环境生态工程基本原理及设计基础

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环境生态工程——生态学原理指导生产工艺体系和技术四大效益高度统一农业、工业、城市及区域经济稳定、持续发展2微生物植物动物C,H,O...C,H,O...C,H,O...CO2太阳能NoWaste谁最了解自然？自然本身。3因此在环境生态工程设计和建设过程中必须遵循社会-自然-经济复合系统的一些原理。52.1环境生态工程的核心原理2.1.1整体性原理2.1.2协调与平衡原理2.1.3自生原理2.1.4循环再生原理62.1.1整体性原理

整体论和还原论系统——处于一定相互联系中的与环境发生关系的各组成成分的总体(L.VonBertanlanffy)。7

整体论和还原论胚胎学家杜里舒的海胆实验2.1.1整体性原理82.1.1整体性原理9系统整体功能大于部分功能之和。系统的任何一个要素的变化是系统所有要素的函数，而每一要素的变化也引起其他所有要素及整个系统的变化。

整体论和还原论2.1.1整体性原理10系统具有各要素所没有的新的性质和行为即新生特性，系统整体性不能表述为要素性质的简单叠加。一般系统论是关系整体的一般科学。

整体论和还原论2.1.1整体性原理11

整体论和还原论系统的整体性原理作为一般系统论的核心，是由系统的有机性，即由系统内部诸因素之间以及系统与环境之间的有机联系来保证。2.1.1整体性原理14

整体论和还原论系统与其外部环境之间的有机关联，使得系统具有开放的性质。与外界环境有物质的、能量的、信息的交换，有相应的输出和输入以及量的增加或减少。2.1.1整体性原理15

整体论和还原论2.1.1整体性原理16

整体论和还原论一群狮子(10头)——400匹斑马/年(或需要1500—2000匹斑马来维持(1匹斑马一年平均生3、5匹小斑马))一匹斑马——10t草/年1t草——1hm2草地一个狮子群就需要200km2草原以维持它们之间的平衡关系。2.1.1整体性原理17

社会-经济-自然复合生态系统(Social-economic-naturalcomplexecosystem)2.1.1整体性原理环境生态工程社会属性经济属性自然属性科技属性18

社会-经济-自然复合生态系统2.1.1整体性原理图2-1社会—经济—自然复合生态系统示意图(引自王如松2012)19

社会-经济-自然复合生态系统2.1.1整体性原理社会经济自然相生相克相辅相成时间空间数量结构秩序生态耦合20

社会-经济-自然复合生态系统2.1.1整体性原理环境问题资源流动在时空尺度上的滞留和耗竭。系统耦合在结构关系上的破碎和板结。生态功能在演化过程中的退化和灾变。社会管理在局整关系上的短视和馈缺。212.1.1整体性原理环境生态工程——以整体论为指导充分利用还原论和机械论的优势在系统的各水平和层次上来进行整体调控的处理手段。222.1.2协调与平衡原理2.1环境生态工程的核心原理功能结构生物协调23适者生存在达到某种平衡的生态系统中，种群之间的负相互作用和正相互作用能像平衡的方程式一样，最后得到平衡。2.1.2协调与平衡原理2.1环境生态工程的核心原理24共栖蟹专性共生(obligatesymbiosis)2.1.2协调与平衡原理2.1环境生态工程的核心原理252.1.2协调与平衡原理2.1环境生态工程的核心原理功能结构收支协调与平衡262.1.2协调与平衡原理2.1环境生态工程的核心原理图2-2凤眼莲因控制不当而泛滥成灾27系统的有机关联性不是静态的，而是与时间有关的，是动态的。系统的有机关联性强调的是各要素之间空间的分布，而动态性则强调的是时间上的变化。2.1.2协调与平衡原理2.1环境生态工程的核心原理28系统内部的结构分布位置随时间而变化。系统在与外界物质、能量、信息交换过程中一直处于连续不断的动态变化之中。2.1.2协调与平衡原理2.1环境生态工程的核心原理29中国黄土高原的植被演替就是一个案例。森林面积西周时期>34×104km2秦汉南北朝时期25×104km2唐宋时期20×104km2明清时期8×104km23031黄土高原水土流失约占国土陆地面积38%322.1.3自生原理2.1环境生态工程的核心原理自我组织(Selforganization)自我优化(Selfoptimum)自我调节(Selfregulation)自我再生(Selfregeneration)自我繁殖(Selfreproduction)自我设计(Selfdesign)332.1.3自生原理2.1环境生态工程的核心原理342.1.3自生原理2.1环境生态工程的核心原理图2-3桂林山水（左）和尼亚加拉大瀑布（右）352.1.3自生原理2.1环境生态工程的核心原理生态系统的自我调节同种生物种群间密度的自我调节dN/dt=rN

