Приведенные выше методы предоставляют инструкции по сборке и установке для двух конструкций систем Coral Arks. Прототипы для каждой конструкции были собраны и испытаны в полевых условиях в Сан-Диего, США, перед долгосрочным развертыванием для оценки характеристик сопротивления и оптимизации структурной целостности на основе смоделированных и эмпирических значений прочности. Усилия по моделированию, сыгравшие важную роль в выборе и уточнении обеих геометрий Ковчега, представленных здесь, включая результаты испытаний в аэродинамической трубе, гидродинамического моделирования и проверки смоделированных значений в воде с использованием прототипов структур, подробно описаны в разделе 6 Дополнительного файла 1. Здесь показаны результаты моделирования и испытаний в воде конструкции ковчега «Панцирь». Затем на полевых участках Карибского бассейна в Пуэрто-Рико и Кюрасао были развернуты две конструкции каждого проекта (установлено четыре сооружения «Ковчег»), и кораллы были перемещены в эти сооружения. Качество воды, микробное сообщество и показатели выживания кораллов, связанные с конструкцией ковчега «Раковина» и двумя контрольными участками морского дна, были собраны в несколько моментов времени, охватывающих 6 месяцев, чтобы охарактеризовать и определить изменения в параметрах окружающей среды и здоровье кораллов, связанные со структурами Ковчегов, после естественного пополнения и добавления засеянных ARMS.
Характеристики сопротивления Coral Arks
Важно понимать характеристики сопротивления коралловых ковчегов, чтобы спроектировать конструкцию и причал, которые выживут в целевой среде. С конструктивной точки зрения гидродинамическое сопротивление в сочетании с плавучестью сети создает нагрузки внутри конструкции, особенно на швартовку и ее анкерную систему. Мы провели моделирование и экспериментальные измерения для оценки характеристик сопротивления конструкций Arks. Результаты этих испытаний для конструкции «Панцирь» конструкций Arks подробно описаны ниже. Моделирование проводилось путем оценки сопротивления отдельных элементов конструкции, их суммирования, а затем объединения результата в эффективный коэффициент лобового сопротивления, как показано в уравнении (1) и уравнении (2):
(1)
(2)
где D - общее сопротивление конструкции, оцененное по сумме сопротивления элемента Di, CD - общий коэффициент сопротивления конструкции, - плотность жидкости, U - скорость потока объекта относительно жидкости, а A - фронтальная площадь конструкции. В этих расчетах все элементы предполагались цилиндрами, а их ориентация на поток диктовалась вертикальной геометрией конструкции Ковчега. Моделирование проводилось для того же прототипа системы «Панцирь» (геодезическая сфера 2 В), которая использовалась для буксировочных испытаний (описанных ниже) перед строительством окончательных полевых систем. Прототип имел общую площадь лобовой части примерно 2,10 м2, а результаты моделирования показали эффективный коэффициент лобового сопротивления для всей конструкции примерно 0,12. Предсказанное моделью сопротивление конструкции в зависимости от скорости показано на рисунке 4.
Экспериментальные оценки силы лобового сопротивления конструкции, которая будет испытываться при различных скоростях потока, были получены путем буксировки конструкции Ковчега за судном с тензодатчиком, сращенным на одной линии с буксирным тросом, и датчиком наклона для регистрации изменений ориентации Ковчега относительно вертикальной оси в диапазоне скоростей буксировки. Перед буксировкой был определен вес конструкции в воде, и к конструкции был добавлен достаточный дополнительный вес, чтобы имитировать чистую плавучесть примерно 200 кг (первоначальная цель для системы). Исходя из натяжения буксирного троса и угла наклона ковчега, лобовое сопротивление (буксир D) на каждой скорости определяли с помощью уравнения (3):
(3)
где T — измеренное натяжение тензодатчика, а — угол наклона относительно вертикальной оси. Результирующее соотношение сопротивления и скорости показано на рисунке 4. Затем для определения эмпирического коэффициента лобового сопротивления, равного 0,13, использовалась кривая лобового сопротивления (вида буксировки Dα U 2; см. рис. 4) в сочетании с оценками площади фронта и плотности воды.
Число Рейнольдса во время буксировочных испытаний (и диапазон, использованный для моделирования) находилось в диапазоне 105-10 6, как правило, в режимах турбулентного течения. Типичные значения коэффициента лобового сопротивления для сферы в этом диапазоне чисел Рейнольдса составляют от 0,2 до 0,4. Для сравнения на рисунке 4 показан график кривой лобового сопротивления для сферы с коэффициентом лобового сопротивления 0,3. Таким образом, смоделированные и экспериментальные оценки коэффициента лобового сопротивления находятся порядка в два-три раза меньше, чем для сферы, что согласуется с более открытым характером конструкции.
