Risk to fish from very low head turbine installations
Risk to fish from very low head turbine installations
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- dc.contributor.author
- Canadian Science Advisory Secretariat
- Canada. Department of Fisheries and Oceans. Ontario and Prairie Region
- dc.date.accessioned
- 2024-12-11T17:37:09Z
- dc.date.available
- 2024-12-11T17:37:09Z
- dc.date.issued
- 2024
- dc.description.abstract - en
- One of the most significant concerns with hydroelectric power production is injury and mortality of fish passing through turbines during intentional or unintentional downstream passage (Algera et al. 2020). There are several mechanisms by which fish can become injured or killed as a result of passage (entrainment) through turbines as summarized by Čada (2001), including rapid and extreme pressure changes, cavitation, sheer stress, collision, turbulence, and grinding. As a result, developers have been working for decades to create ‘fish friendly’ turbines that incorporate features to make them less hazardous to entrained fish (Fraser et al. 2007, Foust et al. 2011, Romero-Gomez et al. 2022, Watson et al. 2022). To determine whether a turbine is indeed ‘fish friendly’, not only does mortality rate need to be quantified, but sublethal effects must also be considered (Ferguson et al. 2006). Many current hydro entrainment mortality monitoring plans typically involve periodically walking downstream of the turbine to observe and record dead fish; this level of monitoring likely does not yield reliable information as to the risk to fish. Increasingly, other methods of monitoring entrainment mortality are being employed, including fish flushing trials and modelling to estimate the death of fish from entrainment, but to date there are no standard or consistent methods considered as ‘best practices’. Several novel turbine technologies (Quaranta et al. 2022) are being proposed at new and existing infrastructure (weirs, non-power dams), which still need to be assessed for their ‘fish friendliness’ (Cooke et al. 2011) and Canadian application (NRCan 2018). Low head (< 15 m) dams are being explored as viable hydropower options, which could add between 5-10 GW of power (Tung et al. 2007, or about 10% of Canada’s 82.3 GW of installed capacity, IHA 2022) to Canada’s total energy generation capacity. The Very Low Head (VLH) turbine, developed by MJ2 Technologies, is a unique, cost-effective class of turbines designed to address a head of 1.4-4.5 m, discharge of 10-30 m3/s and up to 500 kW of capacity (Fraser et al. 2007, Quaranta et al. 2022). The standard configuration consists of 8 Kaplan-style adjustable runner blades and 18 fixed guide veins, with a diameter of 0.6-5.6 m. The VLH turbine design incorporates several features designed to minimize impact to fish including: • using a large runner diameter (which allows for low velocity and negates the need for a draft tube), • minimizing velocity and pressure gradients, • minimizing the tip gap and the number of blades, and • ensuring the shape of the Kaplan style runner blades is blunt (Fraser et al. 2007). A VLH turbine that was installed in 2015 at Wasdell Falls on the Severn River, ON, provided a unique site for the first study of this new technology in Canada. The VLH installation on the Severn River was supported by NRCan as a demonstration site to represent a clean and reliable low-impact source of electricity. VLH technology allows for significant cost savings related to civil works due to its modularity concept, making the development of VLH hydro resources economically feasible, yet it is important that testing was conducted in Canada to determine if this technology can indeed be considered ‘fish friendly’ for Canadian taxa and systems. Using acoustic telemetry, live fish passage, and sensors designed to record the conditions experienced by fish as they pass through turbines, this research aimed to provide a direct quantification of the risk of entrainment, injury, and immediate or delayed mortality to fish resulting from the VLH turbine installation at Wasdell Falls. Since the Wadell Falls installation was at the site of an existing dam, this research was designed to specifically quantify the increased risk to fish from the installation of the turbine at an existing barrier, not to assess the full impacts of the presence of the dam itself. The risk of entrainment to resident fish upstream of the VLH was estimated by measuring the rate of entrainment of tagged fish via acoustic telemetry. Live fish, representative of the local fish community, were flushed through a VLH turbine to estimate expected injury and mortality rates for resident fish that pass through the VLH turbines. Together, the likelihood of entrainment and risk of injury or mortality from turbine passage can be used to provide an estimate of the overall risk to the fish upstream of the VLH. In addition to live fish passage, electronic sensors were passed through the VLH turbine to provide quantitative information on the physical conditions experienced by fish during passage, some of which may not have presented as obvious injuries during the live fish trials. The results presented in this Science Response Report are intended to provide direct quantification of risk from VLH turbines to Fisheries and Oceans Canada (DFO)’s Fish and Fish Habitat Protection Program (FFHPP). Specifically, the objectives are as follows: 1. To determine the overall risk to the resident fish community from the VLH turbine installation at Wasdell Falls; 2. To determine the level and type of monitoring required at future installations; and, 3. Identify uncertainties and knowledge gaps, and if necessary, recommend additional information, research, monitoring, data collection, etc. that is required to further assess the potential impacts of VLH turbine installations on Canadian fish communities. This Science Response Report results from the regional peer review of December 5-6, 2023, for the Risk to Fish from Very Low Head Turbine Installations.
