물고기에 친화적인 축류 펌프, 장어에는 안전하지만 바퀴벌레에는 안전하지 않고 도미에는 안전하지 않은 것으로 밝혀져 | Scientific Reports

Scientific Reports 제14권, 논문 번호: 30234(2024) 이 논문 인용

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가뭄과 홍수 발생 심화를 완화하기 위해서는 추가 및 보수된 양수장이 필요합니다. 이러한 시설은 어류가 통과할 때 부상 및 사망 위험이 증가하여 위협받는 담수어 개체군에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 위험을 줄이기 위한 잠재적 해결책으로 어류 친화적 양수 시설이 제안되었습니다. 그러나 이러한 새로운 유형의 펌프에 대한 평가 자료는 부족하며, 이용 가능한 연구도 많지 않아 기존 펌프 유형과의 교차 비교가 불가능합니다. 유망하지만 연구가 부족한 Fairbank Nijhuis의 '어류 친화적' 축류 펌프는 이전 연구에서 평가되었지만, 낮은 포획률, 고려되지 않은 매개변수, 고정된 작동 조건, 그리고 부상 및 사망의 잠재적 원인을 파악할 수 없다는 점 때문에 결과는 여전히 모호합니다. 본 연구에서는 수동 기압상해 감지 센서와 함께 활어에 대한 표준화된 프로토콜을 구현하여 기존 연구의 한계점을 해결합니다. 이 연구의 주요 결과는 장어의 안전한 통과(100% 생존)가 확인되었지만, 도미와 바퀴벌레의 생존 확률은 예상보다 훨씬 낮았다는 것입니다(각각 24%와 70% 생존). 다만 기존 축류 펌프(바퀴벌레 생존율: 13%)보다는 높았습니다. 더 나아가, 높은 RPM으로 통과하는 바퀴벌레와 도미는 유의미하게 높은 폐사율을 보였습니다. 두 펌프 모두 임펠러의 충격이 심각한 손상의 가장 흔한 원인으로 밝혀졌습니다. 이러한 결과는 어류 친화적 펌프가 장어에는 안전하지만 바퀴벌레와 도미와 같은 다른 유럽 고유 어종에는 안전하지 않다는 것을 결정적으로 보여주기 때문에 중요합니다.

축류 펌프 또는 스크류 펌프는 홍수 조절, 관개, 그리고 용수 공급을 위해 전 세계적으로 물을 운반하는 데 사용됩니다. 높은 유량과 낮은 수직 거리(예: 5m 미만)를 처리할 때 선호되는 옵션입니다.1 플랑드르2와 네덜란드3와 같이 홍수 발생 위험이 높은 저지대 지역에서는 운하와 강에서 가장 널리 사용되는 펌프입니다. 하지만 유속이 빠르고 크기가 비교적 작아 물고기에게 가장 큰 피해를 주는 펌프 중 하나입니다.1,4,5 유럽 규제 기관은 하천의 장애물이 수생태계에 미치는 위협을 잘 알고 있으며6 그 수를 줄이려고 하지만7, 양수장과 같은 장애물이 가까운 시일 내에 제거될 가능성은 낮습니다. 오히려 기후 변화11와 관련된 염분화 증가8, 가뭄9 발생, 그리고 집중호우 강도10는 양수 시설의 필요성을 증가시킵니다12,13.

양수 설비는 회유성 어류에 지속적인 위협으로 작용할 것이므로, 엔지니어들은 어류에게 안전하거나 최소한 어류 친화적인 설비를 설계해야 합니다. 낙하하거나 빠르게 흐르는 물을 이용하여 전기를 생산하는 역방향 터빈(수력 발전)의 어류 친화적인 특성에 대한 연구는 많이 진행되었지만, 펌프는 상대적으로 적은 관심을 받아왔습니다. 수생태계에 대한 위협을 고려할 때, 수력을 재생 에너지원으로 사용하는 것은 모호합니다. 더욱이 기후 변화로 인해 수력 발전 설비의 효율이 크게 저하될 것으로 예상됩니다. 이러한 약점과 위협에도 불구하고, 수력은 미래에 더욱 중요한 에너지원이 될 가능성이 높으며, 20,21 그 영향을 최대한 완화하기 위한 더 많은 연구가 필요합니다. 양수 설비 역시 터빈과 마찬가지로 미래에 직면할 과제가 많기 때문에, 최소한 이와 유사한 수준의 연구 증가가 필요합니다. 그러나 수력 발전과 달리 수력 발전의 경우 여러 대안이 존재하는 반면, 펌핑 설비가 사용되는 필수 수자원 관리 목적을 처리할 실제적인 공학적 대안은 없습니다.

펌프는 충돌 횟수, 압력 변화, 난류, 전단 응력 및 캐비테이션 힘을 줄임으로써 더욱 안전하게 만들 수 있습니다. 어류가 겪는 부상의 심각성과 원인은 어종(및 관련 행동), 체형, 펌프 유형, 그리고 펌프 작동 방식에 따라 달라지는 것으로 보이므로, 펌프 설치의 조건, 설계, 적용 및 용도를 신중하게 고려해야 합니다. 페어뱅크스 나이하위스(Fairbanks Nijhuis)의 특허받은 "어류 친화적" 축류 펌프(FNAFP)는 모든 장어의 100%와 다른 모든 어류의 최소 97%의 안전한 이동을 수용한다고 주장합니다.23 그러나 이러한 결과는 고정된 작동 조건, 의심스러운 샘플링 설계, 그리고 대부분의 부상 원인에 대한 관련 가정을 바탕으로 한 비교적 소규모 연구에 기반합니다. 24 의 최근 연구에서는 FNAFP의 사망률이 기존 펌프만큼 높거나, 일부 어종의 경우 더 높은 것으로 나타나 다른 양상을 보입니다. 좀 더 표준화된 부상 프로토콜을 사용했지만, 이 연구는 표본 크기가 작은 등 앞서 언급한 단점을 많이 안고 있습니다.

어류 친화적 펌프 설비의 안전성을 평가하기 위해 설비 내부 환경을 시뮬레이션하는 연구가 몇 건 있었습니다.1,26 현재 센서가 이러한 시뮬레이션의 어느 정도 검증을 제공하고 있지만, 활어와의 연관성은 여전히 가설적인 수준에 머물러 있습니다. 활어를 이용하는 펌프 설비에 대한 현장 평가는 종종 출력이 부족하고 어류의 길이를 고려하지 않는 경우가 많습니다.23,24 특히 FNAFP의 경우, 앞서 언급한 연구들의 상반된 결과와 그 안에서 관찰된 한계점을 고려할 때, 기준선으로 사용할 새로운 평가가 필요합니다. 어류 친화적 상태를 정확하게 추정하고 손상 원인을 파악하기 위해서는 활어, 표준화된 손상 프로토콜, 어류 길이 측정, 그리고 센서가 필요하다고 주장합니다. FNAFP의 어류 친화성에 대한 본 연구에서는 시나리오당 최소 100마리의 어류가 FNAFP를 강제로 통과하도록 했습니다(도미: 100마리 이상, 장어: 250마리 이상, 바퀴벌레: 300마리 이상). 표준화된 손상 프로토콜을 사용했으며, 어류의 길이와 종을 잠재적으로 영향을 미치는 요인으로 고려했습니다. 또한, 기압상해 감지 센서(BDS)를 통해 펌프의 손상 원인을 더욱 근본적으로 평가했습니다. 마지막으로, 강제 실험 데이터를 동일 장소에서 기존 축류 펌프(CAFP, 윤리적 관점에서 강제 실험은 강력히 권장되지 않음)를 통한 자연 통과 데이터와 비교했습니다.

영어: 전체 재포획률(즉, 모든 시나리오에서 포획된 총 수를 방출된 총 물고기 수로 나눈 값)은 도미(99.34%, 302개체 중 300개체), 바퀴벌레(86.57%, 1050개체 중 909개체), 장어(88.14%, 700개체 중 617개체)에서 높았지만, 이론적 시나리오와 관찰된 시나리오의 차이로 인해 시나리오별 재포획률에 상당한 차이가 있었습니다(63~210%: 표 2). 특정 시나리오(즉, 이론적 시나리오)를 위해 의도된 물고기가 시설 입구 전에 머물렀다가 다른 시나리오가 이미 시작된 후에야 통과했기 때문에 때때로 다른 후속 시나리오(즉, 관찰된 시나리오)에서 끝나기도 했습니다. 물고기가 머물렀는지 확인할 수 없었는데, 그렇지 않았다면 새로운 시나리오가 시작되기 전에 제거되었을 것입니다. 이러한 현상은 도미에서 가장 두드러졌는데, 저속 회전수(468 rpm) 환경에서 어획될 예정이었던 어류가 이후 고속 회전수(550 rpm) 환경에서 어획되는 것으로 나타났습니다. 이로 인해 저속 및 고속 환경에서의 재포획률은 각각 100%보다 낮거나 높게 나타났습니다.

바퀴벌레(ANOVA, p = 0.51)와 장어(ANOVA, p = 0.56)의 시나리오에서 평균 어류 길이는 유의미한 차이가 없었지만, 도미(ANOVA, p = 0.086)의 시나리오에서는 약간 유의미한 차이가 있었습니다(p 값이 0.05~0.10이면 이하에서 약간 유의미하다고 함). (보충 그림 S1).