(K-N)/KN——种群现存个体数量T——时间变量r——比增长率K——环境容纳量（饱和密度）362.1.3自生原理2.1环境生态工程的核心原理生态系统的自我调节异种生物种群之间数量调节生物与环境之间的相互适应调节372.1.4循环再生原理2.1环境生态工程的核心原理地质循环的环节之一382.1.4循环再生原理2.1环境生态工程的核心原理——根据生态系统物质循环原理，多类型、多途径、多层次地通过初级生产、次级生产、加工、分解等完全代谢过程，完成物质在生态系统中的循环。39桑基鱼塘2.1.4循环再生原理2.1环境生态工程的核心原理

物质循环和再生原理402.1.4循环再生原理2.1环境生态工程的核心原理

多层次分级利用原理环境生态工程中系统内耗最省、物质利用最充分、工序组合最佳最优工艺设计的基础。循环再生分层多级利用412.2环境生态工程的生态学原理环境生态工程设计的对象是不同的生态系统，设计时遵循生态学原理很重要。422.2环境生态工程的生态学原理2.2.1层次性原理2.2.2自组织原理2.2.3限制因子原理2.2.4边缘效应原理2.2.5景观生态原理432.1.3层次性原理横向层次——系统的水平分异特性纵向层次——系统的垂直分异特性2.2环境生态工程的生态学原理444546472.2.1层次性原理2.2环境生态工程的生态学原理生态位生态系统的层次结构在小尺度上的体现。在生态系统中，各种生态因子都具有明显的变化梯度，这种变化梯度中能被某种生物占据利用或适应的部分称之为其生态位。482.2.1层次性原理2.2环境生态工程的生态学原理生态位同时养鸡？492.2.2自组织原理生态系统具有的调节与反馈机制使得系统产生自组织功能，以适应外部环境的变化，并最大限度地减轻(或强化)这种变化带来的影响。2.2环境生态工程的生态学原理502.2.2自组织原理2.2环境生态工程的生态学原理A种生物B种生物相互关系作用特征++互惠共生、协作互

利+0偏利共生偏

利00零关系无

作用0—他感抗

生+—捕食、寄生、草食捕食、寄生——竞争竞

争表2-1生物间相互关系表51农田中害虫与天敌间的关系复杂的乔、灌、草、针阔叶林中较难发生松毛虫灾害凤眼莲——氨氮狭叶香蒲、菱——磷2.2.2自组织原理2.2环境生态工程的生态学原理52一切生态系统都有一种自我调节、自我修复和自我延续的能力。2.2.2自组织原理2.2环境生态工程的生态学原理532.2.3限制因子原理生态系统的结构与功能取决于影响其的动力因素或限制因子(如温度、太阳能等)，处于任一状态的系统本身都有一限制因子存在。2.2环境生态工程的生态学原理54澳大利亚数百万亩荒地种植牧草——钼河流富营养化——磷纽约长岛海峡南大湾“鸭与牡蛎”的故事2.2.3限制因子原理2.2环境生态工程的生态学原理552.2.4边缘效应原理生态交错带即相邻生态系统之间的过渡带，其特征由相邻生态系统之间相互作用的空间、时间及强度所决定。2.2环境生态工程的生态学原理56交叉地带种群竞争紧张流通通道2.2.4边缘效应原理2.2环境生态工程的生态学原理57城市热岛效应2.2.4边缘效应原理2.2环境生态工程的生态学原理582.2.4边缘效应原理2.2环境生态工程的生态学原理59城郊过渡带环境污染严重基础设施和生态环境建设薄弱生态廊道2.2.4边缘效应原理2.2环境生态工程的生态学原理602.2.4边缘效应原理2.2环境生态工程的生态学原理612.2.5景观生态原理——斑块、重现、空间异质性。景观结构与功能原理生物多样性原理能量流动原理养分再分布原理景观变化与稳定性原理2.2环境生态工程的生态学原理622.2.5景观生态原理借助景观的特征将该工程注入特定的文化内涵！！！2.2环境生态工程的生态学原理632.2.5景观生态原理2.2环境生态工程的生态学原理642.3环境生态工程的工程学原理环境工程原理质量衡算与能量衡算质量流体流动热量传递质量传递沉降、过滤、吸收、吸附、离子交换、萃取等分离过程原理均相化学反应器、非均相化学反应器、微生物反应器等反应工程原理652.3环境生态工程的工程学原理环境生态工程之工程原理太阳能充分利用原理

