de los estudios de laboratorio investigaron el impacto de las turbinas hidrocinéticas en condiciones de laboratorio de confinamiento transversal10,11,27,28, solo unos pocos estudios han examinado la influencia del confinamiento de la sección transversal de la turbina en el movimiento de los peces9.
A pesar de ser liberados en el extremo aguas abajo de la sección de prueba, los peces pasaron más tiempo río arriba en el canal ancho. En la sección corriente abajo, los peces pasaban la mayor parte del tiempo cerca de las paredes del canal, caracterizadas por velocidades de corriente libre. Al igual que en las condiciones de confinamiento, los peces pasaron menos tiempo dentro de la estela de la turbina. Por lo tanto, los peces prefirieron la región de flujo libre en lugar de la región de bajo impulso.
Del mismo modo, los peces pasaron menos tiempo en las inmediaciones de la turbina en condiciones no confinadas, en comparación con las condiciones confinadas de sección transversal, lo que consolida aún más la suposición de que los peces evitan la región cercana a la turbina. La diferencia en el tiempo pasado dentro de la vecindad de la turbina entre las dos condiciones de confinamiento probablemente surge del paso de los peces por esta región para moverse entre las secciones aguas abajo y aguas arriba en el canal angosto. El aumento de evitación de la región de la turbina también se reflejó en una mayor distancia mantenida de la turbina en condiciones espaciales no confinadas debido al aumento en el espacio disponible para nadar. Sin embargo, el aumento en el espacio para nadar no resultó en un aumento en la distancia para nadar cuando la turbina giraba (MR-WF), sino solo cuando la turbina estaba estacionaria (MS-WF), lo que indica que el espacio lateral no es el único factor dominante que influye. comportamiento de natación de los peces.
Aunque los peces pasaron incluso menos tiempo en la región cercana a la turbina en el canal ancho, se observó un número similar de peces que ingresaban al área del rotor, experimentando potencialmente impactos y mostrando movimientos de evasión. De manera similar, un aumento en la sección transversal lateral no aumentó el número de peces que pasaban e intentaban pasar río arriba.
En consecuencia, un aumento en la sección transversal lateral resultó en que los peces pasaran menos tiempo cerca de la turbina o su estela, lo que indica una mayor evitación que, sin embargo, no se reflejó en su comportamiento. Debido a que los resultados de esta sección no son concluyentes, se requerirá más investigación para comprender mejor el impacto del confinamiento lateral en el movimiento de los peces para definir el espacio ideal que se necesita entre las turbinas dentro de una matriz, o la turbina y el confinamiento (p. ej., conducto, rocas) .
La generalización, la transferibilidad y la comparabilidad de los experimentos de comportamiento de los peces y los resultados correspondientes al VAT hidrocinético a gran escala desplegado en entornos fluviales, estuarinos y marinos son limitados. Los estudios de comportamiento de los peces se realizaron en condiciones simplificadas de laboratorio con agua limpia y purificada, sin tener en cuenta la turbidez natural, por ejemplo, de ríos y estuarios. La turbidez del agua puede ser un factor importante que influye en la visión de los peces y puede influir en su comportamiento. Además, los experimentos se realizaron en condiciones de iluminación intensa. Para proporcionar una evaluación completa del impacto del IVA en el movimiento de los peces, es necesario probar más condiciones de luz y turbidez, incluidas, por ejemplo, condiciones de oscuridad10,11. Los estudios investigados por HAT informaron un aumento en el comportamiento de evitación, que se caracterizó por más peces evitando la turbina, alejándose nadando y acercándose con menos frecuencia a la turbina, en condiciones de oscuridad27. Se asumió que este comportamiento observado estaba relacionado con la incapacidad de detectar visualmente las palas27.
Otra limitación del estudio surge a través del requisito de escalar la configuración experimental al tamaño del canal disponible. Si bien las condiciones de flujo y la geometría de la obstrucción investigada se pueden escalar utilizando las leyes de Froude y Reynolds y escala geométrica, respectivamente, determinar el tamaño correcto del pez o escalar el pez sigue siendo un desafío. La escala alométrica, por ejemplo, se puede aplicar para escalar el tamaño o la masa de un pez de acuerdo con los rasgos morfológicos, fisiológicos y ecológicos30. Además, se encontró que la escala geométrica escala apropiadamente la longitud al volumen y la superficie al volumen, asumiendo masa \(\sim\) volumen31. Adaptar el tamaño de un pez para que coincida con la escala de la configuración experimental puede resultar en el uso de diferentes etapas de la vida que, a su vez, pueden generar variaciones considerables en las respuestas de comportamiento dependiendo, por ejemplo, de experiencias pasadas, ruido, depredadores, alimentación. e hidrodinámica32. Al utilizar ciertas etapas de la vida, también se debe considerar el tiempo biológico.
Otras limitaciones fueron causadas por la configuración experimental. Para capturar la totalidad de la sección de prueba, se colocó una sola cámara a una altura conflictiva con otras instalaciones del laboratorio, lo que resultó en imágenes sesgadas y distorsionadas. Para mejorar el análisis de la trayectoria de nado y la velocidad de nado, se puede implementar un sistema de cámara de visión estéreo y/o una combinación de cámaras de vista superior y lateral, lo que permite la extracción de la posición de los peces en 3D. Las pistas 3D en combinación con simulaciones de alta fidelidad u otras técnicas de medición avanzadas (por ejemplo, PIV) para cuantificar el campo de flujo 3D aguas arriba y aguas abajo de la turbina pueden ser ventajosas para extraer velocidades de natación, modos de natación (por ejemplo, natación ráfaga/sostenida, estación aguantar, ir a la deriva) así como direcciones de nado (p. ej., nadar activamente río arriba/río abajo).
Para analizar el potencial del uso de turbinas in-stream de eje vertical (VAT), investigamos el impacto de una sola VAT en el movimiento de los peces (trucha arcoíris juvenil) a través de una serie de experimentos de laboratorio a escala, estudiando la influencia de la descarga, el estado de funcionamiento de la turbina y confinamiento transversal.
