Yukarıdaki yöntemler, Coral Arks sistemlerinin iki tasarımı için montaj ve kurulum talimatları sağlar. Her tasarım için prototipler, sürtünme özelliklerini değerlendirmek ve modellenmiş ve ampirik mukavemet değerlerine dayanan yapısal bütünlüğü optimize etmek için uzun vadeli dağıtımdan önce San Diego, ABD'de monte edildi ve sahada test edildi. Rüzgar tüneli testlerinden elde edilen sonuçlar, hidrodinamik simülasyonlar ve prototip yapılar kullanılarak modellenen değerlerin su içi doğrulanması da dahil olmak üzere, burada sunulan her iki Arks geometrisinin seçilmesi ve iyileştirilmesi için etkili olan modelleme çabaları, Ek Dosya 1'in 6. Bölümünde ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. "Shell" Arks tasarımının modelleme ve su içi testlerinden elde edilen sonuçlar burada gösterilmektedir. Her tasarımın iki yapısı daha sonra Porto Riko ve Curaçao'daki Karayip saha sahalarında konuşlandırıldı (toplam dört Arks yapısı kuruldu) ve mercanlar yapılara taşındı. "Shell" Arks tasarımı ile ilişkili su kalitesi, mikrobiyal topluluk ve mercan hayatta kalma metrikleri ve iki deniz tabanı kontrol alanı, doğal işe alım ve tohumlanmış ARMS'nin eklenmesini takiben Arks yapılarıyla ilişkili çevresel parametrelerdeki ve mercan sağlığındaki değişiklikleri karakterize etmek ve belirlemek için 6 aya yayılan çeşitli zaman noktalarında toplanmıştır.
Coral Arks'ın sürtünme özellikleri
Hedef ortamda hayatta kalacak bir yapı ve demirleme tasarlamak için Coral Arks'ın sürtünme özelliklerini anlamak önemlidir. Yapısal açıdan bakıldığında, hidrodinamik sürükleme, ağ kaldırma kuvveti ile birlikte, yapı içinde, özellikle demirleme ve ankraj sistemine yükler yükler. Arks yapılarının sürtünme özelliklerini tahmin etmek için modelleme ve deneysel ölçümler yaptık. Arks yapılarının "Shell" tasarımı için yapılan bu testlerin sonuçları aşağıda detaylandırılmıştır. Modelleme, yapının tek tek elemanlarının sürüklenmesini tahmin ederek, bunları toplayarak ve daha sonra sonucu denklem (1) ve denklem (2)'de gösterildiği gibi etkili bir sürükleme katsayısında birleştirerek gerçekleştirildi:
(1)
(2)
burada D toplamı, D i elemanının sürüklediği toplamdan tahmin edilen yapının toplam sürüklenmesidir, CD genel yapı sürükleme katsayısıdır, akışkan yoğunluğudur, U, nesnenin akışkana göre akış hızıdır ve A, yapının ön alanıdır. Bu hesaplamalarda, elemanların hepsinin silindir olduğu varsayıldı ve akışa yönelimleri Ark yapısının dik geometrisi tarafından dikte edildi. Modelleme, nihai saha sistemlerinin inşasından önce çekme testi için kullanılan (aşağıda açıklanmıştır) aynı prototip "Kabuk" sistemi (2V jeodezik küre) için gerçekleştirildi. Prototipin toplam ön alanı yaklaşık 2.10 m2'ydi ve modelleme sonuçları yaklaşık 0.12'lik tüm yapı için etkili bir sürtünme katsayısı gösterdi. Yapının hızın bir fonksiyonu olarak model tarafından tahmin edilen sürüklenmesi Şekil 4'te gösterilmiştir.
Farklı akış hızları altında deneyimlenecek yapının sürüklenme kuvvetinin deneysel tahminleri, Ark yapısını, çekme hattı ile aynı hizada eklenmiş bir yük hücresine sahip bir teknenin arkasına çekerek ve bir eğim sensörü ile Ark'ın dikey eksene göre oryantasyonundaki değişiklikleri bir dizi çekme hızında kaydetmek için elde edilmiştir. Çekmeden önce, yapının su içi ağırlığı belirlendi ve yaklaşık 200 kg'lık bir net kaldırma kuvvetini simüle etmek için yapıya yeterli ek ağırlık eklendi (sistem için ilk hedef). Çekme kablosundaki gerilime ve Sandığın eğim açısına bağlı olarak, her hızdaki sürtünme (Dçekme) denklemi (3) kullanılarak belirlendi:
(3)
burada T , yük hücresinden ölçülen gerilimdir ve dikey eksene göre eğim açısıdır. Ortaya çıkan sürükleme ve hız ilişkisi Şekil 4'te gösterilmiştir. Ön alan ve su yoğunluğunun tahminleriyle birlikte en uygun sürükleme eğrisi ( Dçekme αU2; bkz. Şekil 4), daha sonra 0.13'lük ampirik sürükleme katsayısını belirlemek için kullanıldı.
