Spatial Configuration and Multi-trophic Colonization in Modular Artificial Reefs: A Design-Research Field Study for Reef Restoration in the Gulf of Thailand

De oceaanbodem is geen vlakke, lege woestijn; het is een landschap van verborgen kamers, smalle tunnels en open pleinen, die elk een andere vorm van veiligheid en kansen bieden aan de wezens die er leven. Decennialang hebben wetenschappers geweten dat de fysieke vorm van een koraalrif de belangrijkste factor is voor hoeveel vissen en andere dieren het kan ondersteunen. Een rif met diepe scheuren en complexe nisjes biedt beschutting aan kleine wezens die zich verschuilen voor roofdieren, terwijl open ruimtes grotere vissen de ruimte geven om vrij te zwemmen en te jagen. Wanneer natuurlijke riffen worden beschadigd door stormen, vervuiling of opwarmend water, proberen gemeenschappen het probleem op te lossen door kunstmatige structuren in de zee te laten zakken. Deze door mensen gemaakte riffen, meestal gemaakt van beton of hergebruikte materialen, zijn bedoeld om de complexiteit van de natuur na te bootsen en het herstel van het mariene leven te stimuleren. Echter, de ontwerpen voor deze structuren zijn vaak gebaseerd op intuïtie of eenvoudige geometrie, zoals het stapelen van kubussen of het laten zakken van koepels, zonder een duidelijk begrip van hoe specifieke vormen specifieke soorten dieren aantrekken. De vraag blijft: doet de exacte arrangement van gaten, muren en open ruimtes er meer toe dan de totale omvang van de structuur?

In de Golf van Thailand zetten een team onderzoekers zich in om deze vraag te beantwoorden door de onderwaterwereld te behandelen als een ontwerpuitdaging. Ze bouwden vier verschillende soorten kleine, modulaire kunstmatige riffen, elk met een unieke interne lay-out, en plaatsten deze op de zeebodem voor de kust van Koh Khai. In plaats van te gokken welke vorm het beste zou werken, pasten ze een methode toe genaamd designonderzoek, wat inhoudt dat de biologische behoeften van zeewezens worden vertaald naar precieze architectonische regels. Ze richtten zich op drie kernkenmerken: hoe besloten een ruimte is, de grootte van de openingen en de richting waarin die openingen gericht zijn. Het doel was om te zien of ze een structuur konden ontwerpen die specifiek verschillende soorten leven uitnodigt, van minuscule krabben die zich verstoppen in nauwe spleten tot scholen vissen die in het open water zwemmen.

De onderzoekers construeerden vier verschillende prototypes met behulp van koolstofarm beton en 3D-printtechnologie. Het eerste ontwerp, genaamd Randomized Lithic-Mimicry, leek op een hoop verspreide rotsen met onregelmatige openingen van variërende groottes, bedoeld om een doolhof van schuilplaatsen te creëren. Het tweede ontwerp, Tiered Interconnected Refugia, werd gebouwd als een stapel betonnen lagen met getrapte platforms en brede, horizontale tunnels, wat beschutting biedt aan wezens van verschillende groottes. Het derde ontwerp, Vertical Cavities, bestond uit hoge, schoorsteenachtige buizen die van boven naar beneden lopen, ontworpen om de waterstroom en zuurstof door de structuur te kanaliseren. Het vierde ontwerp, Horizontal Stratification Cavity, bestond uit in elkaar grijpende driehoekige blokken die brede, platte gangen creëerden die zijwaarts door de eenheid lopen. Elk van deze vier structuren werd neergelaten naar een diepte van ongeveer 6 tot 8 meter en werd achtergelaten om gekoloniseerd te worden door het mariene leven. Gedurende een periode van drie maanden keerden de onderzoekers elke 30 dagen terug naar de locatie om onderwaterfoto's en video's te maken, waarbij ze de vissen en ongewervelden zorgvuldig telden in verschillende zones van elke structuur.