세 종 모두에 대한 FNAFP 의사결정 트리를 고려할 때, 종과 샘플 유형(즉, 대조군 대 펌프 통과군)이 생존율을 추정하는 데 가장 중요하다는 것이 분명해졌습니다(그림 1). 장어(대조군 또는 펌프 통과군 샘플에 속함)는 생존율이 100%였습니다. 바퀴벌레와 도미만으로 구성된 나머지 대조군 샘플은 생존율이 99%였습니다(이는 심각한 부상을 입은 바퀴벌레 한 마리에서 유래한 것입니다). 의사결정 트리의 마지막 노드는 도미(생존율 23%)와 바퀴벌레(생존율 70%)를 구분했습니다. 모든 바퀴벌레가 모든 도미보다 작았기 때문에 이 기준은 200mm보다 크거나 작은 물고기를 구분하는 노드로 완벽하게 대체될 수도 있었습니다. 따라서 도미에 비해 바퀴벌레의 생존 확률이 높은 것이 (i) 바퀴벌레의 길이가 짧기 때문(바퀴벌레의 개체 수 평균 168mm인 반면 도미의 개체 수 평균 374mm), (ii) 종 특이적 행동 및/또는 취약성, 또는 (iii) 둘의 조합 때문인지 구분하기 어렵습니다. 종을 개별적으로 고려할 때 바퀴벌레나 장어에 대한 의사결정 트리를 개발할 수 없었는데, 요인(펌프 통과 대 대조군, rpm 및 물고기 길이)이 관찰된 생존율에 큰 영향을 미치지 않았기 때문입니다. 도미의 경우 물고기가 펌프를 통과했는지(펌프 통과 샘플의 생존율 23%) 또는 통과하지 않았는지(대조군 샘플의 생존율 100%)에 따라 명확한 첫 번째 구분이 이루어졌습니다(그림 1). 340mm보다 작은 도미는 rpm이 낮을 때 펌프를 통과했을 때 생존 확률이 각각 67%와 27%였습니다. 340mm보다 큰 도미는 rpm 체계에 관계없이 생존율이 18%였습니다.

생존(생존 또는 사망)을 이진 반응으로 하는 FNAFP에 대한 의사결정 트리. 모든 데이터(즉, 모든 종, 왼쪽 의사결정 트리)로 구성된 의사결정 트리의 경우 종, 유형(펌프 또는 대조군), rpm 및 어류 길이(mm) 요인이 제공되었습니다. 도미 데이터로 구성된 의사결정 트리(오른쪽 의사결정 트리)의 경우 유형(펌프 또는 대조군), 어류 길이 및 rpm 요인이 제공되었습니다. 각 가지에서 서로 옆에 있는 처음 두 숫자는 죽은(왼쪽) 물고기와 살아있는(오른쪽) 물고기의 비율을 나타냅니다. 맨 아래의 세 번째 숫자는 노드가 적용되는 물고기의 백분율을 나타냅니다. 죽은 물고기의 비율이 각각 50%보다 높거나 낮을 때 노드에 죽은 또는 살아있는 것으로 레이블이 지정됩니다. 노드에는 다음과 같은 방식으로 번호가 지정됩니다. 맨 위의 주 가지는 번호 1을 받고 그 이후로 왼쪽에서 오른쪽으로, 아래로 번호가 증가합니다. 주 가지 왼쪽 아래의 첫 번째 가지는 번호 2를 받고 주 가지 오른쪽 아래의 두 번째 가지는 번호 3을 받는 식입니다. 존재하지 않는 노드에도 번호가 매겨져 있기 때문에 일부 번호는 건너뜁니다. 왼쪽 가지는 항상 가지가 갈라질 때마다 질문에 대한 긍정을 나타냅니다. 분홍색에서 파란색까지의 색상 범위는 물고기가 죽었을 가능성이 더 높은지 살았을 가능성이 높은지를 나타냅니다. FNAFP Fairbanks Nijhuis 축류 펌프.

로지스틱 모델은 높은 회전에서 도미의 생존율이 주변적 유의성(p = 0.077)으로 낮았음을 나타냈습니다(그림 2 및 보충 표 S1). 낮은 회전에서 큰 도미는 생존 확률이 유의하게(p = 0.005) 낮았습니다(보충 그림 S3 및 보충 표 S1). 높은 회전에서 생존 확률에 대한 길이의 훨씬 약한 부정적 영향은 유의하지 않았습니다(p = 0.3545). 구체적으로, 낮은 rpm에서 작은 도미(< 300 mm)의 생존율은 높은 rpm보다 약 50% 더 높았지만, 두 rpm 체제 간 생존율 차이는 가장 큰 물고기(> 400 mm, 보충 그림 S3)의 경우 거의 0이 되었습니다. 마찬가지로 바퀴벌레의 생존율은 주변적 유의성(p = 0.096)으로 높은 회전에서 낮았습니다. 낮은 회전에서 큰 바퀴벌레는 생존 확률이 유의하게 낮았습니다(p = 0.010). 더 높은 회전에서 생존 가능성에 대한 길이의 훨씬 약한 부정적 효과는 유의하지 않았습니다(p = 0.71). 따라서 길이가 다른 물고기 간 생존율 차이는 높은 rpm보다 낮은 rpm에서 바퀴벌레의 경우 더 컸습니다. 그러나 도미와 달리 두 rpm 시나리오 간 더 큰 물고기의 차이는 무시할 수 없게 되지만, 오히려 높은(550 rpm) rpm에 비해 낮은(468 rpm) rpm에서 가장 큰 물고기의 생존율이 낮음을 나타냅니다. 이는 예상치 못한 결과이지만 데이터를 정확하게 나타내는 것으로 보이며 일부 남아 있는 이상치의 결과가 아닌 것으로 보입니다. 모델에서 물고기 길이가 고려되지 않은 경우, 도미의 경우 rpm 시나리오의 효과는 미미하게 유의했지만(p = 0.08) 바퀴벌레의 경우 유의하지 않았습니다(p = 0.45). 모든 뱀장어가 두 시나리오에서 생존했기 때문에 rpm이나 길이 모두 뱀장어의 생존에 관찰 가능한 영향을 미치지 않았습니다.

도미(평균 길이 374mm)와 바퀴벌레(평균 길이 168mm)에 대한 가장 간소한 로지스틱 생존 모델의 모델 출력. 95% 신뢰 구간은 종 및 시나리오별로 빨간색 띠로 표시되어 있습니다. 겹치지 않는 화살표는 유의미한 차이를 나타냅니다(p < 0.05). FNAFP Fairbanks Nijhuis 축류 펌프.

CAFP를 통과한 야생 어류 포획은 농어 2마리, 송어 16마리, 바퀴벌레 33마리, 돌모로코 2마리, 장어 1마리, 파이크 1마리로 구성되었습니다. CAFP와 FNAFP의 생존율을 비교하기 위해 바퀴벌레에 대한 로지스틱 생존 모델을 개발했습니다. 반응 변수는 생존율, 설명 변수는 시나리오(468rpm에서의 FNAFP, 550rpm에서의 FNAFP, 585rpm에서의 CAFP), 어류 길이 및 이들의 상호작용입니다. 가장 간략한 모델은 두 요인의 상호작용을 유지하지 못했습니다(보충 표 S2). CAFP를 통과한 어류의 길이가 FNAFP보다 유의하게 짧았다는 점에 유의해야 합니다(보충 그림 S2). 따라서 결과를 해석할 때 주의가 필요합니다. 그러나 길이가 포함되었는지 여부에 관계없이 생존 확률은 항상 유의하게 낮았습니다(길이를 포함한 468 rpm에서 CAFP 대 FNAFP: p = 0.00090; 길이를 포함한 550 rpm에서 CAFP 대 FNAFP: p = 0.0015; 길이를 포함하지 않은 468 rpm에서 CAFP 대 FNAFP: p = 0.0098; 길이를 포함하지 않은 550 rpm에서 CAFP 대 FNAFP: p = 0.0228) CAFP의 경우 FNAFP보다 낮았습니다(그림 3 및 보충 그림 S4). 이 차이의 효과 크기는 모델에서 길이를 고려했을 때 더 큰 것으로 나타났습니다. 길이를 고려했을 때, FNAFP와 CAFP 간의 효과 크기 차이는 2.74(p = 0.0005)에서 2.85(p = 0.0003)였지만, 길이를 고려하지 않았을 때는 0.99(p = 0.0084)에서 1.11(p = 0.0035)에 불과했습니다. 세 가지 시나리오 모두에서 생존 확률은 어류 길이가 증가함에 따라 감소했습니다.

강제 실험과 자연 이동 데이터를 모두 고려한 바퀴벌레에 대한 가장 간소한 로지스틱 생존 모델의 모델 출력. 그림 (A)에서는 모델에 어류 길이가 반영되었으며, 추정치는 평균 길이 164mm인 어류에 대한 것입니다. 그림 (B)에서는 어류 길이가 고려되지 않았습니다. 95% 신뢰 구간은 종 및 시나리오별로 빨간색 띠로 표시되어 있습니다. 겹치지 않는 화살표는 유의미한 차이(p < 0.05)를 나타냅니다. FNAFP Fairbanks Nijhuis 축류 펌프, CAFP 기존 축류 펌프.

부상에 대한 의사결정 트리는 생존 확률의 의사결정 트리와 매우 유사했습니다(보충 그림 S5 및 보충 그림 S6). 이는 부상 등급에 따라 물고기가 죽었거나 살았는지가 결정되므로 예상할 수 있었습니다. 장어, 대조 샘플 및 바퀴벌레(즉, 198mm보다 작은 물고기)는 부상이 없을 가능성이 가장 높았지만(부상 1에 해당), 부상 위험은 장어에서 도미 또는 바퀴벌레 대조, 펌프를 지나가는 바퀴벌레로 증가했습니다. 반면 도미는 대조 샘플(부상 없음)이나 낮은 rpm 체제(경미한 부상)에 노출된 340mm보다 작은 개체가 아닌 한 평균적으로 심각하게 부상을 입을 가능성이 가장 높습니다(보충 그림 S7). 펌프를 지나가는 도미의 가장 가능성 있는 부상 등급은 3.2(절개, 베임, 참수)였습니다. 그러나 물고기의 길이가 340mm 미만인 경우, 가장 발생 가능성이 높은 부상 등급은 2.3(가벼운 긁힘, 타박상, 비늘 손실 <체적 20%)입니다. 340mm보다 큰 도미는 3.2 등급의 부상을 입을 가능성이 가장 높았지만, 400mm보다 작고 가장 낮은 rpm으로 훈련한 경우에는 2.3 등급의 부상으로 진단될 가능성이 가장 높았습니다. 도미의 경우, 발생 가능성이 가장 높은 부상 등급은 3.2, 2.3, 3.6(심한 타박상 또는 출혈), 3.1(비늘 손실), 3.5(아가미 또는 아가미 덮개가 심하게 손상됨) 순으로 나타났습니다. 경미한 부상 중 2.3건이 전체의 96.6%를 차지한 반면, 중증 부상은 각 등급별로 더 고르게 분포되었습니다(3.2건: 51.4%, 3.6건: 21.1%, 3.1건: 14.6%, 3.5건: 12.4%). 고속 회전 시 가장 발생 가능성이 높은 부상 등급은 3.2건이었고, 저속 회전 시 가장 발생 가능성이 높은 부상 등급은 2.3건이었습니다(보충 자료 그림 S13 및 보충 자료 그림 S14).