水资源循环利用原理无污染工艺原理生物有效配置原理无毒、低毒、少污染的能源和原料无污染的工艺设备无毒无害的产品废物三化原则“资源化、最少化、无害化”66生物设计是核心！2.3环境生态工程的工程学原理67清洁生产实现两个全过程控制：产品的生命周期全过程控制生产的全过程控制2.3环境生态工程的工程学原理682.4环境生态工程的经济学原理“…amonetaryvaluationofnatureshouldbeacceptedonlywhereitimproves

environmentalandsocioeconomicconditions…”ThevalueofvaluingnatureW.M.Adams.Science2014,346,549-551.Ultimatelyconservationisapoliticalchoice,andecosystemservicevaluesarejustoneargumentfortheconservationofnature.692.4环境生态工程的经济学原理2.4.1生态经济平衡原理2.4.2生态经济价值原理2.4.3生态经济效益原理702.4.1生态经济平衡原理2.4环境生态工程的经济学原理——生态系统及其物质、能量对于经济系统的供求平衡。71生态平衡是第一性的经济平衡是从属的第二性的生态平衡是经济平衡的自然基础经济平衡是人类主动利用经济力量去保护、改善或者重建生态系统的平衡2.4.1生态经济平衡原理2.4环境生态工程的经济学原理722.4.2生态经济价值原理生态系统价值评估2.4环境生态工程的经济学原理73生态系统经济价值分类2.4.2生态经济价值原理2.4环境生态工程的经济学原理74生态经济价值原理或生态资源价值问题，是目前亟待解决的生态经济理论问题。2.4.2生态经济价值原理2.4环境生态工程的经济学原理75环境生态工程经济评价技术环境质量的效益评价技术分类(注：摘自王金南，1994)2.4环境生态工程的经济学原理76环境生态工程经济评价技术环境费用评价技术防护费用法恢复费用法或重置成本法影子工程法2.4环境生态工程的经济学原理77自然资源合理利用原理——在有限的自然资源基础上，既获得最佳的经济效益，又不断提高环境质量的资源合理利用原理。2.4.2生态经济价值原理2.4环境生态工程的经济学原理80不可更新资源的利用矿物的再循环和回收利用资源替代提高资源利用率可更新资源的利用保持可更新资源的最大持续收获量可更新资源的增殖2.4.2生态经济价值原理2.4环境生态工程的经济学原理812.4.3生态经济效益原理——评价各种生态经济活动和生态工程项目的客观尺度，对任何一项环境生态工程项目都需要进行生态经济效益的比较、分析与论证，以选择最优或满意的方案。2.4环境生态工程的经济学原理82进行近期的和较长期的生态经济效益分析、比较，以尽量少的资源消耗，取得最佳生态经济效果

