Management and Assessment of Dredged Material Disposal Near ...

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Management and Assessment of Dredged Material Disposal Near a  South Florida Sensitive Coral Environment

Christopher J. McArthur, P.E. Member ASCE COPRI U.S. Environmental Protection Agency Region 4 – Atlanta, GA

Jack Stamates NOAA Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory – Miami, FL

Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century San Diego, CA October 2012 San Diego, CA October 2012

History •

In the early 1990’s EPA was  requested to designate 3 ODMDS  in Southeast Florida 

Palm Beach ODMDS

– Support maintenance activities of  existing channels – Support deepening/widening of  Port of Miami



Concern for potential impact to  South Florida’s Coral Reefs

Port Everglades ODMDS

– Corals are highly sensitive to its  surrounding environment. – It is part of the only living coral  barrier reef in the continental  United States and is the third  largest coral barrier reef system in  the world.  – Southeast Florida counties derive  $6 billion annually from reef‐ oriented tourism and fisheries.

Miami ODMDS

Source: Southeast Florida Coral Reef Initiative

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Unknowns • Direction of transport of disposal plumes and frequency of  reef directed currents – Located on the continental slope at the edge of the Florida  Current. – Florida Current spin‐off eddies were believe to occur as frequently  as twice per week.

• Concentration of disposal plumes at reefs – Reefs are located within 2.5 km of the sites. – Models predicted maximum concentration at reefs in the range of  6 to 10 mg/l.

• Acceptable levels of exposure (concentration, duration,  frequency) to suspended sediments due to dredged  material disposal.

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Interim Protective Measures  (Environmental Windows) • Established by interagency group: EPA, USACE, NOAA,  Florida, Port of Miami • Restrict disposal during onshore current events to  minimize disposal plume transport towards the reefs. • Requires real‐time monitoring of currents at the  disposal site and application of current velocity  criteria. • Dredging contractor must be ready to cease  operations with little advance notice and unknown  duration. • Utilized for the 1995‐2005 Deepening Project Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century San Diego, CA October 2012 San Diego, CA October 2012

Real-time current measurement system

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Long‐term Approach 1. Establish baseline conditions at reefs to establish  guidelines for acceptable suspended sediment  concentrations. 2. Track and measure suspended sediment disposal  plumes to determine suspended sediment  concentration in plumes. 3. Monitor corals for sub‐lethal impacts during  disposal project. 4. Determine the frequency of plumes reaching the  reef. Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century San Diego, CA October 2012 San Diego, CA October 2012

1. Exposure Guidelines • Intensity – High suspended solids concentrations place stress on corals – Elevations in SSC due to disposal plumes should not exceed the highest  concentrations that naturally occur

• Duration – Elevated SSC may cause an adverse impact if the corals are exposed to  elevated concentrations for a sufficient amount of time – Elevations in SSC due to disposal plumes should not exceed the length of  the naturally occurring events of equal magnitude

• Frequency – Corals can tolerate occasional heavy sediment concentrations if given  sufficient opportunity to recover – Elevations in SSC due to disposal plumes should not occur more frequently  than the natural occurrence of similar events (magnitude & duration)

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Measurement of ambient suspended sediment concentrations and physical processes

Optical sensors

Wave &

Acoustic sensors Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century San Diego, CA October 2012 San Diego, CA October 2012

Winter SSC Frequency Distribution 16

Frequency of Occurence (%)

14 12

14 mg/l (99th percentile)

10

8 mg/l (95th percentile)

8 6 4 2 0 0

2

4

6

8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

Suspended Solids Concentration (mg/l)

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18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Duration above Threshold Concentration (minutes) Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century San Diego, CA October 2012 San Diego, CA October 2012

1200

1140

1080

1020

960

900

840

780

720

660

600

540

480

420

360

300

240

180

120

60

Summer Fall Winter

0

Allowable Occurences per Week

Duration and Frequency Guidelines

2. Plume Measurements • Utilized calibrated optical  turbidity probes  suspended 5 and 10  meters below a tracking  drogue. • Measured currents and  backscatter acoustically  from the surface to track  the plume.

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Plume Concentrations

120

35

Depth = 5 meters Depth = 10 meters

80

30

25

20

60

15

Turbidity (NTU)

Suspended Sediment Concentration (mg/l)

100

40 10

20 5

0

0 00:10

00:20

00:30

00:40

00:50

01:00

Time from Disposal (hours:minutes)

• Plume concentrations appear to be highly variable from load to load. • Surface plume concentrations appeared to reach background within 30  minutes. Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century San Diego, CA October 2012 San Diego, CA October 2012

3. Monitor Corals  for Sublethal Effects • Objective: Determine if  dredged material disposal  is inducing a stress  response in hermatypic corals on nearby coral  reefs. • Utilizes Coral Molecular  Bioassay developed by  Georgia Institute of  Technology. – Montastrea faveolata

• Monitoring multiple  stations (5 colonies at  each) and a reference. Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century San Diego, CA October 2012 San Diego, CA October 2012

Sublethal Effects •

Significant gene expression events occurred  in June and October of 2005. 

Colonies were photographed and marked for monitoring.

– The June event preceded the start of  dredging  – The October event occurred just following  passage of a couple of named storms,  including Rita, a major turbidity event.  – June and October (2005) had the highest  recorded precipitation during the period • Salinities 100 - 125 >125 - 150 >150 - 200 >200

270

90 0%

225

5%

10%

15%

20%

25%

135

180

Currents are dominated by the Florida Current with  strong north northeasterly flows

• The longest onshore current event lasted 23 hours. • The probability of an onshore current event of any duration immediately  following a disposal event is less than 2 percent (123 events).   • The probability of onshore currents lasting for 5 hours or more  immediately following a disposal event is less than 0.5 percent (19 events). Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century San Diego, CA October 2012 San Diego, CA October 2012

Potential for Plume Transport to  Nearshore Reefs • Streakline Analysis – One dimensional and assumes  spatially homogeneous currents. – Less than 1% probability plume will  reach reef within 5 hours. – Less than 3.5% probability plume will  reach reef within 10 hours.

• Plume Visitation Frequency – 2 dimensional and spatially varying  currents. – Contours represent the frequency  that a disposal plume will visit the  0.04 km2 grid cell during the five hour  travel time.

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Study Conclusions • Guideline Development and Plume Measurements • Background suspended sediment concentrations are highly  seasonal. • Disposal plume concentrations are low and infrequent in  comparison to those caused by meteorological events.

• Sublethal effects are small in comparison to  background levels of stress corals are experiencing. • Shoreward directed currents are infrequent and the  likelihood of plumes reaching the reefs is very small.

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Results •



In 2008 the Environmental  Windows in place since  1995 were lifted. Miami Harbor Phase III  Deepening can move  forward without the need  for the costly real‐time  monitoring system and  associated risks of project  suspension. Port of Miami

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Dredging and Port Construction Around Coral Reefs PIANC Report No 108 (2010) •

Facilitate interaction between the project  proponent, regulators and stakeholders • Environmental Impact Statement • Disposal Site Management and Monitoring Plans



Technical mitigation measures • Environmental windows



Baseline surveys • Background turbidity levels and/or light levels • Shoreline and physical processes (currents, waves)



Predictive numerical modeling • Model validation and calibration



Receptor tolerance levels • Based on site specific data supplemented by relevant literature values • Should take into account both the magnitude and duration of the loading



Habitat monitoring during the dredging project Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century Dredging 2012 Conference: Dredging in the 21st Century San Diego, CA October 2012 San Diego, CA October 2012

Thank You

[email protected] http://www.epa.gov/region4/water/oceans/

Questions?

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