Экологическая инженерия: принципы и применение.

Введение

Экологическая инженерия использует экологию и инженерные науки для прогнозирования, проектирования, создания или восстановления и управления экосистемами, интегрирующими "человеческое общество с его природной средой в интересах обеих сторон".

Происхождение, ключевые понятия, определения и применения

Экологическая инженерия возникла как новая идея в начале 1960-х годов, но ее определение потребовалось несколько десятилетий для уточнения. Ее внедрение все еще находится в стадии адаптации, а широкое признание как новой парадигмы – относительно недавнее. Экологическая инженерия была представлена Говардом Одумом и другими как использование природных источников энергии в качестве основного фактора для управления и контроля экологическими системами. Истоки экологической инженерии лежат в работах Одума по экологическому моделированию и симуляции экосистем для выявления целостных макропаттернов потоков энергии и веществ, влияющих на эффективное использование ресурсов. Митч и Йоргенсен первыми определили экологическую инженерию как проектирование общественных благ, приносящих пользу как обществу, так и природе, и позднее отметили, что проектирование должно быть системным, устойчивым и интегрировать общество с его естественной средой. Берген и др. определили экологическую инженерию как: 1) использование экологической науки и теории; 2) применение ко всем типам экосистем; 3) адаптацию методов инженерного проектирования; и 4) признание системы руководящих ценностей. Барретт (1999) предлагает более буквальное определение термина: «проектирование, строительство, эксплуатация и управление (то есть инженерия) ландшафтных и водных сооружений, а также связанных с ними растительных и животных сообществ (то есть экосистем) на благо человечества и, часто, природы». Барретт продолжает: «другие термины с эквивалентным или схожим значением включают экотехнологию, а также два термина, наиболее часто используемые в области борьбы с эрозией: почвенная биоинженерия и биотехническая инженерия. Однако экологическую инженерию не следует путать с «биотехнологией», когда речь идет о генной инженерии на клеточном уровне, или с «биоинженерией», подразумевающей создание искусственных частей тела». Области применения экологической инженерии можно классифицировать по 3 пространственным масштабам: 1) мезокосмы (~0,1 – сотни метров); 2) экосистемы (~1 – десятки километров); и 3) региональные системы (> десятки километров). Сложность проектирования, вероятно, возрастает с увеличением пространственного масштаба. Сфера применения расширяется и углубляется, что, вероятно, влияет на определение этой области, поскольку исследуются все новые возможности проектирования и использования экосистем как интерфейса между обществом и природой. Внедрение экологической инженерии сосредоточено на создании или восстановлении экосистем – от деградировавших водно-болотных угодий до многокамерных резервуаров и теплиц, интегрирующих микробиологические, рыбные и растительные процессы для переработки человеческих сточных вод в такие продукты, как удобрения, цветы и питьевая вода. Применение экологической инженерии в городах возникло в результате сотрудничества с другими областями, такими как ландшафтная архитектура, городское планирование и городское садоводство, а также благодаря восстановлению лесов сообществами с использованием традиционных экологических знаний. Пермакультура является примером более широких областей применения, которые выделились в самостоятельные дисциплины из экологической инженерии, где Дэвид Холмгрен указывает на влияние Говарда Одума на развитие пермакультуры.

