stringtranslate.com

Экологическая инженерия

Железнодорожные пути с травяным покрытием

Экологическая инженерия использует экологию и инженерию для прогнозирования, проектирования, строительства или восстановления и управления экосистемами , которые интегрируют « человеческое общество с его природной средой на благо обоих». [1]

Истоки, ключевые понятия, определения и приложения.

Экологическая инженерия возникла как новая идея в начале 1960-х годов, но на ее уточнение ушло несколько десятилетий. Ее реализация все еще находится на стадии корректировки, а более широкое признание в качестве новой парадигмы появилось относительно недавно. Экологическая инженерия была представлена ​​Говардом Одумом и другими [2] как использование природных источников энергии в качестве основного средства управления экологическими системами и управления ими. Истоки экологической инженерии лежат в работе Одума по экологическому моделированию и симуляции экосистем для выявления целостных макромоделей энергетических и материальных потоков, влияющих на эффективное использование ресурсов.

Митч и Йоргенсен [3] суммировали пять основных концепций, которые отличают экологическую инженерию от других подходов к решению проблем на благо общества и природы: 1) она основана на способности экосистем к самопроектированию ; 2) это может быть полевое (или кислотное) испытание экологических теорий; 3) опирается на системные подходы; 4) сохраняет невозобновляемые источники энергии; и 5) он поддерживает экосистему и биологическую охрану .

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

Берген и др. [8] определили экологическую инженерию как: 1) использование экологической науки и теории; 2) применимо ко всем типам экосистем; 3) адаптация методов инженерного проектирования; и 4) признание системы руководящих ценностей.

Барретт (1999) [9] предлагает более буквальное определение этого термина: «проектирование, строительство, эксплуатация и управление (то есть инженерия) ландшафтными/водными структурами и связанными с ними растительными и животными сообществами (то есть экосистемами) с целью принести пользу человечество и, зачастую, природа». Барретт продолжает: «Другие термины с эквивалентными или похожими значениями включают экотехнологию и два термина, наиболее часто используемых в области борьбы с эрозией : биоинженерия почвы и биотехническая инженерия. Однако не следует путать экологическую инженерию с « биотехнологией » при описании генной инженерии на клеточном уровне. уровень, или « биоинженерия », означающая создание искусственных частей тела».

Приложения в экологической инженерии можно разделить на три пространственных масштаба: 1) мезокосмы (от ~0,1 до сотен метров); 2) экосистемы (~от одного до десятков км); и 3) региональные системы (> десятков км). Сложность конструкции, вероятно, возрастает с увеличением пространственного масштаба. Приложения становятся все шире и глубже и, вероятно, влияют на определение этой области, поскольку исследуются все больше возможностей для проектирования и использования экосистем в качестве интерфейса между обществом и природой. [10] Внедрение экологической инженерии было сосредоточено на создании или восстановлении экосистем, от деградированных водно-болотных угодий до многоклеточных ванн и теплиц , которые объединяют микробные, рыбные и растительные услуги для переработки сточных вод человека в такие продукты, как удобрения, цветы и питье. 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 проблем здоровья человека и биоразнообразия, как это предусмотрено Целями устойчивого развития ООН , с помощью целостных проектов. например, управление ливневыми водами . Применение экологической инженерии в сельских ландшафтах включает обработку водно-болотных угодий [12] и восстановление лесов на основе традиционных экологических знаний . [13] Пермакультура является примером более широкого применения, которое возникло как отдельные дисциплины экологической инженерии, где Дэвид Холмгрен цитирует влияние Говарда Одума на развитие пермакультуры.

Рекомендации по проектированию, функциональные классы и принципы проектирования

Экологическое инженерное проектирование объединит системную экологию с процессом инженерного проектирования . Инженерное проектирование обычно включает формулировку проблемы (цель), анализ проблемы (ограничения), поиск альтернативных решений, принятие решения среди альтернатив и спецификацию полного решения. [14] Временная основа проектирования представлена ​​Мэтлоком и др., [15] утверждает, что проектные решения рассматриваются в экологическом времени. При выборе между альтернативами проект должен учитывать экологическую экономику при оценке проекта [15] и признавать систему руководящих ценностей, которая способствует биологическому сохранению, принося пользу обществу и природе. [7] [8]

