Химия дноуглубительных работ на болотах - Chemistry of wetland dredging

Вид сверху на заболоченные земли Луизианы.

На химический состав водно-болотных угодий в значительной степени влияют дноуглубительные работы, которые можно выполнять для самых разных целей. Водно-болотные угодья представляют собой участки в поймах рек с наземными и водными характеристиками, включая болота, трясины и т. д.[1] Было подсчитано, что они занимают около 2,8x106 км2, около 2,2% поверхности Земли, но другие оценки еще выше.[2] Он также оценивается в 14,9 триллиона долларов и отвечает за 75% коммерческого и 90% рекреационного улова рыбы и моллюсков в Соединенных Штатах.[3][4] Водно-болотные угодья также играют важную роль в очистка воды, защита от штормов, промышленность, путешествия, исследования, образование и туризм.[4] Поскольку дноуглубительные работы интенсивно используются и проезжают, дноуглубительные работы являются обычным явлением и приводят к продолжению долгосрочных работ. ущерб экосистеме и потеря земли и, в конечном итоге, потеря промышленности, домов и защиты.[5]

Водно-болотные угодья подвергаются различным химическим реакциям в зависимости от множества параметров, включая соленость и pH. Редокс-реакции оказывают большое влияние на экосистемы водно-болотных угодий, поскольку они сильно зависят от солености, pH, доступности кислорода и других факторов. Общие окислительно-восстановительные реакции на водно-болотных угодьях включают: углерод, превращения азота и серы. Колебания водного потока и наводнения могут изменить количество окисленных или восстановленных видов в зависимости от окружающей среды.[2] Увеличение паводков и стока воды также может изменить доступность питательных веществ для местных видов.[6] Чем дальше водно-болотные угодья меняют свое первоначальное состояние, тем сложнее становится восстановление земель. Типы смягчение Усилия также меняются в зависимости от химического состава, поэтому для эффективного смягчения требуется понимание изменений.

Водно-болотные угодья

Определение

Водно-болотные угодья - это участки земли, погруженные в воду вблизи обоих земной и водный системы. Они очень разнообразны и классифицируются по Служба рыболовства и дикой природы США на пять категорий: «Термин водно-болотные угодья включает в себя множество территорий, которые попадают в одну из пяти категорий: (1) территории с гидрофиты и гидрированные почвы, такие как те, что широко известны как болота, болота и трясины; (2) участки без гидрофитов, но с гидрофильными почвами - например, равнины, где резкие колебания уровня воды, воздействие волн, мутность или высокая концентрация солей могут препятствовать росту гидрофитов; (3) районы с гидрофитами, но безводными почвами, такие как окраины водохранилищ или раскопок, где гидрофиты укоренились, но гидрофильные почвы еще не сформировались; (4) участки без почвы, но с гидрофитами, такие как покрытые водорослями участки скалистых берегов; и (5) водно-болотные угодья без почвы и гидрофитов, такие как галечные пляжи или каменистые берега без растительности ».[1]

Водно-болотные угодья также можно классифицировать на основе засоленности - типа классификации, на которую часто ссылаются в исследованиях, где засоленность является основным фактором. Эти классификации часто упоминаются в частях на тысячу (ppt) и включают пресноводные (0-2 ppt), промежуточные (2-10 ppt), солоноватые (10-20 ppt) и соленые (20+ ppt).[7]

Важность водно-болотных угодий

Водно-болотные угодья являются источниками экстремальных биоразнообразие и экологическая выгода. Они содержат множество видов растений и животных, в том числе 79 видов, классифицированных как редкие, находящиеся под угрозой исчезновения или находящихся под угрозой исчезновения. Оценка Служба рыболовства и дикой природы США указывает на то, что водно-болотные угодья прямо или косвенно обеспечивают до 43% находящихся под угрозой исчезновения или находящихся под угрозой исчезновения в федеральном масштабе видов.[4] Водно-болотные угодья являются ведущим производителем устриц, 50% урожая креветок, 75% урожая аллигаторов, 27% добычи нефти и газа и крупнейший портовый комплекс в США.[8] Мировые водно-болотные угодья оцениваются в 14,9 триллиона долларов.[3]

Водно-болотные угодья также обеспечивают защиту от стихийных бедствий, включая защиту от перенапряжений от ураганов, поскольку они и барьерные острова помочь сломить силу шторма, прежде чем он достигнет материка. Они также обеспечивают помощь при наводнениях, поскольку способны удерживать около трех акров футов (один миллион галлонов) воды.[4] Это удержание воды позволяет омолаживать экосистемы, поскольку новые отложения могут оседать. Затопление также влияет на такие факторы, как проникновение корней, температура почвы, проводимость и насыпная плотность.[2]

Водно-болотные угодья очень эффективны при удалении загрязняющих веществ и избыточных питательных веществ из-за медленного потока воды и ее поглощения системами растений. Было показано, что это эффективно для удаления азота и фосфора, основных питательных веществ, находящихся в «мертвых зонах».[6] Они также являются основными поглотителями тяжелых металлов и серы.[9]

Пример дноуглубления канала.