Nuestros resultados mostraron que implementar un VAT bajo confinamiento transversal no impidió que los peces se movieran entre la sección aguas abajo y aguas arriba, a pesar de tener que pasar a través de una región de alta velocidad generada a ambos lados de la turbina cerca de la propia turbina. Las interacciones pez-turbina fueron limitadas, lo que indica que los peces evitaron la turbina. De manera similar, los peces pasaron un tiempo limitado dentro de la estela de la turbina, sin mostrar atracción por la turbulenta región de la estela de bajo impulso. Ni el estado de funcionamiento de la turbina ni un aumento en la descarga cambiaron el comportamiento de natación observado en condiciones de prueba confinadas. Proporcionar un mayor espacio de sección transversal alrededor de la turbina mostró una mayor reducción en el tiempo pasado cerca de la turbina y dentro de su estela, lo que fue acompañado por una mayor distancia mantenida de la turbina. A pesar de la evasión mejorada de la turbina, se observó un comportamiento similar en términos de peces que ingresan, pasan, intentan pasar, colisionan y evaden la turbina como en condiciones de prueba confinadas.
Teniendo en cuenta el comportamiento observado de evitación de los peces de la propia turbina y su estela, se debe considerar cuidadosamente el posicionamiento de la turbina dentro del canal principal del río y el espacio lateral entre múltiples turbinas y sus confines para preservar la conectividad del hábitat y las rutas migratorias. Además, se deben explorar otros parámetros que potencialmente causen un comportamiento de evasión, incluidos, por ejemplo, el ruido de la turbina y la visibilidad. Aunque no se impidió que los peces pasaran por la turbina en condiciones de prueba de sección transversal confinada, proporcionar un mayor espacio alrededor de la turbina puede disminuir aún más la interacción pez-turbina, reduciendo potencialmente el impacto del IVA en el movimiento de los peces y el riesgo de colisiones entre peces. Sin embargo, se requerirá más investigación para desarrollar pautas para el despliegue adecuado de turbinas en los ríos (por ejemplo, espaciado lateral y longitudinal) para no comprometer el movimiento de los peces mientras se logra la mayor generación de energía posible.
Los experimentos de comportamiento de los peces se realizaron en el laboratorio de hidráulica del Centro de Investigación Hidroambiental de la Universidad de Cardiff (Reino Unido). Todos los experimentos se realizaron de acuerdo con las pautas y regulaciones relevantes y fueron aprobados por el Comité de Ética Animal de la Universidad de Cardiff y se realizaron bajo la Licencia PPL 303424 del Ministerio del Interior siguiendo las pautas ARRIVE33.
Los primeros experimentos se llevaron a cabo en un canal de recirculación de 10 m de largo, 0,3 m de ancho y profundidad con una pendiente de lecho longitudinal de 1/1000 (en lo sucesivo denominado canal angosto y referido como "condición confinada de sección transversal"; Fig. 5A) . Se colocó un VAT simple de tres palas de altura y diámetro D = 0,12 m (Fig. 5C; se pueden encontrar más detalles en Müller et al.16) aproximadamente 4,4 m aguas abajo de la entrada del canal y se operó a una relación de velocidad de punta óptima de 1,934 . Para conectar el eje con el lecho del canal y mejorar el contraste entre los peces y el lecho del canal, se adjuntó una placa de PVC blanco de aproximadamente 10 mm de espesor al lecho del canal, lo que permitió la integración de un rodamiento para conectar la turbina.
Fotografía de la configuración experimental en el canal angosto (\(w_{canal}/D\) = 2.5) (A) y el canal ancho (\(w_{canal}/D\) = 10) (B), que representa la corriente ubicación de una sola turbina de eje vertical de diámetro D. La turbina de eje vertical, que se muestra en (C), estaba ubicada dentro del centro lateral del canal aproximadamente 4,4 m aguas abajo de la entrada del canal, girando en sentido contrario a las agujas del reloj; todas las fotografías mirando en dirección aguas arriba.
Para examinar el impacto del confinamiento transversal en los peces, se llevó a cabo un segundo experimento en un canal de 10 m de largo, 1,2 m de ancho y 0,3 m de profundidad, con la misma pendiente del fondo (en lo sucesivo denominado canal ancho [WF] y referido como como "condiciones no confinadas transversales"; Fig. 5B). Al igual que en el canal angosto, se colocó un VAT de dimensiones y dirección de rotación similares aproximadamente 4,4 m aguas abajo de la entrada del canal dentro del centro lateral del canal. La velocidad a granel y la profundidad del flujo se mantuvieron constantes en el canal estrecho y ancho para permitir la comparabilidad entre las pruebas.
Ambas secciones de prueba se iluminaron con dos focos (LED bicolor de Neewer) colocados a cada lado de la sección de prueba, para minimizar las áreas sombreadas y garantizar distribuciones de luz equitativas. Todos los experimentos se realizaron en condiciones de luz ambiental de luces LED montadas en el techo de la habitación.
Para monitorear el comportamiento de natación de los peces, se montó una cámara Baumer sobre el canal, grabando series monocromáticas de imágenes tif de tamaño 600 \(\times\) 2352 pixel y 2048 \(\times\) 2000 pixel a aproximadamente 80 fps y 55 fps para el canal estrecho y ancho, respectivamente. Se montó una placa de metacrilato transparente de 10 mm de espesor sobre la superficie del agua para evitar que los reflejos de luz interfirieran con la calidad de la imagen. Además, se utilizó una cámara GoPro Hero (versión 5, 7 y 9; 60 fps, 1080 \(\times\) 1920 pixel), colocada en el lado izquierdo del canal y montada en un trípode, para grabar simultáneamente el Vista lateral de la sección de prueba.
