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  • 环境生态系统工程

    环境生态系统工程的研究对象一般分为微观和宏观两大类:空气、水质、废弃物、噪声等污染防治方案的选优和水库、大坝、河流、农场等生态环境影响的评价,均属于微观问题;而城市环境生态质量评价、区域环境生态系统规划、环境生态系统的经济社会分析,以及环境生态系统的预测、规划和决策等全局性和战略性的问题,则是宏观问题。环境生态系统工程的理论和方法大多是应用于宏观方面,用以解决环境保护的评价、预测、规划和决策问题。

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    环境生态系统工程/环境生态系统工程 编辑

     

    正文/环境生态系统工程 编辑

      将系统工程的思想、理论和方法应用于环境保护领域,以解决防治环境污染和生态破坏等重大问题的工程技术。它从系统总体出发,运用系统分析方法,研究环境污染和生态破坏的现象、产生的原因、消除的办法及其所需的工程和措施。环境生态系统工程着重分析和协调环境生态系统各组成部分之间的相互关系;分析和协调环境生态系统在整个经济、技术、社会大系统中所处的地位及其与经济、社会等其他系统的相互关系,以便有目的、有步骤地选定研究的目标、建立数学模型、应用优化方法和计算机技术,对大量的可供选择的环境保护方案进行定量的分析和综合评价,提出总体最优方案,供决策机关进行决策,以期实现对环境生态系统的最优治理。环境生态系统工程是环境系统工程和生态系统工程的总称。前者解决环境污染的防治问题,后者解决生态破坏的防治问题。
      环境生态系统工程的研究对象一般分为微观和宏观两大类:空气、水质、废弃物、噪声等污染防治方案的选优和水库、大坝、河流、农场等生态环境影响的评价,均属于微观问题;而城市环境生态质量评价、区域环境生态系统规划、环境生态系统的经济社会分析,以及环境生态系统的预测、规划和决策等全局性和战略性的问题,则是宏观问题。环境生态系统工程的理论和方法大多是应用于宏观方面,用以解决环境保护的评价、预测、规划和决策问题。
      发展概况  环境生态系统工程美国、荷兰、日本等国是应用环境生态系统工程理论和方法解决实际环境问题比较早的国家。1973年,美国L.G.列奇发表《环境系统工程》专著,书中着重分析了环境系统各组成部分之间的相互关系,大量应用数学分析方法和计算机算法对环境工程系统进行最优设计,并重点介绍了水、气等环境系统的污染及其控制问题。70年代以来,美国夏威夷东西方研究中心环境政策研究室对环境经济的成本效益分析作了深入研究。1977年日本为环境保护长远规划编制了计量环境综合模型(图1),预测了环境污染物的发生量、排放量、去除量和防止公害的投资额,并进行了各种政策模拟,为长远规划的编制和决策提供了科学依据。70年代以来,投入产出法逐步扩展到与经济活动密切相关的环境领域中。列昂捷夫和福特利用投入产出模型对美国控制空气污染进行了预测。加拿大、日本、荷兰和澳大利亚等国也先后建立了全国性和地区性的环境经济投入产出模型。在模型中除了常规分类部门外,还引入了污染和治理部门,把资源(包括能源)和向环境排放的污染物作为经济活动的投入和产出,引入投入产出表。表的主栏中增加的污染部门是与宾栏中增加的消除污染部门相对应的。根据经济活动与污染之间的内在联系,通过产出分析确定不同时期的污物排放量,可以简单地把经济活动和污物负荷联系起来,有利于国民经济计划的平衡和协调经济发展与环境保护之间的关系。1970年在罗马俱乐部召开的一次会议上,美国J.W.福雷斯特教授介绍了系统动力学(SD)方法,并建立了一个综合解决人口、资源、环境和经济问题模型,即世界模型Ⅰ。