Дноуглубительные работы

Дноуглубительные работы это удаление отложений, растений и мусора из водной зоны. Промышленность, путешествия и отдых на заболоченных территориях часто требуют дноуглубительных работ. каналы, особенно нефтяной промышленностью, чтобы добраться до своих морских буровых работ через прибрежные водно-болотные угодья. Каналы расширяются после дноуглубительных работ из-за увеличения стока воды и гибели растений, что объясняется усилением эрозии. По оценкам, к югу от Внутрибережный водный путь, не считая озера Пончартрейн и Морепа, и одни только эти каналы приписывают потерю земель в 6,53 квадратных миль в год в Соединенных Штатах.[10] Разрешения, необходимые для проведения дноуглубительных работ на этих каналах, включают условия повторного заполнения, но они не всегда выполняются. Джон М. Барри вместе с группой частных юристов и прибрежных экспертов в 2013 году подали иск против 97 корпораций, которые в ответ на это нарушили свои разрешения в прибрежных водно-болотных угодьях Луизианы. New York Times назвал его «самым амбициозным экологическим иском в истории» и встретил политическое сопротивление.[11]

Химия дноуглубительных работ на водно-болотных угодьях

Канал выкопан на заболоченной территории.

Водно-болотные угодья - это динамические системы, которые подвергаются различным химическим реакциям, в значительной степени зависящим от конкретных физико-химических свойств местности, таких как температура, давление, растворенное органическое вещество, pH, соленость и растворенные газы (CO2 и O2). Наибольшее влияние оказывают соленость и pH.[1] Увеличение затопления (в результате дноуглубительных работ) увеличивает засоленность водно-болотных угодий, поскольку это позволяет соленой воде вторгаться, нейтрализует pH и обеспечивает более анаэробные почвенные условия. Затем условия влияют на доступность питательных веществ и окислительно-восстановительные реакции.

Редокс-реакции

Окислительно-восстановительные реакции имеют большое влияние на химический состав почв водно-болотных угодий за счет преобразований, в том числе углерода, серы и азота.[2] Обилие кислорода изменяет количество окисленных или восстановленных состояний каждого соединения. Области с более высокой доступностью кислорода (аэробные) имеют тенденцию к окисленным состояниям, а области с низкой доступностью кислорода (анаэробные) имеют тенденцию к пониженным состояниям. Изобилие каждого типа приводит к разной экосистеме, поскольку растения и животные водно-болотных угодий требуют определенных условий для своего роста. Общие окислительно-восстановительные реакции водно-болотных угодий включают:[2]

—2НЕТ3− + 10e− + 12H+ → N2 + 6H2О

-ТАК4 + 8e− + 9H+ → HS− + 4H2О

—CO2 + 8e− + 8H+ → CH4 + 2H2О

—MnO2 + 2e− + 4H+ → Mn2+ + 2H2О

—Fe (ОН)3 + е− + 3H+ → Fe3+ + 3H2О

Дноуглубительные работы позволяют увеличить поток воды через водно-болотные угодья, создавая анаэробные почвенные условия.[2] Это изменение типа водно-болотных угодий приводит к изменению окислительно-восстановительного состояния для каждой реакции, и, таким образом, меняет виды растений, доступные для выращивания на этих территориях. Редокс-потенциал (Eh) может помочь показать взаимосвязь окислительно-восстановительных реакций через Уравнение Нернста:

Eh = E0- (RT / nF) ln ([Восстановители]а/ [Окислители]б[ЧАС+]б) [2]

Это уравнение позволяет рассчитать степень реакции между двумя окислительно-восстановительными системами и может использоваться, например, для определения того, будет ли конкретная реакция завершена или нет. Примером изменения этих обстоятельств, влияющих на систему водно-болотных угодий, является: преобразование пирит (FeS2) за счет уменьшения SO42− (находится в морской воде).[2]

Fe (ОН)3 + е− + H+ → Fe (OH)2 + H2О

ТАК42− + 6e− + 8H+ → S + 4H2О

S + 2e− + 2H+ → H2S

Fe (ОН)2 + H2S → FeS + 2H2О

FeS + S → FeS2 (пирит)

Осушение образовавшегося пирита затем приводит к окислению до гидроксида железа и серной кислоты, вызывая чрезмерную кислотность (pH <2).[2]