De resultaten onthulden een duidelijk en verrassend patroon: geen enkel ontwerp was perfect voor elk type dier. De studie toonde aan dat de mate van beslotenheid — de hoeveelheid open ruimte versus de hoeveelheid verborgen beschutting — fungeerde als een schakelaar die de ene groep dieren boven de andere bevoordeelde. De structuren met de meest open, blootgestelde oppervlakken, met name de structuur met de horizontale gangen, trokken de hoogste aantallen vissen aan. Deze vissen, voornamelijk migrerende soorten en tijdelijke bezoekers, gaven de voorkeur aan het open water waar ze hun omgeving konden zien en vrij konden zwemmen. In contrast hiermee werden de structuren met de meest besloten, labyrintische ruimtes, zoals de hoop rotsen en de gestapelde lagen, snel gevuld met ongewervelden zoals krabben, garnalen en slakken. Deze wezens, die zich vaak verstoppen om niet opgegeten te worden, gedijden in de nauwe, donkere kieren waar zij zich veilig voelden.

Interessant genoeg observeerden de onderzoekers dat de vissen en de schuilzoekende wezens niet alleen verschillende plekken verzochten, maar ook elkaars ideale omgeving actief vermeden. Hoe meer besloten een ruimte was, hoe minder vissen daar werden gevonden, maar hoe meer ongewervelden zich er vestigden. Omgekeeld waren de meest open gebieden bruisend van leven met vissen, maar hadden ze zeer weinig schuilzoekende wezens. Dit suggereert dat een enkel kunstmatig rif niet tegelijkertijd zowel de aantrekkingskracht voor vissen als de bescherming van klein, verborgen leven kan maximaliseren. De studie toonde ook aan dat tijd een cruciale rol speelde. Aan het begin van het experiment waren de meeste vissen slechts passanten, maar naarmate de structuren ouder werden, begonnen meer van hen er te blijven wonen, vooral in de beschutte zones. De kleine wezens daarentegen verhuisden veel sneller en claimden vaak de nauwste ruimtes binnen het eerste maand.

De bevindingen dagen de gangbare praktijk van het bouwen van grote, uniforme kunstmatige riffen uit. In plaats van één gigantische structuur te laten zakken die probeert alles te doen, suggereren de onderzoekers dat restauratieprojecten een mix van verschillende ontwerpen moeten inzetten. Door een structuur te plaatsen die is ontworpen om vissen aan te trekken naast een structuur die is ontworpen om ongewervelden te huisvesten, kunnen gemeenschappen een diverser en veerkrachtiger onderwaterbuurt creëren. De studie benadrukte ook dat de ruimte tussen de structuren net zo belangrijk is als de structuren zelf. Het open water rond de riffen werd een verzamelpunt voor vissen, wat aantoont dat de gehele arrangement van het rif, en niet alleen de individuele blokken, het ecosysteem vormgeeft.

Hoewel de studie beperkt werd door het feit dat er slechts één exemplaar van elk ontwerp werd getest, waren de patronen sterk genoeg om te wijzen op een nieuwe manier van denken over rifrestauratie. Het onderzoek geeft aan dat het succes van een kunstmatig rif minder afhangt van het totale gewicht of de omvang, en meer van de specifieke geometrie van de gaten en tunnels. Door de interne lay-out zorgvuldig af te stemmen op de behoeften van verschillende soorten, kunnen wetenschappers en ingenieurs onderwateromgevingen creëren die een breder scala aan leven ondersteunen. Deze aanpak gaat verder dan simpelweg beton in de oceaan laten zakken en beweegt naar een meer doordachte, architectonische methode van het herbouwen van de zee, waarbij elke kier en opening met een specifiek doel in gedachten wordt geplaatst. Het werk dient als een bewijs van concept, dat aantoont dat we met het juiste ontwerp habitats kunnen ontwerpen die het leven terug naar de oceaanbodem uitnodigen.