Çekme testi sırasındaki Reynolds sayısı (ve modelleme için kullanılan aralık), genellikle çalkantılı akış rejimlerinde 105-10 6 aralığındaydı. Bu Reynolds sayı aralığındaki bir küre için sürükleme katsayısının tipik değerleri 0,2 ile 0,4 arasındadır. Karşılaştırma amacıyla, sürükleme katsayısı 0,3 olan bir küre için sürükleme eğrisinin bir grafiği Şekil 4'te gösterilmiştir. Bu nedenle, sürükleme katsayısının modellenmiş ve deneysel tahminleri, yapının daha açık karakteriyle tutarlı olan bir küreden iki ila üç kat daha küçüktür.
Bu modellenmiş sonuçları doğrulamak için, iki "Shell" Arks yapısının akışa tepkisinin saha ölçümlerini de yaptık. Bunu başarmak için, aynı yük hücresi geçici olarak Ark ana demirleme hattına uygun olarak kuruldu, Ark'a bir eğim sensörü takıldı ve aynı anda su hızını izlemek için sahaya bir akım ölçer takıldı. Gerilimin kaldırma kuvveti ve sürtünme bileşenleri daha sonra eğim açısı ve yük hücresi ölçümlerinden hesaplandı (Şekil 5). Ölçüm periyodu boyunca mevcut hızlar yaklaşık 20 cm / s'de nispeten kararlıydı ve veri seti nispeten kısaydı; Bu nedenle, verilerin dönem boyunca ortalaması alındı ve alan sürtünme ve hız tepkisini modellenmiş ve deneysel çekme tahminleriyle karşılaştırmak için kullanıldı. Bu sonuçlar, konuşlandırma sahasında beklenen koşullar altında (tipik bir fırtına olayı sırasında 1,3 m/sn'ye kadar akış hızları), sistemdeki sürükleme kuvvetinin 300 kg'dan az olmasının beklendiğini göstermektedir.
Porto Riko, Vieques'teki her iki "Kabuk" yapısı, Eylül 2022'de Kategori 1 Kasırgası Fiona'dan doğrudan bir darbe aldı ve yapılara, demirlemeye veya demirleme sistemine belirgin bir zarar vermeden hayatta kaldı ve tasarımı destekleyen yerinde bir test sağladı. Yakındaki bir şamandıra (CARICOOS), konuşlandırma sahasında 10 m derinlikte 1,05 m/sn akım hızlarını kaydetti ve bu da demirleme sistemlerinde yaklaşık 160 kg'lık bir sürükleme kuvvetine karşılık geldi. Sistemler 1.600 kg kuvvete dayanacak şekilde tasarlanmıştır (ankraj kapasitesi ve bileşen kırılma mukavemeti göz önüne alındığında) ve bu nedenle ortam veya tipik fırtına koşullarında arızalanması beklenmemektedir.
Coral Arks için net kaldırma kuvveti izleme
Ark yapılarının sürtünme özelliklerini doğrulamak için açıklanan aynı yaklaşım, Arkların net kaldırma kuvvetini izlemek için bir yöntem geliştirmek için de kullanıldı. Sandığın fiziksel yapısı sabit kaldığı sürece, net yüzdürme kuvveti, genel topluluk kalsifikasyonunu ve dolayısıyla mercan büyümesini izlemek için kaba bir vekil ve sistemin zaman içinde biyolojik büyümeyi telafi etmek için yeterli pozitif yüzdürme kabiliyetine sahip olup olmadığını belirlemek için bir bakım metriği sağlar. Bağlama geriliminin kaldırma kuvveti bileşeni (B), denklemdeki gerinim ölçer ve eğim sensörü verileri kullanılarak hesaplanmıştır (4):
(4)
burada T , yük hücresinden ölçülen gerilimdir ve eğim açısıdır. Net kaldırma kuvvetinin ortaya çıkan zaman serisi Şekil 5'te gösterilmiştir. Saha izleme olayları sırasında mevcut olan nispeten istikrarlı mevcut koşullar altında, Porto Riko, Vieques'te konuşlandırılan iki "Shell" Arks yapısının, tüm mercanlar ve tohumlanmış ARMS birimleri ilk yapı dağıtımından 6 ay sonra yapılara taşındıktan sonra, izleme süresi boyunca (± bir standart sapma) ortalamaya alındığında 82.7 kg ± 1.0 kg (Ark 1) ve 83.0 kg ± 0.9 kg (Ark 2) benzer net buoyansilere sahip olduğunu bulduk. Sonuçlar, nispeten istikrarlı su akışı dönemlerinde kısa süreli izlemenin, sahadaki net kaldırma kuvvetini ~ 1 kg içinde belirlemek için kullanılabileceğini ve bunun biyokütledeki değişiklikleri izlemek için uzun vadede yararlı olduğunu kanıtlaması gerektiğini göstermektedir.