바퀴벌레의 경우 부상 위험은 길이와 rpm에 따라 증가했습니다(보충 그림 S8). 평균 길이(168mm)의 바퀴벌레의 경우 부상 등급 3.2의 위험은 550rpm에서 468rpm보다 유의하게 높았습니다(p = 0.0050). 반면 부상 등급 2.3의 경우는 그 반대였습니다(p = 0.025)(보충 그림 S12). 그러나 예상치 못하게 전체적으로 170mm보다 크고 낮은 rpm 체제에 노출된 바퀴벌레는 2.3 부상을 입을 가능성이 가장 높았고 다른 모든 바퀴벌레(170mm보다 작고 높은 rpm에 노출된 바퀴벌레도 포함)는 전혀 부상을 입지 않을 가능성이 가장 높았습니다(보충 그림 S8). 바퀴벌레의 경우 가장 가능성이 높은 부상 등급은 순서대로 1, 2.3, 3.1, 3.5, 3.6 및 3.2였습니다. 경미한 부상 중 2.3건이 전체의 94.0%를 차지한 반면, 심각한 부상은 각 계층에서 더 고르게 분포되었습니다(3.1건: 37.9%, 3.5건: 25.4%, 3.6건: 22.6%, 3.2건: 14.1%).

다항 모델은 추가적인 통찰력을 제공했습니다. FNAFP 고 rpm 환경에서 평균적으로 바퀴벌레와 도미의 경우 중증 부상이 더 많았고 경증 부상은 적었지만(그림 4), 유의한 차이는 없었습니다(보충 표 S3). 장어의 경우, 경증 부상만 관찰되었는데, 이는 고 rpm 환경에서 평균적으로 더 빈번했지만 역시 유의하지 않았습니다(p = 0.27)(그림 4). rpm 환경의 영향은 없었지만, 바퀴벌레와 도미 모두 어류 길이에 유의한 영향을 미쳤습니다(보충 표 S3). 두 종 모두 어류 길이가 증가함에 따라 중증 부상 발생 확률이 비교적 크게 증가했습니다(보충 그림 S9 및 보충 그림 S10). 부상이 없을 확률과 경증 부상 발생 확률은 어류 길이가 증가함에 따라 약간 감소했습니다. 도미의 경우, 어류 길이에 따른 부상 없음 확률은 볼록한 경향을 보였으며, 260mm에서 0.25에서 325mm에서 거의 0으로 급격히 감소했습니다. 어류 길이에 따른 경미한 부상 확률은 오목하고, 더 온순하며 감소하는 경향을 보였습니다. 바퀴벌레의 경우, 부상 없음 확률과 경미한 부상 확률은 어류 길이에 큰 영향을 받지 않았습니다(보충 표 S3). 어류 길이에 따른 중상 확률은 유의미하게 증가하는 볼록한 경향을 보였으며, 이는 대형 어류의 중상 위험이 점차 높아짐을 시사합니다(보충 표 S3).

FNAFP 대신 CAFP를 통과한 바퀴벌레의 경우 심각한 부상(p < 0.0001)의 가능성이 유의하게 높았고, 가벼운 부상(p < 0.0001)이나 부상 없음(p < 0.0001)의 가능성은 유의하게 낮았습니다(그림 5 및 보충 표 S2). CAFP를 통과한 150mm보다 큰 바퀴벌레는 두 마리뿐이었지만, 이 모델은 CAFP를 통과한 150mm보다 큰 바퀴벌레의 생존 가능성이 매우 낮았음을 시사합니다(6.8%). 반면 FNAFP를 통과한 같은 길이의 바퀴벌레의 경우는 그 반대였습니다(468rpm의 경우 91.5%, 550rpm의 경우 88.6%)(보충 그림 S11). CAFP를 통과한 바퀴벌레의 표본 크기가 작고 비교해야 할 부상 유형이 다양하기 때문에 통계적 검정력이 제한되었습니다(보충 그림 S17). 평균적으로 CAFP에서 3.1, 3.2, 3.3 및 3.4 등급이 FNAFP보다 발생할 가능성이 훨씬 더 높았지만, CAFP에 비해 FNAFP에서 2.3 등급과 1 등급이 발생할 가능성이 더 높은 경우에만 유의미한 것으로 나타났습니다(p < 0.0001)(보충 그림 S12).

도미, 바퀴벌레, 장어에 대한 가장 간략한 다항식 손상 모델의 모델 출력으로, 특정 손상 발생 확률을 나타냅니다. 95% 신뢰 구간은 종 및 시나리오별로 빨간색 띠로 표시됩니다. 장어의 경우, 관찰된 손상 유형이 두 가지(손상 없음 대 경미한 손상)뿐이었으므로 경미한 손상 발생 확률만 표시됩니다. FNAFP Fairbanks Nijhuis 축류 펌프.

바퀴벌레에 대한 가장 간결한 다항식 손상 모델의 모델 출력값은 강제 실험과 자연 이동 데이터를 모두 고려하여 특정 손상 발생 확률을 나타냅니다. 95% 신뢰구간은 종 및 시나리오별로 빨간색 띠로 표시됩니다. FNAFP Fairbanks Nijhuis 축류 펌프, CAFP 기존 축류 펌프.

천저압, 압력 변화율(ROC) 및 대수 비율 압력 변화(LRP)는 두 펌핑 스테이션에서 수집된 수동 센서 데이터를 기반으로 기압상해 관련 부상 위험과 생존율을 추정하는 데 사용되었습니다(표 1). LRP 값이 더 높은 시나리오(여기서는 순응 압력을 1000hPa로 취함)는 물고기에게 기압상해 위험이 증가하는 것으로 알려져 있습니다27. 예상대로, 대조군 샘플은 펌프를 통과하는 샘플보다 LRP가 유의하게 낮았습니다(그림 6 및 보충 그림 S15). 550rpm의 펌프는 468rpm의 펌프보다 LRP(p = 0.032) 및 ROC(p = 0.0027) 값이 유의하게 높았습니다(그림 6, 7 및 8). CAFP는 rpm에 관계없이 평균적으로 FNAFP보다 LRP가 현저히 높았지만, 유의미한 차이는 발견되지 않았습니다(저 rpm 및 고 rpm에서 각각 FNAFP와 비교했을 때 p = 0.064, p = 0.20). 이는 축류 펌프에 사용된 센서 수가 상대적으로 적기 때문일 수 있습니다.

시간별로 정규화된 압력 시계열의 평균과 중앙값을 구하면, CAFP의 최저 압력이 가장 낮고, 그 다음으로 고속 RPM의 FNAFP, 그리고 저속 RPM의 FNAFP 순으로 나타나는 것을 시각적으로 명확하게 알 수 있습니다(그림 7 및 8). FNAFP의 경우, 센서 주입 직후 압력이 꾸준히 증가하는 것으로 나타났습니다. 그러나 이러한 선형 등록은 기준점 대비 특정 시점(즉, 주입 시점, 최저점, 그리고 테일워터 출구 시점)에 발생하지 않는 신호를 완화한다는 점에 유의해야 합니다.

펌프 유형 및 운전 시나리오별 ROC, LRP 및 천저압의 로그를 나타내는 상자 그림. 본페로니 보정을 적용한 쌍대 윌콕슨 순위합 검정을 적용했습니다. p-값은 유의하지 않음 또는 ns (> 0.05), *(0.05–0.01), **(0.01–0.001), ***(0.001–0.0001), ****(0.0001–0)으로 분류했습니다. FNAFP Fairbanks Nijhuis 축류 펌프, CAFP 기존 축류 펌프, 제어 제어, LRP 로그 비율 압력 변화, ROC 변화율.

(A) 모든 센서의 평균 압력 시계열 그래프(95% 신뢰구간). (B) 모든 센서의 중앙값 압력 시계열 그래프(Q25% 및 Q75%). FNAFP Fairbanks Nijhuis 축류 펌프, CAFP 기존 축류 펌프, 제어 제어.

(A) 모든 센서 평균 압력 시계열 플롯(95% 신뢰 구간). (B) 모든 센서 평균 압력 시계열 플롯(Q25% 및 Q75%). (C) 모든 센서 평균 압력 시계열 플롯(95% 신뢰 구간). 최저점(0.4에서 0.6 사이의 상대 시간, 최저점 순간 0.5)에 초점을 맞춥니다. (D) 모든 센서 평균 압력 시계열 플롯(Q25% 및 Q75%). 최저점(0.4에서 0.6 사이의 상대 시간, 최저점 순간 0.5)에 초점을 맞춥니다. FNAFP Fairbanks Nijhuis 축류 펌프, CAFP 일반 축류 펌프.

유해한 전단 변형률 노출 기간(즉, 물고기가 견뎌야 하는 전단 응력)은 CAFP에서 FNAFP보다 유의하게 길었습니다(낮은 rpm과 높은 rpm에서 각각 FNAFP와 비교한 경우 p = 0.018 및 p = 0.0017)(그림 9). FNAFP의 경우, 전단 변형률 노출 기간은 550 rpm에서 468 rpm보다 유의하게 길었습니다(p = 0.00011). 그리고 두 FNAFP 시나리오 모두에서 전단 변형률 노출 기간이 대조 샘플보다 길었습니다. 대조 샘플 자체는 동일한 전단 변형률 노출 기간을 가졌습니다. 평균 및 최대 평균 변형률 속도는 유해한 전단 변형률 노출 기간과 주로 반대 패턴을 보였으며 CAFP의 평균 및 최대 변형률 속도가 가장 낮았습니다(보충 그림 S16). FNAFP 시나리오와 해당 대조 샘플 간의 차이는 유의하지 않았습니다.

