Экологическая инженерия

Экологическая инженерия использует экологию и технику для прогнозирования, проектирования, строительства или восстановления и управления экосистемами, которые объединяют «человеческое общество с его природной средой в интересах обоих».

Определение
Экологическая инженерия определена во Франции как «проведение проектов, которые при осуществлении и мониторинге применяют принципы экологической инженерии и способствуют устойчивости экосистем», экологическая инженерия определяется как «сочетание научных знаний, методов и практик» которые учитывают экологические механизмы, применяемые для управления ресурсами, проектирование и внедрение объектов или оборудования и которые подходят для обеспечения защиты окружающей среды ».

В англосаксонских странах это «концепция, реализация и реализация проектов, связывающих природу в интересах как биоразнообразия, так и человеческого общества».

В испаноязычном мире наиболее близкой к нему концепции является концепция «экологической инженерии», которая определяется как «проектирование, применение и управление процессами, продуктами и услугами для предотвращения, ограничения или восстановления деградации окружающей среды с помощью взгляд на устойчивое развитие ».

Происхождение, ключевые понятия, определения и приложения
Экологическая инженерия появилась в качестве новой идеи в начале 1960-х годов, но ее определение потребовалось несколько десятилетий для совершенствования, ее реализация все еще подвергается корректировке, и ее более широкое признание как новой парадигмы относительно недавнее. Экологическая инженерия была введена Говардом Одмом и другими как использование источников естественной энергии в качестве преобладающего источника для управления и контроля экологических систем. Истоки экологической инженерии находятся в работе Одума с экологическим моделированием и симуляцией экосистем, чтобы выявить целостные макроструктуры энергетических и материальных потоков, влияющих на эффективное использование ресурсов.

Митч и Йоргенсен подытожили пять основных концепций, которые различают экологическую инженерию от других подходов к решению проблем в интересах общества и природы: 1) он основан на самооценке потенциала экосистем; 2) это может быть полевая (или кислотная) проверка экологических теорий; 3) он опирается на системные подходы; 4) он сохраняет невозобновляемые источники энергии; и 5) он поддерживает сохранение экосистем и биологических ресурсов.

Митч и Йоргенсен первыми определили экологическую инженерию как проектирование социальных услуг, чтобы они приносили пользу обществу и природе, а позже отметили, что дизайн должен быть системным, устойчивым и интегрировать общество с его природной средой.

Bergen et al. как: 1) использование экологической науки и теории; 2) применение ко всем типам экосистем; 3) адаптация методов проектирования; и 4) подтверждение системы ориентировочных значений.

Барретт (Barrett, 1999) предлагает более буквальное определение термина «проектирование, строительство, эксплуатация и управление (то есть проектирование) ландшафтно-водных сооружений и связанных с ними сообществ растений и животных (то есть экосистемы) в интересах человечества и, часто, природа ». Барретт продолжает: «Другие термины с эквивалентными или похожими значениями включают в себя экотехнологию и два термина, наиболее часто используемые в области контроля эрозии: биоинженерия почвы и биотехническая инженерия. Однако экологическую инженерию нельзя смешивать с« биотехнологией »при описании генной инженерии на клеточной уровень или «биоинженерия» означает строительство частей искусственного тела ».

Приложения в области экологической инженерии можно разделить на 3 пространственные шкалы: 1: мезокосмы (~ 0,1-1100 м); 2: экосистемы (от 1 до 10 км); и 3: региональные системы (> 10 с км). Сложность конструкции, вероятно, возрастает с пространственным масштабом. Приложения расширяются в широте и глубине и, вероятно, влияют на определение поля, поскольку исследуются новые возможности для разработки и использования экосистем в качестве интерфейсов между обществом и природой. Реализация экологической инженерии была сосредоточена на создании или восстановлении экосистем, от деградированных водно-болотных угодий до многоклеточных ванн и теплиц, которые объединяют микробные, рыбные и растительные услуги для обработки сточных вод человека в такие продукты, как удобрения, цветы и питьевая вода. Области применения экологической инженерии в городах возникли благодаря сотрудничеству с другими областями, такими как ландшафтная архитектура, городское планирование и городское садоводство, для решения вопросов охраны здоровья человека и биоразнообразия в целях достижения целей устойчивого развития ООН с целенаправленными проектами, такими как управление ливневыми стоками. Применение экологической инженерии в сельских ландшафтах включало обработку водно-болотных угодий и рекультивацию общин посредством традиционных экологических знаний. Пермакультура — пример более широких приложений, которые возникли как отдельные дисциплины из экологической инженерии, где Дэвид Холмгрен цитирует влияние Говарда Одума в развитии пермакультуры.

