Экологическая инженерия - Ecological engineering

Смотрите также: Инженерия окружающей среды

Экологическая инженерия использует экология и инженерное дело прогнозировать, проектировать, конструировать или восстанавливать, а также управлять экосистемы которые интегрируют "человеческое общество с этими окружающая среда на благо обоих ".[1]

Истоки, ключевые концепции, определения и применения

Экологическая инженерия возникла как новая идея в начале 1960-х годов, но на ее уточнение потребовалось несколько десятилетий, ее реализация все еще находится в процессе корректировки, а ее более широкое признание в качестве новой парадигмы произошло относительно недавно. Экологическая инженерия была представлена Говард Одум и другие[2] как использование природная энергия Источники как преобладающий вход для управления экологическими системами и управления ими. Истоки экологической инженерии лежат в работе Одума с экологическим моделированием и симуляцией экосистемы для захвата целостных макростатей потоков энергии и материалов, влияющих на эффективное использование ресурсов.

Митч и Йоргенсен[3] суммированы пять основных концепций, которые отличают экологическую инженерию от других подходов к решению проблем на благо общества и природы: 1) она основана на самопроектировании емкость экосистем; 2) это может быть полевая (или кислотная) проверка экологических теорий; 3) опирается на системные подходы; 4) он сохраняет невозобновляемая энергия источники; 5) поддерживает экосистему и биологическая консервация.

Митч и Йоргенсен[4] были первыми, кто определили экологическую инженерию как проектирование социальных услуг, приносящих пользу обществу и природе, а позже отметили[5][6][7][3] дизайн должен быть системным, устойчивым и интегрировать общество с его естественной средой.

Bergen et al.[8] определила экологическую инженерию как: 1) использование экологической науки и теории; 2) применимость ко всем типам экосистем; 3) адаптация методов инженерного проектирования; и 4) признание системы руководящих ценностей.

Барретт (1999)[9] предлагает более буквальное определение термина: «проектирование, строительство, эксплуатация и управление (то есть инженерия) ландшафтных / водных сооружений и связанных с ними сообществ растений и животных (то есть экосистем) на благо человечества и, часто, природы. " Барретт продолжает: «другие термины с эквивалентным или аналогичным значением включают экотехнология и два термина, наиболее часто используемых в борьба с эрозией Область: почвенная биоинженерия и биотехническая инженерия. Однако не следует путать экологическую инженерию с 'биотехнология 'при описании генной инженерии на клеточном уровне, или'биоинженерия "означает создание искусственных частей тела".

Приложения в экологической инженерии можно разделить на 3 пространственных масштаба: 1) мезокосмы (от ~ 0,1 до сотен метров); 2) экосистемы (от ~ 1 до 10 км); и 3) региональные системы (> 10 км). Сложность конструкции, вероятно, увеличивается с увеличением пространственного масштаба. Приложения становятся все шире и глубже и, вероятно, влияют на определение области, поскольку исследуются все больше возможностей для проектирования и использования экосистем как интерфейсов между обществом и природой.[10] Внедрение экологической инженерии было сосредоточено на создании или восстановлении экосистем, начиная с деградированный водно-болотные угодья в многоклеточные ванны и теплицы которые объединяют микробиологические, рыбные и растительные услуги для обработки человеческих Сточные Воды в такие продукты, как удобрения, цветы и питьевая вода.[11] Применение экологической инженерии в городах возникло в результате сотрудничества с другими областями, такими как Ландшафтная архитектура, городское планирование, и городское садоводство,[8] для решения проблемы здоровья человека и биоразнообразия в соответствии с целями ООН Цели устойчивого развития, с целостными проектами, такими как управление ливневыми водами. Применение экологической инженерии в сельских ландшафтах включает обработку водно-болотных угодий.[12] и сообщество восстановление лесов через традиционные экологические знания.[13] Пермакультура является примером более широких приложений, которые возникли как отдельные дисциплины от экологической инженерии, где Дэвид Холмгрен цитирует влияние Говард Одум в развитии пермакультуры.