펌프 유형 및 운전 시나리오별로 전단 변형률 임계값을 초과하는 기간을 나타내는 상자 그림. 본페로니 보정을 적용한 쌍별 윌콕슨 순위합 검정을 적용했습니다. p-값은 유의하지 않음 또는 ns (> 0.05), *(0.05–0.01), **(0.01–0.001), ***(0.001–0.0001), ****(0.0001–0)으로 분류했습니다. FNAFP Fairbanks Nijhuis 축류 펌프, CAFP 기존 축류 펌프, 제어 제어.

이 연구에서 FNAFP가 어류 안전 측면에서 CAFP보다 성능이 우수했지만, 바퀴벌레와 도미의 FNAFP 생존율은 펌프 제조업체가 가정한 97%보다 상당히 낮았습니다.23 반면, 장어의 100% 생존율에 대한 제조업체의 주장은 이 연구의 결과와 일치했습니다.23 앞서 언급했듯이 지금까지 FNAFP의 생존율에 대한 연구는 두 건뿐이었고 이러한 연구 결과는 표본 크기가 작고 재포획률이 낮으며 부상의 원인에 대한 의심스러운 가정으로 인해 신중하게 처리해야 합니다.23,24 Bierschenk 등은 FNAFP를 통과하는 바퀴벌레의 사망률이 0%라고 언급했지만, 200마리의 물고기 중 2마리(1%)만 재포획되었기 때문에 이러한 결과는 "재포획률이 낮기 때문에 신중하게 해석해야 한다"고 지적했습니다.24 영어: 일반 코와 농어의 재포획률은 각각 0.4%(1마리)와 8%(11마리)에 불과했고, 펌프 출구에서 잡힌 야생 물고기는 13마리뿐이었습니다. Vriese 등의 연구는 또한 표본 크기가 작고(즉, 바퀴벌레 32마리, 도미 28마리, 장어 25마리) 예상치 못한 부상 원인(즉, 펌프 후에 물고기가 그물에 강한 힘으로 날아옴)23이라는 단점이 있었습니다. 바퀴벌레의 부상 16건 모두와 도미에서 발견된 부상 5건 중 3건은 그물과의 강제적인 접촉에 기인했습니다. 표준화된 부상 프로토콜이 사용되지 않았고 그물과 펌프로 인한 부상 유형의 차이에 대한 문서가 매우 제한적이어서 이러한 결과는 해석하기 어렵습니다. 현재 연구에서는 펌프 전후의 취급이 미친 영향을 평가하기 위해 대조 표본을 사용했습니다. 326개의 대조 표본 중 부상이 있는 물고기가 1마리뿐이었기 때문에 펌프 통과 대신 취급에 부상이나 사망을 잘못 할당할 위험은 무시할 수 있는 것으로 간주할 수 있습니다. 마지막으로, 펌프의 특성과 펌프가 작동하는 조건이 달랐는데, Bierschenk 등이 사용한 600mm 직경 FNAFP는 495rpm에서 작동하고 9m\(^{3}\)s\(^{-1}\)의 토출량을 가졌고, Vriese 등이 사용한 800mm 직경 FNAFP는 333rpm에서 작동하고 1.35m\(^{3}\)s\(^{-1}\)23,24의 토출량을 가졌습니다. 이 연구에서는 468 및 550rpm에서 작동하고 각각 0.76 및 1.10m\(^{3}\)s\(^{-1}\)의 토출량을 갖는 600mm FNAFP가 사용되었습니다. 실험적 설정에서 고려하기 어려운 고정된 치수와 펌프의 작동 조건은 어류 친화성을 평가할 때 파악하는 것이 중요합니다. 한 펌프의 결과를 다른 펌프의 물리적 매개변수와 작동 특성을 고려하지 않고 그대로 적용해서는 안 됩니다. 두 펌프가 동일한 작동 원리로 작동하더라도 마찬가지입니다. 앞서 언급된 연구들의 한계점을 고려할 때, 본 연구는 FNAFP의 어류 친화성을 검증하는 적절한 기준이 될 수 있으며, 다른 조건에서의 추가 연구의 필요성을 강조할 수 있다고 생각합니다. FNAFP의 장어, 바퀴벌레, 도미의 생존율이 각각 100%, 70%, 24%라는 것을 확인했지만, 어류 친화 펌프가 충족해야 하는 요건에 대한 규정 및 규칙이 부족하여 FNAFP가 어류 친화성으로 간주되어야 하는지 여부를 판단할 수 없습니다. 안타깝게도 FNAFP를 비롯한 다른 펌프의 어류 친화성 여부는 주로 수사적인 성격을 띱니다. 새로운 펌프 시스템의 구매, 설치 및 유지보수를 담당하는 의사 결정권자들에게 "어류 친화성"이라는 라벨을 함부로 사용하지 못하도록 하는, 타당한 과학적 결과에 기반한 국제법이 필요합니다.

펌프 통과, 종, 어류 길이 및 rpm은 생존율과 부상에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 예상대로, 바퀴벌레와 도미의 생존율과 중상 위험에 영향을 미치는 가장 중요한 매개변수는 물고기가 펌프를 통과했는지 여부였습니다. 앞서 언급했듯이, 대조군 샘플에서는 326마리의 물고기 중 단 한 마리만이 중상을 입었습니다. 따라서 바퀴벌레와 도미에 대한 취급의 영향은 미미하고 펌프의 손상 영향은 유의미하다고 간주하는 것이 합리적입니다. 대조군 샘플과 펌프 통과 샘플 모두에서 100% 장어 생존이 관찰되었으므로, 조사된 조건에서 작동하는 FNAFP는 장어 통과에 안전한 것으로 간주할 수 있습니다. 펌프 통과 중 바퀴벌레와 도미의 생존율과 중상 위험에 영향을 미치는 두 번째로 중요한 요인은 물고기의 전체 체장 및/또는 종이었습니다. 도미는 항상 바퀴벌레보다 크고 큰 물고기일수록 부상에 더 취약해 보였기 때문에, 물고기 길이만이 원인이었는지, 아니면 몸집, 비늘 유형, 부레 형태 및 행동과 같은 다른 종 특이적 특성과 물고기 길이가 결합되었는지 확실하게 말할 수 없습니다.25,28. 물고기 길이는 CAFP에서 바퀴벌레의 생존에 부정적인 영향을 미치는 요인일 수 있습니다. Baumgarter는 축 펌프를 통과하는 50mm 미만의 작은 물고기와 200mm 이상의 큰 물고기가 각각 전단 응력과 충격으로 인해 가장 취약하다고 설명했습니다. 그러나 Baumgarter는 종과 함께 물고기 길이를 평가하지 않았으며, 이는 결과에 편향을 줄 수 있습니다. 물고기 길이, 종 특이적 행동 또는 이러한 요인의 조합이 펌프 통과 후 생존율에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.29.

마지막으로, rpm 증가의 영향은 유의하지 않았지만, 도미류에서 가장 두드러지게 나타나는 낮은 평균 생존 확률을 특징으로 했습니다. 바퀴벌레가 중상을 입은 경우, 손상은 비늘 손실로 구성될 가능성이 가장 높았고, 도미류의 경우 절개, 절단 또는 참수와 관련이 있을 가능성이 가장 높았습니다. 도미류와 바퀴벌레 모두 절개, 절단 또는 참수 위험이 rpm이 증가함에 따라 증가했지만, 그 영향은 도미류에서 가장 두드러졌습니다. rpm과 관계없이 바퀴벌레의 경우 가장 중요한 중상 유형은 비늘 손실이었습니다. 그러나 CAFP를 통과한 바퀴벌레의 경우 가장 흔한 중상 유형은 절개, 절단 또는 참수였습니다.

불행히도, 물고기당 실험은 매번 하루 안에 이루어졌기 때문에(장어: 2018년 10월 23일, 바퀴벌레: 2018년 11월 20일; 도미: 2018년 12월 18일) 수온과 같은 다른 환경 변수가 부상 위험과 생존율에 미치는 영향을 평가할 수 없었습니다. 환경 조건이 부상 위험에 영향을 미치는 것으로 알려져 있지만5,30 환경 변수의 영향을 평가하려면 실험에 시간 경과에 따라 분산된 추가 반복 실험이 필요하여 환경 조건의 변동성을 포괄해야 했습니다. 연구된 시스템과 수온이 비슷한 것으로 알려진 인근 강(에데)에서 장어, 바퀴벌레, 도미 실험 중 평균 일일 수온은 각각 10.4\(\,^{\circ }\hbox {C}\), 4.9\(\,^{\circ }\hbox {C}\) 및 6.5\(\,^{\circ }\hbox {C}\)였습니다. 더 높은 온도는 물고기의 신진대사와 활동을 증가시키는 것으로 알려져 있으므로 충돌을 통한 부상 위험이 높아질 수 있습니다.30. 또한 물고기가 최적의 온도 범위를 벗어나면(바퀴벌레: 12–25 \(^{\circ }\hbox {C}\); 도미: 10–26 \(^{\circ }\hbox {C}\); 장어: 4–20 \(^{\circ }\hbox {C}\)) 물고기가 더 많은 스트레스를 받고 결과적으로 기계적 부상에 더 취약해질 수 있습니다.5,31 연구 중에 수온은 도미와 바퀴벌레 실험 중보다 상당히 높았기 때문에 장어에게만 최적이었고, 후자 두 물고기 종은 잠재적으로 부상에 더 취약했습니다. 그러나 장어 실험 중 더 높은 온도는 도미와 바퀴벌레보다 더 활동적이게 만들어 첫 번째 효과를 상쇄했을 가능성이 있습니다. 환경 조건의 영향에 대한 추정치는 특히 펌프 자체의 작동 조건과 함께 평가해야 할 때 제한적입니다. 이상적으로는 다양한 변동성의 원인을 포괄할 만큼 충분한 반복 실험이 권장되지만, 그렇게 광범위한 실험에 드는 비용을 윤리 위원회에 정당화하기는 어려울 것입니다.