Руководства по дизайну, функциональные классы и принципы проектирования
Экологический инженерный проект будет сочетать экологию системы с процессом проектирования. Инженерный дизайн обычно включает постановку задачи (цель), анализ проблем (ограничений), поиск альтернативных решений, решение альтернатив и спецификацию полного решения. Временная структура проектирования предоставляется Matlock и др., Заявляя, что дизайнерские решения рассматриваются в экологическое время. При выборе между альтернативами проект должен включать экологическую экономику в оценку дизайна и признавать систему руководящих ценностей, которая способствует сохранению биологического разнообразия, приносит пользу обществу и природе.

Экологическая инженерия использует экологию систем с инженерным дизайном, чтобы получить целостное представление о взаимодействиях внутри и между обществом и природой. Экосистемное моделирование с использованием языка энергетических систем (также известный как язык энергетических схем или энергия) Говарда Одума является одной из иллюстраций этого подхода к экологии систем. Эта разработка и моделирование целостной модели определяет систему, представляющую интерес, определяет границу системы и диаграммы, как энергия и материал перемещаются внутри, внутри и снаружи системы, чтобы определить, как использовать возобновляемые ресурсы через экосистемные процессы и повысить устойчивость. Система, которую он описывает, представляет собой коллекцию (т. Е. Группу) компонентов (т. Е. Частей), связанных каким-то типом взаимодействия или взаимосвязи, которые коллективно реагируют на некоторый стимул или спрос и выполняют какую-то определенную цель или функцию. Понимая экологичность систем, экологический инженер может более эффективно разрабатывать компоненты и процессы экосистемы в рамках проекта, использовать возобновляемые источники энергии и ресурсы и повышать устойчивость.

Митч и Йоргенсен идентифицировали пять функциональных классов для проектов экологической инженерии:

Экосистема используется для уменьшения / устранения проблемы загрязнения. Пример: фиторемедиация, водно-болотные угодья сточных вод и биоресурсы ливневых вод для фильтрации избыточных питательных веществ и загрязнения металлов
Экосистема, имитируемая или скопированная для решения проблемы ресурсов. Пример: восстановление лесов, замена водно-болотных угодий и установка дождевых садов на улицах, чтобы расширить покрытие купола для оптимизации охлаждения в жилых и городских районах
Экосистема восстанавливается после нарушения. Пример: восстановление рудников, восстановление озера и восстановление водной воды с использованием зрелых прибрежных коридоров
Экосистема модифицирована экологически обоснованным образом. Пример: выборочный сбор древесины, биоманипуляция и введение рыбы-хищника для сокращения планктонных рыб, увеличения зоопланктона, потребления водорослей или фитопланктона и прояснения воды.
Экосистемы используются для выгоды без разрушения баланса. Пример: устойчивые агроэкосистемы, многовидовая аквакультура и введение участков агролесоводства в жилую недвижимость для производства первичной продукции на нескольких вертикальных уровнях.

Митч и Йоргенсен определили Принципы проектирования для экологической инженерии, но не все должны вносить вклад в любую единую конструкцию:

Структура и функция экосистемы определяются форсированием функций системы;
Вклад энергии в экосистемы и доступное хранение экосистемы ограничены;
Экосистемы — это открытые и диссипативные системы (не термодинамический баланс энергии, материя, энтропия, а спонтанное появление сложной хаотической структуры);
Внимание к ограниченному числу регулирующих / контролирующих факторов является наиболее стратегическим в предотвращении загрязнения или восстановления экосистем;
Экосистема обладает некоторой гомеостатической способностью, которая приводит к сглаживанию и угнетению эффектов сильно изменяющихся входов;
Сопоставьте пути рециркуляции с уровнями экосистем и уменьшите воздействие загрязнения;
Конструкция для пульсирующих систем, где это возможно;
Экосистемы являются системами саморазвития;
Процессы экосистем имеют характерные временные и космические масштабы, которые должны учитываться при управлении окружающей средой;
Биоразнообразие следует отстаивать, чтобы поддерживать потенциал саморегулирования экосистемы;
Экотоны, переходные зоны, так же важны для экосистем, как мембраны для клеток;
При необходимости следует использовать связь между экосистемами;
Компоненты экосистемы взаимосвязаны, взаимосвязаны и образуют сеть; рассматривать как прямые, так и косвенные усилия по развитию экосистем;
Экосистема имеет историю развития;
Экосистемы и виды наиболее уязвимы по своим географическим краям;
Экосистемы являются иерархическими системами и являются частями более крупного ландшафта;
Физические и биологические процессы являются интерактивными, важно знать как физические, так и биологические взаимодействия и правильно их интерпретировать;
Экотехнология требует целостного подхода, который, насколько это возможно, объединяет все взаимодействующие части и процессы;
Информация в экосистемах хранится в структурах.