Se realizaron experimentos en el canal angosto (\(w_{canal}/D\) = 10) para dos condiciones de flujo: denotado como "suave" (M; Q = 13 \(ls^{-1}\); h = 0,23 m) y "alto" (H; Q = 17 \(ls^{-1}\); h = 0,23 m), y dos estados operativos de la turbina: indicados como "estacionario" (S; 0 rpm) y "giratorio". (R; 58 y 75 rpm para 13 y 17 \(ls^{-1}\), respectivamente). Por el contrario, los experimentos en el canal ancho solo se realizaron en condiciones "suaves". Para garantizar la comparabilidad entre los dos canales, se mantuvo una profundidad de flujo de h = 0,23 m en el canal ancho mientras que la descarga se adaptó a Q = 53 \(ls^{-1}\) para garantizar una velocidad global de U = 0,19 \(ms^{-1}\) en ambos canales. La descarga (Q) y la profundidad del flujo (h) fueron reguladas por una bomba con capacidad de 30 \(ls^{-1}\) y 60 \(ls^{-1}\) para el canal estrecho y ancho, respectivamente, y un vertedero de compuerta trasera en el extremo aguas abajo de cada canal, respectivamente, y se mantuvo constante a lo largo de los experimentos. La profundidad del flujo se midió con un indicador Vernier con una precisión de ± 0,1 mm y la descarga se midió con un medidor de flujo ultrasónico (TecFluid Nixon CU100) con una precisión de ± 1,5%.
Antes y después de los experimentos, se mantuvieron aproximadamente 50 peces en tanques de 60 a 80 l dentro de un sistema de recirculación de acuicultura (RAS) en el Acuario de la Universidad de Cardiff, encerrados dentro de una sala de temperatura controlada mantenida a 14 ± 0,5 °C durante 12 h: 12 h. ciclo luz-oscuridad. Este sistema tiene filtros de bolsa y tambor integrados (Cooperación Pall), así como un medio biológico de plástico en el tanque de sumidero y un sistema de esterilización UV. La temperatura del agua y el nivel de oxígeno se monitorearon constantemente, mientras que los niveles de nitrito se analizaron semanalmente, utilizando un kit de prueba de calidad del agua (Nutrafin). Los peces fueron alimentados con gránulos comerciales de trucha todas las mañanas.
Antes del inicio de los experimentos, los peces fueron transportados a un tanque de retención temporal en las instalaciones hidráulicas de la Universidad de Cardiff. El tanque de almacenamiento constaba de 500 l de agua sin cloro (Seachem Prime Concentrated Conditioner, Tetra AquaSafe), constantemente recirculada y enfriada a 13 ± 1 °C (D–D The Aquarium Solution, DC 750) con un filtro externo (Aquamanta, EXF 600) . El tanque fue aireado por múltiples bombas de aire externas (por ejemplo, Tetratec Aps 400). Debido a la operación manual de la luz ambiental, los peces se mantuvieron en un ciclo de luz y oscuridad de 14 h: 10 h. Dependiendo del experimento, los peces se mantuvieron nadando libremente dentro del tanque o en jaulas de malla flotante.
Todos los tanques y jaulas dentro del Acuario de la Universidad de Cardiff y las instalaciones hidráulicas estaban equipados con enriquecimientos ambientales para brindar refugio (p. ej., macetas) y minimizar el estrés. Se tuvo especial cuidado para minimizar el estrés al manipular y transportar peces (un viaje máximo de 20 minutos) entre las instalaciones y los tanques, y los peces se recuperaron al menos 24 horas después de la transferencia.
El día de la prueba, los peces se introdujeron en el canal en el centro del extremo más alejado aguas abajo de la sección de prueba y se les dio un período de aclimatación de 20 minutos. Durante este tiempo, se permitió que los peces exploraran toda la sección de prueba, mientras experimentaban un aumento incremental de 5 min en la descarga durante los primeros 10 min hasta el nivel de descarga de prueba (Leve = 13 \(ls^{-1}\) , Alto = 17 \(ls^{-1}\)), seguido de una aclimatación de 10 min en la descarga de prueba. En todo momento, el vertedero de la compuerta trasera aguas abajo permaneció fijo a una altura predeterminada, ajustado para la condición de flujo uniforme. Después de la aclimatación, los peces se capturaron con una red de pesca y la placa de plexiglás se montó sobre la superficie del agua. Luego, los peces fueron liberados nuevamente en el extremo más abajo de la sección de prueba en la línea central del canal principal. Cada ensayo duró 10 min y 30 s. Los 30 s adicionales agregados al registro representaron el manejo y la liberación de los peces, así como la limpieza de la placa de metacrilato al comienzo de cada ensayo y se excluyeron del análisis, lo que resultó en un tiempo de análisis total de T = 600 s .
Durante las pruebas, se evitó la intervención humana cuando fue posible y solo tuvo lugar cuando los peces chocaron contra la cerca, lo que a menudo sucedió inmediatamente después de la liberación y dentro de los primeros 30 s utilizados para configurar la prueba. En este caso, se alentó cuidadosamente a los peces a nadar o se los retiró del enderezador de flujo golpeándolos. En el caso de impactos repetidos del enderezador de flujo, se terminó el experimento y se retiraron los peces de la sección de prueba y del análisis (indicado por el número de peces excluidos \(N_{excluidos}\)).
Después de completar la prueba (10 min 30 s), los peces se pesaron y midieron y luego se devolvieron al tanque de retención. Al final de cada serie de pruebas, los peces fueron transportados de regreso a RAS en el Acuario de la Universidad de Cardiff.
Durante la prueba, se registraron y analizaron los siguientes parámetros:
Para analizar el uso espacial de la sección de prueba, cada serie de imágenes se convirtió en un video que luego se analizó con JWatcher v.1.0. La sección de prueba se dividió en 30 y 70 cuadrantes para los canales estrecho y ancho, respectivamente. Estos cuadrantes se distribuyeron por igual entre la región aguas arriba y aguas abajo. Para cada cuadrante, se registró manualmente el tiempo empleado (\(t_{gastado}\)) y se calculó el porcentaje del tiempo total analizado (\(T=600\) s).
