互动科普

探查大坝的涡轮机

Pat Janowski

为了科学的目的，一种橡胶鱼起着仿真模拟器的作用。

每年，刚孵出来不久的大麻哈鱼、虹鳟及其它鱼类都要排成古老壮观的行列，顺着俄勒冈州和华盛顿州交界处的哥伦比亚河向下游去。在这样做的时候，它们要冒一种有时可能致命的危险——穿过6道至8道水电大坝。

这些巨大的结构(其中包括俄勒冈州波特兰城外传奇般的邦纳维尔大坝)都有着精巧而复杂的帮助鱼类绕过涡轮机的旁路系统。尽管如此，夏天在邦纳维尔大坝仍有多达45％的鱼类通过涡轮机。这些巨大的形如螺旋浆的涡轮机轮叶的转速可达到每分钟75转，虽然由于太大、太慢而不致于把鱼变成肉酱。然而，它们使鱼遭受涡流—— 静水压力的迅速变化和强大的剪切力。在通过邦纳维尔大坝的所有鱼类中，多达12％的鱼类最终因受伤而死亡，或有更大可能的是，它们的死是由于它们因体质降低而根本不是捕食动物的对手。

如今，为了更清楚地认识影响通过涡轮机的鱼类的各种力，国立西北太平洋实验室(Pacific North west National Laboratories，简称“PNNL”)的工程技术专家正在试验一种6英寸长、内装传感器的橡胶鱼，在涡轮机中，这条鱼将充当专家们的眼和耳。专家们希望，来自鱼体内传感器的数据将让研制者能够把涡轮机制作得不仅对鱼类危害更小而且效率更高。

橡胶鱼实验是美国陆军工程兵部队一项研究的一部分，在该研究中，科俄勒冈州波特兰的科学家们释放出活的初次由河入海的小大麻哈鱼，让它们通过已改进的和尚未改进的涡轮机。由于装有无线电传感器，专家们可以在下游找出和收回这种橡胶鱼，并检查其是否有损伤。靠着这些活鱼，研究人员知道了涡流所造成的后果，但对损伤鱼的力却一无所知。

十二月初的一个下午，在邦纳维尔大坝的平台上，国立西北太平洋实验室传感器鱼探测项目经理托马斯·J·卡尔逊(Carlson)在冷雨中溜达着，茄克衫的衣袋里装着一条橡胶鱼。“对于这项生物学实验计划来说，我们是一些追随者。”他一边解释，一边等待着工程兵部队活鱼实验的停顿。最后，他进入了一个用胶合板搭建的棚内，在这里，人们正在把实验用鱼放入一个个管内，管把它们向下引入涡轮机内。由于这条鱼最初启动不了，时间在紧张之中度过了好一会儿。最后，它终于启动了，于是卡尔逊让它掉进了管里。

每条传感器鱼(各值5000美元)都不会游泳，只会顺着水流向前移动，并在穿过涡轮机的过程中测量和记录数据。每条传感器鱼体内都有一个压力传感器和多个过载传感器，它们用于计算由重力引起的定向加速度。鱼体内的多个微处理器将数字化信息由体内的传感器发送到船上存储器，研究人员将橡胶鱼尾部的导线插入一台台式计算机上的串行端口，从而将收集到的数据下载。

卡尔逊放走那条橡胶鱼后15秒，其穿过涡轮机的历程就结束了。过了一会儿，正当坝基下方几艘巡查船上的技术人员用电话传来好消息的时候，指挥所的那部无线电台“噼啪”作响了。“我们收到了信号。”一名工作人员报告说，这使得卡尔逊大为欣慰。系在鱼身上靠化学手段激活的6个气球已膨胀到高尔夫球那么大，从而把传感器鱼带到了水面上。“传感器鱼已到了船上了。”那部无线电台喋喋不休地报告着。

成功地释放并收回绝非小小的成就。就在前一个星期，将气球系在第一批的两条实验鱼身上的尼龙线相互磨断了，使得1万美金被付诸东流。于是，该项目小组在感恩节的那个周末狂热地工作，用金属环将气球更牢靠地系在剩下的传感器鱼身上。

使传感器鱼脆弱易损的仪器保持干燥是另一大难题。事实上，如果在这一步鱼渗水了，数据也就全部丢失了。“这事儿几乎和你想在太空中的飞行器外干的传感器工作一样难。”卡尔逊说道。第二天的进程更为成功，因而他们获得了可靠的数据。

这项研究工作的时机选择可谓完美无瑕。在供电率属于全美国最低之列的西北太平洋地区，旧的联邦的水力发电系统一直是经济的一大支柱。然而，这一系统“是历经多年拼凑而成的，现在正是更换涡轮机和发电机的时候。”卡尔逊解释道。“这种更新的机会每50年到60年才轮得到一次。”

幸运的是，事实证明，更带流线形的涡轮机轮叶结构产生的涡流较少，层流更多，这不仅使得发电效率更高，而且更有利于鱼类保护。因此，卡尔逊满怀希望地说，改进后的涡轮机结构有可能是“少数几个既能增进鱼类存活率，最终又能自我补偿的手段之一。”

随水而行——一条橡胶鱼记录下活鱼游过哥伦比亚河上邦纳维尔大坝的涡轮机时影响它们的各种力的数据。

[郑忆石／译   曹书朝／校]