探索水下礁石的湍流特性，对水流和深度影响的动力学研究
水下礁石 (SR) 因其在影响沿海水动力学、增强生物多样性和提供生态服务方面的作用而受到了广泛关注。这些礁石可以改变周围水环境中的流动特性，显著影响湍流、泥沙输送和尾流动力学。水下礁石周围的湍流特性受流入速度、淹没深度和礁石内部几何形状等多种因素的影响。了解这些因素对于设计人工礁石和改善天然礁石修复工作至关重要。
水下礁石的重要性
无论是天然的还是人工的水下礁石，对于维持海洋生物多样性和保护沿海生态系统都至关重要。这些礁石通常位于水面以下，是各种海洋生物的栖息地，同时也提供了减少波浪能量和海岸侵蚀的物理屏障。它们作为海洋结构的有效性在很大程度上取决于周围的流体动力学，包括湍流特性、速度模式和尾流形成。研究人员一直在努力了解这些结构如何与流体动力学相互作用，特别是在不同的淹没和水流条件下。
针对水下礁石周围湍流的研究提供了有关其环境影响的宝贵见解。这些结构周围产生的湍流会影响沉积物再悬浮、营养物混合以及周围地区的整体生态健康。通过研究这些礁石在不同水动力条件下的表现，科学家可以改进人工礁石的设计并优化其位置，以实现环境和工程效益。
暗礁绕流湍流特性
水下礁石周围的湍流是影响其附近水流结构的关键因素。当主流水流遇到礁石时，会出现复杂的流动模式，例如上升流、涡旋脱落和尾流形成。湍流的程度主要取决于流入速度、礁石的几何形状及其水下深度的特性。当水流经过礁石时，它会加速和减速，从而形成剪切层和湍流。
最新的研究表明，水下礁石会引起水柱中出现显著的湍流。在较高的流入速度下，湍流强度会增加，尤其是在礁石后面的尾流区域。尾流区域形成于礁石的下游，其特点是存在较大的涡流结构，会破坏水流的均匀性。这种尾流可以持续到下游很远的地方，严重影响周围的沉积物输送和生态系统。
速度分布是水下礁石周围湍流特征的另一个重要方面。礁石后方尾流区域的流速会降低，而这种降低取决于水下深度和流入水流的速度等因素。当水流相对较快时，尾流会更加明显，并向下游延伸。另一方面，在较低的流速下，尾流强度会降低，消散得更快。
在不同深度的水下，水下珊瑚礁周围的水流动态可能会发生巨大变化。例如，当珊瑚礁被淹没到更深的深度时，水流可能会更加均匀，水面附近的湍流可能不会那么强烈。相反，靠近水面的珊瑚礁可能会引起表面水流和湍流的更剧烈变化。
沉没深度在定义水下礁石周围的湍流方面起着至关重要的作用。随着沉没深度的增加，礁石对水面附近水流的影响变得不那么明显。然而，受礁石材料几何形状和孔隙度的影响，礁石内部的流动结构仍然会产生影响周围水体的湍流。
对于相对沉没深度较小的珊瑚礁（即珊瑚礁更靠近水面），对水流的影响更为显著。在这种情况下产生的湍流更为强烈，这会影响水体中营养物质和沉积物的混合。另一方面，沉没深度较大的珊瑚礁通常产生的湍流强度较小，对水体的影响可能不那么明显，但对当地海洋生态系统来说仍然至关重要。
尾流动力学和流动反转
水下礁石后面的尾流区是一个关键特征，对周围的海洋环境具有重要影响。当水流过礁石时，下游会形成一个低压区，水流在此变得湍急并循环。根据礁石的大小和流入水流的速度，这种尾流可以向下游延伸数米。在某些情况下，尤其是对于较大或较复杂的礁石，尾流区可能大到足以影响沉积物输送和附近海洋生物的分布。
水下珊瑚礁周围的尾流动态不仅取决于珊瑚礁的大小，还取决于流动角度和珊瑚礁的内部结构。研究表明，多孔珊瑚礁（例如由穿孔盒等人造材料制成的珊瑚礁）产生的尾流模式比固体珊瑚礁更复杂。这种复杂性是由于多孔结构内部流动产生的额外湍流而产生的。
逆流现象是由于低压尾流的形成导致珊瑚礁后方的水流改变方向，是尾流动力学的一个重要方面。这种逆流会导致尾流区域沉积物堆积，影响底栖环境，并可能改变海洋生物的分布。在逆流现象严重的地区，细小沉积物可能会被困住，降低水的清澈度，影响滤食性生物的摄食模式。
暗礁对泥沙输送的影响
