《Journal of Cleaner Production》：Sensor fish data characterize physical forces during downstream passage at conventional and innovative low-head Kaplan turbines
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为解决低水头水电站现代化改造中“鱼类友好型”水轮机是否真的更安全的争议，研究人员利用传感器鱼（Sensor Fish）在原位实测了常规立轴卡普兰水轮机（VKT）与创新卧式卡普兰灯泡贯流式水轮机（HKT）在部分负荷与正常负荷下的物理水力受力。结果显示，创新水轮机未必更安全，减压伤风险受运行方式与站点条件交互影响，为未来更清洁、低伤害的水电生产提供了关键数据支撑。
在全球能源转型的大背景下，水力发电作为重要的可再生能源，其扩建与现代化改造正在全球范围内推进。然而，水电站尤其是低水头径流式电站的建设与运行，往往伴随着对河流连通性的阻断以及对水生生物（特别是鱼类）栖息地的负面影响。鱼类在通过水轮机下行洄游或漂移时，会经历极其复杂的物理与水力胁迫，这可能导致严重的体外与体内损伤，甚至死亡。常见的致死或致伤机制包括：与导叶、转轮叶片等固定或旋转结构发生的机械撞击（strike）、水流速度差产生的剪切力（shear force）、湍流（turbulence）以及最为隐蔽却极具破坏力的快速压力变化导致的气压伤（barotrauma，如鱼鳔破裂、内出血、突眼等）。
长期以来，水电行业一直在尝试通过优化水轮机设计（如采用“最小间隙转轮”即minimum gap runner）和运行状态来降低对鱼类的伤害，创新型水轮机（如卧式卡普兰灯泡贯流式水轮机，HKT）常被监管机构要求作为改造方案，以期比常规立轴卡普兰水轮机（VKT）更具生态友好性。但问题在于，过往的传感器鱼（Sensor Fish）研究多集中在高水头电站或单一机型，且常跨站点比较，难以剔除站点特有条件（如水头、进水口深度）的干扰。因此，创新型水轮机是否真的在真实的低水头站点、相同的环境条件下对鱼类“更温和”，缺乏扎实的原位实证数据。为此，来自德国慕尼黑工业大学（Technical University of Munich）Aquatic Systems Biology研究所的Josef Knott、Joachim Pander和Juergen Geist，在《Journal of Cleaner Production》发表了这项研究。他们选取了德国美因河Rothenfels水电站——该站同时拥有2台1939年投运的常规立轴卡普兰水轮机（VKT）和1台2018年新装的创新型卧式卡普兰灯泡贯流式水轮机（HKT）——利用传感器鱼在同一站点、不同常用负荷工况下原位实测，系统比较了两种水轮机对过鱼物体产生的加速度、旋转速度、压力变化等关键物理力，最终揭示：即便设计优化，创新型水轮机并不一定比常规水轮机对鱼类伤害更小，生态表现高度依赖于水头、转速、进水口深度及运行负荷等站点与操作因子的交互作用。
作者为开展本研究，主要采用以下关键技术方法：在2023年11月27日至12月1日期间，于德国美因河Rothenfels低水头水电站，使用自主式传感器鱼（ARC800, ATS Inc.）在垃圾栅前投入，随流通过水轮机后于尾水用无线电发射器与充气浮标标签回收；传感器鱼以2048 Hz频率记录三向线性加速度（0–300 g）、角速度（俯仰、横滚、偏航，0–1400 deg/s）、绝对压力（0–1400 kPa）及温度；数据经HBET（Hydropower Biological Evaluation Toolset, PNNL）软件半自动分析，划分进水口、导叶与转轮区、尾水管/尾水区，并计算压力变化率（RPC，即最低压力nadir pressure与驯化压力之比）、减压速率（kPa/s），以及按阈值（25 g、50 g、95 g）分类的撞击与剪切力事件；统计比较采用R Studio的非参数检验（Wilcoxon、Kruskal-Wallis与Bonferroni校正Mann-Whitney U检验），涵盖两种水轮机（VKT与HKT）在部分负荷（~35 m3/s）与正常负荷（~50–55 m3/s）共91组有效数据集。
3.1. 水轮机过流过程中的加速度事件与旋转速度
研究发现，在导叶与转轮区域，卧式卡普兰灯泡贯流式水轮机（HKT）测得的最大加速度显著高于立轴卡普兰水轮机（VKT）（p < 0.001）；HKT在该区域记录到>25 g的撞击事件占比40%，而VKT为21%。但在进水口与尾水管/尾水区域，VKT的最大加速度显著更高（进水口p < 0.05，尾水p < 0.01），尤其尾水区>25 g事件占比VKT达40%、HKT仅13%。严重撞击事件（>95 g）在HKT占25%、VKT占21%，两者无显著差异（p = 0.68），最大加速度值也相近（VKT 290 g，HKT 275 g）。剪切力（>25 g）在HKT更常见（23%）且多事件仅见于HKT，但>95 g的严重剪切事件仅见于VKT（1例）。旋转速度在导叶与转轮区HKT显著更高（p < 0.001）；正常负荷下，两种水轮机测得的旋转速度均显著高于部分负荷（VKT p < 0.05，HKT p < 0.01）。
3.2. 水轮机过流过程中的压力变化
HKT过流期间的最低压力（nadir pressure）在部分负荷与正常负荷下均显著高于VKT。VKT的最低压力在两种负荷间无显著差异（p = 0.51），而HKT部分负荷下最低压力接近大气压（均值100 kPa），显著优于正常负荷（均值64 kPa，p < 0.001）。整体减压速率HKT显著大于VKT（p < 0.001）；VKT在部分负荷与正常负荷间减压速率无显著差异（p = 0.78），但HKT正常负荷下减压速率显著更高（p < 0.001）。最小压力变化率（RPC，代表表层驯化鱼类）在VKT显著低于HKT；HKT部分负荷最小RPC（均值1.00±0.14）显著优于正常负荷（0.64±0.11，p < 0.001），最大RPC（代表深层驯化鱼类）亦呈类似趋势，且HKT正常负荷最大RPC与VKT无显著差异。
研究结论与讨论部分强调，传感器鱼是一种可用于水电站过鱼物理受力表征、并在真实条件下比较不同水轮机类型与运行方式的宝贵工具，尤其有助于减少动物实验（符合3R原则）。本研究在同一低水头站点直接比较VKT与HKT表明：尽管HKT采用了更优的“最小间隙转轮”设计，但其并不必然比较于常规VKT更安全；鱼体受伤风险由设计与站点特定因素（如水头drop、转轮转速、进水口深度、运行负荷）共同决定，而非仅由水轮机技术类型单独决定。具体而言，HKT在转轮区撞击与旋转速度更高，而VKT在进水口与尾水结构物相关撞击更多；压力变化方面，VKT整体减压明显（最低压力约51 kPa），对深浅层驯化鱼类均有较高气压伤风险，HKT部分负荷下表层鱼压力变化很小，但正常负荷下深层驯化鱼仍面临与VKT相当的RPC（最大RPC约0.31）与气压伤风险。因此，在难以改变水头、进水口深度等站点因素时，通过灵活调整运行方式（如避免高负荷运行、优化导叶与转轮开度）可降低过鱼伤害。未来仍需结合中欧本土鱼种的剂量-效应关系研究，并继续在真实场地条件下对创新与常规水轮机设计及运行模式进行稳健测试，以推动更清洁、对水生生物更友好的水电生产。