Экологическая инженерия использует системную экологию с инженерным проектированием для получения целостного представления о взаимодействиях внутри общества и природы и между ними. Моделирование экосистемы с помощью языка энергетических систем (также известного как язык энергетических цепей или энергия) Говарда Одума является одной из иллюстраций этого подхода к экологии систем. [16] Эта целостная модель и моделирование определяют интересующую систему, определяют границы системы и отображают диаграммы того, как энергия и материалы перемещаются в систему, внутри и из системы, чтобы определить, как использовать возобновляемые ресурсы посредством экосистемных процессов и повысить устойчивость. Система, которую она описывает, представляет собой совокупность (т. е. группу) компонентов (т. е. частей), связанных определенным типом взаимодействия или взаимосвязи, которые коллективно реагируют на некоторый стимул или требование и выполняют некоторую конкретную цель или функцию. Понимая системную экологию, инженер-эколог может более эффективно проектировать с использованием компонентов и процессов экосистемы, использовать возобновляемые источники энергии и ресурсы, а также повышать устойчивость.

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

  1. Экосистема используется для уменьшения/решения проблемы загрязнения. Пример: фиторемедиация, заболоченные территории для сточных вод и биоудержание ливневых вод для фильтрации избыточных питательных веществ и загрязнений металлами.
  2. Экосистема имитируется или копируется для решения проблемы ресурсов. Пример: восстановление лесов , замена водно-болотных угодий и установка дождевых садов на улицах для расширения навеса и оптимизации охлаждения жилых и городских районов.
  3. Экосистема восстановилась после нарушения. Пример: восстановление шахтных земель, восстановление озер и восстановление водных ресурсов каналов со зрелыми прибрежными коридорами.
  4. Экосистема модифицирована экологически безопасным способом. Пример: выборочная заготовка древесины, биоманипуляции и внедрение хищных рыб для сокращения планктоноядных рыб, увеличения зоопланктона, потребления водорослей или фитопланктона и осветления воды.
  5. Экосистемы используются с пользой, не нарушая баланса. Пример: устойчивые агроэкосистемы, многовидовая аквакультура и внедрение агролесомелиоративных участков в жилую недвижимость для производства первичной продукции на нескольких вертикальных уровнях.

Митч и Йоргенсен [3] выделили 19 принципов проектирования экологической инженерии, однако не ожидается, что все они будут способствовать созданию какого-либо единого проекта:

  1. Структура и функции экосистемы определяются принудительными функциями системы;
  2. Поступление энергии в экосистемы и доступные запасы энергии в экосистеме ограничены;
  3. Экосистемы — открытые и диссипативные системы (не термодинамический баланс энергии, вещества, энтропии, а самопроизвольное возникновение сложной, хаотической структуры);
  4. Внимание к ограниченному числу управляющих/контролирующих факторов является наиболее стратегически важным для предотвращения загрязнения или восстановления экосистем;
  5. Экосистема обладает некоторой гомеостатической способностью, которая приводит к сглаживанию и подавлению эффектов сильно варьирующихся факторов воздействия;
  6. Сопоставить пути переработки с нормами экосистем и снизить последствия загрязнения;
  7. Проектирование для импульсных систем, где это возможно;
  8. Экосистемы — это самопроектирующиеся системы;
  9. Экосистемные процессы имеют характерные временные и пространственные масштабы, которые необходимо учитывать при природопользовании;
  10. Биоразнообразие следует поддерживать для поддержания способности экосистемы к самостоятельному проектированию;
  11. Экотоны, переходные зоны, так же важны для экосистем, как мембраны для клеток;
  12. Взаимодействие между экосистемами следует использовать везде, где это возможно;
  13. Компоненты экосистемы взаимосвязаны, взаимосвязаны и образуют сеть; рассмотреть как прямые, так и косвенные усилия по развитию экосистем;
  14. Экосистема имеет историю развития;
  15. Экосистемы и виды наиболее уязвимы на своих географических окраинах;
  16. Экосистемы представляют собой иерархические системы и являются частью более крупного ландшафта;
  17. Физические и биологические процессы интерактивны, важно знать как физические, так и биологические взаимодействия и правильно их интерпретировать;
  18. Экотехнологии требуют целостного подхода, максимально интегрирующего все взаимодействующие части и процессы;
  19. Информация в экосистемах хранится в структурах.

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

Академическая программа (колледжи)

Академическая программа была предложена для экологической инженерии, [15] и учреждения по всему миру начинают программы. Ключевыми элементами этой учебной программы являются: экологическая инженерия ; системная экология ; восстановительная экология ; экологическое моделирование ; количественная экология; экономика экологической инженерии и технические факультативы . [17] Первая в мире программа бакалавриата по экологической инженерии была официально оформлена в 2009 году в Университете штата Орегон . [18]

Этот набор курсов дополняют обязательные курсы по физическим, биологическим и химическим предметам, а также комплексный опыт проектирования. Согласно Мэтлоку и др., [15] проект должен выявить ограничения, охарактеризовать решения в экологическом времени и включить экологическую экономику в оценку проекта. Экономика экологической инженерии была продемонстрирована с использованием энергетических принципов для водно-болотных угодий [19] и использования оценки питательных веществ для молочной фермы [20].