Новая карьера
Экологическая инженерия — это новые профессии, которые развиваются с конца 20-го века. Он реализует методы экологической инженерии, принципы которых определяются, таким образом, CNRS: «Экологическая инженерия — это использование, в основном in situ, иногда в контролируемых условиях, популяций, сообществ или сообществ. Экосистемы с целью изменения одного или нескольких биотических или физико-химическая динамика окружающей среды в смысле, который считается благоприятным для общества и совместим с поддержанием экологических балансов и адаптивного потенциала окружающей среды ». Таким образом, цель экологической инженерии заключается в содействии действиям, адаптированным к устойчивости экосистемы и тем самым к содействию биоразнообразию.

Если мир исследований играет важную роль, предоставляя новые фундаментальные знания, операторы экологической инженерии также используют древние практики и разрабатывают инновации, основанные на наблюдении за живыми механизмами. Таким образом, Леонардо да Винчи писал: «Корни ивы предотвращают крах набережных каналов и ветвей ивы, которые размещаются на берегу, а затем разрезаются, становятся каждый год плотными, и поэтому мы получаем живой банк одного ». Эти методы долгое время игнорировались в пользу систем тяжелой защиты, использующих гражданское строительство. Эти условия жизни, иногда более эффективные, наделены способностью к самообслуживанию и устойчивости, хотя в соответствии с ситуациями требуется регулярное управление.

Трансверсальная активность
Актеры экологической инженерной работы по биоразнообразию, они «ремесленники биоразнообразия». Они приносят свои знания, методы и инструменты для восстановления живых экосистем. Реализация экологических инженерных проектов включает в себя множество навыков; консультации с экономическими и социальными субъектами в экологическом мониторинге проекта посредством его проектирования и реализации. Классическая операция начинается с консалтинговых и стратегических мероприятий поддержки, а затем шаги диагностических исследований, определения действий, работ, мониторинга, управления и, наконец, валоризации подхода посредством коммуникации. Эти мероприятия включают в себя натуралистов, советников по биоразнообразию, специализированных рабочих и техников вокруг стержня экологического инженера.

Экологическая инженерия рассматривает все аспекты экосистемы: флору, фауну, грибковые, бактериологические, почвоведы, биогеохимические, геологические процессы, а также человеческие общества. Чтобы воздействовать на все эти жизненные процессы, инженер-эколог использует различные методы. Например, он будет использовать технику установки, иногда называемую биоинженерией или биологической инженерией, и многие другие методы, которые могут выгодно заменить обычные методы.

Но помимо простых действий по сохранению биоразнообразия и охране природного наследия, экологическая инженерия направлена ​​на согласование экономики и экологии. Действительно, поскольку его цель заключается в содействии устойчивости экосистемы, экологическая инженерия должна учитывать присутствующую человеческую деятельность, неотъемлемую часть экосистемы. Таким образом, деятельность сектора лежит в центре взаимоотношений между человечеством и биоразнообразием и развивается в связи со всеми секторами экономики. Затем экологическая инженерная деятельность сопровождает профессионалов планирования, сельского хозяйства и даже промышленности, недвижимости и городского планирования для работы над совместимостью между деятельностью человека и живыми системами.

Таким образом, успех экологического инженерного проекта оценивается по двум критериям: социальному признанию и вовлечению жителей и пользователей в проект и научной оценкой. Последнее осуществляется на основе мониторинга показателей, включая биоиндикаторы, которые различаются в зависимости от биогеографического контекста, поверхности сайта и цели операций. Экологи полагаются в основном на несколько видов, считающихся биоиндикаторами, для оценки и, при необходимости, правильной работы.

Техника и приложения
Методы экологической инженерии могут быть реализованы в связи со всеми видами деятельности человека, если они оказывают влияние на экосистему и ее эксплуатацию, которая очень широка: управление природными территориями, пространственное планирование, городское планирование, сельское хозяйство, экономическая деятельность. В зависимости от цели вмешательства можно разделить на четыре: управление, восстановление, создание или интеграция деятельности в экосистеме. Это распределение не является эксклюзивным, но позволяет ознакомиться с многочисленными приложениями экологической инженерии.