Рекомендации по дизайну, функциональные классы и принципы дизайна

Экологическое инженерное проектирование объединит системная экология с процессом инженерный дизайн. Инженерный дизайн обычно включает формулировку проблемы (цель), анализ проблемы (ограничения), поиск альтернативных решений, решение среди альтернатив и спецификацию полного решения.[14] Рамки временного дизайна предоставлены Matlock et al.,[15] заявив, что проектные решения рассматриваются в экологическом времени. При выборе между альтернативами дизайн должен включать экологическая экономика в оценке проекта[15] и признать систему руководящих ценностей, которая способствует сохранению биологических ресурсов, приносящей пользу обществу и природе.[7][8]

Экологическая инженерия использует системная экология с инженерным проектированием, чтобы получить целостное представление о взаимодействиях внутри и между обществом и природой. Моделирование экосистемы с Язык энергетических систем (также известный как язык энергетических цепей или energese) Говарда Одума является одной из иллюстраций этого подхода к системной экологии.[16] Эта целостная разработка и моделирование модели определяет интересующую систему, определяет границы системы и диаграммы, как энергия и материалы перемещаются в, внутри и из системы, чтобы определить, как использовать возобновляемые ресурсы через экосистемные процессы и повысить устойчивость. Система, которую он описывает, представляет собой набор (то есть группу) компонентов (то есть частей), связанных определенным типом взаимодействия или взаимосвязи, которые коллективно реагируют на некоторый стимул или требование и выполняют определенную цель или функцию. Понимая системную экологию, инженер-эколог может более эффективно проектировать с использованием компонентов и процессов экосистемы в проекте, использовать возобновляемые источники энергии и ресурсов и повышать устойчивость.

Митч и Йоргенсен[3] определили пять функциональных классов для экологических инженерных проектов:

  1. Экосистема используется для уменьшения / решения проблемы загрязнения. Пример: фиторемедиация, водно-болотные угодья и биологическое удержание ливневой воды для фильтрации избыточных питательных веществ и загрязнения металлов.
  2. Экосистема имитируется или копируется для решения ресурсной проблемы. Пример: восстановление лесов, замена заболоченных территорий и установка дождевых садов на улице для увеличения навеса и оптимизации охлаждения жилых и городских районов.
  3. Экосистема восстановилась после нарушения. Пример: восстановление шахтных земель, восстановление озер и восстановление русловых водоемов со зрелыми прибрежными коридорами.
  4. Экосистема изменена экологически безопасным образом. Пример: выборочная заготовка древесины, биоманипуляция и введение хищных рыб для уменьшения количества планктоноядных рыб, увеличения зоопланктона, потребления водорослей или фитопланктона и очистки воды.
  5. Экосистемы используются с пользой без нарушения баланса. Пример: устойчивые агроэкосистемы, многовидовая аквакультура и внедрение участков агролесоводства в жилую недвижимость для создания первичной продукции на нескольких вертикальных уровнях.

Митч и Йоргенсен[3] определены 19 принципов проектирования для экологической инженерии, но ожидается, что не все они внесут свой вклад в какой-либо отдельный дизайн:

