流体动力学系数及单个珊瑚分支在波浪作用下的响应特性研究

《Ocean Engineering》：Hydrodynamic coefficients and characterization of wave-induced responses in individual coral branches

珊瑚礁水动力系数研究：固定与悬浮珊瑚枝条波浪力对比

　　珊瑚礁在全球范围内正经历严重的退化，这一现象已成为海洋生态研究中的关键议题。珊瑚礁不仅是生物多样性的热点区域，还在维持海洋生态平衡、保护海岸线和提供渔业资源方面发挥着重要作用。然而，近年来由于全球气候变化和人类活动的双重影响，珊瑚礁的覆盖率下降速度加快，物种多样性也大幅减少，同时极端气候事件如白化现象的频率显著上升。这些变化不仅威胁到珊瑚本身的生存，还导致了整个生态系统功能的衰退，例如鱼类栖息地的丧失和海岸侵蚀的加剧。鉴于自然恢复能力无法有效应对当前的退化速度和规模，珊瑚礁的修复工作已成为全球海洋保护的重要任务，亟需更高效的解决方案。

目前，珊瑚礁修复技术主要包括利用3D打印技术促进珊瑚生长、通过现场电刺激促进珊瑚发育、构建结构化基质以支持珊瑚附着和繁殖，以及稳定珊瑚碎块以增强结构强度等。尽管这些方法在实验室或小规模试验中取得了一定成效，但其大规模应用仍受到成本高昂和操作复杂性的限制。相比之下，珊瑚园艺技术（coral gardening）因其可扩展性而备受关注。该技术通过在人工培育系统中种植珊瑚，再将其移植到退化的珊瑚礁区域，从而避免了传统移植方法对自然珊瑚种群的破坏。这种方法不仅有助于珊瑚的可持续培育，还为珊瑚礁修复提供了更为稳定和可控的途径。

珊瑚园艺技术的核心在于珊瑚培育系统的构建，而系统的稳定性与珊瑚的生长效果密切相关。根据部署水深，珊瑚培育系统可分为固定式和浮式两种类型。其中，固定式系统中的珊瑚碎片通过刚性固定方式附着在培育平台上，从而在水流较强的环境中保持结构和水动力的稳定性。而浮式系统中的珊瑚碎片则通过柔性缆绳悬挂，这种方式能够减少沉积物的附着，同时改善光照和溶解氧条件，从而促进珊瑚的生长和健康。在实际应用中，这两种不同的附着方式对珊瑚的水动力特性产生了显著影响，进而影响其在培育过程中的存活率和移植后的恢复能力。

尽管珊瑚培育系统的设计已被广泛研究，并在促进珊瑚生长和存活方面取得了一定成果，但关于珊瑚碎片在实际海洋环境中受到的水动力作用机制，尤其是其与水动力系数之间的关系，仍然缺乏深入的理解。水动力作用是导致珊瑚碎片脱落和骨骼断裂的主要外部因素之一，其影响程度与波浪的强度、频率以及珊瑚的形态特征密切相关。由于珊瑚骨骼和其附着基质主要由脆性的碳酸盐矿物构成，其抗压和抗剪强度较高，但抗拉强度较低，因此在强波浪作用下，珊瑚容易因受到过大的拉应力而发生断裂或脱落。

研究发现，不同形态的珊瑚对波浪作用的水动力响应存在显著差异。例如，枝状珊瑚在较低的流速下就可能因结构不稳定性而发生断裂，而板状珊瑚则在极端波浪条件下仍能保持结构完整性。这种形态差异决定了不同珊瑚种类在珊瑚园艺中的适用性。其中，Acropora pulchra（美丽鹿角珊瑚）因其快速生长的特性（年生长速率可达10至20厘米）而被广泛用于珊瑚园艺。该珊瑚的枝状形态不仅有助于其在自然扰动中产生可收集的碎片，还能在人工培育系统中提供丰富的“传播源”，使其成为大规模、低成本珊瑚修复的理想选择。

在现有研究中，尽管已有大量关于珊瑚园艺技术的探索，但仍然存在一些关键问题尚未解决。首先，缺乏对珊瑚附着方式如何影响其在培育系统中所承受的波浪力的定量研究。目前的研究多集中于定性分析，即通过描述不同培育系统对珊瑚生长的影响，而未深入探讨水动力机制。其次，关于珊瑚碎片的阻力系数和惯性系数的研究仍主要依赖于理想化的圆柱体或珊瑚群落模型，未能充分考虑单个珊瑚枝的复杂几何结构。最后，波浪参数与珊瑚碎片水动力系数之间的定量关系尚未建立，这严重限制了珊瑚培育系统的科学设计和优化。