水下礁石产生的湍流特性会对沉积物输送产生重大影响。在流速较高的区域，沉积物可能会重新悬浮，从而导致水柱内细颗粒的重新分布。礁石产生的湍流会增加海床的剪切应力，导致颗粒被抬升到水柱中。沉积物的这种再悬浮会通过改变营养动态和影响底栖生物的生长来影响当地的生态系统。
研究表明，暗礁可以充当沉积物陷阱，尤其是当流动条件有利于捕获尾流区域内的沉积物时。这些被捕获的沉积物可以成为定居生物的基质，从而形成生物多样性的局部热点。这样，暗礁的湍流特性不仅会影响沉积物输送，还可以通过为海洋生物创造稳定的栖息地来增强沿海地区的生态功能。
水下珊瑚礁引起的湍流对周围水中营养物质和颗粒的混合也起着至关重要的作用。当水流过珊瑚礁时，湍流漩涡促进了水的垂直混合，促进了海底营养物质的向上移动。这可以提高周围生态系统的生产力，支持浮游生物和其他初级生产者的生长。
在营养受限的地区，湍流与颗粒和营养物质之间的相互作用尤为重要。水下珊瑚礁提供的混合作用增强，可以提高地表水对营养物质的利用率，促进初级生产，并支持一系列海洋生物。对珊瑚礁周围流动特性的研究表明，即使湍流发生微小变化，也会显著改变水柱中的营养动态。
新的研究发现
一项新的研究，基于有限体积法，通过求解由 Realizable k-ε模型封闭的雷诺平均 Navier-Stokes 方程，模拟水下生物礁的流场。分析了不同来流速度和水下生物礁附近淹没程度下的水下生物礁湍流特性。
研究发现，流入速度显著影响水下珊瑚礁周围产生的湍流。流入速度越高，湍流强度越大，导致珊瑚礁下游尾流区域变大。这种增强的湍流可以改善营养物质和污染物的混合，但在某些情况下也可能导致沉积物再悬浮增加。低流速导致尾流区较小，对周围水域的干扰较少，这表明较慢的水流可使珊瑚礁周围的水动力条件更稳定。
水下礁石后面的尾流区，该区域随水流条件而变化。在高速下，该尾流区面积广阔，特点是混乱、低速的水流。这种尾流可以形成平静水域，浮游生物、沉积物和其他颗粒可能会积聚在那里，从而可能改变当地的生态环境。研究观测到水流分离，水在珊瑚礁周围分流并在其后方形成回流区。这些回流区可能具有重大的生态影响，例如为海洋生物提供庇护所或影响悬浮物质的输送。
沉没深度（珊瑚礁在水面以下的沉没程度）也起着至关重要的作用。随着沉没深度的增加，湍流变得更加明显，尤其是在较深的水域，水流可能会与海床或附近的建筑物相互作用。浅层珊瑚礁的湍流较少，水流基本绕过珊瑚礁结构。相反，较深的珊瑚礁在珊瑚礁表面和流水之间产生了更复杂的相互作用，增加了尾流大小和湍流强度。该研究强调了一种阈值效应，即在一定的淹没水平下，生态目的（如营养物混合）的最佳湍流会发生。
结果表明，主流通过水下生物礁时，在水下生物礁前方产生上升流，在水下生物礁后方形成大尺度尾流区，其中包含一个顺时针方向的涡旋； SR 后方形成的尾流区长度与来流速度和淹没程度均呈正线性相关；在 SR 区域内形成偶极子型涡量模式，其中高涡量面积和平均值与流速呈正相关，与淹没程度呈负相关。
思考
复杂的礁石几何形状（例如分支状与块状礁石）对湍流强度和尾流形成的相对影响是什么？礁石边缘效应（例如粗糙度）如何影响湍流、沉积物输送和养分循环？
暗礁沉没后的湍流如何影响不同类型的沿海环境（例如沙滩和岩石海岸）中的沉积物输送？在高能环境下，礁石引起的湍流对海岸侵蚀或淤积有何长期影响？
不同流速下相对沉没深度对涡流和礁石后方尾流的形成有何影响？动态沉降（例如由于潮汐周期）在改变珊瑚礁周围的湍流行为方面起什么作用？
参考文献：Turbulent Characteristics of a Submerged Reef under Various Current and Submergence Conditions. J. Mar. Sci. Eng. 2024, 12(2), 214; doi.org/10.3390/jmse12020214
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