三维数值模型揭示冷水珊瑚礁的水动力与沉积动力学机制及其对丘状地貌形成的生态意义

本文通过三维计算流体动力学（CFD）模型，系统研究了冷水珊瑚群落对局部水流结构、湍流动能（TKE）及沉积物输运的影响。结果表明，珊瑚形态通过诱导空间流动异质性，显著促进珊瑚间隙沉积（inter-coral deposition），为理解冷水珊瑚礁发育和丘状地貌形成（mound aggradation）的物理机制提供了新见解。

　　

引言

冷水珊瑚礁通过改变局部水动力和沉积动力学过程，塑造其周围环境，进而影响礁体发育和丘状地貌的形成。这类珊瑚分布于从巴伦支海至南极德雷克海峡的广阔海域，常见于200–1000米水深区间，为超过1300种生物提供栖息地，构成深海生物多样性热点。与依赖阳光的热带珊瑚不同，冷水珊瑚适应寒冷深海环境，其礁体对全球碳循环具有重要影响。在地质时间尺度上，持续生长的框架构建型冷水珊瑚可形成高达数十至数百米的珊瑚丘，其中 hemipelagic 沉积物占比超过70%，珊瑚骨架仅占少部分，表明珊瑚框架与沉积作用存在密切的互馈关系。

研究方法

本研究采用基于开源软件OpenFOAM的三维计算流体动力学（CFD）模型，模拟由12个珊瑚群落按3×4网格排列的框架在稳定环境流和均匀沉积物供给下的动力学行为。模型通过有限体积法（FVM）求解流动方程，选用driftFluxFOAM求解器处理不可压缩多相混合流，并引入漂移通量模型（drift-flux model）精确刻画水与沉积物颗粒的相对运动。控制方程包括混合相动量方程、混合相连续性方程和分散相连续性方程，其中：

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  动量方程表达为：?(ρ_wu)/?t + ?·(ρ_mUU) = -?·P_m + ?·[τ + τ^t] - ?·[α_d/(1-α_d) · (ρ_cρ_d/ρ_m) u_dju_dj] + ρ_mg + M_m
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  混合相连续性方程为：?ρ_m/?t + ?·(ρ_mu) = 0
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  分散相连续性方程为：?α_d/?t + ?·(α_du) = -?·[α_dρ_c/ρ_m · u_dj] + ?·Γ?α_d

湍流模拟采用大涡模拟（LES）Smagorinsky模型，其亚网格尺度湍流粘度ν_t = (C_sΔ)²|S|，Smagorinsky常数取0.135。压力-速度耦合通过PISO算法实现。沉积物设置为中粉砂颗粒（17 μm，密度2650 kg/m3），入口浓度恒定于0.1 g/L，流速为0.1 m/s，符合典型冷水珊瑚生境条件。

结果分析

流动动力学特征

模型将流场划分为三个区域：未扰动区（X=0–0.55 m）、珊瑚影响区（X=0.55–1.25 m）和尾流区（X=1.25–2.0 m）。在珊瑚影响区内，流速呈现高度空间异质性：近底处（Z=0.005 m）茎干背流侧形成低速区（0.02–0.04 m/s），而珊瑚间隙保持较高流速（0.06–0.09 m/s）；在珊瑚枝丛内部（Z=0.1 m），流速变化加剧（0.03–0.13 m/s），分支结构导致涡旋脱落和流动再分配。拖曳力计算显示珊瑚群落的拖曳系数C_d=0.12，与文献报道值一致。

湍流动能分布

湍流动能（TKE）在珊瑚茎干近床处显著升高（达0.0006 m2/s2），尤其在背流侧形成高湍流区，促进沉积物再悬浮。珊瑚间隙则呈现低TKE值（0.0001–0.0002 m2/s），成为沉积物累积的有利区域。枝丛尺度湍流由分支结构直接诱发，能量分布广泛且向下游传递。

沉积物动力学

沉积物浓度分布与湍流结构紧密关联：高TKE区（如茎干后方）浓度降低（约0.1 g/L），而低湍流间隙区浓度升高（最高0.16 g/L）。近床处沉积物富集明显，浓度垂直剖面显示底层（Z=0 m）浓度达0.145–0.148 g/L，珊瑚影响区内浓度略降（0.114–0.116 g/L），表明珊瑚框架有效捕获并再分配沉积物。枝丛内部沉积集中在分支背流侧低能区，而上层水体浓度保持均匀（约0.1 g/L），反映珊瑚扰动效应的局部性。

讨论与意义

本研究揭示了冷水珊瑚通过几何形态调控水动力-沉积相互作用的核心机制：

1. 1.
   珊瑚茎干诱导的近床高湍流驱动沉积物悬浮与侧向输运；
2. 2.
   低湍流间隙成为主要沉积区，促进颗粒物累积；
3. 3.
   枝丛结构创造局部遮蔽环境，增强细颗粒沉积。

这些微尺度过程为珊瑚丘的早期形成提供了机制解释：持续的沉积捕获与框架稳定化可能启动丘状地貌的增生过程，尤其在沉积供给稳定的海域（如大西洋陆缘）。此外，珊瑚改造的水流结构可提升食物颗粒的通量与滞留，支持珊瑚群落健康与繁殖。

研究的局限性包括未考虑背景湍流入口条件及实际珊瑚形态的几何复杂性。未来需整合高分辨率珊瑚三维扫描数据并扩展至礁体尺度模拟，以全面揭示冷水珊瑚生态系统的地貌工程效应。