Вдоль береговой линии в тропиках усердно трудятся красные мангровые деревья. Их корневые системы удерживают укрепляющие слои ила и разлагающихся растительных веществ, причём этот барьер эффективно повышается при повышении уровня моря. Мангровые заросли защищают берег от эрозии и оберегают прибрежные поселения от штормовых приливов.
Их сложная открытая корневая система способствует формированию разнообразной биосистемы и является идеальным местом обитания для мальков рыб. Более того, мангровые заросли сокращают выбросы парниковых газов путем поглощения и хранения углекислого газа.
Будучи магистром по направлению «Built Ecologies» (наука на стыке экологии и архитектуры), я был , в первую очередь, очарован архитектурными аспектами мангровых деревьев, которые лежат в основе их эффективности. Мангровые – единственный вид деревьев, которые могут успешно произрастать в соленой воде, и при этом поддерживать такое большое разнообразное биотопа.
Искусственные берегозащитные сооружения, напротив, значительно менее жизнеспособны. Они опасны для экологии, безобразны с эстетической точки зрения и дороги в возведении. Поэтому я, вдохновленный мангровыми деревьями, сосредоточил свое исследование на разработке береговых стенок, которые будут подражать им по форме и функциям.
Позже, преподавая во Florida Atlantic University, я нашел на кафедре морского машиностроения таких же вдохновленных исследователей – Оскара Кюрета (Oscar Curet) и Амирхосро Каземи (Amirkhosro Kazemi). Мы начали изучать, как корневая система взаимодействует с потоками воды.
Корни решения проблемы береговой эрозии
Для того, чтобы провести гидродинамические расчеты, нам необходимо было создать репрезентативную модель мангровых деревьев. Это оказалось сложной задачей, учитывая, что не существует «типичных» мангр.
Каждое дерево уникально. Структура корня сильно отличается в зависимости от местоположения: внутренний водный путь или побережье, внешний край или обращённая к берегу сторона.
Мы упростили задачу, моделируя корни как структуру из одинаковых цилиндров. В пяти тестовых случаях мы сохраняли диаметры цилиндров и структуры постоянными. В шестом мы использовали для сравнения один цилиндр с диаметром, равным диаметру остальных структур.
Используя CFD-расчёты, мы смогли визуализировать влияние различных вариантов структуры на турбулентное течение.
Как мангровые леса защищают от береговой эрозии
Рассматривая несколько параметров потока, включая вихревую и турбулентную кинетическую энергию, мы заметили, что сопротивление, с которым вода может протекать через структуру, значительно влияет на образующийся за корнями вихревой поток.
Чем менее плотной и более «пористой» является структура, тем слабее вихревая и турбулентная энергия потока, прошедшего через неё. Вращение потока определяет, будет ли осадок переноситься вниз по течению (при низкой завихренности) или оседать (при высокой завихренности).
Турбулентность является ключевым компонентом для поднятия осадка. Как энергия турбулентности, так и завихренность влияют на накопление осадка вокруг корней, что позволяет деревьям подниматься вместе с уровнем моря.
Применение биомимикрии вдоль побережья Флориды
В сотрудничестве с экологами, биологами, инженерами и подрядчиками мы проработали способы установки конструкций, напоминающих мангровые заросли, вдоль побережья Флориды.
Поскольку наращивание береговых конструкций в воду зачастую запрещено муниципальными и федеральными законами, либо же законами конкретных штатов, мы не можем установить наши конструкции в виде отдельно стоящих в воде блоков. Тем не менее, нормативные акты разрешают модификацию берегозащитных сооружений: мы можем прикрепить элементы разработанных нами структур к существующим стенкам.
После нескольких итераций наши конструкции превратились в бетонные панели с корневыми выступами. Эти «корни» являются нежесткими, обеспечивают полости для перемещения потоков воды и создают удобное пространство для морских обитателей.
Чтобы привлечь обитающих рядом устриц, мы также добавили к бетонной смеси их измельченные раковины.
Результаты показывают, что биомимикрия мангровых лесов может спасти побережье Флориды
В настоящее время мы с помощью специальных камер наблюдения следим за тремя экспериментальными шестиметровыми участками модифицированных береговых стенок. Раз в два месяца мы отмечаем популяцию каждого вида, поселившегося в наших конструкциях.
За прошедшие 18 месяцев результаты показали значительную колонизацию панелей и областей вокруг них.
Мы также сотрудничаем с Департаментом охраны окружающей среды Флориды, чтобы создать и изучить стометровые участки модифицированных берегозащитных стенок, развернутых на трех испытательных площадках. Мы сравним эти объекты с плоскими стенками и береговой линией мангровых деревьев, расположенными невдалеке от места установки наших конструкций. Затем, эти результаты будут доведены до сведения домовладельцев, проживающих в прибрежных районах, для рассмотрения варианта укрепления их участков в будущем.
И это только начало. Мы надеемся построить и испытать конструкции, которые будут более точно отражать как глубоководную кромку, так и заболоченные условия, встречающиеся в мангровых лесах с внутренней стороны. Используя гидродинамическое моделирование, исследования в волновом бассейне и физическое прототипирование, мы стремимся создать устойчивые к волнам прибрежные сооружения, которые замедляют окружающие потоки воды. Это ослабит турбулентную энергию, разрушающую почву или песок, и воссоздаст среду обитания, утраченную из-за замены природных укреплений на волноломы.
Ещё об одном интересном проекте экологической биомимикрии вы можете узнать из статьи Turning a New Leaf (на английском языке).
Автор выражает благодарность своим коллегам:
Оскар Кюрет (Oscar Curet) занимает должность «assistant professor» во Флоридском Атлантическом университете. Его исследования финансировались Национальным научным фондом (National Science Foundation, NSF) и Управлением военно-морских исследований (Office of Naval Research, ONR).
Амирхосро Каземи (Amirkhosro Kazemi) – научный сотрудник (postdoctoral research fellow) во Флоридском Атлантическом университете. Его работы по гидродинамике мангровых корней были опубликованы в журналах Science, Phys.org, EurekAlert и ScienceDaily.
Источник: www.ansys.soften.com.ua