Su kalitesi ve mikrobiyal topluluk dinamikleri
Su kalitesi ve su sütunu ile ilişkili mikrobiyal topluluklarla ilişkili metrikler, Porto Riko'daki Isla Vieques açıklarında, 25 ft derinlikte Arks'ın tepesi ile 55 ft suya demirlenmiş iki orta su "Kabuk" Arkı üzerinde ölçülmüştür (Şekil 6C). Su kalitesi ölçümleri, mikrobiyal ve viral bolluklar ve iki Ark'tan ortalama mikrop büyüklüğü, aynı zamanda 25 ft derinlikte ancak kıyıya çok daha yakın olan yakındaki iki deniz tabanı "kontrol" bölgesinden elde edilen aynı metriklerle karşılaştırılmıştır (Şekil 6D). Gösterilen ölçümler, Arks'ın ilk yer değiştirmiş mercan grubuyla (Kasım 2021) kurulmasından hemen sonra ve 6 ay sonra ikinci bir mercan ve tohumlanmış ARMS partisinin Arks'a taşınmasından sonra (Mayıs 2022) toplanmıştır; Daha sonra karşılaştırma için her iki sitede (Arks ve kontrol siteleri) ortalamaları alındı. Tohumlanan ARMS, konuşlandırıldıktan sonraki 6 ayda Arks'a aktarıldığından, ilk 6 aylık dönemde yapılarda biyolojik toplulukların birikmesi, biyolojik kirlenme ve doğal işe alım ile ilişkilendirildi.
Arks ortamı, bentik kontrol bölgelerinden daha yüksek ortalama gündüz ışık yoğunlukları (Şekil 6A), daha yüksek ortalama akış hızları (Şekil 6C), daha düşük çözünmüş organik karbon konsantrasyonları (Şekil 6F) ve çözünmüş oksijen konsantrasyonlarında (Şekil 6G) daha düşük diel dalgalanmaları sergilemiştir. Arks ayrıca, kontrol bölgelerinden (Şekil 7A) daha yüksek virüs-mikrop oranlarına sahip, daha yüksek miktarda serbest virüs (Şekil 7C) ve orta su Arks ortamında daha düşük miktarda mikrop (Şekil 7B) tarafından yönlendirilen mikrobiyal topluluklar sergiledi. Arks'taki mikrobiyal topluluklar, ortalama olarak, deniz tabanı alanlarındaki mikrobiyal topluluklardan fiziksel olarak daha küçük hücrelerden oluşuyordu (Şekil 7D). Arklar ve kontrol bölgeleri arasındaki sıcaklık farkları anlamlı değildi (Şekil 6E). Yukarıdaki eğilimlerin tümü, Arks'taki kontrol alanlarından daha iyi su kalitesi ve daha sağlıklı mikrobiyal topluluklarla tutarlıdır. Bu koşullar, konuşlandırmanın ilk 6 ayı boyunca devam etti; bu süre zarfında, hem mercan nubbinlerinin yer değiştirmesi hem de su sütunundan doğal olarak işe alım yoluyla Arks'ta yeni ortaya çıkan bir biyolojik topluluk gelişti ve ardışık değişiklikler yaşadı, ayrıca 6. ayda yapılara tohumlanmış ARM'lerin eklenmesiyle de devam etti.