Управление окружением
Экологические менеджеры используют экологическую инженерию, когда их целью является увеличение биоразнообразия, стабилизация или прекращение его упадка. Действительно, некоторые естественные процессы теперь вымерли, и только человеческое вмешательство может заполнить этот пробел и предотвратить исчезновение определенных кругов определенных видов. В связи с использованием природоохранной среды, начиная от природных условий и заканчивая городскими районами и сельскохозяйственными районами, экологические рекомендации будут рекомендовать в целях содействия сохранению биоразнообразия. Вот некоторые примеры:

обслуживание в открытом состоянии путем шлифовки, кошения или резки, в зависимости от присутствующих сообществ растений;
дифференцированное управление для диверсификации окружающей среды или сохранения существующего разнообразия;
например, для ограничения распространения чужеродных видов или уменьшения эвтрофикации водно-болотных угодий;
эко-пастбищ, чтобы сохранить открытость окружающей среды в долгосрочной перспективе благодаря травоядным животным, таким как лошади, овцы или крупный рогатый скот, или бобры или лоси, которые могут использоваться в случае прерийных или влажных сред.
Для первых трех пунктов управление остатками является решающим. Если они экспортируются, окружающая среда истощается в органическом веществе, что в некоторых случаях способствует обогащению биоразнообразия.

Агроэкология
Инженер-эколог также участвует в сельскохозяйственных районах. Затем он может предложить новое управление фермой, более адаптированное к функционированию экосистемы. В этом случае он вдохновлен методами пермакультуры.

Фермер может способствовать сохранению биоразнообразия в целях повышения продуктивности агросистем и обеспечения стабильности в условиях внешних воздействий. Можно активизировать различные биологические или экологические процессы, связанные с биоразнообразием: усилить разнообразие и активность почвенных микроорганизмов в пользу растений, связать и сотрудничать с различными видами, используя разные семьи и растительные слои, регулируя экологические вредители сельскохозяйственных культур через своих естественных врагов, и т. д. Он также может воздействовать на циклы органического вещества и питательных веществ для повышения производительности низкозатратной агросистемы. Это означает хорошее управление органическими ресурсами и, следовательно, поток питательных веществ и энергии, которые они вызывают. Затем можно вмешаться на нескольких уровнях: усилить взаимодействие животноводства и сельского хозяйства с целью сохранения природных ресурсов, восстановить биологическую жизнь почв с помощью конкретных органических веществ, чтобы кормить растение на местном уровне.

Наконец, управление водными ресурсами является определяющим фактором, особенно в сухих районах, где ресурсы ограничены и нерегулярны. Управление можно улучшить несколькими способами: адаптировать урожай к неустойчивым дождям или рискам засухи, сохранить воду на уровне участка путем ограничения стока, принимая во внимание важную роль деревьев на почве и воду в сухих районах …

Восстановление экосистемы или экологические особенности
Последняя Всемирная конференция по биоразнообразию, состоявшаяся в Нагое в 2010 году, отметила, что необходимо в 2020 году восстановить не менее 15% деградировавших экосистем в дополнение к политике сохранения (15-я цель Айти). Экологическая инженерия использует экологическую устойчивость экосистем для восстановления экологической среды и особенностей:

земляные работы, импорт материалов (камни, пески) для восстановления окружающей среды, почв, ручьев;
использование морфологических особенностей растений для естественного восстановления эрозионных сред и / или защиты от стихийных бедствий, посадки видов с обширными корневыми системами для устойчивого восстановления деградированных почв, стабилизации склонов, берегов, дюн или литораль;
методы дезактивации растениями или бактериями, например, для обработки материалов из шахт тяжелыми металлами (хемилитротрофные бактерии), разливов нефти (органотрофных бактерий), очистки воды или деградации отходов;
открытие окружающей среды путем выкорчевывания или вырубки для диверсификации местообитаний;
Управление почвой: удаление (étrépage) для содействия биоразнообразию, восстановление почв путем перемещения минералов, биомассы и подстилки, реабилитация Technosol;
перенос видов или мест обитания с целью восстановления минимальных условий экологической устойчивости: повторного складирования, пополнения запасов, восстановления морских травянистых полей фанерогамов в морской среде, стабилизации иловых пластов на ложе из мидий и т. д.

Создание функциональной экосистемы
Создание экосистемы происходит, когда окружающая среда слишком деградирует, чтобы ее восстановить, или когда диверсификация среды обитания считается необходимой экологическим инженером в соответствии с местным социально-экономическим и экологическим контекстом. Это может включать в наземную зону создание полной среды, такой как буферные зоны для очистки воды, пруды, склоны, изгороди и т. Д. Или создание элементов среды обитания для животных: гибернакулум, гнездовые ящики, дом насекомых, коттеджи. В морской среде инженер-эколог может запросить создание местообитаний в районе порта под водой или в прилегающей зоне, в порту, дайке или других устройствах защиты прибрежных районов, например, путем включения видов фильтров (мидий, устриц).