양수장을 통과하는 물고기의 부상 및 사망 원인을 파악하는 것은 물고기의 이동 경로와 구조물 내부의 본질적으로 복잡하고 역동적인 흐름을 관찰하는 방법론적 제약으로 인해 여전히 어려운 과제입니다.20 구조물에 드나드는 물고기의 상태는 평가할 수 있지만, 물고기가 정확히 어디에서 부상을 입었는지는 알 수 없습니다.32 더욱이 물고기는 여러 요인이 복합적으로 작용하여 부상을 입을 가능성이 더 높으며, 여러 부상 유형이 서로 은폐될 수 있습니다.5 수동 센서와 백팩 센서는 물고기가 겪는 환경에 대한 어느 정도의 정보를 제공할 수 있지만, 수동 센서 본체와 살아있는 물고기 본체 사이의 물리적 차이로 인해 물고기가 경험하는 상황을 완전히 대체할 수는 없습니다. 수리 구조물에서 알려진 부상 원인은 전단 응력(물 반대 방향으로 흐르는 힘으로 인해 발생), 압력 변화(급속 감압), 난류, 통기, 강체와의 충돌, 임펠러 충돌입니다.32 펌프의 경우, 충돌과 압력 변화가 가장 흔한 부상으로 추정됩니다.3,33

기압상해는 물고기가 급격한 감압 사건에 노출되어 발생하는 결과이며, 이는 펌프의 설계, 작동, 헤드, 잠수 및 유량과 물고기의 궤적에 따라 달라집니다. 이 연구에서 CAFP, 저 rpm에서의 FNAFP 및 고 rpm에서의 FNAFP에 대한 LRP(로그 비율 압력 변화)는 각각 평균 0.17, 0.048 및 0.079였으므로 기압상해가 FNAFP와 CAFP 모두에서 주요 부상 원인이 될 가능성은 낮습니다. 피소스톰 치누크 연어를 사용한 통제된 압력 연구에서 앞서 언급한 LRP 값이 99% 이상의 생존 확률과 일치함을 시사했습니다. 장어, 도미 및 바퀴벌레도 피소스톰 물고기로 간주되는데, 이는 수영 방광에서 장으로 공기를 옮길 수 있는 덕트가 있어 압력 변화에 반응하기 때문에 기압상해에 덜 취약하다는 것을 의미합니다. 은농어 어린 개체에 대한 통제 연구에서 0.17 LRP에서 신장출혈 사례가 몇 건 발견되었지만, 이 종은 압력 변화에 전혀 적응하지 못했다는 점에 유의해야 합니다.

관찰된 아가미, 아가미덮개, 눈의 손상은 기압상해에 의한 것일 수 있지만, 펌프 및 임펠러 충돌 시 내부 표면과의 접촉으로 인해 발생했을 가능성이 훨씬 더 높습니다. 기압상해의 전형적인 특징인 부상(예: 위 외반 및 부레 파열)은 관찰되지 않았지만, 충돌 및 충돌 시 흔히 발생하는 부상(예: 멍, 비늘 손실, 지느러미 손상, 절단 및 참수)은 관찰되었습니다.20 또한, 어류의 크기가 어느 정도 어류의 이동 경로를 결정하지만, 크기 자체가 기압상해에 의한 부상 위험에 영향을 미치는 주요 요인은 아닙니다. 본 연구에서 부상 및 사망률은 어류 크기에 따라 크게 달라지므로, 기압상해가 관찰된 부상의 주요 원인일 가능성은 낮습니다. 실제로 충돌, 날개 충돌, 전단 응력의 위험은 일반적으로 어류 크기에 따라 더 크게 좌우됩니다.32 어류가 전단 응력을 어떻게 경험하는지는 유해한 전단 응력 노출의 크기와 지속 시간에 따라 결정됩니다.33 유해한 전단 변형률 노출 기간은 고속 회전 시 CAFP에서 FNAFP, 저속 회전 시 FNAFP로 감소했지만, 관찰된 평균 및 최대 평균 전단 변형률은 대체로 반대 패턴을 보였습니다. 이로 인해 두 펌프 모두에서 전단 응력이 문제였는지 판단하기 어렵습니다. 그러나 전단 응력은 작은 어류에 더 해로운 것으로 알려져 있고, 도미와 바퀴벌레 모두 어류 길이가 길어질수록 부상 및 사망 위험이 크게 증가한다는 점을 고려할 때, 전단 응력이 관찰된 부상 및 사망의 주요 원인일 가능성은 낮습니다. 더욱이 전단 응력은 광범위한 유형의 부상을 유발하는 것으로 알려져 있기 때문에, 전단 응력이 지배적인 환경에서는 훨씬 더 광범위한 부상 유형이 나타날 것으로 예상했을 것입니다. 따라서 충돌과 블레이드 충돌이 주요 피해 원인이었을 가능성이 훨씬 더 높습니다.

FNAFP와 CAFP 모두에서 파업과 충돌이 부상 및 사망의 가장 유력한 원인으로 보이며, 이는 다른 펌프 설비에서 수행된 이전 연구 결과3,38,39를 뒷받침합니다. 두 펌프 모두 궤적과 작동 조건이 유사하다는 점을 고려할 때, 임펠러의 매끈한 모서리와 FNAFP의 넓은 중앙 개구부가 각각 파업과 충돌 사고 발생률을 낮추는 데 가장 큰 영향을 미쳤을 가능성이 높습니다38. 파업 위험 감소는 CAFP에 비해 FNAFP의 가장 큰 기여로 보입니다. 실제로 CAFP에서 바퀴벌레가 입었던 가장 빈번한 중상은 절개와 절단이었는데, 이는 임펠러 파업으로 인한 것일 가능성이 가장 높았지만, FNAFP에서 바퀴벌레가 입었던 중상은 가장 빈도가 낮았습니다. FNAFP에서는 바퀴벌레 충돌이 CAFP에 비해 빈도와 심각도가 낮았지만, FNAFP에서 경미한 비늘 손실과 멍이 발생한 사례가 많다는 점은 충돌이 여전히 문제이며, FNAFP에서 바퀴벌레가 입는 가장 흔한 중증 부상 유형이 비늘 손실이었다는 점을 고려할 때, 충돌이 부상의 가장 중요한 원인일 가능성이 높다는 것을 시사합니다. 그러나 FNAFP에서는 회전 속도가 증가할수록 충돌이 더 두드러지는 것으로 나타났습니다. 특히 도미의 경우, 회전 속도가 낮을 때는 경미한 비늘 손실과 멍이 가장 흔한 부상 유형이었고, 회전 속도가 높을 때는 심각한 절개와 절단이 가장 흔했습니다.

FNAFP는 임펠러 모서리가 매끄럽고 중앙 개구부가 넓어 파업 발생 위험을 줄여 어류 친화성 측면에서 기존 CAFP보다 우수하지만, 어류의 안전한 통과 능력은 어종, 어류 특성 및 운영 조건에 따라 크게 달라집니다. 상호작용하는 요인들의 복잡성과 관찰된 손상의 원인을 정확하게 파악하기 어려운 점을 고려할 때, 펌핑 설비를 평가하고 비교할 때 표준화된 평가 또는 최소한 필수 요소에 대한 체크리스트가 필요합니다. 합의된 프로토콜 외에도, 어류 안전 또는 어류 친화 펌프로 분류되기 위해 어떤 기준을 충족해야 하는지에 대한 합의가 절실히 필요합니다. 이는 수자원 관리자들이 펌프 구매, 설치 및 운영과 관련하여 정보에 기반한 선택을 할 수 있는 토대를 마련하기 위함입니다. 더 구체적으로, 다양한 조건에서 운영되는 다양한 펌프 설비의 어류 안전에 대한 연구를 통합한 표준화된 데이터베이스를 구축하면 불확실성 조항을 포함한 증거 기반 규칙을 도출하여 수자원 관리자의 의사결정에 도움을 줄 수 있을 것이라고 주장합니다. 마지막으로, 이처럼 건전한 설계를 갖춘 기준 연구의 조건이 수자원 관리자가 직면하는 실제 상황과 완벽하게 일치하지는 않을 가능성이 있지만, 이를 통해 추론 가능한 사항에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 추론할 수 없는 사항에 대한 주의를 환기하고 의심스러운 경우 추가 테스트의 필요성을 강조할 수 있습니다.

벨기에 빈데르하우테(Vinderhoute)의 저지대 아우데 칼레 강(Oude Kale River)에 있는 데블스 홀(Devil's Hole) 펌프장(위도 51.087184\(^{\circ }\) (N), 경도 3.656618\(^{\circ }\) (E), WGS84)은 아우데 칼레 강의 여수를 헨트-오스텐드 운하(Ghent-Ostend-Canal)로 펌핑합니다(그림 10). 이 펌프장에는 일반 축류 펌프(CAFP) 3대와 페어뱅크스 나이위스(Fairbanks Nijhuis) 축류 펌프(FNAFP) 2대가 설치되어 있습니다.

펌핑 스테이션의 CAFP는 4날 프로펠러, 배출 노즐 직경 600mm, 흡입 노즐 직경 750mm, 임펠러 직경 580mm, 날개 각도 19°, 고정 회전 속도(rpm)를 갖습니다. 각 CAFP의 배출 용량은 1 m3s-1입니다.

