生态工程规划与设计

1、生生 态态 工工 程程Ecological engineering生态工程规划与设生态工程规划与设计计第一节第一节 生态工程规划生态工程规划1 1 生态工程规划概述生态工程规划概述1.1 1.1 生态工程规划的概念生态工程规划的概念 工程目标 生态工程规划 采取的方法 生态工程规划产生于19世纪下半叶 以社会-经济-自然复合生态系统为规划对象，应用生态学原理、方法和系统科学的手段，去辨识、设计和模拟人工生态系统内的各种生态关系，确定最佳生态位，并突出人与环境协调的优化方案的规划。 生态规划内涵： 以人为本，追求人与自然的和谐 以资源环境承载力为前提 规划标准从量到序 规划目标从优到适1.2 1

2、.2 生态工程规划的基本特征生态工程规划的基本特征 综合性：生态环境要素、社会经济要素、技术要素 协调性：经济、社会和生态利益相协调 战略性：高度 区域性：不同地区建设方向、规划重点、建设步骤差异 实用性：可操作性1.3 1.3 生态工程规划原则生态工程规划原则 经济建设、城乡建设和生态工程同步原则 系统原则 可持续发展原则 因地制宜、因害设防、分类指导、分区突破原则 统筹兼顾、分步实施、先易后难、先急后缓原则1.3 1.3 生态工程规划的类型生态工程规划的类型 按规划期划分 按规划期可分为长期生态工程规划、中期生态工程规划以及年度生态工程建设规划。 按性质划分 生态工程规划从性质上分，有土地

3、利用规划、水资源利用规划、水土保持工程规划、林业生态工程规划、防沙治沙规划、生态农业工程规划、草地保护与建设规划、自然保护区规划及土地整理与复垦规划。 按人工化程度划分 按照人工化的程度可将生态工程规划分为自然保护和生态建设两类。 按保护规模划分 大尺度往往是指大流域或跨流域的大区域性的破坏和保护，面积在几百万平方千米。2 2 生态工程规划原理生态工程规划原理 人地关系协调理论 可持续发展理论， 生态系统理论 空间结构理论。第二节第二节 生态工程设计生态工程设计 工程的核心是设计。 生态工程的设计应按照物质在自然界迁移、转化、流动与循环的规律，积极地调控其食物链，同时根据生态工程实施的当地自然

4、条件、社会条件和经济条件等，优化组合各种技术，使之相互联系成一个有机系统，达到多层次、多目标，分级利用物质，促进良性循环，兼收经济、生态和社会效益。1 1 设计原则设计原则1.1 1.1 因地制宜原则因地制宜原则 紧紧围绕当地的自然、社会、经济条件进行生态工程设计的基本原则。 一方面受到光、温、水、土壤等条件制约。 另一方面符合当地的管理水平和社会要求。 我国南方曾利用凤眼莲为主的生态工程处理和利用污水获得比较好的效益。但不适于北方，以黑麦草等代替。 我国用鲢鱼、鳙鱼等吃浮游植物的鱼类，控制水体富营养化，转化水中的藻类成为食用鱼，到市场销售，增加水体中营养盐的输出。但不适于美国。 我国湿地中用

5、芦苇处理污水，再收割用于造纸、编织。在其他国家一般不用芦苇造纸，自生自灭。1.2 1.2 生态学原则生态学原则 西方的生态工程设计主要根据自我组织理论，以回归自然为主，人为干预较少，有系统自身的自我组织、自我调节去完成。 我国的设计则根据生态工程的整体、协调、自生、再生良性循环及天人合一的传统生态观等原则，多方面干预。1.2.1 1.2.1 适当输入辅助能的原则适当输入辅助能的原则 主要能源是太阳能。 适当的输入辅助能，建立辅助能流路线，可以人为改变生态系统的网络结构，增加反馈机会，提高生态系统主要能流途径的效率，获得多种经济产品。 西方已化石燃料、电能为主 中国主要靠人力投入1.2.2 1.

6、2.2 再生循环及商品生产原则再生循环及商品生产原则 西方生态工程以环境保护为主，虽然也应用与发挥再生与循环的作用，但一般不注重生产商品或可利用的原料。 中国目标是同步取得生态环境、经济和社会三方面效益。通过再生循环，不仅去除污染，而且要尽量生产商品或可利用的原料，化废为利，收到经济效益。生态工程开始时要求输出大于输入，降低过量积累，协调后调整输出，保持输入物质和输出物质平衡，收到生态效益和社会效益。1.2.3 1.2.3 生物多样性原则生物多样性原则 中国生态工程中，生物多样性往往是高的，因为要求充分利用各类生态位和多层分级利用物质，就必须保护与增加生物种类。而在西方，由于目标单纯，生物多样