Интеграция человеческой деятельности в экосистему
Методы управления, восстановления и создания природных условий используются для экологической интеграции объектов и инфраструктур. Затем экологическая инженерия создала городскую, сельскохозяйственную, гидравлическую арматуру или лесное хозяйство, интегрированное в экосистему, где гражданский ранее более охотно использовал бетонную или шпунтовую кучу. Экологическая инженерия предлагает решения, вдохновляемые природой, и позволяет повысить экологическую проницаемость сооружений и снизить экологическую нагрузку. При строго ограниченных сборах на природные ресурсы и содействии использованию экологически совместимых материалов. Методы повторного использования ресурсов также могут быть связаны с экологической инженерией посредством их стремления сократить использование невозобновляемых природных ресурсов, таких как экологическая санитария.

В конкретных терминах эти методы направлены на обеспечение экологической связи и интеграцию управления в функционирование экосистемы. Экологическая преемственность улучшается за счет создания таких переходов работ, связанных с направляющими устройствами. Дикая природа: набережные, изгороди, канавы … Экологическая интеграция зданий обеспечивается за счет включения их влияния, их окружения и валоризации структур самих себя. Зеленые крыши и зеленые стены становятся важными с момента интеграции биоразнообразия в экологические стандарты зданий, таких как HQE ​​или BREEAM, и, как правило, интересны архитекторам и дизайнерам интерьеров, а не только разработчикам дорог или рек.

Экологическая интеграция также может проводиться в масштабах, больших, чем простая площадка разработки. Таким образом, акторы экологической инженерии помогают профессионалам думать о совместимости деятельности своей компании с функционированием экосистемы и даже работать на уровне экономической модели территории или даже страны. Это может сосредоточить все экономические сектора, даже самые отдаленные.

Руководство по проектированию
Проект экологического проектирования будет следовать циклу, аналогичному циклу инженерного проекта — обозначению проблемы (цели), анализу проблемы (ограничений), поиску альтернативных решений, выбору альтернатив и определению окончательного решение. Элементы, отличающие экологический дизайн, разрабатываются многими авторами, но до сих пор нет единого подхода. Как правило, цель проекта включает защиту, подверженные риску экосистемы, восстановление деградировавших экосистем или создание новой устойчивой экосистемы для удовлетворения потребностей природы и общества. При выборе между альтернативами проект должен включать экологическую экономику в оценку проекта и признавать систему руководящих ценностей, которая способствует биологическому сохранению.

Подходит для всех типов экосистем

Адаптирует методы проектирования
Реализация проекта должна основываться на использовании экологической науки и теории.
На основе самовоспроизводящей способности экосистем
Принимает теорию адаптивного управления обучением на ошибках, проект проверяется на основе теории окружающей среды.
Он основан на подходах к интегрированной системе
Сохраняет невозобновляемые источники энергии

Митч и Йоргенсен определили следующие соображения до внедрения экологического инженерного проекта:

Создать концептуальную модель определения частей природы, связанных с проектом;
Внедрить компьютерную модель для моделирования последствий и неопределенности проекта;
Оптимизируйте проект, чтобы уменьшить неопределенность и повысить благотворное воздействие.

учебный план
Учебная программа была разработана для Экологического проекта, и основные институты США запустили эти программы. Элементами этой программы являются:

Для экологической инженерии была предложена академическая учебная программа, и учреждения по всему миру начинают программы. Ключевыми элементами этой учебной программы являются: экологическая инженерия; экология систем; экология восстановления; экологическое моделирование; количественная экология; экономики экологической инженерии и технических факультативов.

Дополнением этого набора курсов являются предпосылки курсов по физическим, биологическим и химическим предметам, а также комплексный опыт проектирования. Согласно Matlock et al., Проект должен определять ограничения, характеризовать решения в экологическое время и включать экологическую экономику в оценку дизайна. Экономика экологической инженерии была продемонстрирована с использованием энергетических принципов для водно-болотных угодий и использования оценки питательных веществ для молочной фермы

Количественная экология
Экология системы
Восстановительная экология
Экологическое моделирование
Инженерия окружающей среды
Экономика экологической инженерии

Технические факультативы
В дополнение к этому набору курсов есть начальные курсы физических, биологических и химических дисциплин. Согласно Мэтлоку и другим, проект должен определять ограничения, характеризовать решения в экологическое время и включать экологическую экономику в оценку проекта. Экономика экологической инженерии была продемонстрирована с использованием принципов энергопотребления, необходимых для водно-болотных угодий и питательных веществ для молочной фермы.