Смотрите также

Литература

Рекомендации

  1. ^ WJ Mitsch и SE Jorgensen (1989), «Введение в экологическую инженерию», В: WJ Mitsch и SE Jorgensen (редакторы), Экологическая инженерия: Введение в экотехнологию . John Wiley & Sons, Нью-Йорк, стр. 3–12.
  2. ^ HT Odum et al. (1963), Эксперименты с инженерией морских экосистем , в: Публикация Института морских наук Техасского университета , 9: 374-403.
  3. ^ abcde WJ Mitsch и SE Jorgensen (2004), «Экологическая инженерия и восстановление экосистем». Джон Уайли и сыновья, Нью-Йорк
  4. ^ WJ Mitsch и SE Jorgensen (1989), «Введение в экологическую инженерию» В: WJ Mitsch и SE Jorgensen (редакторы), Экологическая инженерия: Введение в экотехнологию . John Wiley & Sons, Нью-Йорк, стр. 3–12.
  5. ^ У. Дж. Митч (1993), «Экологическая инженерия - совместная роль с планетарными системами жизнеобеспечения» в: Environmental Science & Technology , 27: 438-45.
  6. ^ WJ Mitsch (1996), «Экологическая инженерия: новая парадигма для инженеров и экологов», В: PC Schulze (редактор), « Инженерия в экологических ограничениях» . National Academy Press, Вашингтон, округ Колумбия, стр. 114–132.
  7. ^ ab WJ Mitsch & SE Jørgensen (2003), «Экологическая инженерия: область, время которой пришло», в: Ecoological Engineering , 20 (5): 363-377.
  8. ^ abc SD Bergen et al. (2001), «Принципы проектирования экологической инженерии», в: Экологическая инженерия , 18: 201-210.
  9. ^ КР Барретт (1999). «Экологическая инженерия в водных ресурсах: преимущества сотрудничества с природой». Водный Интернационал . 24 : 182–188. дои : 10.1080/02508069908692160.
  10. ^ Центр водно-болотных угодий, экологическая инженерия , веб-текст, 2007 г.
  11. ^ Нью-Джерси Тодд и Дж. Тодд (1994). От экогородов к живым машинам: принципы экологического дизайна . Беркли: Книги Северной Атлантики. ISBN 978-1556431500.
  12. ^ AM Налик и WJ Митч. (2006), «Тропические очистные водно-болотные угодья, на которых преобладают свободно плавающие макрофиты, для улучшения качества воды в Коста-Рике», в: Ecoological Engineering , 28: 246-257.
  13. ^ SAW Diemont и другие (2006), «Управление лесами майя Ланкандон: восстановление плодородия почвы с использованием местных пород деревьев», в: Ecoological Engineering , 28: 205-212.
  14. ^ ЕВ Крик
  15. ^ abcd MD Мэтлок и другие (2001), «Экологическая инженерия: обоснование стандартизированной учебной программы и профессиональной сертификации в Соединенных Штатах», в: Ecoological Engineering , 17: 403-409.
  16. ^ Браун, М.Т. (2004) Картинка стоит тысячи слов: язык энергетических систем и моделирование. Экологическое моделирование 178(1-2), 83-100.
  17. ^ Даймонт, С.В., Ти.Дж. Лоуренс и Т.А. Эндрени. «Предвидение экологического инженерного образования: международный опрос образовательного и профессионального сообщества», Ecoological Engineering, 36 (4): 570-578, 2010. DOI: 10.1016/j.ecoleng.2009.12.004.
  18. ^ «ОГУ открывает первую степень в области экологического инжиниринга в США» Жизнь в ОГУ . 6 июля 2009 г. Проверено 27 апреля 2023 г.
  19. ^ С. Тон, Х. Т. Одум и Дж. Дж. Дельфино (1998), «Эколого-экономическая оценка альтернатив управления водно-болотными угодьями», в: Ecoological Engineering , 11: 291-302.
  20. ^ К. Писарро и другие, Экономическая оценка технологии скруббера водорослевого газона для очистки сточных вод от молочного навоза. Экологическая инженерия, 26(12): 321-327.

Внешние ссылки

Организации

Научные журналы