FNAFP는 Nijhuis Pumps23와 협력하여 FishFlow Innovations에서 개발했습니다. 이 어류 친화적 펌프의 원리는 펌프의 임펠러 모양과 가이드 베인의 조정에 기반합니다. 이는 (1) FishFlow Innovations의 튜브 나사에서 파생된 디자인, (2) 기존 프로펠러에 비해 더 큰 볼 직경, (3) 절단을 방지하기 위한 둥근 임펠러 및 가이드 베인 가장자리가 특징입니다.40 이러한 조정은 물고기가 부상 없이 펌프를 통과할 수 있도록 해야 합니다. 또한 프로펠러에 캐비테이션이 없어 소음이 적어 물고기가 펌프를 이동 장벽으로 느끼지 않도록 해야 합니다. FNAFP는 CAFP(600mm)와 동일한 노즐 직경을 갖지만 주파수 변환기를 사용하여 속도를 293rpm(25Hz, 50%)에서 585rpm(50Hz, 100%)까지 변경할 수 있습니다. 따라서 배출 용량은 0.47 m\(^{3}\)s\(^{-1}\)과 1.1 m\(^{3}\)s\(^{-1}\) 사이에서 변합니다. 블레이드 각도는 30\(^{\circ }\)으로 고정됩니다. 이 연구에서는 어류 및 기압상해 감지 센서(BDS)를 두 가지 다른 작동 시나리오(즉, 회전 속도)에서 평가했습니다. (1) 정상 작동 지점 550rpm(47Hz) 및 (2) 감소 작동 지점 468rpm(40Hz)에서(표 2). CAFP의 경우 CAFP의 생존율이 매우 낮을 것으로 예상되므로 윤리적 이유로 활어를 적극적으로 추가하지 않았습니다. 대신 펌프 간 및 작동 설정 간 차이를 비교하는 데 통계적으로 덜 강력하지만 CAFP를 통한 자연 통과가 기록되었습니다.

악마의 구멍 펌핑 스테이션과 실험 장치의 개략도(상단 보기)와 흐름 방향 표시.

네덜란드의 NEN 8775 표준(펌핑 스테이션과 수력 발전소에서 사용하는 펌프, 아르키메데스 나사, 한정된 수차의 어류 안전성을 결정하는 방법을 설명함)을 기반으로, 유럽 장어(Anguilla Anguilla), 도미(Abramis brama), 바퀴벌레(Rutilus rutilus)의 세 가지 양식장에서 키운 종이 FNAFP 평가를 위해 선정되었습니다. 장어는 벨기에 있는 Berlare의 Borremans 양식장에서 제공되었고, 바퀴벌레와 도미는 Zonhoven(벨기에)의 Vandeput 양식장에서 제공되었습니다. 시나리오당 종당 최소 300마리의 개체를 확보하는 것이 목표였지만(보충 그림 S17), 초기 테스트에서 도미의 생존율이 낮았기 때문에 시나리오당 약 100마리의 도미 개체만 사용했습니다(약 50마리를 목표로 한 대조 시나리오 제외)(표 2). 지느러미 절단은 다른 시나리오의 물고기를 구별하는 데 사용되었습니다. 양수장이 위치한 강물에 적응하고 운송으로 인한 스트레스를 회복하기 위해, 실험 어류는 데블스 홀 양수장 상류에 있는 부유식 프레임 그물에 최소 24시간 동안 보관했습니다(그림 10). 마찰/마모로 인한 부상을 방지하기 위해 매듭 없는 그물을 사용했습니다. 어류가 뛰어오르거나 새 등에게 포식당하는 것을 방지하기 위해 그물은 부드러운 그물 소재로 덮었습니다. 부유식 프레임 그물의 밀도는 양식장의 밀도와 유사했습니다. 실험 동물의 사용은 벨기에 법률(EC 윤리위원회 승인: 사례 번호 ECINBO-010)을 준수합니다. 실험은 ARRIVE 가이드라인44을 준수하여 수행 및 보고되었습니다.

유럽산 장어, 바퀴벌레, 도미를 대상으로 각각 2018년 10월, 11월, 12월에 실험이 수행되었습니다. 실험에 사용된 어류의 길이 분포는 어류가 산란을 위해 펌프를 통과할 가능성이 가장 높은 생활 단계(즉, 산란 이동)의 길이 분포를 반영해야 합니다.43 그러나 실제로 연구자들은 다양한 길이 등급의 어류를 제한적으로만 공급하는 인근의 몇몇 공급업체에 크게 의존하고 있습니다. 본 연구에 사용된 세 종의 평균 어류 길이는 유의미하게 달랐으며(결과 참조), 어류 길이 또는 다른 종의 특성이 생존율 차이를 유발했는지 여부를 판단할 수 없었습니다. 그러나 자연에서 세 종의 개체군 평균 또한 유의미하게 다르기 때문에, 종 간의 평균 길이를 비교하는 것은 개체군 평균과 실험 평균의 불일치로 인해 실제 상황에 외삽하기 어려운 결과를 초래했을 것입니다. 따라서 종 간의 통계적 비교는 교란 요인의 존재 가능성을 항상 고려해야 하며, 어류 길이와 같은 특성이 중요한 영향을 미칠 수 있으므로 결과를 외삽할 때는 신중하게 고려해야 합니다.

펌프에 투입하기 전, 각 물고기의 건강 상태를 평가하고 잠재적으로 손상된 물고기는 실험에서 제외했습니다. 다음으로, 물고기를 통풍이 잘 되는 이동통으로 옮겨 펌프 저장고의 고요한 수면에 딥그물을 사용하여 방류했습니다. 펌프 상류 약 5미터 지점에 격자망을 설치하여 동물들이 아우데 칼레(Oude Kale)로 탈출하는 것을 방지했습니다. 따라서 실험 동물들은 펌프에서 상당히 떨어진 고요한 상층 수층에 투입되어 자연스럽게 방향을 바꾸고 펌프에 접근할 수 있었습니다. 물고기는 파이크 그물(fyke net)을 통해 통과 후 포획했습니다. 대조군 동물은 펌프 뒤의 파이크 그물에 추가하여 취급으로 인한 부상이나 실험 장치와 관련된 부상을 평가했습니다.

펌프 통과 후 그물을 비우고 모든 물고기를 즉시 큰 통기 90L 탱크로 옮겼습니다. 물고기는 비정상적인 수영 행동(부유, 역류,...)이 있는지 확인했습니다. 각 물고기의 상태(죽음 또는 생존)와 눈에 보이는 외부 또는 내부 부상에 따른 신체 상태는 NEN 지침43의 분류에 따라 조사했습니다. 물고기 부상은 세 가지 범주로 구분했습니다. (1) 부상 없음; (2) 사소한 표면 긁힘(2.1), 붉거나 손상된 눈/지느러미(2.2) 또는 사소한 비늘 손실(2.3); (3) 비늘 손실(체표면의 20% 이상; 3.1), 절개, 베임, 참수(3.2), 골절(3.3), 심하게 다치거나 눈이 없음(3.4), 심하게 다친 아가미 또는 아가미 덮개(3.5), 심한 타박상 또는 출혈(3.6), 비정상적인 행동(3.7). 참수되거나 불완전한 개체의 경우, 물고기 수는 머리 수를 세어서만 결정되었습니다. 2등급과 3등급의 부상을 입은 물고기의 사진을 촬영했습니다. 기압상해를 입은 물고기는 다음 특징 중 하나 이상을 보입니다: 부레 손상 또는 파열, 눈의 기포 및/또는 조직의 기포. 물고기가 온전한 경우, 물고기의 특징을 측정했습니다: 체중(g 단위) 및 총 길이(mm 단위). 3등급의 부상을 입은 물고기는 정향유(Sigma-Aldrich) 과다 투여(3ml/l)하여 안락사시켰습니다. 시험 완료 후, 건강하고 손상되지 않은 물고기와 약간 손상된 물고기를 Devil's Hole 펌핑 스테이션 옆의 부유식 프레임 그물에 보관하여 지연 폐사율을 연구했습니다. 24시간 후, 지연 폐사율을 검사하고 죽은 물고기를 그물에서 꺼냈습니다. 다음 날, 지연 폐사율과 비정상적인 유영 행동(예: 관찰되지 않은 내부 손상의 결과)을 검사했습니다. 생존한 모든 물고기는 자연산림청(ANB)의 허가를 받아 겐트-오스텐드 운하에 방류되었습니다(그림 10). 실험 후 24시간 이내에 내부 손상이 직접적으로(예: 명백한 내부 출혈 징후를 통해) 또는 간접적으로(행동을 통해) 관찰될 경우, 이를 기록하고 분류했습니다. 비록 이러한 가능성이 낮다고 생각했지만, 일부 내부 손상은 간과되었을 가능성이 있으며, 이로 인해 물고기 생존에 부정적인 영향을 미쳐 사망률이 과소평가되었을 수 있습니다. 실험 기간 동안 사망률이 과소평가된 것을 일반화하는 것은 어렵습니다. 펌프 시스템 간, 심지어 펌프 시스템 내에서도 사망률이 상당히 다르다는 것이 알려져 있기 때문입니다. 따라서 임계값을 사용할 수 없지만, 대부분의 실험에서는 지연된 사망률을 결정하기 위해 물고기를 24시간 동안 유지했습니다.

프로펠러 펌프 또는 고전적인 축류 펌프를 통한 자연 이동 및 비강제 이동 후 잉어류와 뱀장어가 받는 피해는 일반적으로 매우 높습니다.42 각 펌프장의 구성이 다르더라도, 본 연구에서는 많은 실험 동물들이 데빌스 홀 펌프장의 CAFP를 통과하는 펌프 이동 중 및 이동 후 상당한 불편함을 경험할 것으로 추정할 수 있습니다. 따라서 CAFP를 강제로 통과시켜 어류의 생존율을 측정하는 것은 윤리적으로 정당화될 수 없으며, 윤리 위원회(유사한 펌프 시설42에서의 이전 결과를 바탕으로)에서도 허용하지 않았습니다. 대신, CAFP가 작동 중일 때 불가피한 어류의 자연 이동을 기록했습니다. 따라서 CAFP 중 하나의 유출구에 파이크 그물(fyke net)을 부착했습니다(그림 10). 또한, CAFP와 FNAFP에 BDS(Best Dispersive ...

