Химия дноуглубительных работ на заболоченных территориях
На химию водно-болотных угодий во многом влияют дноуглубительные работы, которые можно проводить для самых разных целей. Водно-болотные угодья — это территории в поймах рек, имеющие как наземные, так и водные характеристики, включая болота, топи, болота и другие. [1] Было подсчитано, что они занимают около 2,8x10 6 км 2 , около 2,2% поверхности Земли, но другие оценки еще выше. [2] Его стоимость также оценивается в 14,9 триллиона долларов, и на него приходится 75% коммерческого и 90% рекреационного вылова рыбы и моллюсков в Соединенных Штатах. [3] [4] Водно-болотные угодья также играют важную роль в очистке воды , защите от штормов, промышленности, путешествиях, исследованиях, образовании и туризме. [4] Поскольку дноуглубительные работы интенсивно используются и передвигаются, они являются обычным явлением и приводят к продолжению долгосрочного ущерба экосистеме и утрате земель и, в конечном итоге, к потерям в промышленности, домах и защите. [5]
Водно-болотные угодья подвергаются различным химическим реакциям в зависимости от множества параметров, включая соленость и pH. Окислительно-восстановительные реакции оказывают серьезное влияние на экосистемы водно-болотных угодий, поскольку они сильно зависят от солености, pH, доступности кислорода и других факторов. Обычные окислительно-восстановительные реакции на водно-болотных угодьях включают превращения углерода , азота и серы. Колебания расхода воды и наводнения могут изменить численность окисленных или восстановленных видов в зависимости от окружающей среды. [2] Увеличение наводнений и притоков воды также может изменить доступность питательных веществ для местных видов. [6] Чем дальше водно-болотные угодья отходят от своего первоначального состояния, тем сложнее становится восстановление земель. Типы мер по смягчению последствий также меняются в зависимости от химического состава, поэтому для эффективного смягчения последствий необходимо понимание этих изменений.
водно-болотные угодья
[ редактировать ]Определение
[ редактировать ]Водно-болотные угодья — это участки земли, погруженные в воду вблизи наземных и водных систем. Они очень разнообразны и классифицируются Службой охраны 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 гидрофитами и влажными почвами, такие как те, которые обычно известные как болота, болота и трясины; (2) территории без гидрофитов, но с влажными почвами - например, равнины, где резкие колебания уровня воды, воздействие волн, мутность или высокая концентрация солей могут препятствовать росту гидрофитов; (3) территории с гидрофитами, но безводными почвами, например, края водохранилищ или раскопок, где гидрофиты прижились, но еще не развились гидрофиты; (4) территории без почвы, но с гидрофитами, такие как покрытые водорослями части скалистых берегов; и (5) водно-болотные угодья без почвы и гидрофитов, такие как галечные пляжи или скалистые берега без растительности». [1]
Водно-болотные угодья также можно классифицировать на основе солености - тип классификации, на который часто ссылаются в исследованиях, где соленость является основным фактором. Эти классификации часто выражаются в частях на тысячу (ppt) и включают пресную воду (0–2 ppt), промежуточную (2–10 ppt), солоноватую (10–20 ppt) и соленую воду (20+ ppt). [7]
Важность водно-болотных угодий
[ редактировать ]Водно-болотные угодья являются источниками чрезвычайного биоразнообразия и экологической пользы. Они содержат множество видов растений и животных, в том числе 79 видов, классифицированных как редкие, находящиеся под угрозой исчезновения . По оценкам Службы охраны рыбы и дикой природы США , водно-болотные угодья прямо или косвенно обеспечивают существование до 43% видов, находящихся под угрозой исчезновения или находящихся под угрозой исчезновения на федеральном уровне. [4] Водно-болотные угодья являются ведущим производителем устриц, 50% урожая креветок, 75% урожая аллигаторов, 27% нефти и газа, а также крупнейшим портовым комплексом в США . [8] Стоимость водно-болотных угодий мира оценивается в 14,9 триллиона долларов. [3]