- dc.description.abstract-fosrctranslation - fr
- Les blessures et la mortalité des poissons qui traversent les turbines lors du passage intentionnel ou non en aval (Algera et al. 2020) sont parmi les préoccupations les plus importantes liées à la production d’énergie hydroélectrique. Il existe plusieurs mécanismes par lesquels les poissons peuvent être blessés ou tués à la suite de leur passage (ou de leur entraînement) dans les turbines, comme le résume Čada (2001), notamment les changements de pression rapides et extrêmes, la cavitation, la contrainte de cisaillement, les collisions, les turbulences et le broyage. C’est pourquoi les concepteurs travaillent depuis des décennies à la création de turbines « respectueuses des poissons » qui intègrent des caractéristiques les rendant moins dangereuses pour les poissons entraînés à l’intérieur (Fraser et al. 2007, Foust et al. 2011, Romero-Gomez et al. 2022, Watson et al. 2022). Pour déterminer si une turbine est effectivement « respectueuse des poissons », il faut non seulement quantifier le taux de mortalité, mais aussi prendre en compte les effets sublétaux (Ferguson et al. 2006). De nombreux plans actuels de surveillance de la mortalité due à l’entraînement par l’eau consistent à marcher périodiquement en aval de la turbine pour observer et consigner les poissons morts. Ce niveau de surveillance ne fournit probablement pas de renseignements fiables sur le risque encouru par les poissons. De plus en plus, d’autres méthodes de surveillance de la mortalité due à l’entraînement sont utilisées – notamment des essais de chasse des poissons et la modélisation pour estimer la mort des poissons due à l’entraînement –, mais à ce jour, il n’existe pas de méthodes standard ou uniformes considérées comme des « meilleures pratiques ». Plusieurs nouvelles technologies de turbine (Quaranta et al. 2022) sont proposées pour les infrastructures nouvelles et existantes (déversoirs, barrages non hydroélectriques), qui doivent encore être évaluées pour qu’on détermine leur « innocuité pour les poissons » (Cooke et al. 2011) et la possibilité de les utiliser au Canada (RNCan 2018). Les barrages à faible hauteur (moins de 15 m) sont considérés comme des options hydroélectriques viables qui pourraient ajouter de 5 à 10 GW d’énergie (Tung et al. 2007, soit environ 10 % des 82,3 GW de la puissance installée du Canada, IHA 2022) à la capacité totale de production d’énergie du Canada. La turbine à très faible hauteur de chute (TTFHC), conçue par MJ2 Technologies, fait partie d’une catégorie unique et rentable de turbines conçues pour une hauteur de chute de 1,4 à 4,5 m, un débit de 10 à 30 m3/s et une capacité allant jusqu’à 500 kW (Fraser et al. 2007, Sweeney et al. 2022). La configuration standard se compose de huit aubes mobiles réglables de type Kaplan et de 18 veines de guidage fixes, avec un diamètre de 0,6-5,6 m. La conception de la TTFHC incorpore plusieurs caractéristiques destinées à réduire le plus possible les répercussions sur les poissons : • l’utilisation d’une roue mobile de grand diamètre (qui permet une faible vitesse et rend inutile l’utilisation d’un tube d’aspiration); • la réduction des gradients de vitesse et de pression; • la réduction de l’écart entre les pointes et le nombre d’aubes; et,• l’émoussement assuré de la forme des aubes mobiles de type Kaplan (Fraser et al. 2007). Une TTFHC installée en 2015 à Wasdell Falls sur la rivière Severn, en Ontario, a fourni un site unique pour la première étude de cette nouvelle technologie au Canada. L’installation de TTFHC sur la rivière Severn a été soutenue par RNCan afin d’en faire un site de démonstration pour représenter une source d’électricité propre et fiable à faible impact. La technologie à très faible hauteur de chute permet de réaliser d’importantes économies en matière de travaux de génie civil grâce à son concept de modularité, ce qui rend le développement des ressources hydroélectriques à très faible hauteur de chute économiquement réalisable. Il est toutefois important que des essais soient réalisés au Canada afin de déterminer si cette technologie peut effectivement être considérée comme « respectueuse des poissons » pour les taxons et systèmes canadiens. Utilisant la télémétrie acoustique, le passage de poissons vivants et des