  1. Структура и функции экосистемы определяются принудительными функциями системы;
  2. Ввод энергии в экосистемы и доступное хранилище экосистемы ограничены;
  3. Экосистемы - это открытые и диссипативные системы (не термодинамический баланс энергии, вещества, энтропии, а спонтанное возникновение сложной хаотической структуры);
  4. Внимание к ограниченному числу управляющих / контролирующих факторов является наиболее стратегическим в предотвращении загрязнения или восстановлении экосистем;
  5. Экосистема обладает некоторой гомеостатической способностью, которая приводит к сглаживанию и подавлению эффектов сильно изменчивых входов;
  6. Согласовать пути рециркуляции с темпами экосистем и уменьшить воздействие загрязнения;
  7. По возможности проектируйте импульсные системы;
  8. Экосистемы - это саморазвивающиеся системы;
  9. Процессы экосистем имеют характерные временные и пространственные масштабы, которые следует учитывать при управлении окружающей средой;
  10. Следует отстаивать биоразнообразие, чтобы поддерживать способность экосистемы самостоятельно проектировать;
  11. Экотоны, переходные зоны, так же важны для экосистем, как мембраны для клеток;
  12. По возможности следует использовать взаимосвязь между экосистемами;
  13. Компоненты экосистемы взаимосвязаны, взаимосвязаны и образуют сеть; учитывать как прямые, так и косвенные усилия по развитию экосистемы;
  14. Экосистема имеет историю развития;
  15. Экосистемы и виды наиболее уязвимы на своих географических окраинах;
  16. Экосистемы представляют собой иерархические системы и являются частями более широкого ландшафта;
  17. Физические и биологические процессы взаимосвязаны, важно знать как физические, так и биологические взаимодействия и правильно их интерпретировать;
  18. Экотехнологии требуют целостного подхода, который максимально интегрирует все взаимодействующие части и процессы;
  19. Информация в экосистемах хранится в структурах.

Митч и Йоргенсен[3] перед реализацией экологического инженерного проекта определили следующие факторы:

  • Создать концептуальную модель определения частей природы, связанных с проектом;
  • Внедрить компьютерную модель для моделирования воздействий и неопределенности проекта;
  • Оптимизируйте проект, чтобы уменьшить неопределенность и увеличить положительное воздействие.

Академическая программа (колледжи)

Предложена учебная программа по экологической инженерии,[15] и учреждения по всему миру запускают программы. Ключевые элементы этой учебной программы: инженерия окружающей среды; системная экология; реставрационная экология; экологическое моделирование; количественная экология; экономика экологической инженерии и техническая факультативы.[17]

Этот набор курсов дополняют предварительные курсы по физическим, биологическим и химическим предметам, а также опыт комплексного проектирования. Согласно Мэтлоку и др.,[15] проект должен определять ограничения, характеризовать решения в экологическом времени и включать экологическую экономику в оценку проекта. Экономика экологической инженерии была продемонстрирована с использованием принципов энергетики для водно-болотных угодий.,[18] и использование оценки питательных веществ для молочной фермы [19]