Чтобы подтвердить эти смоделированные результаты, мы также провели полевые измерения реакции двух структур ковчега «Shell» на поток. Для этого был временно установлен такой же тензодатчик на одной линии с основной швартовной линией «Ковчега», на «Ковчеге» был установлен датчик наклона, а на площадке был установлен счетчик тока для одновременного контроля скорости воды. Затем компоненты плавучести и лобового сопротивления растяжения были рассчитаны на основе угла наклона и измерений тензодатчика (рис. 5). Текущие скорости в течение периода измерений были относительно стабильными и составляли около 20 см/с, а набор данных был относительно коротким; Таким образом, данные были усреднены за период и использованы для сравнения сопротивления и скорости поля с смоделированными и экспериментальными оценками буксировки. Эти результаты показывают, что в ожидаемых условиях в месте развертывания (скорость потока до 1,3 м/с во время типичного шторма) сила сопротивления на системе, как ожидается, составит менее 300 кг.
Обе конструкции «Панцирь» на Вьекесе (Пуэрто-Рико) пережили прямое попадание урагана «Фиона» категории 1 в сентябре 2022 года без видимых повреждений конструкций, швартовки или анкерной системы, что обеспечило испытание на месте , подтверждающее конструкцию. Расположенный неподалеку буй (CARICOOS) зафиксировал скорость течения 1,05 м/с на глубине 10 м в месте развертывания, что соответствует силе сопротивления на швартовных системах в размере около 160 кг. Системы были спроектированы так, чтобы выдерживать силу 1,600 кг (с учетом анкерной емкости и прочности компонентов на разрыв) и, следовательно, не ожидалось, что они выйдут из строя в условиях окружающей среды или типичных штормовых условиях.
Мониторинг чистой плавучести коралловых ковчегов
Тот же подход, который был описан для проверки характеристик сопротивления конструкций Ковчега, был также использован для разработки метода мониторинга чистой плавучести Ковчегов. До тех пор, пока физическая структура Ковчега остается постоянной, чистая плавучесть обеспечивает приблизительный показатель для мониторинга общей кальцификации сообщества и, следовательно, роста кораллов, а также метрику обслуживания, чтобы определить, имеет ли система достаточную положительную плавучесть, чтобы компенсировать биологический рост с течением времени. Компонент плавучести (B) швартовного натяжения был рассчитан с использованием данных тензодатчика и датчика наклона в уравнении (4):
(4)
где T — измеренное натяжение тензодатчика, а — угол наклона. Результирующий временной ряд плавучести сети показан на рисунке 5. В относительно стабильных текущих условиях, наблюдавшихся во время полевых мониторингов, мы обнаружили, что две структуры «Ракушка» «Аркс», развернутые на Вьекесе (Пуэрто-Рико), имеют одинаковую чистую плавучесть 82,7 кг ± 1,0 кг (Ковчег 1) и 83,0 кг ± 0,9 кг (Ковчег 2) при усреднении за период мониторинга (± одно стандартное отклонение) после того, как все кораллы и засеянные единицы АРМС были перемещены в сооружения через 6 месяцев после первоначального развертывания структуры. Результаты показывают, что краткосрочный мониторинг в относительно стабильные периоды стока воды может быть использован для определения чистой плавучести в поле с точностью до ~ 1 кг, что должно оказаться полезным в долгосрочной перспективе для мониторинга изменений в биомассе.
Качество воды и динамика микробного сообщества
Показатели, связанные с качеством воды и микробными сообществами, связанными с толщей воды, были измерены на двух средневодных ковчегах «Ракушка», которые были закреплены на глубине 55 футов с вершиной ковчега на глубине 25 футов у побережья острова Вьекес, Пуэрто-Рико (рис. 6C). Показатели качества воды, микробная и вирусная численность, а также средний размер микробов из двух ковчегов сравнивались с теми же показателями из двух близлежащих «контрольных» участков морского дна, которые также находились на глубине 25 футов, но намного ближе к берегу (рис. 6D). Показанные измерения были собраны сразу после установки Ковчега с первой партией перемещенных кораллов (ноябрь 2021 г.) и через 6 месяцев после того, как вторая партия кораллов и засеянных ARMS были перемещены в Ковчеги (май 2022 г.); затем они были усреднены по обоим участкам (Ковчег и контрольные участки) для сравнения. Поскольку засеянные ARMS были перенесены в Ковчеги через 6 месяцев после развертывания, накопление биологических сообществ на структурах в течение первого 6-месячного периода было связано с биообрастанием и естественным пополнением.
В среде Ковчега наблюдались более высокие средние интенсивности дневного освещения (рис. 6А), более высокие средние скорости потока (рис. 6С), более низкие концентрации растворенного органического углерода (рис. 6F) и более низкие колебания концентрации растворенного кислорода (рис. 6G), чем в бентических контрольных участках. Ковчеги также показали микробные сообщества с более высоким соотношением вирусов и микробов, чем контрольные участки (рис. 7A), что обусловлено более высоким обилием свободных вирусов (рис. 7C) и меньшим количеством микробов (рис. 7B) в срединной среде Arks. Микробные сообщества на Ковчегах состояли в среднем из физически меньших клеток, чем микробные сообщества на участках морского дна (рис. 7D). Различия в температуре между ковчегами и контрольными участками не были значительными (рис. 6E). Все вышеперечисленные тенденции согласуются с улучшением качества воды и более здоровыми микробными сообществами на Ковчегах, чем на контрольных участках. Эти условия сохранялись в течение первых 6 месяцев развертывания, в течение которых зарождающееся биологическое сообщество развивалось на Ковчегах как за счет перемещения коралловых бугорков, так и за счет естественного пополнения из толщи воды и испытывало сукцессионные изменения, а также за счет добавления засеянных ARMS на структуры на 6-м месяце.