为了解决上述问题，本研究首次系统地量化了固定式和浮式两种附着方式下珊瑚枝的水动力系数。通过结合直接波浪力测量和最小二乘拟合方法，我们获得了适用于枝状珊瑚的水动力系数经验公式，为数值模拟和工程设计提供了理论依据。研究结果表明，固定式珊瑚枝所承受的波浪力与凯尔根-卡尔佩纳数（Kc）呈二次关系，与雷诺数（Re）呈线性关系。阻力系数（Cd）则随着雷诺数和凯尔根-卡尔佩纳数的增加而降低，但随着振幅（AH）的增加而以对数方式上升。相比之下，浮式珊瑚枝的水动力系数与其形态和特征尺寸无关，这说明在浮式系统中，珊瑚枝的动态特性在一定程度上抵消了其形态差异带来的水动力影响。

本研究的实验结果具有重要的应用价值。首先，浮式珊瑚枝在水动力作用下的受力明显小于固定式珊瑚枝，这表明在珊瑚培育系统中采用浮式设计可以有效降低波浪力对珊瑚的影响，提高其在培育过程中的稳定性。其次，浮式珊瑚枝的受力特性与其形态无关，这意味着在设计珊瑚培育系统时，可以更加灵活地选择珊瑚枝的形态，而不必过分关注其具体结构。最后，本研究建立了波浪参数与珊瑚枝水动力系数之间的定量关系，为珊瑚培育系统的优化提供了科学依据。这些发现不仅有助于提高珊瑚修复技术的效率，还为应对极端天气事件（如台风和海啸）期间珊瑚的保护提供了新的思路。

实验研究的开展为理解珊瑚在波浪作用下的水动力特性提供了重要基础。在本研究中，实验使用了青岛广利海洋水动力实验室的波浪水槽，其尺寸为30米（长）×0.8米（宽）×1.2米（高）。水槽上游端安装了活塞式波浪发生器，下游端则设置了一个1:4坡度的吸收海滩，由钢架填充砾石和海绵构成，用于消散波浪能量并减少反射。透明的钢化玻璃侧壁使得研究人员能够清晰地观察珊瑚枝在波浪作用下的动态行为。通过这一实验装置，我们能够精确测量不同附着方式下珊瑚枝所承受的波浪力，并结合最小二乘拟合方法，获得其水动力系数的定量表达。

在实验过程中，我们特别关注了波浪力的分布特征及其与珊瑚枝形态、附着方式以及波浪参数之间的关系。实验结果显示，固定式珊瑚枝在水平方向上承受的波浪力显著高于浮式珊瑚枝。这一差异随着波浪高度的增加而变得更加明显，表明在波浪条件较强的环境中，采用浮式设计能够有效降低珊瑚枝的受力水平。此外，浮式珊瑚枝由于其悬挂在柔性缆绳上的特性，能够在波浪作用下产生水平摆动，这种摆动有助于波浪能量的耗散，从而减少对珊瑚枝的直接冲击。

本研究还揭示了波浪参数与珊瑚枝水动力系数之间的定量关系。通过分析实验数据，我们发现波浪力的大小不仅与波浪高度、周期和速度有关，还受到珊瑚枝形态和附着方式的影响。具体而言，固定式珊瑚枝的水动力特性更加依赖于其形态和尺寸，而浮式珊瑚枝则表现出更强的适应性。这种适应性使得浮式系统在应对复杂海洋环境时具有更高的稳定性，同时也为珊瑚培育系统的优化提供了新的方向。

此外，本研究的成果对于珊瑚修复工程的实际应用具有重要意义。首先，浮式珊瑚枝的水动力特性使其在珊瑚培育过程中更加稳定，能够有效减少因波浪力导致的珊瑚碎片脱落，从而提高修复成功率。其次，通过建立波浪参数与水动力系数之间的定量关系，研究人员可以更准确地预测不同海洋环境下珊瑚枝的受力情况，进而优化培育系统的结构设计。最后，本研究的经验公式和通用方法为珊瑚修复工程提供了可靠的理论支持，有助于实现更高效、更经济的珊瑚培育和移植方案。

在实验研究的基础上，本研究还提出了珊瑚培育系统的优化策略。通过采用浮式设计，不仅可以降低波浪力对珊瑚枝的影响，还能改善珊瑚的生长环境，例如增加光照和溶解氧的供应，从而促进珊瑚的健康生长。此外，结合不同珊瑚枝的形态特征，研究人员可以更灵活地设计培育系统，使其适应不同的海洋环境条件。这种设计策略不仅提高了珊瑚修复技术的适应性，还为实现珊瑚礁的可持续恢复提供了新的可能性。

总之，本研究通过系统实验和数据分析，首次量化了固定式和浮式珊瑚枝的水动力系数，揭示了不同附着方式对珊瑚枝受力特性的影响。研究结果表明，浮式珊瑚枝在水动力作用下表现出更强的稳定性，这为珊瑚修复工程提供了重要的理论依据和技术支持。未来的研究可以进一步探索不同珊瑚种类在不同附着方式下的水动力响应，以及如何在实际海洋环境中优化珊瑚培育系统的结构和功能。这些研究不仅有助于提高珊瑚修复技术的科学性和实用性，还为全球海洋生态保护提供了新的思路和方法。