生態(tài)工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)

1、生生 態(tài)態(tài) 工工 程程Ecological engineering生態(tài)工程規(guī)劃與設(shè)生態(tài)工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)計(jì)第一節(jié)第一節(jié) 生態(tài)工程規(guī)劃生態(tài)工程規(guī)劃1 1 生態(tài)工程規(guī)劃概述生態(tài)工程規(guī)劃概述1.1 1.1 生態(tài)工程規(guī)劃的概念生態(tài)工程規(guī)劃的概念 工程目標(biāo) 生態(tài)工程規(guī)劃 采取的方法 生態(tài)工程規(guī)劃產(chǎn)生于19世紀(jì)下半葉 以社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)為規(guī)劃對(duì)象，應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理、方法和系統(tǒng)科學(xué)的手段，去辨識(shí)、設(shè)計(jì)和模擬人工生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的各種生態(tài)關(guān)系，確定最佳生態(tài)位，并突出人與環(huán)境協(xié)調(diào)的優(yōu)化方案的規(guī)劃。 生態(tài)規(guī)劃內(nèi)涵： 以人為本，追求人與自然的和諧 以資源環(huán)境承載力為前提 規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)從量到序 規(guī)劃目標(biāo)從優(yōu)到適1.2 1

2、.2 生態(tài)工程規(guī)劃的基本特征生態(tài)工程規(guī)劃的基本特征 綜合性：生態(tài)環(huán)境要素、社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素、技術(shù)要素 協(xié)調(diào)性：經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)利益相協(xié)調(diào) 戰(zhàn)略性：高度 區(qū)域性：不同地區(qū)建設(shè)方向、規(guī)劃重點(diǎn)、建設(shè)步驟差異 實(shí)用性：可操作性1.3 1.3 生態(tài)工程規(guī)劃原則生態(tài)工程規(guī)劃原則 經(jīng)濟(jì)建設(shè)、城鄉(xiāng)建設(shè)和生態(tài)工程同步原則 系統(tǒng)原則 可持續(xù)發(fā)展原則 因地制宜、因害設(shè)防、分類指導(dǎo)、分區(qū)突破原則 統(tǒng)籌兼顧、分步實(shí)施、先易后難、先急后緩原則1.3 1.3 生態(tài)工程規(guī)劃的類型生態(tài)工程規(guī)劃的類型 按規(guī)劃期劃分 按規(guī)劃期可分為長(zhǎng)期生態(tài)工程規(guī)劃、中期生態(tài)工程規(guī)劃以及年度生態(tài)工程建設(shè)規(guī)劃。 按性質(zhì)劃分 生態(tài)工程規(guī)劃從性質(zhì)上分，有土地

3、利用規(guī)劃、水資源利用規(guī)劃、水土保持工程規(guī)劃、林業(yè)生態(tài)工程規(guī)劃、防沙治沙規(guī)劃、生態(tài)農(nóng)業(yè)工程規(guī)劃、草地保護(hù)與建設(shè)規(guī)劃、自然保護(hù)區(qū)規(guī)劃及土地整理與復(fù)墾規(guī)劃。 按人工化程度劃分 按照人工化的程度可將生態(tài)工程規(guī)劃分為自然保護(hù)和生態(tài)建設(shè)兩類。 按保護(hù)規(guī)模劃分 大尺度往往是指大流域或跨流域的大區(qū)域性的破壞和保護(hù)，面積在幾百萬(wàn)平方千米。2 2 生態(tài)工程規(guī)劃原理生態(tài)工程規(guī)劃原理 人地關(guān)系協(xié)調(diào)理論 可持續(xù)發(fā)展理論， 生態(tài)系統(tǒng)理論 空間結(jié)構(gòu)理論。第二節(jié)第二節(jié) 生態(tài)工程設(shè)計(jì)生態(tài)工程設(shè)計(jì) 工程的核心是設(shè)計(jì)。 生態(tài)工程的設(shè)計(jì)應(yīng)按照物質(zhì)在自然界遷移、轉(zhuǎn)化、流動(dòng)與循環(huán)的規(guī)律，積極地調(diào)控其食物鏈，同時(shí)根據(jù)生態(tài)工程實(shí)施的當(dāng)?shù)刈匀?/p>