Наличие питательных веществ

Побережье места
Прибрежная земля

Повышенное затопление также допускает проникновение соленой воды, изменение уровня солености и уничтожение видов растений, которые обычно росли, а также изменение доступных питательных веществ, химических веществ и кислорода. Увеличение солености приводит к более высоким концентрациям сульфатов и более высоким выбросам сульфидов, а также к более высокой токсичности. Это также приводит к снижению доступности серы для растений, так как она осаждается с примесью металлов, таких как цинк и медь.[2] Примером этого является сульфид железа (FeS), который придает почвам водно-болотных угодий черный цвет и является источником серы, обычно обнаруживаемой в угольных месторождениях.[2]

Наводнение также приводит к нейтрализации pH обычно кислых (за исключением) водно-болотных угодий. Кислые водно-болотные угодья препятствуют денитрификации, таким образом, наводнения позволяют происходить денитрификации, что приводит к потере газообразных форм азота в атмосферу.[2] Реакция показана ниже:

5C6ЧАС12О6 + 24НО3− + 24ч+ → 30CO2 + 12N2 + 42H2О

Анаэробные почвенные условия, вызванные наводнением, позволяют осаждать фосфаты с трехвалентным железом и алюминием (кислые почвы) или кальцием и магнием (основные почвы), в результате чего фосфор становится недоступным для поглощения растениями.[2]

Важность химии водно-болотных угодий

Поскольку окружающая среда изменяется с помощью физических средств (дноуглубительные работы), происходящие реакции меняются, что приводит к снижению доступности питательных веществ и химических веществ для видов растений и экосистемы. Это затем еще больше изменяет физическую среду, поскольку эти виды больше не могут выжить. Затем потеря видов приводит к дальнейшим изменениям в химической среде, поскольку они больше не присутствуют для удаления избыточных питательных веществ. Это также еще больше изменяет физическую среду, поскольку отсутствие выживания видов растений приводит к появлению открытых земель и усилению эрозии. Изменение химической среды также влияет на методы смягчения воздействия, которые должны применяться для восстановления водно-болотных угодий, поскольку выживание видов растений, которые потенциально могут быть посажены, зависит от химической среды, и изменения должны отслеживаться для эффективного смягчения воздействия.

Рекомендации

  1. ^ а б c Классификация водно-болотных угодий и глубоководных местообитаний США. Вашингтон, округ Колумбия: США, Служба рыболовства и дикой природы. 1979 г.
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Редди К.Р., Э.М. Д'Анджело и У.Г. Харрис. 2000 Биогеохимия водно-болотных угодий. В CRC Press. Справочник почвоведения. Главный редактор М.Э. Самнер. стр. G89-119
  3. ^ а б Констанца, Р. Р .; d'Arge, R .; de Groot, R .; Farber, S .; Grasso, M .; Hannon, B .; Limburg, K .; Naeem, S .; Paruelo, J .; Раскин, Р.Г .; Sutton, P .; ван дер Белт, М. (1997). «Ценность мировых экосистемных услуг и природного капитала». Природа. 387 (6630): 253–260. Bibcode:1997 Натур.387..253C. Дои:10.1038 / 387253a0.
  4. ^ а б c d «Функции и ценности водно-болотных угодий» (PDF). www.epa.gov. Агентство по охране окружающей среды США.
  5. ^ Ширли, Джолин С. «Прибрежные водно-болотные угодья Луизианы: ресурс в опасности - информационный бюллетень USGS». pubs.usgs.gov. Получено 2016-11-29.
  6. ^ а б Вымазал, J (2007). «Удаление питательных веществ в различных типах построенных водно-болотных угодий». Наука об окружающей среде в целом. 380 (1–3): 48–65. Bibcode:2007ScTEn.380 ... 48В. Дои:10.1016 / j.scitotenv.2006.09.014. PMID  17078997.
  7. ^ "Заболоченные земли Америки: ресурсный центр". www.americaswetlandresources.com. Получено 2016-11-29.
  8. ^ "FAQ's". www.americaswetlandresources.com. Получено 2016-11-29.
  9. ^ «История водно-болотных угодий на территории Соединенных Штатов». water.usgs.gov. Получено 2016-11-29.
  10. ^ Каналы, дноуглубительные работы и мелиорация земель в прибрежной зоне Луизианы. https://www.gpo.gov/fdsys/pkg/CZIC-gc57-2-l667-no-14/html/CZIC-gc57-2-l667-no-14.htm: Типография правительства США. 1973 - через www.gpo.gov.CS1 maint: location (связь)
  11. ^ Рич, Натаниэль (2014-10-03). «Самый амбициозный экологический иск за всю историю». Нью-Йорк Таймс. ISSN  0362-4331. Получено 2016-11-29.