En base a los porcentajes de tiempo registrados se determinaron los siguientes parámetros, entre ellos:
porcentaje de tiempo pasado aguas arriba (-5\(\le x/D\le\)0, canal estrecho: \(-1.25\le y/D\le 1.25\) o canal ancho: \(-5 \le y/ D\le 5\)) y aguas abajo (\(0 \le x/D\le 5\), canal estrecho: \(-1.25 \le y/D\le 1.25\) o canal ancho: \(-5 \ le y/D\le 5\)) de la turbina
porcentaje de tiempo nadando en el centro (\(0 \le x/D\le 5\), \(-0.5 \le y/D\le 0.5\)), izquierda (\(0 \le x/D\ le 5\), canal estrecho: \(-1.25 \le y/D\le -0.5\) o canal ancho: \(-5 \le y/D\le -0.5\)) y mano derecha (\( 0\le x/D \le 5\), canal estrecho: \(0.5 \le y/D\le 1.25\) o canal ancho: \(0.5 \le y/D\le 5\)) lado de la corriente abajo sección
porcentaje de tiempo nadando inmediatamente aguas arriba de la turbina (aquí denominado despertar de proa; \(-2 \le x/D\le -0.5\), \(-0.5 \le y/D\le 0.5\))
porcentaje de tiempo nadando en (\(-2 \le x/D\le 2\), canal estrecho: \(-1.25 \le y/D\le 1.25\) o canal ancho: \(-2.5 \le y/ D\le 2.5\)) y exterior (\(-2 \le x/D\ge 2\), canal estrecho: \(-1.25 \le y/D\ge 1.25\) o canal ancho: \(-2.5 \le y/D\ge 2.5\)) de la vecindad de la turbina (aquí denominados evitación y atracción, respectivamente)
Cabe señalar que el área sobre la cual se calculó y amplió el tiempo pasado cerca de la turbina (atracción) y lejos de la turbina (evitación) para el canal ancho para tener en cuenta el aumento en el espacio de la sección transversal.
La posición de los peces se extrajo utilizando Kinovea v0.8.15, un software de seguimiento semiautomático de código abierto35. Debido a la alta susceptibilidad a los errores (p. ej., áreas sombreadas, peces que nadan cerca de las paredes del canal, partículas que se desplazan a través de la sección de prueba), los videos se crearon utilizando una velocidad de cuadro reducida de 2 fps y 1 fps para el canal angosto y ancho, respectivamente. , para reducir tales errores a través de la corrección manual de los marcos. Para cada cuadro, se registró y extrajo del software la posición de los peces a lo largo de la corriente (x) y lateral (y). Luego, los datos se analizaron utilizando MS Excel y Matlab 2019a,b y 2020a. Antes del análisis, las posiciones de los peces extraídos se escalaron para tener en cuenta los errores de calibración. Con base en las coordenadas corregidas, la distancia total recorrida (\(\overline{s}\)) por cada pez se estimó utilizando el teorema de Pitágoras. De manera similar, se estimó la distancia media entre el pez y la turbina (\(\overline{s}_{turbine}\)) a lo largo del tiempo.
Las velocidades de nado se determinaron en función de la distancia recorrida (como se describe en (ii)) entre fotogramas y el paso de tiempo correspondiente (\(v_{fish}=s/\Delta t\)). Este enfoque proporciona una estimación de las velocidades de nado a lo largo del tiempo, pero ignora la dirección de los peces (es decir, si los peces nadaron activamente o se desplazaron río abajo), la profundidad de nado y la velocidad del flujo local, ya que las velocidades de la estela solo se registraron para el tratamiento MR-WF. En función de las velocidades calculadas, se calculó el tiempo pasado en rangos de velocidad de natación predefinidos.
Se definieron y registraron una variedad de comportamientos mientras se analizaban los conjuntos de datos28,36. Los comportamientos investigados se describen y visualizan en la Tabla 1. Además, los breves videoclips proporcionados representan los comportamientos individuales. Para fines de simplificación, el número de pasadas río arriba por pez y el porcentaje de pasadas río arriba por pez se resumieron bajo el término "comportamiento de paso". De manera similar, también se utilizó el término "comportamiento de movimiento", que se refiere a la distancia recorrida y mantenida desde la turbina, así como al rango de velocidades de natación observadas.
En total, se realizaron dos estudios experimentales, investigando el impacto de un solo IVA en truchas arcoíris juveniles individuales Oncorhynchus mykiss, Walbaum 1792), obtenidas de Bibury Trout Farm, Reino Unido, y elegidas como especies modelo genéricas.
En un primer estudio realizado en el canal angosto, se investigó el efecto de la descarga y el estado de funcionamiento de la turbina en el movimiento de los peces exponiendo a los peces individuales a dos descargas (suave: Q = 13\(ls^{-1}\) y alta 17 \ (ls^{-1}\)) y dos estados de operación de la turbina (giratoria y estacionaria) bajo condiciones de prueba confinada en el canal angosto. El rango de combinaciones de prueba dio como resultado los siguientes cuatro tratamientos: MS (estacionario suave), MR (rotativo suave), HS (estacionario alto) y HR (rotante alto).
Las pruebas de comportamiento de paso de peces se realizaron entre el 23 de noviembre y el 1 de diciembre de 2020 entre las 8 am y las 5 pm. Para cada tratamiento, \(N_{tested}\) = 20 truchas arcoíris juveniles fueron probadas, lo que resultó en un total de 80 peces de longitud estándar media ± sd, 57,0 ± 5,9 mm, longitud total media ± sd, 66,8 ± 6,9 mm, y masa media ± sd, 3,1 ± 0,9 g. Una descripción general de la cantidad de peces analizados (\(N_{probados}\)), excluidos (\(N_{excluidos}\)) y analizados (\(N_{analizados}\)), así como la masa (m), la longitud estándar (\(L_{fish}\)) y total (\(L_{fish, total}\)) se proporciona en la sección "Métodos y materiales". Los peces analizados para cada tratamiento no difirieron significativamente en la longitud estándar de los peces (GLM, p = 0,7904), la longitud total (GLM, p = 0,5691) y la masa (GLM, p = 0,1281).