Водно-болотные угодья также обеспечивают защиту от стихийных бедствий, в том числе защиту от ураганов, поскольку они и барьерные острова помогают ослабить силу шторма до того, как он достигнет материка. Они также обеспечивают помощь при наводнениях, поскольку способны удерживать около трех акров футов (один миллион галлонов) воды. [4] Такое удержание воды позволяет омолаживать экосистемы, поскольку новые отложения могут оседать. Наводнение также влияет на такие факторы, как проникновение корней, температура почвы, проводимость и объемная плотность. [2]
Водно-болотные угодья очень эффективно удаляют загрязняющие вещества и излишки питательных веществ благодаря медленному потоку воды и ее поглощению растительными системами. Было доказано, что это эффективно удаляет азот и фосфор, основные питательные вещества, участвующие в «мертвых зонах». [6] Они также являются основными поглотителями тяжелых металлов и серы. [9]
Дноуглубительные работы
[ редактировать ]Дноуглубительные работы — это удаление отложений, видов растений и мусора из водной акватории. Промышленность, путешествия и отдых на водно-болотных угодьях часто требуют дноуглубления каналов , особенно нефтяной промышленности, чтобы добраться до морских буровых установок через прибрежные водно-болотные угодья. Каналы расширяются после дноуглубительных работ из-за увеличения потока воды и гибели растений, что приводит к усилению эрозии. Подсчитано, что к югу от Берегового водного пути имеется 4572 мили каналов , не считая озер Пончартрейн и Морепа, и одни только каналы приводят к потере 6,53 квадратных миль земли в год в Соединенных Штатах. [10] Разрешения, необходимые для дноуглубления этих каналов, включают положения о повторном наполнении, но они не часто соблюдаются. Джон М. Барри вместе с группой частных юристов и экспертов по прибрежным районам в 2013 году подал иск против 97 корпораций, которые в ответ на это нарушили свои разрешения на прибрежные водно-болотные угодья Луизианы. Газета New York Times назвала этот иск «самым амбициозным экологическим иском за всю историю» и встретил политическое сопротивление. [11]
Химия для дноуглубления водно-болотных угодий
[ редактировать ]
Водно-болотные угодья представляют собой динамические системы, в которых происходят разнообразные химические реакции, в значительной степени зависящие от конкретных физико-химических свойств местности, таких как температура, давление, растворенные органические вещества, pH, соленость и растворенные газы (CO 2 и O 2 ). Качествами, которые оказывают наибольшее влияние, являются соленость и pH. [1] Увеличение наводнений (в результате дноуглубительных работ) увеличивает засоленность водно-болотных угодий, поскольку позволяет проникать соленой воде, нейтрализует pH и обеспечивает более анаэробные условия почвы. Условия затем влияют на доступность питательных веществ и окислительно-восстановительные реакции.
Окислительно-восстановительные реакции
[ редактировать ]Окислительно-восстановительные реакции оказывают большое влияние на химический состав почв водно-болотных угодий посредством преобразований, в том числе преобразований углерода, серы и азота. [2] Обилие кислорода меняет 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 восстановленным состояниям. Обилие каждого типа приводит к созданию отдельной экосистемы, поскольку растения и животные водно-болотных угодий требуют особых условий для своего роста. Общие окислительно-восстановительные реакции водно-болотных угодий включают: [2]
- 2NO2НО3 − +10 место − +12Ч + → Н 2 +6Н 2 О
- ТАК 4 +8е − +9Ч + → ХС − +4Н 2 О
- СО 2 +8е − +8Ч + → СН 4 + 2Н 2 О
- МnО2 2е + − +4Ч + → Мн 2+ + 2Н 2 О
- Fe(OH) 3 +е − +3H + → Фе 3+ + 3H2O
Дноуглубительные работы позволяют увеличить поток воды через водно-болотные угодья, вызывая анаэробные условия в почве. [2] Это изменение типа водно-болотных угодий приводит к изменению окислительно-восстановительного состояния для каждой протекающей реакции и, таким образом, изменяет виды растений, доступные для произрастания на этих территориях. Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) может помочь показать взаимосвязь окислительно-восстановительных реакций с помощью уравнения Нернста :
- Да=Е 0 -(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 принятия решения о том, завершится ли конкретная реакция или нет.