后来经过修改,成为世界模型Ⅱ。后又由福雷斯特的学生D.梅多斯领导一个由各国科学家组成的专家小组,将世界模型Ⅱ发展成为世界模型Ⅲ,并于1972年出版了《增长的极限》一书。世界模型Ⅱ、Ⅲ将人口、资源、环境和经济看成是有相互作用的因素,并共同影响世界未来。这种观点和做法富有启发性。因此世界模型Ⅱ、Ⅲ也称为世界生态模型。后来,梅萨罗维茨和佩斯特又在它的基础上进行了改进,建立了一个世界综合模型。其特点是把世界分成10多个区域并用贸易矩阵相连接,模型以SD方法为中心,结合采用计量经济学和投入产出法。1977年美国开始进行题为“公元2000年的地球”的研究。这项工作利用了政府的各种数据和已有的预测成果,并在世界模型Ⅱ、Ⅲ及其他环境经济模型的基础上,于1980年完成。其特点是在预测中考虑了技术进步的因素,大量采用数理统计方法,并应用专家咨询法对某些特殊情况进行了修正。
      环境生态系统的特点  环境生态系统是人类赖以生存、活动、繁衍和发展的场所和物质条件。它是指以人类为中心的、充满各种有生命和无生命物质的空间,既包括无机界的各种物质,也包括有机界的各种物质。环境生态系统由物理系统、生物系统和社会经济系统构成,它们相互间存在着物质、能量和信息的交换。地球表层接受天上来的太阳辐射、宇宙线、电磁波并向宇宙散发红外辐射、轻质气体粒子,而地球表层的底部与地壳深处又有能量和物质的交换。从这些方面来看,环境生态系统是一个开放系统。但是,从地球表层内部来说,在所讨论的问题可以忽略这些物质和能量的交换时,它又是一个封闭系统。这个庞大而复杂的系统的主要特点是具有维持自身相对稳定的负反馈自我调节机能和满足人类合理利用的能力,即所谓承载力。但这种机能和能力有一定的限度;超过了限度,系统就要失去平衡,甚至可能崩溃。人类历史上,不合理开发利用自然资源、破坏生态平衡而导致自然界惩罚的事例不胜枚举。例如,恩格斯曾指出,美索不达米亚、希腊、小亚细亚以及其他许多地方的居民,为得到耕地,把大片森林砍光,使之变成不毛之地。又如,居住在阿尔卑斯山的意大利人砍光了山坡上的松林,导致山洪暴发。苏联为了开垦荒地,而引起“黑风暴”。中国过去很长一个时期片面执行“以粮为纲”,毁林灭草、开荒种粮、围湖造田等,造成了严重的水土流失、土地沙化和气候变异,生态平衡受到很大的破坏。这都是自然界对人类盲目开发行为的惩罚。50年代初期,英国因煤烟污染导致4天内4000多人死亡的伦敦烟雾事件,美国因汽车排气引起许多居民患眼、鼻、呼吸道疾病的洛杉矶光化学烟雾事件,60年代日本因二氧化硫和金属粉尘污染引起的哮喘病事件,以及因汞污染引起的水俣病事件,因镉污染引起的骨痛病事件,因多氯联苯污染引起的油症事件等,都是人类活动的排泄物超过限度而遭到环境生态系统惩罚的事例。
      环境生态系统工程方法  环境生态系统工程环境生态系统同人口、资源和经济发展有密切关系,它们之间相互制约又相互促进(图2)。在应用系统工程解决环境污染和生态破坏问题时需要从全局出发,立足于宏观角度和长期观点,统一考虑经济效益、资源利用效益、环境生态效益和社会效益,使评价、预测、规划和政策分析等步骤一体化,所作的决策应具有综合性。环境生态系统工程需要运用自然科学、社会科学和工程技术中的有关理论和方法,涉及国民经济理论、环境经济理论、生态经济理论以及环境保护和生态平衡两方面的工程技术和政策法律知识,还要应用计算机技术、建模方法、计算机仿真以及优化和预测等技术。因此环境生态系统工程具有多学科、跨学科和边缘学科的特征。