El orden del tratamiento no fue aleatorio ya que cada pez solo estuvo expuesto a un único tratamiento. Primero se probó el tratamiento MS, seguido de MR, HS y HR. Para cada prueba, los parámetros enumerados en la sección "Métodos y materiales" se analizaron utilizando la serie de imágenes obtenida.
El análisis estadístico se realizó utilizando el software estadístico R v.3.6.3. Utilizando modelos lineales generales (GLM) gaussianos, se probó la importancia del tiempo aguas arriba y aguas abajo con una identidad y una función de enlace inverso, respectivamente. También se usó un GLM gaussiano con función de enlace de identidad para examinar las proporciones del tiempo dedicado a la proa, tanto en el centro de aguas abajo como en el lado izquierdo y derecho de la sección de aguas abajo; tiempo de atracción y evitación; la proporción de tiempo dentro y fuera de la vecindad de la turbina; las proporciones de tiempo dedicado a nadar en un rango de diferentes velocidades de natación; y la diferencia en la distancia nadada y la distancia mantenida desde la turbina y los tratamientos. Del mismo modo, se probó la significación de las diferencias en la longitud estándar, la longitud total y la masa de los peces entre los tratamientos utilizando GLM gaussianos con enlace de identidad. Como estos parámetros no difirieron significativamente entre los tratamientos, la longitud estándar de los peces no se incluyó como un parámetro independiente en los modelos finales. Por lo tanto, el tratamiento fue la única variable independiente. Además, se aplicó una prueba z de dos proporciones para examinar la diferencia significativa entre los tratamientos para el porcentaje de peces que pasan río arriba, realizan pases cercanos, se despiertan con la proa, ingresan, muestran un comportamiento de evasión o experimentan golpes. Las variables no significativas se eliminaron gradualmente del análisis estadístico y los residuos se usaron para evaluar la idoneidad de las pruebas. La significación del valor de p se tomó como 0,05.
Aquí, el impacto del confinamiento de la sección transversal se probó mediante la realización de una prueba de réplica en el canal ancho. La sección de prueba en este canal tenía cuatro veces el ancho en comparación con la sección de prueba en el canal angosto. Se analizó el impacto del bloqueo del flujo tanto para los estados de operación de la turbina (estacionario y rotativo) como para la condición de flujo moderado. Estos tratamientos se denominan MS-WF y MR-WF.
Los experimentos de comportamiento de los peces para este estudio se realizaron entre el 29 de marzo y el 7 de abril de 2021, entre las 8 a. m. y las 5 p. m. En total, se analizaron 22 y 21 peces para MS-WF y MR-WF, respectivamente. Debido a dificultades técnicas (p. ej., registros incompletos) y a los peces que inciden en el enderezador de flujo aguas abajo, \(N_{excluded}\) = 5 peces fueron excluidos de los análisis, lo que resultó en 19 peces por tratamiento y, por lo tanto, un número total de \( N_{analizado}\) = 38 peces de longitud estándar media ± sd, 50,0 ± 3,4 mm, longitud total media ± desviación estándar, 57,7 ± 3,2 mm y masa media, ± sd, 2,0 ± 0,4 g. Una descripción general de la cantidad de peces analizados (\(N_{probados}\)), excluidos (\(N_{excluidos}\)) y analizados (\(N_{analizados}\)), así como la masa (m), la longitud estándar (\(L_{fish}\)) y total (\(L_{fish, total}\)) se proporciona para cada tratamiento en la sección "Métodos y materiales". Los peces analizados para cada tratamiento no difirieron significativamente en la longitud estándar de los peces (GLM, p = 0,1658), la longitud total (GLM, p = 0,1926) ni la masa (GLM, p = 0,0642).
Al igual que en el experimento de canal angosto (sección "Métodos y materiales"), el orden del tratamiento no fue aleatorio ya que cada pez solo estuvo expuesto a un único tratamiento. Primero se probó el tratamiento con MS-WF, seguido de MR-WF. Para cada prueba, los parámetros enumerados en la sección "Métodos y materiales" se analizaron utilizando la serie de imágenes obtenida.
Dado que el objetivo de este experimento fue una comparación de las condiciones confinadas y no confinadas de la sección transversal para el movimiento de peces, los resultados de MS-WF y MR-WF se compararon con los resultados obtenidos en el experimento de canal angosto para MS y MR. Debido a la diferencia significativa en la longitud estándar de los peces (GLM, \(p<0,001\)), longitud total (GLM, \(p<0,001\)) y masa (GLM, \(p<0,001\)) entre los peces utilizada en el experimento de canal angosto y canal ancho, la longitud estándar de los peces se incluyó como una variable independiente junto con el tratamiento. La longitud estándar de los peces utilizados en el experimento de canal ancho fue significativamente menor que los probados en el experimento de canal angosto (GLM, MR vs. MR-WF: \(p<0.001\), MS vs. MS-WF: \ (p<0,001\)). La diferencia en la longitud estándar, la longitud total y la masa para MS-WF y MR-WF, y para MS, MR, MS-WF y MR-WF se determinaron utilizando un GLM gaussiano con función de enlace de identidad. Al igual que en el experimento de canal angosto, el impacto significativo del tratamiento y la longitud estándar en los parámetros basados en la proporción de tiempo empleado (es decir, aguas arriba, aguas abajo, centro de aguas abajo, lado izquierdo y derecho, dentro y fuera de la vecindad de la turbina, velocidades de natación ) se examinó utilizando GLM gaussianos con función de enlace de identidad. De manera similar, los tiempos de atracción y evitación se compararon utilizando un GLM gaussiano con función de enlace de identidad. La distancia recorrida durante el período de prueba y la distancia media mantenida desde la turbina se probaron para determinar su importancia utilizando GLM gaussianos con identidad y función de enlace inverso, respectivamente. Se utilizó una prueba z de dos proporciones para comparar el impacto del bloqueo espacial según el estado de funcionamiento de la turbina en la cantidad de peces que pasan río arriba, los peces que intentan pasar, los que se despiertan con la proa, los que ingresan a la turbina, los que evaden y los que experimentan un ataque. Las variables no significativas se eliminaron gradualmente del análisis estadístico y los residuos se usaron para evaluar la idoneidad de las pruebas. La significación del valor de p se tomó como 0,05.