부상은 부상 없음(범주 1), 경미한 부상(범주 2), 심각한 부상(범주 3)의 부상 등급으로 그룹화되었습니다. 개체에서 관찰된 가장 심각한 부상 등급에 따라 해당 개체의 부상 등급이 결정되었습니다. 물고기는 사망, 죽어가는 것 또는 심각한 부상을 입은 생존으로 관찰된 경우 사망으로 분류되었습니다. 실험 중 FNAFP의 펌프 셀러를 위에서 관찰하여 스크린 근처의 해류에 맞서 헤엄치는 물고기가 있는지 확인하여 펌핑을 피했습니다. FNAFP의 펌프 셀러에 남아 있던 물고기는 종종 펌프 회전 속도가 다른 다음 실험에서만 펌핑되었습니다. 따라서 이러한 물고기는 이 후속 시나리오에 할당되었습니다. 이로 인해 물고기가 할당된 이론적 시나리오와 실제로 관찰된 시나리오 사이에 차이가 있을 수 있습니다. 펌핑된 물고기가 펌프의 강한 난류 유출에서 즉시 그물에 걸렸기 때문에 물고기를 FNAFP를 떠나는 것으로 관찰된 시나리오에 할당하는 것은 정당화될 수 있습니다. 밸브 하류의 짧고 난류가 심한 지역에 숨는 것은 사실상 불가능했습니다. 길이 값이 이상치인 어류, 즉 Q1보다 3배 IQR(사분위수 범위)를 벗어나거나 Q3보다 3배 IQR을 벗어나는 어류는 제거했습니다. 바퀴벌레의 경우, 극단적인 이상치 6개를 제거했습니다. 다른 종은 측정값을 제거하지 않았습니다.

모든 분석에서 rpm(이산 변수: 468 rpm 대 550 rpm)과 어류 길이(연속 변수)를 고려했습니다. 전체 데이터셋(즉, 모든 종)을 고려하는 경우, 종(species)도 분석에 포함했습니다. 데이터 전처리 및 분석은 R 소프트웨어(버전 3.6.2, R Developer Core Team, R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria)를 사용하여 수행했습니다.

FNAFP 시나리오별 어류 길이 분포가 어느 정도 차이가 나는지 알아보기 위해, 어류 길이를 반응 변수로, 시나리오별 변수를 변수로 하는 분산분석(ANOVA) 모형을 구축했습니다. 시나리오 간에 유의미한 차이(p < 0.05)가 발견되면, 투키(Tukey) 보정을 적용한 사후 쌍대 비교를 수행했습니다. 95% 신뢰구간을 계산하고 시각화했습니다. 분석은 어종별로 수행했습니다.

FNAFP의 다양한 시나리오에 대한 생존율을 평가하기 위해 전체 데이터 세트와 각 종에 대해 개별적으로 의사결정 트리를 개발했습니다.45 이러한 트리는 데이터와 기본 패턴에 대한 직관적이고 명확한 개요를 제공합니다. 각 어류의 상태(살아 있음 = 1 대 사망 = 0)를 반응 변수로 사용했습니다. 설명 변수는 종(이산형), rpm(이산형), 어류 길이(연속형)였습니다. 또한, 생존율에 영향을 미치는 요인에 대한 보다 자세한 평가를 제공하기 위해 각 종에 대해 베르누이 반응을 갖는 로지스틱 모델을 개발했습니다. 각 어류의 상태(살아 있음 = 1 대 사망 = 0)를 반응 변수로 사용했습니다. 전체 모델의 설명 변수는 rpm(이산형), 어류 길이(연속형) 및 이들의 상호 작용이었습니다. 각 시나리오의 어류를 한꺼번에 모두 추가하지 않고, 매번 약 50~100마리씩 표본으로 나누어 추가했기 때문에(펌프 과밀 문제를 피하기 위해 너무 많지도 않고, 통계적 검정력 저하를 피하기 위해 너무 적지도 않음), 표본 간 시간 차이와 관련된 알려지지 않고 설명되지 않은 효과가 있었을 가능성이 있습니다. 따라서 혼합 로지스틱 모델에서 표본 ID를 임의 효과로 제공하는 것의 부가 가치는 임의 효과로 설명된 변동과 고정 효과로 설명된 변동을 비교하여 평가했습니다. 각 표본의 대표성을 확보하기 위해 각 표본에는 최소 6마리의 어류가 포함되어야 했습니다(일부 표본은 이론 시나리오와 실제 시나리오의 차이로 인해 예상보다 훨씬 적었습니다). 혼합 모델을 개발할 때 어류가 더 적은 표본은 고려하지 않았습니다. 이러한 혼합 모델은 특이 적합도를 제공했기 때문에 혼합 로지스틱 모델 대신 단순 로지스틱 모델을 사용했고, 어류 수에 관계없이 모든 표본을 사용했습니다. 가장 간소한 모델을 얻기 위해 AIC(Akaike Information Criterion)를 선택 기준으로 하는 단계적 모델 선택을 적용했습니다. 각 시나리오에 대해 95% 신뢰구간을 추정했습니다. 또한, 앞서 언급한 모델을 사용하여 세 가지 길이 등급(각 길이 등급은 대략 동일한 개체 수를 포함함)에 대해 예측 구간을 추정했습니다. 모든 장어 시료와 대부분의 대조군 시료(468 rpm에서 심하게 다친 어류 한 마리가 이상 행동을 보인 바퀴벌레 제외)의 생존율이 100%였으므로 계수로 포함하지 않았고, 표준 오차는 무한한 값을 산출할 것입니다.

생존율과 손상 측면에서 FNAFP와 CAFP를 비교하기 위해, 바퀴벌레에 대한 로지스틱 모델과 다항 모델을 개발했습니다. 설명 변수로는 시나리오(468 rpm에서의 FNAFP, 550 rpm에서의 FNAFP, 그리고 CAFP), 어류 길이, 그리고 이들의 상호작용을 사용했습니다. 모델 선정은 이전 모델과 동일한 방식으로 진행했습니다.

부상 유형이 어느 정도 상태(즉, 생존 대 사망)와 생존율을 결정하므로 둘 다 밀접하게 관련되어 있을 것으로 예상됩니다. 그럼에도 불구하고 특정 유형의 부상 확률에 영향을 미치는 요소를 평가하기 위한 별도의 분석이 여전히 권장됩니다. 부상을 평가할 때 죽었지만 외부 부상이 없는 물고기는 생략했습니다. 부상 등급(즉, 부상 없음, 경미한 부상, 심각한 부상)과 부상(예: 2.1, 2.2, 2.3)을 반응으로 하고 종(이산), rpm(이산) 및 물고기 길이(연속)를 설명 변수로 하는 의사결정 트리가 개발되었습니다. 마지막으로 생존 확률을 평가하기 위한 로지스틱 모델과 병행하여 부상과 부상 등급을 반응으로 하는 다항 모델이 개발되었습니다. 가장 간소한 모델을 얻기 위해 AIC를 선택 기준으로 하는 단계별 모델 선택이 적용되었습니다. 각 시나리오에 대해 95% 신뢰 구간이 추정되었습니다.

각 BDS 센서는 길이 140mm, 지름 40mm의 원통형 폴리카보네이트 튜브와 가공된 폴리옥시메틸렌(POM) 캡 2개, 센서 전자 장치로 구성되며, AAA 알카라인 배터리 2개로 구동됩니다. 총 건조 중량은 147g입니다. 센서는 중성 부력을 가지며 100Hz의 속도로 총 수압을 측정합니다. 압력 센서는 최대 2000hPa(MS5837-2BA, TE Connectivity, 스위스)의 수압을 가지며, 정격 감도는 0.02hPa(약 0.2mm 수주)입니다. 본 연구에서 압력 센서 데이터는 0.01hPa의 분해능과 1.0hPa(약 10mm 수주)의 정확도로 기록되었습니다. 센서 현장 배치 전에 각 센서의 정확도는 최대 정격 압력보다 2.75배 높은 최대 5500hPa의 총 압력에서 맞춤 제작된 기압실에서 실험실 테스트를 통해 결정되었으며, 이는 현장에서의 고장 위험을 줄이기 위한 것입니다. 상업용 압력 센서(HOBO U20-001-02, Onset Computer Corp., USA)를 사용하여 기압실의 압력을 기록하고 각 BDS의 정확도를 검증했습니다. BDS는 먼저 자기 스위치로 공기 중에서 활성화되고, 국소 대기압은 15초 동안의 평균값으로 계산됩니다. 그 후, 장치는 각 압력 센서를 자동으로 1000hPa의 기준 값으로 설정합니다. 센서의 중성 부력은 평평한 끝 캡을 나사로 조이거나 빼서 하우징의 부피를 늘리거나 줄여서 달성됩니다. 세 개의 동일한 디지털 센서는 펌프 통과 중에 발생하는 대기압, 정수압 및 유체 동압의 합인 총 수압을 측정합니다.

센서 현장 테스트는 2018년 12월 11일부터 13일까지 3일간 진행되었습니다. 현장 배치는 4단계로 구성됩니다. 먼저, 센서는 공기 중에서 자석 스위치를 사용하여 켜지고 대기압 보상이 수행되었으며, 이 시간은 현장 프로토콜에서 센서 시작 시간으로 기록되었습니다. 다음으로, 센서는 흡입 영역에 수동으로 떨어뜨려 펌핑 스테이션에 주입되었으며, 그 직후 추가 개입 없이 펌프로 끌어당겨졌습니다. 이 연구에서는 강제 주입 시스템을 사용하지 않았습니다. 펌프 통과 후, 센서는 배치 후 2~5분 이내에 네트로 회수되었습니다. 총 186회의 센서 배치 중 5개의 센서가 손실되었고 10개의 데이터 세트는 센서의 심각한 손상(예: 하우징 파열, 배터리 압착)으로 인해 사용할 수 없었습니다. 축류 펌프의 경우 13개의 센서 배치에서 총 6개의 데이터 세트를 얻었으며, 468rpm의 FNAFP에서 64/80, 550rpm의 FNAFP에서 51/63이었습니다. 두 가지 제어 시나리오(468 및 550 rpm) 각각에 대해 총 15회/15회의 BDS 배치가 성공적으로 복구 및 처리되었습니다. 순 복구 후, 각 센서 배치의 바이너리 파일은 펌프 스테이션 및 제어 통로에서의 기압손상 위험을 평가하기 위한 후처리를 위해 노트북에 저장되었습니다.