Выживание кораллов
Когорта кораллов, включающая восемь видов и различных морфологий, была распределена по Ковчегам и участкам бентосного контроля как после установки Ковчега (месяц 0), так и после добавления засеянного ARMS на 6-м месяце. Первоначальные родительские колонии каждого вида кораллов были раздроблены на кусочки (2-8 см в данном измерении) и прикреплены к известняковым коралловым плитам (четыре-пять бугорков на плиту 20см2), которые были равномерно распределены как на Ковчегах, так и на контрольных участках, гарантируя, что одни и те же виды и генотипы были представлены как на участках Средневодных Ковчегов, так и на контрольных участках. Выживаемость этих перемещенных кораллов оценивалась каждые 3 месяца на Ковчегах и контрольных участках. Через девять месяцев после переселения первой когорты кораллов на Ковчегах все еще оставалось больше живых кораллов (80%, рис. 8) по сравнению с контрольными участками (42%, рис. 8).

Рисунок 1: Схема, показывающая структурные компоненты двух полностью установленных конструкций Кораллового ковчега. Слева показаны конструкции коралловых ковчегов «Раковина» и «Двухплатформенный» (справа), а также два метода обеспечения положительной плавучести и два метода постановки на якорь. Аббревиатура: ARMS = Автономные структуры мониторинга рифов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Проектирование, развертывание и переброска подразделений ARMS. (A-D) ПВХ ARMS и (E-H) известняковые ARMS от мест засева морского дна до коралловых ковчегов. (A) Фото предоставлено Майклом Беруменом. (B) Фото предоставлено Дэвидом Литчвагером. Сокращения: ПВХ = поливинилхлорид; ARMS = автономные структуры мониторинга рифов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Изображения, представляющие этапы развертывания Coral Arks, включая транспортировку на место и полную установку. (A-C) Системы типа оболочки и (D-F) двухплатформенного типа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Характеристики сопротивления конструкций ковчега «Панцирь» на основе моделирования, экспериментальных испытаний буксировки и проверки в полевых условиях относительно сопротивления сферы того же приблизительного масштаба. «ARK1» и «ARK2» являются идентичными конструкциями «Shell» Ark, установленными на одном и том же объекте на Вьекес, Пуэрто-Рико. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 5: Измеренные чистые значения плавучести для двух ковчегов «Шелл» на острове Вьекес, Пуэрто-Рико. Показаны скорость воды (правая ось, средние цвета), плавучесть сети (левая ось, светлые цвета) и расчетное сопротивление/натяжение на швартовной линии (левая ось, темные цвета) для ковчега 1 «Ракушка» (синий) и ковчега 2 «Ракушка» (зеленый). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 6: Показатели качества воды, связанные с ковчегами «Шелл» и участками контроля морского дна на Вьекес, Пуэрто-Рико, сразу после установки и через 6 месяцев после нее. (A) интенсивность дневного света, (B) скорость тока, (C, D) фотографии, сделанные через 6 месяцев после установки, (E) температура, (F) растворенный органический углерод, (G) изменения уровня растворенного кислорода в ковчегах по сравнению с контрольными участками в течение 6 месяцев. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 7: Показатели, связанные с микробными сообществами, связанными с водной толщей, на ковчегах «Шелл» и участках контроля морского дна на Вьекес, Пуэрто-Рико, сразу после установки и через 6 месяцев после нее . (A) соотношение вирусов и микробов, (B) обилие бактериальных клеток, (C) обилие свободных вирусов и (D) средний размер бактериальных клеток. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Диаграмма 8: Доля выживших кораллов на ковчегах «Ракушка» и участках контроля морского дна на Вьекес, Пуэрто-Рико, в течение первых 9 месяцев после переселения. Изображения показывают состояние одной коралловой плиты на Ковчегах (вверху) и на контрольных участках бентоса (внизу) сразу после транслокации (слева) и через 6 месяцев после транслокации (справа). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Таблица 1: Соображения по конструкции и проектированию ARMS. Сокращения: ARMS = автономные структуры мониторинга рифов; ПВХ = поливинилхлорид. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Таблица 2: Соображения по проектированию коралловых ковчегов. Сокращения: ПВХ = поливинилхлорид; ARMS = автономные структуры мониторинга рифов; ПЭВП = полиэтилен высокой плотности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить эту таблицу.
Дополнительный файл. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.