capteurs conçus pour enregistrer les conditions rencontrées par les poissons lorsqu’ils passent à travers les turbines, cette recherche visait à fournir une quantification directe du risque d’entraînement, de blessures et de mortalité immédiate ou différée des poissons résultant de l’installation de TTFHC à Wasdell Falls. Étant donné que l’installation de Wasdell Falls s’est faite sur le site d’un barrage existant, cette recherche a été conçue pour quantifier particulièrement le risque accru pour les poissons dû à l’installation de la turbine sur une barrière existante, et non pour évaluer l’ensemble des effets de la présence du barrage lui-même. Le risque d’entraînement des poissons résidents en amont de la TTFHC a été estimé en mesurant le taux d’entraînement des poissons étiquetés par télémétrie acoustique. Des poissons vivants, représentatifs de la communauté piscicole locale, ont été introduits dans une TTFHC afin d’estimer les taux de blessure et de mortalité attendus pour les poissons résidents traversant les TTFHC. Combinés, la probabilité d’entraînement et le risque de blessures ou de mortalité lié au passage dans la turbine peuvent être utilisés pour fournir une estimation du risque global pour les poissons en amont de la TTFHC. En plus du passage des poissons vivants, des capteurs électroniques ont été envoyés dans la TTFHC pour fournir des informations quantitatives sur les conditions physiques rencontrées par les poissons pendant leur passage, dont certaines n’étaient pas évidentes pendant les essais sur les poissons vivants. Les résultats figurant dans le présent rapport de réponse des Sciences visent à quantifier directement le risque que représentent les TTFHC quant au Programme de protection des poissons et de leur habitat (PPPH) de Pêches et Océans Canada (MPO). Plus précisément, les objectifs sont les suivants : 1. déterminer le risque global que représente l’installation de TTFHC à Wasdell Falls pour la communauté de poissons résidents; 2. déterminer le niveau et le type de surveillance requis pour les futures installations; 3. établir les incertitudes et les lacunes dans les connaissances et, le cas échéant, recommander des informations, recherches, surveillances et collectes de données supplémentaires, entre autres, qui sont nécessaires pour mieux évaluer les effets potentiels des installations de TTFHC sur les communautés de poissons du Canada. La présente réponse des Sciences est le résultat de l’examen par les pairs régional du 5 au 6 décembre 2023 sur les risques pour les poissons liés aux installations de turbines à très faible hauteur de chute (TTFHC).
- dc.description.fosrcfull - en
- 1 online resource (38 pages) : maps, charts, photographs
- dc.description.fosrcfull-fosrctranslation - fr
- 1 ressource en ligne (38 pages) : cartes, graphiques, photographies
- dc.identifier.citation
- DFO. 2024. Risk to Fish from Very Low Head Turbine Installations. DFO Can. Sci. Advis. Sec. Sci. Resp. 2024/035.
- dc.identifier.govdoc
- Fs70-7/2024-035E-PDF
- dc.identifier.isbn
- 9780660740249
- dc.identifier.issn
- 1919-3769
- dc.identifier.uri
- https://waves-vagues.dfo-mpo.gc.ca/library-bibliotheque/41270411.pdf
- https://open-science.canada.ca/handle/123456789/3196
- dc.language.iso
- en
- dc.publisher
- Center for Science Advice (CSA), Ontario and Prairie Region, Fisheries and Oceans Canada
- dc.relation.istranslationof
- https://open-science.canada.ca/handle/123456789/3197
- dc.subject - en
- Risk management
- Hydroelectric plants
- Fisheries policy
- Environmental protection
- dc.subject - fr
- Gestion des risques
- Centrale hydroélectrique
- Politique des pêches
- Protection de l'environnement
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- Fisheries policy
- Environmental protection
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- Protection de l'environnement
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- Risk to fish from very low head turbine installations
- dc.title.alternative
- Science Response : risk to fish from VLH turbine installations
- dc.type - en
- Report
- dc.type - fr
- Rapport
- local.pagination
- 38 pages
- local.report.reportnum
- 2024/035
- local.report.series - en
- Science Response (Canadian Science Advisory Secretariat)
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