      环境生态系统工程的工作步骤一般包括:系统地提出问题,明确其目标和范围;选择评价系统功能的指标或目标函数;明确系统的组成因素或提出各种可供选用的方案;建立数学模型,进行系统仿真;分析模型的特点,确定选优的方法,以便使系统最优;按选定的最优方案,建立环境污染和生态破坏控制系统。为了求得最优控制系统方案,上述步骤往往需要反复进行多次。这种分析方法的核心内容是环境生态系统的建模和最优化。后者就是利用数学模型进行最优化分析。系统最优化分析的数学表述就是在一定的约束条件下,使评价函数(或目标函数)达到极值时,求解可调变量。如此求得的可调变量称为最优解。或者通过明确环境生态系统各种因素与目标之间的关系,提供尽可能完整的资料,分析对比各种可行方案,以便选择最经济、最有效的环境生态系统控制方案。
      数学模型是环境生态系统工程的重要工具。在现状调研、预测和规划等阶段中需要应用各种各样的数学模型。它们既有独立的功能,又相互关联,构成一个完整的模型体系。因此,建模时需要有总体设计,确定目的和达到此目的各个步聚,划分子模型,确定子模型的功能和工作内容,以及各子模型之间的关系,而且在运用过程中还要不断协调这些关系。环境模型还应与经济模型协调,使环境模型成为总体系统模型的一个有机组成部分。环境生态系统模型包括研究描述环境生态系统主要功能的定性的逻辑模型和定量的数学模型。通过对实际资料统计分析所建立的数学模型称为经验模型;通过理论分析和参数实验建立的数学模型称为理论模型。鉴于环境生态系统的复杂性,往往需要根据实际情况对理论模型进行简化,并导入经验公式或补充和完善数据。环境生态系统的主要性质和参数,可以通过实验模型或计算机仿真来确定。环境生态系统建模有两项基础工作:一是收集大量可靠的有用的调研和监测数据;二是获取区域的污染物迁移转化规律和有关条件的基础性资料。在达到规划目标的前提下,模型应力求简单,尽量与数据状况相适应。
      中国环境生态系统工程  80年代以来,环境生态系统工程在中国也获得了广泛的应用。如用于污染物处理装置系统的最优设计和最优控制;大气或河流等水域污染的区域防治规划最优方案的选择;环保项目的技术经济评价和对策分析;环境影响评价报告书的编制;环境保护的预测、长远规划、政策分析;以及为环境管理、环境决策提供科学依据等。如在漓江、松花江、图们江的区域综合防治规划中,应用系统工程方法制订了河道水质标准、污染源排放标准,提出了区域综合治理最小投资额,为区域环境管理政策提供了科学依据。为山西能源重化工基地的环境规划建立的各种模型,包括两个方面:①环境污染综合防治规划模型;②环境预测和规划模型,包括评价、预测和规划三个子模型。其中规划模型(图3)要解决的问题是提出满足环境生态要求的综合防治技术方案、投资方案和有关政策性意见。1983年中国开始进行2000年中国环境的概略预测。预测模型是以SD方法为主,以数理统计、回归分析、技术经济分析和最优化技术等方法为辅建立的。总体模型包括400个方程,300个变量,由国民经济子模块、环境经济子模块(图4)、固体废物子模块、大气子模块、水资源子模块等组成。在环境经济子模块中,又分解成517个子模型。所以整个模型包括约3000个方程和2000个变量,从各个侧面描述了中国实际的环境经济系统。在环境经济子模块中,水、气、渣、国土资源、能源等各有一个子模型,各子模型的计算结果都与经济方面有双向因果关系。每个子模型都研究了资源开发利用可能造成的环境污染、生态破坏及其治理投资和效益等问题。最终为确定环境保护投资占国民收入的合理比例提供了科学依据。

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      参考书目
     L.G.列奇著,《环境系统工程》翻译组译:《环境系统工程》,水利出版社,北京,1981。(L.G.R ich, Environmental Systems Engineering, McGraw-Hill,1973.)

     

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