自然再生产过程的“有用性”度量标准可用价值形态的指标来度量——机会成本、影子价格等2.4.3生态经济效益原理2.4环境生态工程的经济学原理832.5环境生态工程的设计基础主讲：万小琼资环楼227Email：xwan@Tel:155273526262.5.1环境生态工程设计原则2.5.2环境生态工程设计路线2.5.3环境生态工程监理842.5.1环境生态工程设计原则背景——环境生态工程设计的起源宇宙这一机器是活的，它的各个部分是相互关联的，任一支节的活动都会影响到其余部分。8586背景——环境生态工程设计的起源全球环境普遍退化急需治理和管理，生态学开始由思想到实践，由理论走向设计。

87环境生态工程设计及思路——生态设计指在现有设计基础上，对环境信息、环境管理作较为理想的，综合的设计与调整（Lindsay，1987）。88环境生态工程设计及思路——生态设计(Ecologicalplanning)就是通过一系列的假设、行动，从而最大限度地与周围文化空间环境相适应的变革过程（Doug，1994）。89环境生态工程设计及思路——一个好的设计不应仅仅是对空间的美学、结构、机械、电讯等的堆砌，而应体现为一个整体，生态与人类协调的整体（Richard，1994）。90环境生态工程设计及思路人与自然间的协调人为设计与自然设计间的统一自然与人类统一体912.5.1环境生态工程设计原则1.因地因类制宜原则2.生态学原则3.人工合理调控与技术集成，促进生态系统恢复原则4.环境生态工程创新原则922.5.1环境生态工程设计原则1.因地因类制宜原则美国养殖鲢鳙

防止水体富营养化？芦苇？932.5.1环境生态工程设计原则2.生态学原则适当输入辅助能的原则再生循环及商品生产原则生物多样性原则942.5.1环境生态工程设计原则2.生态学原则环境的时间节律与生物的机能节律原则（1）环境因子的时间节律原则（2）生物的机能节律原则年周期、季周期、月周期和日周期952.5.1环境生态工程设计原则2.生态学原则生物种群选择原则①工程建设的主要目的选择——多功能②工程所处自然环境特征选择——因地制宜962.5.1环境生态工程设计原则2.生态学原则种群匹配原则君、臣、辅、佐、使1.3.2广义传输线方程

在静态场和低频稳态场中，电压定义为两点间电场关于路径的积分。由于这时的场为位场，两点间的电压与积分路径无关，所以电压的定义是唯一的。这一概念也可用于TEM波传输线，因为TEM波传输线的横向问题也是位场问题(满足Laplace方程)。但是对于非TEM波传输线，横向问题不再是位场问题，上述方法定义的电压不再唯一，需要寻找新的定义方法。为了唯一地定义电压和电流，规定：

(1)对于传输线的某一模式而言，电压U与该模式的横向电场Et成正比；电流I与该模式的横向磁场Ht成正比，即U∝Et，I∝Ht。

(2)电压与电流的共轭乘积的实部代表该模式的传输功率P，即Re{UI*}=P。

(3)传输行波时，电压与电流之比等于传输线的特性阻抗Z0，即。根据规定(1)，设传输线中某一模式的横向场为

令

则从传输线横截面s入射的功率为(1.3.6)(1.3.7)(1.3.8)恰好满足规定(2)。注意，在式(1.3.6)中已设e、h为实函数。由于式(1.3.6)是根据场模式定义的，所以称U(z)为模式电压，I(z)为模式电流，e、h分别为电场和磁场模式矢量函数。应当指出，规定(1)和(2)并不能唯一确定电压和电流。例如，令U′=AU，I′=I/A，则式(1.3.8)成为