Примером изменения этих обстоятельств, влияющего на систему водно-болотных угодий, является трансформация пирита (FeS 2 ) за счет восстановления SO 4 2− (найден в морской воде). [2]
- Fe(OH) 3 + е − + Ч + → Fe(OH) 2 + H 2 O
- ТЦ 4 2− + 6е − +8Ч + → С + 4Н 2 О
- С + 2е − +2Ч + → Ч 2 С
- ) 2 + H2S → FeS + 2H2O Fe( OH
- FeS + S → FeS 2 (пирит)
Дренаж образовавшегося пирита затем приводит к окислению до гидроксида железа и серной кислоты, вызывая чрезвычайную кислотность (pH < 2). [2]
Доступность питательных веществ
[ редактировать ]
Увеличение наводнений также приводит к проникновению соленой воды , изменению уровня солености и гибели видов растений, которые обычно росли, а также к изменению доступных уровней питательных веществ, химических веществ и кислорода. Увеличение солености приводит к повышению концентрации сульфатов, увеличению выбросов сульфидов и повышению токсичности. Это также приводит к снижению доступности серы для видов растений, поскольку она выпадает в осадок с микроэлементами, такими как цинк и медь. [2] Примером этого является сульфид железа (FeS), который придает почвам водно-болотных угодий черный цвет и является источником серы, обычно встречающейся в угольных месторождениях. [2]
Наводнение также приводит к нейтрализации pH в целом кислых (за исключениями) водно-болотных угодий. Кислые водно-болотные угодья препятствуют денитрификации, поэтому наводнения способствуют денитрификации, что приводит к потере газообразных форм азота в атмосферу. [2] Реакция показана ниже:
- 5С 6 Н 12 О 6 +24НО 3 − +24 часа + → 30CO 2 +12N 2 +42H 2 О
Анаэробные почвенные условия, вызванные наводнением, способствуют осаждению фосфатов с трехвалентным железом и алюминием (кислые почвы) или кальцием и магнием (основные почвы), в результате чего фосфор становится недоступным для усвоения видами растений. [2]
Важность химии водно-болотных угодий
[ редактировать ]Поскольку окружающая среда изменяется физическими средствами (дноуглубительные работы), происходящие реакции изменяются, что приводит к уменьшению доступности питательных веществ и химических веществ для видов растений и экосистемы. Это затем еще больше меняет физическую среду, поскольку эти виды больше не могут выжить. Утрата видов приводит к дальнейшим изменениям в химической среде, поскольку они больше не могут удалять излишки питательных веществ. Это также еще больше меняет физическую среду, поскольку отсутствие выживаемости видов растений приводит к появлению открытых земель и усилению эрозии. Изменение химической среды также влияет на методы смягчения последствий, которые следует применять для восстановления водно-болотных угодий, поскольку выживание видов растений, которые потенциально можно посадить, зависит от химической среды, и для обеспечения эффективного смягчения последствий необходимо отслеживать изменения.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Классификация водно-болотных угодий и глубоководных местообитаний США . Вашингтон, округ Колумбия: США, Служба рыболовства и дикой природы. 1979.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м Редди, К.Р., Э.М. Д'Анджело и У.Г. Харрис. 2000 Биогеохимия водно-болотных угодий. В ЦРК Пресс. Справочник почвоведения. Главный редактор М. Е. Самнер. стр. G89-119
- ^ Перейти обратно: а б Констанца, РР; д'Арж, Р.; де Гроот, Р.; Фарбер, С.; Грассо, М.; Хэннон, Б.; Лимбург, К.; Наим, С.; Паруэло, Дж.; Раскин, Р.Г.; Саттон, П.; ван дер Бельт, М. (1997). «Ценность мировых экосистемных услуг и природного капитала». Природа . 387 (6630): 253–260. Бибкод : 1997Natur.387..253C . дои : 10.1038/387253a0 .
- ^ Перейти обратно: а б с д «Функции и ценности водно-болотных угодий» (PDF) . www.epa.gov . Агентство по охране окружающей среды США.
- ^ Ширли, Джолин С. «Прибрежные водно-болотные угодья Луизианы: ресурс, находящийся под угрозой - информационный бюллетень Геологической службы США» . pubs.usgs.gov . Проверено 29 ноября 2016 г.
- ^ Перейти обратно: а б Вымазал, Дж (2007). «Удаление питательных веществ из различных типов искусственных водно-болотных угодий». Наука об общей окружающей среде . 380 (1–3): 48–65. Бибкод : 2007ScTEn.380...48В . doi : 10.1016/j.scitotenv.2006.09.014 . ПМИД 17078997 .
- ^ «БОЛТО-БОЛТО Америки: Ресурсный центр» . www.americaswetlandresources.com . Проверено 29 ноября 2016 г.
- ^ «Часто задаваемые вопросы» . www.americaswetlandresources.com . Проверено 29 ноября 2016 г.
- ^ «История водно-болотных угодий на территории Соединенных Штатов» . www.water.usgs.gov . Проверено 29 ноября 2016 г.
- ^ Каналы, дноуглубительные работы и мелиорация земель в прибрежной зоне Луизианы . Типография правительства США. 1973 г. – через www.gpo.gov.
- ^ Рич, Натаниэль (3 октября 2014 г.). «Самый амбициозный экологический иск за всю историю» . Нью-Йорк Таймс . ISSN 0362-4331 . Проверено 29 ноября 2016 г.