Ecological engineering emerged as a new idea in the early 1960s, but its definition has taken several decades to refine. Its implementation is still undergoing adjustment, and its broader recognition as a new paradigm is relatively recent. Ecological engineering was introduced by Howard Odum and others as utilizing natural energy sources as the predominant input to manipulate and control environmental systems. The origins of ecological engineering are in Odum's work with ecological modeling and ecosystem simulation to capture holistic macro patterns of energy and material flows affecting the efficient use of resources. Mitsch and Jorgensen were the first to define ecological engineering as designing societal services such that they benefit society and nature, and later noted the design should be systems based, sustainable, and integrate society with its natural environment. Bergen et al. defined ecological engineering as: 1) utilizing ecological science and theory; 2) applying to all types of ecosystems; 3) adapting engineering design methods; and 4) acknowledging a guiding value system. Barrett (1999) offers a more literal definition of the term: "the design, construction, operation and management (that is, engineering) of landscape/aquatic structures and associated plant and animal communities (that is, ecosystems) to benefit humanity and, often, nature." Barrett continues: "other terms with equivalent or similar meanings include ecotechnology and two terms most often used in the erosion control field: soil bioengineering and biotechnical engineering. However, ecological engineering should not be confused with 'biotechnology' when describing genetic engineering at the cellular level, or 'bioengineering' meaning construction of artificial body parts." The applications in ecological engineering can be classified into 3 spatial scales: 1) mesocosms (~0.1 to hundreds of meters); 2) ecosystems (~one to tens of km); and 3) regional systems (>tens of km). The complexity of the design likely increases with the spatial scale. Applications are increasing in breadth and depth, and likely impacting the field's definition, as more opportunities to design and use ecosystems as interfaces between society and nature are explored. Implementation of ecological engineering has focused on the creation or restoration of ecosystems, from degraded wetlands to multi celled tubs and greenhouses that integrate microbial, fish, and plant services to process human wastewater into products such as fertilizers, flowers, and drinking water. Applications of ecological engineering in cities have emerged from collaboration with other fields such as landscape architecture, urban planning, and urban horticulture, and community reforestation through traditional ecological knowledge. Permaculture is an example of broader applications that have emerged as distinct disciplines from ecological engineering, where David Holmgren cites the influence of Howard Odum in development of permaculture.

Руководства по проектированию, функциональные классы и принципы проектирования

Экологический инженерный дизайн объединяет экологию систем с процессом инженерного проектирования. Инженерное проектирование обычно включает в себя формулировку проблемы (постановку цели), анализ проблемы (определение ограничений), поиск альтернативных решений, выбор из альтернатив и разработку полного решения. Временная структура проектирования, предложенная Матлоком и др., рассматривает проектные решения в контексте экологического времени. При выборе между альтернативами, проектирование должно включать принципы экологической экономики для оценки вариантов. Эта целостная модель разработки и моделирования определяет интересующую систему, устанавливает её границы и схематически изображает потоки энергии и веществ в систему, внутри неё и из неё, чтобы определить способы использования возобновляемых ресурсов посредством экосистемных процессов и повышения устойчивости. Система, которую она описывает, представляет собой совокупность (то есть группу) компонентов (то есть частей), связанных между собой определёнными взаимодействиями, которые в совокупности реагируют на стимулы или запросы и выполняют конкретную задачу или функцию. Понимая экологию систем, экологический инженер может более эффективно проектировать, используя компоненты и процессы экосистемы, использовать возобновляемые источники энергии и ресурсы, а также повышать устойчивость. Митч и Йоргенсен. Первая в мире программа бакалавриата по экологической инженерии была официально учреждена в 2009 году в Университете штата Орегон. Дополнение к этому набору курсов составляют вводные курсы по физическим, биологическим и химическим дисциплинам, а также практический опыт интегрированного проектирования. Согласно Матлоку и др., и при использовании оценки питательной ценности для молочной фермы.

Организации

Американское общество экологической инженерии, главная страница. Сайт студенческого общества экологической инженерии, EESS, Университет штата Орегон, 2011. Американское общество профессиональных инженеров по водно-болотным системам, главная страница, вики. Группа экологической инженерии, главная страница. Главная страница Международного общества экологической инженерии.

Научные журналы

Экологическая инженерия с 1992 года, с общим описанием данной области. Ландшафтная и экологическая инженерия с 2005 года. Журнал «Проектирование в экологической инженерии» официально запущен в 2021 году и предлагает формат «алмазного» открытого доступа (бесплатный для читателей и авторов). Это официальный журнал Американского общества экологической инженерии, публикуемый при поддержке библиотек Университета Вермонта.