관심 영역(ROI)은 별도로 명시되지 않는 한, 세 개의 BDS 압력 센서의 평균 압력을 사용하여 각 압력 시계열에 대해 수동으로 식별되었습니다. 이상치는 평균 압력이 10^5 hPa인 측정값으로 정의되었으며, 시계열 평균화 전에 이러한 압력 센서 데이터세트를 제거했습니다.

주입 시간은 1005 hPa(100.5 kPa) 값을 초과하는 첫 번째 압력 판독값으로 간주했습니다. 최저점 압력의 결정은 제어 및 펌프 통과 센서 데이터에 따라 달랐습니다. 펌프 통과 최저점은 주입 순간 후 3~75초 사이에 위치했습니다(그림 11). 펌프 통과 최저점은 임펠러를 통과할 때 총 압력이 갑자기 감소하는 것이 특징이므로, 주입 시간을 알면 평균 압력의 상대적 변화를 사용하여 최저점 값을 자동으로 식별할 수 있습니다. 11개 샘플의 필터 창 크기에 2차 다항식을 사용하여 압력 시계열 데이터에 Savitzky-Golay 평활화 필터를 적용했습니다. 최저점은 20 hPa의 임계값 차이를 사용하여 평활화된 시계열 압력의 절대 변화를 기반으로 시간(< 0.1초) 내에 감지되었습니다. 마지막으로 이러한 요구 사항을 충족하는 시계열에서 발견된 가장 낮은 값을 최저점으로 식별했습니다. 제어 샘플의 경우, 주입 후 5~75초 이내에 최저점(nadir)이 측정되었습니다. 펌프 통과 데이터와 달리, 제어 압력 시계열의 경우 데이터를 평활화할 필요가 없었으며, 제어 통과 중 가장 낮은 압력을 최저점으로 삼았습니다. 모든 압력 센서 데이터를 시각적으로 확인한 후에는 수동 보정이 필요하지 않았습니다.

본 연구에서 평가된 세 가지 기압상해 매개변수 도출과 펌프 통과 압력 시계열의 개략적 개요. (A) 주입, 최저 압력, 그리고 네트 출구를 보여주는 펌프 통과 중 일반적인 압력 시계열. (B) 압력 매개변수는 최저 압력, 비율 압력 변화, 그리고 최대 압력 변화율을 기반으로 평가되며, 이 모든 요소는 펌프 임펠러 바로 근처에서 발생합니다.

시나리오 간 센서 기반 기압상해 매개변수에 유의미한 차이가 있는지 평가하기 위해 Kruskal-Wallis 검정을 사용했습니다. 귀무가설은 펌프와 시나리오 간에 BDS 앙상블 평균 압력 매개변수(천저점, LRP 및 ROC)에 차이가 없다는 것입니다. 유의미한 효과가 감지된 경우, Bonferroni 보정을 사용한 쌍대 Wilcoxon 부호 순위 합 검정을 사용하여 시나리오 간 비교를 수행했습니다. 천저점 압력은 기압상해 발생을 평가하는 데 중요한 측면이며, 센서에 대한 시간에 따른 압력의 단순 평균은 다른 센서에 대한 주입 이후 약간 다른 순간에 발생했기 때문에 천저점을 부드럽게 만들었을 것입니다. 따라서 시각화를 위해 압력-시간 플롯에서 기준으로 정의하여 시간상 가장 흥미로운 세 가지 순간(즉, 주입, 천저점 및 출구)을 묘사하기로 결정했습니다. 보다 구체적으로, 주입 시점, 최저점 압력, 그리고 센서 간 출구 사이의 가변적인 지속 시간을 고려하기 위해, 시계열 데이터는 압력 최저점을 중앙값(0.5)으로 하여 0(주입)에서 1(펌프에서 후류로 배출)까지의 통과 지속 시간 간격으로 정규화되었습니다. 시간 정규화 방법은 선형 등록을 사용하여 각 시계열을 보간(평균값 사용)합니다.46 본 연구에서는 주입 시점과 최저점 사이에 등간격으로 배치된 500개의 시점과 최저점과 출구 사이에 등간격으로 배치된 500개의 시점을 사용했습니다. 정규화된 통과 지속 시간의 함수로서 평균 및 중앙값 압력 그래프를 작성했습니다.

Achenbach et al.47에서 도출된 식 (1)에 근거하여, BDS 압력 데이터는 변형률 속도 추정치로 직접 변환되어 임계값과 비교될 수 있습니다. 문헌에서는 어린 무지개송어(Oncorhynchus mykiss), 봄철 및 가을철 치누크 연어(O. tshawytscha), 그리고 미국 청어(Alosa sapidissima)의 전단 응력 관련 손상에 대한 임계값으로 500 s_(^{-1}_)이 권장되어 왔습니다.37 따라서 이 값은 전단 응력 관련 손상이 언제, 그리고 얼마나 오랫동안 발생할 수 있는지를 파악하기 위한 임계값으로 사용되었습니다.

중앙 압력 센서와 왼쪽 또는 오른쪽 압력 센서 사이의 압력 차이는 \(\Delta\)Pcl 및 \(\Delta\)Pcr로 표시되며 전체 펌프 통로에 대해 계산되었습니다. 얻은 압력 차이를 사용하여 왼쪽(\(\varepsilon\)cl) 및 오른쪽 변형률(\(\varepsilon\)cr)을 식 (1)을 사용하여 계산한 후 펌프 임펠러 통로에 대한 평균 변형률을 계산했습니다. 수온과 속도가 레이놀즈 수에 영향을 미치는 매개변수이므로 BDS 배치 중 기록된 수온(4.5\(\,^{\circ }\hbox {C}\))을 변형률 계산에 사용했습니다. 이 연구에서는 CFD 모델링을 수행하지 않았으므로 펌프 내 속도에 대한 펌프별 추정값을 사용할 수 없었습니다. 그러나 유사한 펌프 설계를 사용한 이전 작업을 기반으로 5~15ms\(^{-1}\) 사이의 가능한 속도 범위48를 가정했습니다. 추가 계산을 위한 적절한 속도를 결정하기 위해, 500 s_(^{-1}_)의 변형률 속도에서 해당 압력 차이를 5, 10 및 15 ms_(^{-1}_)의 속도에 대해 Eq. (1)을 사용하여 계산했습니다. 4.5_(\,^{\circ }\hbox {C}_)의 온도에서 결과 압력 차이는 각각 3.45 hPa, 4.86 hPa 및 5.95 hPa였습니다. 이러한 속도에서 임계값을 시각적으로 평가한 후 5 ms_(^{-1}_)의 속도가 선택되었습니다. 이 선택은 5 ms_(^{-1}_)에서 가장 높은 변형률 속도가 생성되었고 예방 원칙에 따라 이 값이 전단 관련 부상의 가능한 발병을 추정하는 데 가장 적합한 것으로 간주되었다는 사실에 따른 것입니다. 더욱이, 임계치를 초과했을 때 압력 차이가 상당히 증가했기 때문에, 다양한 속도에서 임계치 간의 차이는 임계치 초과 발생에 영향을 미치지 않았습니다. 문헌에 따르면, 500초의 변형률 속도는 전단 응력 관련 손상의 임계치 역할을 합니다37. 이 값은 이러한 손상의 잠재적 발생을 판단하는 벤치마크로 채택되었습니다. 500초의 임계치와 계산된 평균 변형률 속도의 교점을 사용하여 변형률이 손상 임계치를 초과한 지속 시간을 결정했습니다. 변형률이 500초를 초과한 지속 시간과 해당 평균 전단 응력 값을 보고했습니다.

이 연구 결과를 재현하는 데 필요한 데이터(https://doi.org/10.5281/zenodo.14160723)와 코드(https://doi.org/10.5281/zenodo.14163421)는 zenodo와 github을 통해 공개되었습니다.

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참고문헌 다운로드

Nico De Maerteleire(INBO), Sebastien Pieters(INBO), Raf Baeyens(INBO), Emilie Gelaude(INBO), Charlotte Steendam(INBO), Karen Robberechts(INBO), Koen Martens(VMM), Maarten Lauwers(VMM) 및 Christiaan De Meulemeester(Watering Oude Kale en Meirebeek)는 일반적인 물류 및 기술 지원을 제공했습니다. 물고기 실험. 이 작품은 에스토니아 연구 위원회 보조금(PRG2198)의 지원을 받았습니다. Sarah Broos는 FWO 보조금(1SHHB24N)의 혜택을 받았습니다.

자연과 산림 연구소(INBO), Havenlaan 88, bus 73, 1000, 브뤼셀, 벨기에

Stijn Bruneel, Ine S. Pauwels, Sarah Broos, Lore Vandamme, Jeroen Van Wichelen, Johan Coeck 및 David Buysse

에스토니아 탈린, 탈린 공과대학교 컴퓨터 시스템학과

사라 브로스, 거트 토밍, 제프리 A. 투탄

벨기에 겐트 대학교 토목공학과 수력학 연구실

사라 브루스

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JT, DB: 개념화, St.B.: 데이터 큐레이션, 시각화, 초안 작성, 소프트웨어, St.B., Sa.B: 형식 분석, JT, DB: 연구비 확보, JT, DB: 지도, JT, DB: 프로젝트 관리, St.B., JT, DB: 방법론, DB, JT: 자료, 모든 저자: 집필 - 검토 및 편집. 모든 저자는 출판된 원고를 읽고 동의했습니다.

Stijn Bruneel의 서신입니다.

저자들은 어떠한 이해관계도 없다고 선언합니다.

본 연구에서 수행된 부화 어류 및 야생 어류 실험은 자연산림연구소(ECINBO-010) 윤리위원회의 승인을 받았습니다. 실험은 ARRIVE 가이드라인을 준수하여 수행 및 보고되었습니다.

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재인쇄 및 허가

Bruneel, S., Pauwels, I.S., Broos, S. 외. 어류 친화적 축류 펌프는 장어에는 안전하지만 바퀴벌레에는 안전하지 않고 도미에는 안전하지 않은 것으로 밝혀졌습니다. Sci Rep 14, 30234 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-81095-6

인용문 다운로드

수신: 2024년 6월 19일

승인일: 2024년 11월 25일

게시일: 2024년 12월 4일

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-81095-6

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