通过气流和粒子分布模拟可继续旅游和地下生态系统保护

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文章导读

文化遗产是人类在社会历史实践中所发明的具有文化价值的财富遗存，因此对于历史文化遗产的保护具有重要的意义。具有旅游价值的自然文化遗产不仅可以促进保护当地的自然与历史特征，同时也有助于向全世界传播该地区的文化知识，促进该地区的社会经济发展。其中，洞穴、地下墓穴、矿井和地下圣地等自然或人工地下景看，由于具有很高的环境和文化价值，通常对游客具有很强的吸引力。然而，游客的到访会改变地下的环境条件，并影响或损害 (甚至有时是不可逆转的) 这种封闭生态系统的完全性。

除了人类唤吸引起的室内环境转变外，随着大气中温度、相对湿度和CO2浓度的增加，也会激活石质表面的化学-物理降解过程。此外，游客也是外来颗粒物 (如灰尘、微塑料、纤维、毛发以及真菌、细菌、孢子和种子等) 的携带者。这些物质构成了生态系统中的无机物和有机输进，改变了生态系统的自然生态平衡，并会促进包括壁画和洞穴表面等墙壁的退化。

不同系统的脆弱程度可能有所不同。其中，地下生态系统的复杂性使得人们很难完全了解其生态过程以及潜在骚乱因素造成的后果。因此，探索这些地方的人类旅游活动对于保护遗产地的影响，以及如何正确治理并合理利用保护遗产地是十分必要的。基于此，来自意大利萨勒诺大学化学和生物系的Rosangela Addesso博士以研究论文的形式在 Sustainability 期刊发表了文章，该研究提出了一个推测旅游对地下生态系统可能造成的影响的工具。该研究将有助于地下自然遗产的可继续治理，指挥并实施有效的预防措施，从而限制可能危及地下自然遗产的完全性和安全性的不利因素。

研究过程

为了模拟气流以及颗粒物的分散和沉积情状，作者通过使用COMSOL Multiphysics (v4.3) 软件中的使用程序圆柱流方法，对位于意大利南部石灰岩喀斯特地区内的珀托萨-奥莱塔 (Pertosa-Auletta) 洞穴中旅游部分 (总长度约为3 km；图1) 进行了模拟。本研究构建了每年约有60,000名游客游览的珀托萨-奥莱塔洞穴 (图1a) 中的两个洞穴部分简化的几何外形 (图1b)。第一个由2D圆柱体组成，模拟空腔的线性传导 (图1b中的蓝线)；第二个更清楚，试图构建一个更大的圆形空间，有隧道供游客进出 (图1b中的红线)。此外，作者还摘用COMSOL Multiphysics软件所提供的最大颗粒跟踪使用程序，以便跟踪被气流挈曳的颗粒物质的运动情状。

展开全文

图1. (a) 珀托萨-奥莱塔洞穴中的游客；(b) 珀托萨-奥莱塔洞穴图，展示了第一次模拟中考虑的线性行为 (蓝线)，以及第二次模拟中考虑的与大空间连接的行为 (红线)。

图2a展示了通向洞穴大空间的直管道的简单2D结构，结果表明流体在中心部分比在与墙壁直接接触的区域具有更快的移动速度。图2c展示了大质量粒子的轨迹，其中释放的起点正好位于不连续点四周。在开始时，粒子沿着流线的所有方向运动；然而，随着速度的加快，粒子无法随着气流快速改变方向，最终会与畴壁相互碰撞 (图2c)。由于游客数量的增加，可以看察到空气漩涡明显大于之前的模拟，具有较大的不连续性 (图2d)，这也会导致流体输送更多的颗粒。因为速度达到了9.06 m/s，明显有更多的沉积物出现在洞穴壁上。

图2. 基于珀托萨-奥莱塔洞穴线性导管简化几何外形的模拟，其中Y轴代表气流速度 (m/s), X轴代表圆柱体尺寸 (m)。特殊是，报告了 (a) 基本的物理模型行为、(b) 增加了不连续点 (白圈)，以及 (c) 质量粒子 (红圈) 的追踪和 (d) 一个更大的不连续性 (白圈)。

通过添加更多的不连续点 (图3) (如洞穴沉积物、代表洞穴中的典型阻碍物等)，发现线性气流会被扰乱 (图3a)，这会影响到遵循优先流线的颗粒路径 (图3b, c)。引进一定数量的游客，会导致气团更加紊乱的运动，颗粒沉积在低压区 (图3b, c)。为了对这些生态系统进行可继续治理，治理者可以在这些区域安装主动或被动的颗粒物捕集装置，从而避免对洞穴结构造成的损害。

图3. 模拟基于珀托萨-奥莱塔洞穴线性导管的简化几何外形，增加了几个不连续点 (白色正方形)，其中Y轴代表气流速度 (m/s), X轴代表圆柱体尺寸 (m)。特殊是，报告了 (a) 基本物理模型行为和大质量粒子的跟踪 (红圈)，考虑了一组 (b) 5和 (c) 15访问者 (白圈)。

图4a模拟展示了通向洞穴大空间的路径，颗粒物会沿着大圆截面的整个曲线周长以圆周运动行进。此外，研究发现代表一个人或一个旅游团的不连续点追踪大质量粒子并不会像第一次模拟那样沉积在墙壁上 (图4b)，也不会沿着流体的整个路径移动，因为获得的速度决定了将其推向大空间墙壁的惯性力。较大的颗粒不会出现这种情状，因为它们能够跟随风向的突然转变，并获得较低的速度 (图4c)。

图4. 基于铰接几何图形的模拟，重建了珀托萨-奥莱塔洞穴的大型圆形空间，其中Y轴代表气流速度 (m/s), X轴代表线性尺寸 (m)。特殊是，报告了 (a) 基本物理模型行为、(b) 从不连续点 (白圈) 跟踪大质量粒子 (红圈) 和 (c) 添加更重的大质量粒子。

由于有几个阻碍物和游客群，使得系统更加复杂 (图5)，这些不连续点充当沉积点，代表高风险的损坏区域。此外，在第一种情状下 (图5a, b), 5和15名游客位于通道的开始处，由于沿末端形成较高的空气速度，气流将大部分颗粒推到洞穴墙壁上。当5个和15个访客 (图5c, d) 到达大空间时，颗粒物沉积变得更加强烈。

图5. 基于链接几何的模拟，重建了珀托萨-奥莱塔洞穴的大型圆形空间，添加了几个不连续点 (白色正方形) 和大质量粒子的跟踪 (红色圆圈)，其中Y轴代表气流速度 (m/s)，X轴代表线性尺寸 (m)。图示为5人 (a，c) 和15 (b，d) 人的小组 (白色圆圈)，位于长距离行为 (a，b) 的开始处和在大空间 (c，d) 中。

研究总结

本研究表明，COMSOL Multiphysics软件是一款支持与旅游规划有关的地下生态系统可继续治理的有效工具。就珀托萨-奥莱塔洞穴的两个模拟部分而言，依据系统形态，旅游负荷决定了气流和颗粒物的流动。这种模拟在地下旅游景点如洞穴 (以及其他地下生态系统) 中的使用与实施，可以正确地再现洞穴的几何外形。总的来说，本研究所获得的结果详尽地描述了地下生态系统中与气流和颗粒物分散和沉积有关的物理过程，这也将有助于治理者在决策中保护这些特殊的地下洞穴生态系统，并更好地开展可继续性规划及旅游活动。

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