Kunstig mangrover kan komme til roden af ​​problemet for trusler mod kystområder

Med trusler om havstigning, stormflod og andre naturkatastrofer, forskere fra Florida Atlantic University's College of Engineering and Computer Science vender sig mod naturen for at beskytte mennesker mod naturen. De udvikler innovative måder at beskytte kyster og forhindre skur og erosion fra bølger og storme ved hjælp af bioinspirerede materialer, der efterligner mangrovetræer, der findes langs kyster, floder og flodmundinger i troperne og subtroperne. Vokser fra et virvar af rødder, der snor sig ud af mudderet, mangrovetræer beskytter naturligt kystlinjer, beskytter kystøkosystemets levesteder og sørger for vigtig vandfiltrering. I mange tilfælde, disse rødder fælder sedimenter, der strømmer ned ad floder og ud af landet, med til at stabilisere kysten.

Visse mangrovesystemer har endda evnen til at sprede tidevandsenergi gennem unikke hydrologiske strømme og aflede vandets energi i forskellige retninger, hvilket reducerer risikoen for kystskader. Endnu, til dato, få undersøgelser har undersøgt væskedynamikken såsom strømningsstruktur og trækkraft på mangroverødder.

Til en undersøgelse, offentliggjort i American Physical Society's journal, Fysisk gennemgangsvæske , forskere udpegede det røde mangrovetræ ( Rhizophora mangel ) fra mere end 80 forskellige arter af mangrover, på grund af dets robuste netværk af rødder, der kan modstå ekstreme miljøforhold. Den røde mangrove gav forskerne en ideel model til bioinspirerede kystlinjeapplikationer.

"På grund af deres stærke strukturer, mangrover har overlevet i mere end 8, 000 år, "sagde Amirkhosro Kazemi, Ph.d., hovedforfatter af undersøgelsen og en postdoktor ved FAU's afdeling for hav- og maskinteknik, der blev tildelt et Link Foundation -stipendium og arbejder med Oscar Curet, Ph.d., medforfatter og adjunkt på instituttet. "Det, der virkelig er fantastisk ved mangrover, er, at de kan tilpasse sig ændringer i stigende havniveauer ved at danne opadgående strukturer gennem en naturlig proces med at akkumulere lag af mudder båret af tidevand og andre kilder. Det er især deres rodsystem, der bidrager til denne modstandsdygtighed og er det, der inspirerede os til at undersøge deres komplekse hydrodynamik. "

For bedre at forstå mangrovetræets modstandsdygtighed og væskedynamikken i dets rødder, Kazemi, Curet, og Keith Van de Riet, Ph.d., medforfatter og en assisterende professor ved University of Kansas, modellerede de komplekse mangroverødder som et netværk af cirkulære cylindre kaldet en patch. De udførte en række eksperimenter med forskellige nøgleparametre såsom længdeskala og porøsitet eller fleksibilitet. De brugte en vandtunnel og flowvisualisering til at bestemme, hvordan rodens diameter, dets fleksibilitet og hvor porøse mangroverne er påvirker vandet. De studerede mangroverødderne under forskellige strømningsbetingelser for at kvantificere, hvordan strømningsstrukturen ville interagere med mangroven.

De så på effekten af ​​porøsitet og afstandsmålinger mellem rødderne, testet kraft og hastighed i en vandtunnel, og samtidig udført 2-D flow visualisering.

Forskerne udførte direkte trækstyrkmålinger og højopløselige partikelbilledhastighed for at karakterisere den komplekse ustadige vågestruktur, der er posterior til plasternes arrays, som repræsenterer en forenklet mangrove rodmodel.

Resultater fra undersøgelsen viser, at for stive rødder, trækstyrken varierede lineært med patchdiameter og afstand mellem rødderne. For fleksible rødder, forskerne opdagede, at et fald i stivhed øgede både patch -trækket og wake -underskuddet bag plasteret på en lignende måde som at øge blokering af plasteret. De har introduceret en ny længdeskala (effektiv diameter) baseret på vågens signatur for at karakterisere trækkoefficienten, der udøves på plasteret for forskellige porøsiteter. Den effektive diameter inkorporerer patchporøsiteten, arrangement og individuel roddiameter i plasteret. Resultaterne har vist, at plasterets effektive diameter falder, når porøsiteten øges, giver anledning til Strouhal -tallet - brugt i dimensionsanalyse, der er et dimensionsløst tal, der beskriver oscillerende strømningsmekanismer.

"Med næsten 2,4 milliarder mennesker verden over, der bor inden for 60 miles fra en oceanisk kyst, denne forskning er ekstremt vigtig for sårbare kyststrækninger, ikke bare i Florida, men over hele kloden, sagde Stella Batalama, Ph.d., dekan for FAU's College of Engineering and Computer Science. "Forbedring af vores forståelse af hydrodynamikken i mangroverødder hjælper med at lette inkorporering af bioinspirerede mangrove-lignende strukturer, der kan bruges til erosionskontrol, kystbeskyttelse, og genopbygning af levesteder. "

Selvom mange lavtliggende områder har beskyttelse mod stormflod som f.eks. Havvægge, disse strukturer er dyre at bygge, forårsage deres eget sæt miljøhensyn, og forhindrer det naturlige landskab. Oplysninger fra denne undersøgelse har potentiale til at hjælpe forskere og ingeniører med at udvikle metoder til at designe modstandsdygtige bioinspirerede kyststrækninger. Naturlige kystlinjer er fleksible, billig, og justerbar, og den prototype, forskerne har udviklet, er skalerbar, mindre og enklere at bruge samt mere omkostningseffektiv. Deres systematiske modellering danner rammen om at konstruere mangrove-lignende strukturer til kystbeskyttelse.

"Vores fund kan potentielt bruges til at bygge kunstige mangrovebanker til kystområder. F.eks. vores eksperimentelle arbejde kunne endda anvendes i en ensartet tidevandsstrøm, hvor vand løbende strømmer som følge af havstigning, "sagde Kazemi." Vi arbejder i øjeblikket på en ny model, der giver os mulighed for at forstå strømmen i et mere komplekst design. "