7、性往往较低。1.2.4 1.2.4 环境时间节律与生物机能节律原则环境时间节律与生物机能节律原则 环境因子的时间节律：年周期、月周期、日周期。 生物的机能节律：日周期、月周期、年周期 一片森林中，猫头鹰夜间捕食昼伏夜出的小动物，而鹰白天捕食夜伏昼出的小动物，各取所得。 生态工程种群的选择与匹配过程中合理地利用不同生物的机能节律，与当地环境节律合理配合，就可以做到环境资源的合理利用。 雨季造林1.2.5 1.2.5 生物种群选择原则生物种群选择原则 根据生态工程建设的主要目的来选择 根据工程所处自然环境特征来选择1.2.6 1.2.6 种群匹配原则种群匹配原则 种群过分简单，是农田、人工林等人工

8、生态系统稳定性差的关键原因。 可以根据生物共生互生、生态位等原理，选择匹配次要种群，建造复合群体，形成互惠共存的群落。1.2.71.2.7人工压缩演替周期原则人工压缩演替周期原则 生态系统形成和演替是一个很长的阶段。地衣植物阶段苔藓植物阶段草本植物阶段高草灌木阶段阳性乔木阶段多层次森林群落阶段土壤颗粒增加土壤有机质积累土层增加土壤肥力增加阳性树种侵入阴性树种侵入 模拟自然生态系统形成演替规律，人工压缩更替周期。 在生态环境比较恶劣，遭受严重破坏的地区不能像过去，一律建造以乔木为主的林分，可以以抗旱灌木、牧草为第一期工程，然后再进行第二期生态恢复工程。 第一期工程：柠条、胡枝子、沙棘等豆科植物，

9、具有抗风沙的作用，又改良了环境，增加土壤肥力。 第二期工程：引入乔木形成疏林结构，形成乔、灌、草结合的高效生态工程。1.2.8 1.2.8 种群置换原则种群置换原则 复合群体的群落组成是经过长期的种间斗争逐渐达到和谐与平衡的。 以豆科作物、豆科牧草或中草药植物代替地被物，以经济灌木或小乔木组成下木，以食用菌代替腐生性低等生物，人工控制株行距，减少竞争，这样建成的生态系统就会既具有自然生态系统的物种多样性又具有较高的经济效益。1.2.9 1.2.9 经济效益原则经济效益原则 西方生态工程的价值往往是自然环境保护和自然景观的美化，而少或无市场价值与直接经济效益。 中国生态工程的价值是实利，在净化与

10、保护的同时，往往还要产出商品，有直接的利润和经济效益。2 2 生态工程设计基本程序和路线生态工程设计基本程序和路线拟定目标背景调查系统分析可行性评价社会目标经济目标生态目标自然资源条件社会经济条件生态环境条件基基本本程程序序数据处理构建数学模型技术路线 建立互利共生网络 将平行的原本不相联结的种，食物链生态系统的联结，形成互利共生网络，提高效率，促进物质的良性循环。 稻田养鱼（蟹） 延长食物链 例如在农田生态系统中，作物生产量提高100%的话，可供人直接用的产品增加20%，其余的80%未被高效利用。 增加环节，变废为宝，提高物质能量利用率。 生产环、增益环、减耗环、复合环、加工环 生产环：所加

11、入的环，可使非经济产品或废物(或部分用非经济产品与废物)直接生产出为人利用的经济产品。 用玉米芯生产木糖醇或糠醛，残渣培养食用菌，培养食用菌后的残渣再培养蚯蚓，蚓粪再作为优良有机肥还田；秸秆作饲料，家畜的粪便生产沼气，沼渣生产肥料。 A用残渣来培育食用菌和蛆蛹，实现了物质的多级利用 B用玉米的副产品玉米芯生产木糖醇，可提高经济效益 C用蛆蛹粪便作为有机肥还田，运用了能量循环再生原理 D在离开人的管理条件下，该生态工程就不能正常运转 增益环：所加之环，虽不能直接生产出商品，但有利于生态环境的改善或间接提高生产环效益。 凤眼莲处理有机废水 废水 养鱼 凤眼莲 饲料，节约商品饲料 减耗环：在食物链中

12、，有的环节只能是消耗者或破坏者，称为“损耗环”，为抑制“损耗环” 对物质和能量的过度消耗，在“损耗环”上增加一新环节，使之抑制和削弱减耗环的作用。天敌的引入。白菜白菜甲虫三叶草人70%30%20%10%90% 复合环：所加之环，往往起到上述各环的多种功能。 在一些农、林生态系统中，引入蜜蜂这一环节，不仅可将原本分散在各植物中的花粉、花蜜，经蜜蜂转化后，生产出蜂蜜、蜂蜡、蜂王浆、蜂胶、花粉等，起到生产环作用，而且由于蜜蜂传媒授粉作用，使很多作物增产，如可使棉花的皮棉增产20，油菜秆增产18左右，梨、苹果分别增产30-50及20-47，起到增益环效果。 红萍稻田 加工环：加工是物理、化学过程，并不

