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利用预测模型优化红树林根系配置以防止海岸线侵蚀

编译者:liguiju发布时间:2021-6-17点击量:148 来源栏目:科研动态

红树林沼泽是生产力极高的生态系统,为沿海地区提供许多生态服务,例如减少海岸侵蚀、促进生物多样性以及去除氮、磷和二氧化碳。红树林根系和水流的水动力相互作用被认为是减轻海岸侵蚀的关键因素。研究表明,面对全球变暖和随之而来的海平面上升,对沿海地区形态演变的精确预测需要了解根系孔隙度(空隙体积占总体积的比例)之间的相互作用、水流和泥沙输送,而围绕红树林支柱根部的水流形成了一个复杂的能量过程,该过程混合了沉积物并在根部后面产生了一个沉积区域。

佛罗里达大西洋大学的工程师Oscar Curet首次使用预测模型量化最佳红树林根配置对防止海岸线侵蚀展开研究,该研究发表在《科学报告》(Scientific Reports)上。使用具有不同根系配置的简化红树林根模型来研究对海岸线和三角洲演化至关重要的沉积物初始运动的影响。

研究调查了代表红树林根部的可渗透圆柱体(斑块)背后的边界层,以探索斑块孔隙度(patch porosity)对沉积物迁移开始的影响。流量测量是在沿红树林根模型下游水深的垂直平面上进行的。同时,还在水槽中使用高分辨率粒子图像测速仪(Particle Image Velocimetry,PIV)观察孔隙度对的平均流量、速度导数、皮肤摩擦系数和雷诺数为2500(基于斑块直径长度)产生的湍动能产生的影响。基于此,他们提出了一个初始运动临界速度的预测模型,该模型考虑了红树林根系孔隙度和近床湍流效应。发现斑块孔隙度?=47%具有最大临界速度,在该速度下沉积物运移开始。同时,他们还认为最佳孔隙度具有最小的沉积物侵蚀,并在海床附近产生负涡度源,从而增加临界速度。因此,?=47%是自然界中红树林的孔隙率一致的沉积物迁移开始的最佳孔隙率。基于对粘性不可压缩流动的涡度演化方程的分析,阐明了现象学模型。对于优化多孔斑块,形成了涡度汇,从而降低了近床湍流和涡度。最小速度波动足以启动边界层转变,然而,粘性耗散主导了湍流的产生,阻碍了沉积物的输送。这项工作确定了红树林根系孔隙度在沉积物运输中的关键作用,根据速度及其在壁界流动中的导数。这项研究工作还提供了对控制海岸线形状演变的沉积物运输和侵蚀过程的深入了解。(熊萍 编译)

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