Литература

  • Ховард Т. Одум (1963), "Человек и экосистема", конференция Локвуда по пригородным лесам и экологии, в: Бюллетень Connecticut Agric. Станция.
  • W.J. Митч и С.Э. Йоргенсен (1989). Экологическая инженерия: введение в экотехнологии. Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья.
  • W.J. Митч (1993), Экологическая инженерия - «совместная роль с планетными системами жизнеобеспечения».. Экологические науки и технологии 27:438-445.
  • К. Р. Барретт (1999). «Экологическая инженерия в водных ресурсах: преимущества сотрудничества с природой». Water International. 24: 182–188. Дои:10.1080/02508069908692160.
  • ПК. Кангас (2004). Экологическая инженерия: принципы и практика. Бока-Ратон, Флорида: Lewis Publishers, CRC Press. ISBN  978-1566705998.
  • W.J. Митч и С.Э. Йоргенсен (2004). Экологическая инженерия и восстановление экосистем. Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0471332640.
  • H.D. ван Богемен (2004), Экологические инженерные и строительные работы, Докторская диссертация Делфтского технического университета, Нидерланды.
  • Д. Массе; JL. Чотте; Э. Скопел (2015). «Экологическая инженерия для устойчивого сельского хозяйства в засушливых и полузасушливых регионах Западной Африки». Fiche thématique du CSFD (11): 2.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ W.J. Mitsch & S.E. Йоргенсен (1989), «Введение в экологическую инженерию», в: W.J. Mitsch and S.E. Йоргенсен (редакторы), Экологическая инженерия: введение в экотехнологии. John Wiley & Sons, Нью-Йорк, стр. 3–12.
  2. ^ H.T. Odum et al. (1963), Эксперименты с инженерией морских экосистем, в: Публикация Института морских наук Техасского университета, 9: 374-403.
  3. ^ а б c d е W.J. Митч и С.Э. Йоргенсен (2004), «Экологическая инженерия и восстановление экосистем». John Wiley & Sons, Нью-Йорк
  4. ^ W.J. Митч и С.Э. Йоргенсен (1989), «Введение в экологическую инженерию» в: W.J. Mitsch and S.E. Йоргенсен (редакторы), Экологическая инженерия: введение в экотехнологии. John Wiley & Sons, Нью-Йорк, стр. 3–12.
  5. ^ W.J. Mitsch (1993), «Экологическая инженерия - совместная роль с системами жизнеобеспечения планеты» в: Экологические науки и технологии, 27: 438-45.
  6. ^ W.J. Mitsch (1996), «Экологическая инженерия: новая парадигма для инженеров и экологов», В: P.C. Шульце (редактор), Инжиниринг с экологическими ограничениями. National Academy Press, Вашингтон, округ Колумбия, стр. 114–132.
  7. ^ а б W.J. Mitsch & S.E. Йоргенсен (2003), «Экологическая инженерия: область, время которой пришло», в: Экологическая инженерия, 20(5): 363-377.
  8. ^ а б c S.D. Bergen et al. (2001), «Принципы проектирования для экологической инженерии», в: Экологическая инженерия, 18: 201-210.
  9. ^ К. Р. Барретт (1999). «Экологическая инженерия в водных ресурсах: преимущества сотрудничества с природой». Water International. 24: 182–188. Дои:10.1080/02508069908692160.
  10. ^ Центр водно-болотных угодий, Экологическая инженерия, webtext 2007.
  11. ^ Н. Дж. Тодд и Дж. Тодд (1994). От экологических городов к живым машинам: принципы экологического дизайна. Беркли: Североатлантические книги. ISBN  978-1556431500.
  12. ^ A.M. Нахлик и В.Дж. Митч. (2006), «Тропические лечебные водно-болотные угодья с преобладанием свободно плавающих макрофитов для улучшения качества воды в Коста-Рике», в: Экологическая инженерия, 28: 246-257.
  13. ^ ПИЛА. Димонт и другие (2006), «Управление лесами в Ланкандоне, майя: восстановление плодородия почвы с использованием местных видов деревьев», в: Экологическая инженерия, 28: 205-212.
  14. ^ Е.В. Крик
  15. ^ а б c d M.D. Matlock и другие (2001), «Экологическая инженерия: обоснование стандартизированной учебной программы и профессиональной сертификации в Соединенных Штатах», в: Экологическая инженерия, 17: 403-409.
  16. ^ Браун, М. (2004) Картинка стоит тысячи слов: язык энергетических систем и моделирование. Экологическое моделирование 178 (1-2), 83-100.
  17. ^ Димонт, S.W., T.J. Лоуренс, Т.А. Эндрени. «Представление экологического инженерного образования: международный обзор образовательного и профессионального сообщества», Экологическая инженерия, 36 (4): 570-578, 2010. DOI: 10.1016 / j.ecoleng.2009.12.004
  18. ^ С. Тон, Х. Odum & J.J. Delfino (1998), "Экологическая экономическая оценка альтернатив управления водно-болотными угодьями", в: Экологическая инженерия, 11: 291-302.
  19. ^ К. Писарро и другие, Экономическая оценка технологии скруббера водорослей для очистки сточных вод молочного навоза. Экологическая инженерия, 26 (12): 321-327.

внешние ссылки

Организации

Научные журналы