Mercan hayatta kalma
Sekiz tür ve çeşitli morfolojilerden oluşan bir mercan kohortu, hem Arks'ın kurulmasından sonra (ay 0) hem de tohumlanmış ARMS'nin 6. ayda eklenmesini takiben Arks ve bentik kontrol bölgelerine dağıtıldı. Her mercan türünün orijinal ana kolonileri, nubbinlere (belirli bir boyutta 2-8 cm) bölündü ve hem Arks hem de kontrol bölgelerinde eşit olarak dağıtılan kireçtaşı mercan plakalarına (20cm2 plaka başına dört ila beş nubbin) tutturuldu ve aynı türlerin ve genotiplerin hem orta su Arks bölgelerinde hem de kontrol bölgelerinde temsil edilmesini sağladı. Bu translokasyonlu mercanların hayatta kalması, Arks ve kontrol bölgelerinde her 3 ayda bir değerlendirildi. İlk mercan kohortunun yer değiştirmesinden dokuz ay sonra, kontrol bölgelerine kıyasla (% 42, Şekil 8) Arks'ta (% 80, Şekil 8) daha fazla mercan hala yaşıyordu.

Şekil 1: Tam kurulu iki Coral Ark yapısının yapısal bileşenlerini gösteren diyagram. Solda, "Kabuk" ve "İki Platformlu" (sağda) Coral Arks yapıları, pozitif yüzdürme sağlamak için iki yöntem ve demirleme için iki yöntemle birlikte gösterilmektedir. Kısaltma: ARMS = Otonom Resif İzleme Yapıları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: ARMS birimlerinin tasarımı, dağıtımı ve transferi. (A-D) PVC ARMS ve (E-H) Deniz tabanı ekim alanlarından Coral Arks'a kadar Kireçtaşı ARMS. (A) Michael Berumen'e ait fotoğraf kredisi. (B) David Littschwager'a ait fotoğraf kredisi. Kısaltmalar: PVC = polivinil klorür; ARMS = Otonom Resif İzleme Yapıları. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Sahaya taşıma ve tam kurulum dahil olmak üzere Coral Arks'ın dağıtım aşamalarını temsil eden görüntüler. (A-C) Kabuk tipi ve (D-F) İki Platformlu tip sistemler. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: "Kabuk" Ark yapılarının modelleme, deneysel çekme testi ve aynı yaklaşık ölçekteki bir kürenin sürüklenmesine göre alan doğrulamasına dayanan sürtünme özellikleri. "ARK1" ve "ARK2", Porto Riko, Vieques'te aynı bölgeye kurulan aynı "Shell" Ark yapılarıdır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Porto Riko, Vieques'teki iki "Kabuk" Gemisi için ölçülen net kaldırma kuvveti değerleri. "Kabuk" Ark 1 (mavi) ve "Kabuk" Ark 2 (yeşil) için su hızı (sağ eksen, orta renkler), net kaldırma kuvveti (sol eksen, açık renkler) ve demirleme hattında hesaplanan sürükleme/gerilim (sol eksen, koyu renkler) gösterilmektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Porto Riko, Vieques'teki "Shell" Arks ve deniz tabanı kontrol tesisleriyle ilişkili su kalitesi ölçümleri, kurulumdan hemen sonra ve 6 ay sonra. (A) Gündüz ışık yoğunluğu, (B) akım hızı, (C,D) kurulumdan 6 ay sonra çekilen fotoğraflar, (E) sıcaklık, (F) çözünmüş organik karbon, (G) Arks'taki çözünmüş oksijen seviyelerindeki değişiklikler, 6 ay boyunca kontrol sahalarına karşı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 7: Porto Riko, Vieques'teki "Shell" Arks ve deniz tabanı kontrol sahalarındaki su sütunuyla ilişkili mikrobiyal topluluklarla ilgili metrikler, kurulumdan hemen sonra ve 6 ay sonra . (A) Virüs-mikrop oranı, (B) bakteri hücresi bolluğu, (C) serbest virüs bolluğu ve (D) ortalama bakteri hücresi boyutu. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 8: Porto Riko, Vieques'teki "Shell" Arks ve deniz tabanı kontrol sahalarında translokasyondan sonraki ilk 9 ay boyunca hayatta kalan mercanların oranı. Görüntüler, translokasyondan hemen sonra (solda) ve translokasyondan 6 ay sonra (sağda) Arks'ta (üstte) ve bentik kontrol bölgelerinde (altta) tek bir mercan plakasının durumunu temsil etmektedir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Tablo 1: ARMS yapımı ve tasarımıyla ilgili hususlar. Kısaltmalar: ARMS = Otonom Resif İzleme Yapıları; PVC = polivinil klorür. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Tablo 2: Coral Arks tasarım hususları. Kısaltmalar: PVC = polivinil klorür; ARMS = Otonom Resif İzleme Yapıları; HDPE = yüksek yoğunluklu polietilen. Bu Tabloyu indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya. Bu dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.