仍满足规定(1)和(2)，但规定(3)不再满足，而是

因此，还必须满足规定(3)才能唯一确定电压和电流。由于横向电场模值和横向磁场模值之比等于波阻抗Zw，即

所以，根据规定(3)，在行波状态下，以式(1.3.6)代入式(1.3.9)，得(1.3.9)(1.3.10)由于e×h为方向，所以

这样，剩下的问题就是如何确定特性阻抗Z0了。通常，需要根据具体问题而定。(1.3.11)1032.5.1环境生态工程设计原则2.生态学原则人工压缩演替周期原则少老树1042.5.1环境生态工程设计原则2.生态学原则种群置换原则豆科作物、豆科牧草或中草药植物——地被物经济灌木或小乔木——下木食用菌——腐生性低等生物1053.1环境生态工程设计原则2.生态学原则经济效益原则农、牧、水产、林、副业及工业等商品1063.1环境生态工程设计原则人工合理调控与技术集成，促进生态系统恢复原则环境生态工程创新原则107环境生态工程设计注意遵从其所处生态系统的要求，不可超越该生态系统的极限。环境生态设计之前应对研究之生态系统作详细的分析和评价。对该生态系统历史演化机制作必要的了解。108环境生态工程设计注意充分发挥和再现自然生态系统和谐特征，为体现生态系统的潜在价值而服务。以生态系统的共同发展为主旨，并首先考虑当地居民的生存与福利。保证该系统健康持续发展。109环境生态工程设计注意因地制宜整体性科学定量110生态工程应用领域(PatrickC.Kangas，2004)思考：环境生态工程的应用领域？111环境生态工程的设计程序拟定目标：目标——系统边界确定背景调查：生态系统分析、限制因子及响应分析模型分析与模拟2.5.2环境生态工程设计路线112工程可行性评价：系统工程目标设定及工程方案构建、生态工程方案的论证与修订实施：环境生态工程方案实施、工程运行记录及反馈、工程验收环境生态工程的设计程序2.5.2环境生态工程设计路线工具：数量化方法、多元分析、数学规划、多目标决策、模糊数学、系统软件等拟定目标社会目标

经济目标

生态目标科技、文教、管理和道德水平

生产、消费、积累和流通水平

结构和功能的和谐稳定社会经济

环境质量

经济水平

污染程度服务水平

治理水平生活水平

环境负荷科技水平

多样性文教水平

生态调节管理水平

自然保护运输网络社会风尚自然本底

次生本底

生物结构

土地利用人口

建筑格局动植物

交通网络微生物

物产物理结构

景观

气候、土壤

地理、地质资源结构

水、矿产能源本底调查来源：已有资料

遥感分析

系统调查

民意测验分析

综合直观

经验模型假设

统计模型抽象

解析模型约简

模拟模型分解与合并

图解模型系统分析系统评价

政策试验影响指标

风险流通量

系统负担

满意度反馈间路灵敏度

后悔值

满意决策集（生态工程实施的依据）2.5.2环境生态工程设计路线114环境生态工程设计的科学基础多学科性：自然科学、工学、社会科学多目标性：多目标、多层次、多属性整合性：宏观与微观，定性与模糊整体性环境生态工程环境辨识与评价生物群落的选择生物群落结构配置自然环境社会经济环境地理环境气象环境水文环境土壤环境非生物环境生物环境数学模型法其他专家评价法水环境土壤环境光热环境大气环境营养环境

人工环境调控与构建人工食物链设计生产环增益环减耗环复合环人工食物链设计平面结构垂直结构生态工程目标

1162.5.2环境生态工程设计路线以整体生态过程为核心融合多学科技术实现结构和功能统一将环境保护与生产消费有机结合117环境生态工程受限性环境生态工程理论及方法的建立主要受三方面因素的影响:生态工程本身设计中众多参数的确立不同于一般工程系统有可移植性，限制了其工艺设计的标准化。118环境生态工程受限性观念尚未渗透到工艺的设计领域。工程与生态领域之间几乎没有交流，限制了从事生态工程人才的培养。119认识生态管理生态建设生态宣传生态品味生态120——案例：成都都江堰水利工程121——案例：成都都江堰水利工程位于四川成都平原西部都江堰市西侧的岷江上。建于公元前256年，是战国时期秦国蜀郡太守李冰率众修建的一座大型水利工程，是现存的最古老且依旧在灌溉田畴，造福人民的伟大水利工程。122引水灌溉、分洪减灾123124①深掏滩，低作堰，排洪保灌；②鱼嘴分水工程建造的理论和科学造型；③杩杈围堰工程；④竹笼工程；⑤丁坝挑流排沙；生态智慧125⑥减低河流糙度防止淤积；⑦弯道凹岸以弧形坝改变流势防洪保灌；⑧挖河沙，堆堤