13、是生物学过程，不属于食物链网的范畴，但它与系统的输入与输出关系密切，直接决定着不同系统的功能，对经济效益，生态环境及社会效益有很大影响。 通过加工增值，木材 - 家具；玉米 - 淀粉、玉米油。 通过加工减少对环境的影响，农产品加工。新型人工湿地生态工程设计新型人工湿地生态工程设计 以山东省南四湖为例以山东省南四湖为例 南水北调东线工程重点污染源控制点南四湖湖区污染状况较为严重，对南水北调水质安全造成威胁。山东省南四湖是东线治污的重点之一，为此，设计符合生态学与生态经济基本原理的生态工程，使湿地生态系统具有较高的生态、经济、社会综合效益，对于保障南水北调工程实施的生态安全具有重要意义。1 1 设

14、计工艺设计工艺 确定实验区为生态工程建设的主要区域，采用湿地三级处理污水工艺。整个工艺流程系统采用浮游植物作为污水的初级处理设施，污水的二级处理采用湿地植物芦苇、菖蒲，在工程尾段采用沉水植物做最后的处理工作。第一级：浮游植物区 采用许多池塘均能发现的浮水植物小叶浮萍。它具有很强的生长适宜性，而且有一定的经济价值，可用于养殖业。浮水植物对污水起到粗滤作用。浮水植物的光合作用很强烈，产生大量的氧气，提高湖水中氧气的含量，为下一步芦苇区的去污净化作用提供丰富的氧气。此外，小叶浮萍还有阻滞水中漂浮物，吸附水中悬浮颗粒的作用。第二级：芦苇挺水植物区 芦苇区是该系统净化污水最主要的区域，系统利用湿地的自净

15、能力将大部分污染物去除。湿地中主要去污功能表现在：(1)悬浮颗粒的沉降；(2)溶解营养物质，扩散并进行沉积；(3)有机物矿质化；(4)营养物质被微生物和植物吸收。芦苇区的湿地设计采用人工湿地和自然湿地相结合的方针。人工湿地有更强的去污能力，而建造人工湿地需要资金投入。在保证出水水质的前提下，将人工湿地与自然湿地有效结合起来既充分利用了湿地资源，又节省了资金。 芦苇区剖面采用垄沟结构，垄上种以芦苇、菖蒲，按照表面流型湿地的标准建设；垄沟内铺以细沙和碎石，建成渗透型湿地。意义：意义： 第一，南四湖地处北方，夏秋季节河水流量变化剧烈，垄沟结构的人工湿地有可观的蓄水能力，对削弱洪峰对生态保护区的危害有

16、重大意义。 第二，垄沟结构有利于增加水流在湿地内的滞留时间，降低水流在湿地内的流速，从而达到沉淀悬浮颗粒、污水中的杂质的目的。 第三，渗透型人工湿地主要用来降低水中的氨氮含量指数。渗透型湿地为厌氧微生物提供一个厌氧环境，硝化细菌、反硝化细菌利用硝化作用、反硝化作用将N、P转化为铵离子、硝酸根离子、磷酸根离子、以无机盐形式被植物吸收或生成沉淀。垄埂上的表面流型湿地，由于芦苇根部的吸收和呼吸作用以及微生物的分解作用，水中的大部分有机质被除去，而且硫化物等形成矿物质，沉淀于湿地中。 渗透型湿地与表面流型湿地的结合会造成水流流动减慢，容易变质形成死水，而且入湖河流污染物的构成并不是恒定的，季节水量变化

17、较大。如果仅采用一种静态设计将对人工湿地处理污水的能力和效率产生不利影响，所以在剖面结构的基础上，对人工湿地的平面结构做出一个动态结构设计。在河口处建立监测站，根据入湖水质的变化情况对湿地做出动态调整。 在原有的垄型结构的表面流型湿地上增开一个小型水闸，长宽为2m1.5m，各闸口交错排列。并在人工湿地的侧面与自然湿地的交界处增开四个大闸，长宽4m2m。 平时水量大小适度，污染物组成较为均匀时，使水均匀从表面流型湿地和渗透型湿地中流过，最后注入自然湿地。如果污染物中氨氮含量较高时，打开部分闸门，使水流能沿最大路径流经渗透型湿地，这是利用渗透型湿地较强的去除氨氮污染物的能力，使水流中的氨氮污染物得到分解和吸收。 夏秋季节，河流中