La Tabla 2 proporciona una descripción general del número de peces analizados (\(N_{tested}\)), excluidos (\(N_{excluded}\)) y analizados (\(N_{analysed}\)), así como la masa ( m), longitud estándar (\(L_{fish}\)) y total (\(L_{fish, total}\)) para cada tratamiento probado en el canal angosto (MS, MR, HS, HR) y 2 (MS -WF, MR-WF).
Se proporcionan videos que visualizan los comportamientos de natación observados, incluido un clip de video que muestra entrar, evadir, pasar cerca, pasar, contacto cercano, nadar en la estela y la estela de proa de la turbina. Todos los videoclips son grabaciones de vista superior con el flujo de derecha a izquierda. Solo el video que muestra un pez que ingresa al área de barrido de la turbina se grabó usando una cámara de vista lateral, con flujo de derecha a izquierda.
Como complemento a los experimentos de comportamiento de los peces presentados, se realizaron extensas mediciones hidrodinámicas para cuantificar los efectos tridimensionales de la estela de un solo VAT. Usando velocimetría Doppler acústica, se midieron 10 secciones transversales aguas abajo dentro del plano yz para una configuración experimental y condiciones hidráulicas similares a las descritas para el canal ancho (excluyendo únicamente el fondo blanco). Müller et al.16 proporcionan una descripción detallada de la metodología.
Aquí, se presenta una sección transversal ejemplar, que representa el plano yz a la altura de la turbina media para (a) velocidades medias en el sentido de la corriente normalizadas por U = 0,19 \({\textrm{m}}\,{\textrm{s}} ^{-1}\), (b) intensidad de turbulencia normalizada por U, (c) energía cinética turbulenta normalizada por \(U^{2}\) y (d) esfuerzo cortante horizontal de Reynolds normalizado por \(U^{ 2}\) (Fig. 6).
Planos horizontales a la altura de la turbina media (z/D = 0,67) que muestran los contornos de las velocidades medias normalizadas (A) en el sentido de la corriente, (B) la intensidad de la turbulencia en el sentido de la corriente, (C) la energía cinética turbulenta y (D) el esfuerzo cortante horizontal de Reynolds, aguas abajo de un solo VAT giratorio en condiciones de flujo suave (es decir, MR). El flujo es de izquierda a derecha.
Nuestros resultados muestran una región de baja velocidad de impulso inmediatamente aguas abajo del rotor de la turbina. Esta región era particularmente pronunciada en el lado de la carrera ascendente donde las palas se movían contra el flujo (es decir, el lado izquierdo del canal cuando se miraba en dirección aguas abajo), lo que provocaba que la estela fuera asimétrica con respecto a su línea central37,38,39. Además de la reducción en la velocidad media en el sentido de la corriente (a) en el lado ascendente, la estela de un solo VAT se caracterizó por altos niveles de \(\overline{u}'/U\), \(tke/U^{2}\ ), y \(\overline{u'v'}/U^{2}\). El aumento de la turbulencia en esta región es el resultado del desprendimiento de vórtices energéticos40,41 que, sin embargo, solo prevalecieron dentro de la estela cercana (\(x/D<2\))34. El lado de la carrera descendente (es decir, el lado derecho del canal), por el contrario, se caracterizó por niveles de turbulencia más bajos. Siguiendo la estela cercana (\(x/D<3\)), la estela se expandió lateralmente dentro de la región de transición (3\( Un análisis más detallado de la hidrodinámica de la estela de un solo VAT se puede encontrar en Müller et al.16. Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles en el repositorio de datos de la Universidad de Cardiff: http://doi.org/10.17035/d.2022.0220288116. NACION unida. Energía limpia y asequible: personas de todo el mundo carecen de acceso a la electricidad. https://www.un.org/sustainabledevelopment/wp-content/uploads/2016/08/7_Why-It-Matters-2020.pdf. Winemiller , O , McIntyre , PB , Castello , L , Fluet-Chouunard , E , Giarrizzo , T , Nma , S , Baird , LG , Darwall , W , Lujan , NK , Harrison , I , Stiassny , MLJ , Silvao , RAM , Fitzgerald, DB, Pelicice, FM, Agostinho, AA, Gomes, LC, Albert, JS, Baran, E, Jr, MP, Zarfl, C, Mulligan, M, Sullivan, JP, Arantes, CC, Sousa, LM, Koning, AA, Hoeinghaus, DJ, Sabaj, M, Lundberg, JG, Armbruster, J, Thieme, ML, Petry, P, Zuanon, J, Vilara, GT, Snoeks, J., Ou, C., Rainboth, W., Pavanelli , CS , Akama , A. , van Soesbergen , A. , & Saenz , L. Equilibrio de la energía hidroeléctrica y la biodiversidad en la Amazonía, el Congo y el Mekong . https://doi.org/10.1126/science.aac7082. Couto, TBA, Messager, ML & Olden, JD Protección de los peces migratorios a través de la planificación estratégica de futuras pequeñas centrales hidroeléctricas en brasil. Nat. Sostener. 4, 409–416. https://doi.org/10.1038/s41893-020-00665-4 (2021). Artículo Google Académico Selinger, C. y Zeiringer, B. Conectividad fluvial, fragmentación del hábitat y medidas de restauración relacionadas. Sección del libro en Riverine Ecosystem Management, 171–186. https://doi.org/10.1007/978-3-319-73250-3_9 (2018). Jones, J. et al. Una evaluación completa de la fragmentación de arroyos en Gran Bretaña. ciencia Entorno Total. 673, 756–762. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.04.125 (2019). Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar Kondolf, GM et al. Balance cambiante de sedimentos del Mekong: amenazas acumulativas y estrategias de gestión para una gran cuenca fluvial. ciencia Entorno Total. 625, 114–134. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2017.11.361 (2018). Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar Reis, RE et al. Biodiversidad y conservación de peces en América del Sur. J. Pescado Biol. 89, 12–47. https://doi.org/10.1111/jfb.13016 (2016). Artículo CAS PubMed Google Académico Chaudhari, S. et al. Turbinas in-stream para repensar el desarrollo hidroeléctrico en la cuenca del Amazonas. Nat. Sostener. 4, 680–687. https://doi.org/10.1038/s41893-021-00712-8 (2021). Artículo Google Académico Hammar, L. et al. Efectos de la turbina hidrocinética en el comportamiento de natación de los peces. PLoS ONE 8, 1–12. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0084141 (2013). Artículo CAS Google Académico Castro-Santos, T. & Haro, A. Supervivencia y efectos conductuales de la exposición a una turbina hidrocinética en juveniles de salmón del Atlántico y adultos de sábalo americano. Estuar. Costas 38, 203–214. https://doi.org/10.1007/s12237-013-9680-6 (2013). Artículo Google Académico Berry, M., Sundberg, J. y Francisco, F. Respuesta de salmónidos a una turbina hidrocinética de eje vertical en un acuario de corriente. En Actas de la 13.ª Conferencia Europea sobre Energía Mareomotriz y Undimotriz 1–10 (2019). Crawford, S. & Muir, AM Introducciones globales de salmón y trucha en el género Oncorhynchus: 1870–2007. Rev. Fish Biol. Pez. 18, 313–344. https://doi.org/10.1007/s11160-007-9079-1 (2008). Artículo Google Académico Malipeddi, AR & Chatterjee, D. Influencia de la geometría del conducto en el desempeño de la hidroturbina Darrieus. Renovar. Energía 43, 292–300. https://doi.org/10.1016/j.renene.2011.12.008 (2012). Artículo Google Académico Amaral, SV et al. Evaluación del comportamiento y supervivencia de peces expuestos a una turbina hidrocinética de flujo axial. N Am. J. Pescado. Administrar 35, 97–113. https://doi.org/10.1080/02755947.2014.982333 (2015). Artículo Google Académico Dabiri, JO Potencial mejora del orden de magnitud de la densidad de potencia de los parques eólicos a través de conjuntos de turbinas eólicas de eje vertical contrarrotantes. J. Renovar. Sostener. Energíahttps://doi.org/10.1063/1.3608170 (2011). Artículo Google Académico Müller, S., Muhawenimana, V., Wilson, CAME & Ouro, P. Investigación experimental de las características de la estela detrás de turbinas gemelas de eje vertical. Convertidores de energía. Administrar 247, 1–17. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114768 (2021). Artículo Google Académico Fraser, S., Williamson, BJ, Nikora, V. & Scott, BE Las distribuciones de peces en un canal de marea indican el impacto en el comportamiento de una instalación de energía renovable marina. Informe de energía 4, 65–69. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2018.01.008 (2018). Artículo Google Académico Lieber, L., Nimmo-Smith, WAM, Waggit, JJ y Kregting, L. La estela antropogénica localizada genera un punto de alimentación predecible para los principales depredadores. Nat. común Biol. 123, 1–8. https://doi.org/10.1038/s42003-019-0364-z (2019). Artículo Google Académico Muhawenimana, V., Wilson, CAME, Ouro, P. & Cable, J. Hidrodinámica de la estela cilíndrica de Spanwise y comportamiento de los peces. Recurso de agua. Res. 55, 8569–8582. https://doi.org/10.1029/2018WR024217 (2019). Artículo ANUNCIOS Google Académico Hockley, F. Modificación del comportamiento de los peces por parásitos en condiciones de flujo variable (2014) Maia, A., Sheltzer, AP y Tytell, ED Los vórtices de la corriente desestabilizan al pez luna nadador (Lepomis macrochirus). Exp. J. Biol. 218, 786–792. https://doi.org/10.1242/jeb.114363 (2015). Artículo PubMed Google Académico Urdahl, S. Influencia en la migración de peces mediante la creación y alteración de vórtices en el flujo turbulento (Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología, trabajo del proyecto, 2021). Gunnarson , P. , Mandralis , I. , Novati , G. , Koumoutsakos , P. & Dabiri , JO Aprendiendo navegación eficiente en campos de flujo vortical . Nat. común 12 , 1–7 https://doi.org/10.1038/s41467-021-27015-y (2021). Artículo CAS Google Académico Liao, JC, Beal, DN, Lauder, GV & Triantafyllou, MS La marcha kármán: nueva cinemática corporal de la trucha arcoíris nadando en una calle de vórtice. Exp. J. Biol. 206, 1059–1073. https://doi.org/10.1242/jeb.00209 (2003). Artículo PubMed Google Académico Przybilla, A., Kunze, S., Rudert, A., Bleckmann, H. y Brücker, C. Entraining en truchas: un análisis conductual e hidrodinámico. Exp. J. Biol. 213, 2976–2986. https://doi.org/10.1242/jeb.041632 (2010). Artículo PubMed Google Académico Taguchi, M. & Liao, JC La trucha arcoíris consume menos oxígeno en turbulencia: la energía de los comportamientos de natación a diferentes velocidades. Exp. J. Biol. 214, 1428–1436. https://doi.org/10.1242/jeb.052027 (2011). Artículo PubMed PubMed Central Google Académico Yoshida, T. et al. Estudio experimental del comportamiento de los peces cerca de un modelo de turbina mareomotriz en condiciones de oscuridad. J. Mar. Sci. Tecnología (Jpn.) https://doi.org/10.1007/s00773-021-00850-w (2021). Artículo Google Académico Yoshida, T., Zhou, J., Park, S., Muto, H. y Kitazawa, D. Uso de una turbina modelo para investigar el alto riesgo de impacto de los peces con palas de turbinas de corrientes oceánicas y de mareas a baja velocidad de rotación. Sostener. Tecnología energética. Evaluar. 37, 100634. https://doi.org/10.1016/j.seta.2020.100634 (2020). Artículo Google Académico Viehman, HA & Zydlewski, GB Interacciones de peces con un dispositivo de energía mareomotriz a escala comercial en el entorno natural. Estuar. Costas 38, 241–252. https://doi.org/10.1007/s12237-014-9767-8 (2014). Artículo Google Académico Nikora, VI, Aberle, J., Biggs, BJF, Jowett, IG y Sykes, JRE Efectos del tamaño de los peces, el tiempo hasta la fatiga y la turbulencia en el rendimiento de natación: un estudio de caso de Galaxias maculatus. J. Pescado Biol. 63, 1365–1382. https://doi.org/10.1046/j.1095-8649.2003.00241.x (2003). Artículo Google Académico West, GB, Brown, JH & Enquist, BJ Un modelo general para el crecimiento ontogenético. Naturaleza 413, 628–631 (2001). Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar Goodwin, RA et al. La navegación de los peces en las grandes presas surge de la modulación de la experiencia del campo de flujo. PLOS 111, 5277–5282. https://doi.org/10.1073/pnas.1311874111 (2014). Artículo CAS Google Académico Kilkenny, C., Browne, WJ, Cuthill, IC, Emerson, M. & Altman, DG Mejora de los informes de investigación en biociencias: las directrices de llegada para informar sobre investigaciones con animales. PLoS Biol. 8, 6–10. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.1000412 (2010). Artículo CAS Google Académico Ouro, P., Runge, S., Luo, Q. & Stoesser, T. Tridimensionalidad de la recuperación de la estela detrás de una turbina de eje vertical. Renovar. Energía 133, 1066–1077. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.10.111 (2019). Artículo Google Académico Encantador, J. Kinovea 0.8.15. https://kinovea.org/. Copping, A., Garavelli, L., Hemery, L., Fox, J., Miller, R. y Seitz, A. Riesgo de colisión para los animales marinos (peces) de las turbinas de marea: próximos pasos para comprender y eliminar el riesgo. Brochier, G., Fraunie, P., Beguier, C. y Paraschivoiu, I. Experimentos de canal de agua de pérdida dinámica en palas de turbinas eólicas Darrieus. J. propuls. Poder 2, 445–449. https://doi.org/10.2514/3.22927 (1986). Artículo ANUNCIOS Google Académico Posa, A. Caracterización de estelas de configuraciones acopladas de aerogeneradores de eje vertical utilizando simulación de remolinos grandes. En t. J. Flujo de fluido térmico 75, 27–43. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2018.11.008 (2019). Artículo Google Académico Vergaerde, A. et al. Caracterización experimental de la estela detrás de aerogeneradores de eje vertical emparejados. J. Ing. Eólico. Ind. Aerodin. 206, 104353. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2020.104353 (2020). Artículo Google Académico Ouro, P. & Stoesser, T. Un enfoque de simulación de grandes remolinos basado en límites sumergidos para predecir el rendimiento de las turbinas de mareas de eje vertical. computar Fluidos 152, 74–87. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2017.04.003 (2017). Artículo MathSciNet MATEMÁTICAS Google Académico Rolin, VFC & Porté-Agel, F. Investigación experimental de estelas de aerogeneradores de eje vertical en el flujo de la capa límite. Renovar. Energía 118, 1–13. https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.10.105 (2018). Artículo Google Académico Descargar referencias Este proyecto fue apoyado con fondos iniciales del GCRF QR de la Universidad de Cardiff Financiamiento del Consejo de Financiamiento de la Educación Superior de Gales, una beca del Centro de Ciencias de la Informática e Ingeniería del Agua para la Formación Doctoral (WISE CDT) (EP/L016214/1) de la Facultad de Ingeniería y Física Science Research Council (EPSRC) a SM, y una beca del Centro de formación doctoral en biociencias y sostenibilidad del agua dulce (FRESH CDT) (NE/R011524/1) del Natural Environment Research Council (NERC) a GSS. Agradecemos al Dr. Aldo German Benavides Moran y al Dr. Carlos Alberto Duque Daza de la Universidad Nacional de Colombia y al Prof. Edevar Luvizotto Junior de la Universidad de Campinas (Brasil) por las fructíferas conversaciones sobre esta investigación, a Paul Leach por la asistencia técnica y a Rhi Hunt y Scott MacAuley por su apoyo en el mantenimiento de peces y asesoramiento estadístico. Escuela de Ingeniería, Universidad de Cardiff, The Parade, Cardiff, Gales, CF24 3AA, Reino Unido Stephanie Müller, Valentine Muhawenimana, Guglielmo Sonnino-Sorisio y Catherine AME Wilson Escuela de Biociencias, Universidad de Cardiff, Park Place, Cardiff, Gales, CF10 3AX, Reino Unido Juana Cable Escuela de Ingeniería, Universidad de Manchester, Oxford Road, Manchester, Inglaterra, M13 9PL, Reino Unido pablo oro También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar CW, JC y PO obtuvieron la financiación y supervisaron el trabajo. Todos los autores planificaron el trabajo experimental. SM, VM y GSS realizaron el trabajo experimental y el análisis de datos. SM preparó todas las figuras. SM, PO, VM prepararon el manuscrito original. Todos los autores revisaron el manuscrito. Correspondencia a Pablo Gold. Los autores declaran no tener conflictos de intereses. Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales. Vídeo complementario 1. Vídeo complementario 2. Vídeo complementario 3. Vídeo complementario 4. Vídeo complementario 5. Vídeo complementario 6. Vídeo complementario 7. Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. Reimpresiones y permisos Müller, S., Muhawenimana, V., Sonnino-Sorisio, G. et al. Respuesta de los peces a la presencia de turbinas hidrocinéticas como solución energética sostenible. Informe científico 13, 7459 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33000-w Descargar cita Recibido: 30 de octubre de 2022 Aceptado: 05 abril 2023 Publicado: 08 mayo 2023 DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33000-w Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido: Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo. Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.