4、條件、社會(huì)條件和經(jīng)濟(jì)條件等，優(yōu)化組合各種技術(shù)，使之相互聯(lián)系成一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)，達(dá)到多層次、多目標(biāo)，分級(jí)利用物質(zhì)，促進(jìn)良性循環(huán)，兼收經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。1 1 設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原則1.1 1.1 因地制宜原則因地制宜原則 緊緊圍繞當(dāng)?shù)氐淖匀?、社?huì)、經(jīng)濟(jì)條件進(jìn)行生態(tài)工程設(shè)計(jì)的基本原則。 一方面受到光、溫、水、土壤等條件制約。 另一方面符合當(dāng)?shù)氐墓芾硭胶蜕鐣?huì)要求。 我國(guó)南方曾利用鳳眼蓮為主的生態(tài)工程處理和利用污水獲得比較好的效益。但不適于北方，以黑麥草等代替。 我國(guó)用鰱魚(yú)、鳙魚(yú)等吃浮游植物的魚(yú)類，控制水體富營(yíng)養(yǎng)化，轉(zhuǎn)化水中的藻類成為食用魚(yú)，到市場(chǎng)銷售，增加水體中營(yíng)養(yǎng)鹽的輸出。但不適于美國(guó)。 我國(guó)濕地中用

5、蘆葦處理污水，再收割用于造紙、編織。在其他國(guó)家一般不用蘆葦造紙，自生自滅。1.2 1.2 生態(tài)學(xué)原則生態(tài)學(xué)原則 西方的生態(tài)工程設(shè)計(jì)主要根據(jù)自我組織理論，以回歸自然為主，人為干預(yù)較少，有系統(tǒng)自身的自我組織、自我調(diào)節(jié)去完成。 我國(guó)的設(shè)計(jì)則根據(jù)生態(tài)工程的整體、協(xié)調(diào)、自生、再生良性循環(huán)及天人合一的傳統(tǒng)生態(tài)觀等原則，多方面干預(yù)。1.2.1 1.2.1 適當(dāng)輸入輔助能的原則適當(dāng)輸入輔助能的原則 主要能源是太陽(yáng)能。 適當(dāng)?shù)妮斎胼o助能，建立輔助能流路線，可以人為改變生態(tài)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加反饋機(jī)會(huì)，提高生態(tài)系統(tǒng)主要能流途徑的效率，獲得多種經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品。 西方已化石燃料、電能為主 中國(guó)主要靠人力投入1.2.2 1.

6、2.2 再生循環(huán)及商品生產(chǎn)原則再生循環(huán)及商品生產(chǎn)原則 西方生態(tài)工程以環(huán)境保護(hù)為主，雖然也應(yīng)用與發(fā)揮再生與循環(huán)的作用，但一般不注重生產(chǎn)商品或可利用的原料。 中國(guó)目標(biāo)是同步取得生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)三方面效益。通過(guò)再生循環(huán)，不僅去除污染，而且要盡量生產(chǎn)商品或可利用的原料，化廢為利，收到經(jīng)濟(jì)效益。生態(tài)工程開(kāi)始時(shí)要求輸出大于輸入，降低過(guò)量積累，協(xié)調(diào)后調(diào)整輸出，保持輸入物質(zhì)和輸出物質(zhì)平衡，收到生態(tài)效益和社會(huì)效益。1.2.3 1.2.3 生物多樣性原則生物多樣性原則 中國(guó)生態(tài)工程中，生物多樣性往往是高的，因?yàn)橐蟪浞掷酶黝惿鷳B(tài)位和多層分級(jí)利用物質(zhì)，就必須保護(hù)與增加生物種類。而在西方，由于目標(biāo)單純，生物多樣

7、性往往較低。1.2.4 1.2.4 環(huán)境時(shí)間節(jié)律與生物機(jī)能節(jié)律原則環(huán)境時(shí)間節(jié)律與生物機(jī)能節(jié)律原則 環(huán)境因子的時(shí)間節(jié)律：年周期、月周期、日周期。 生物的機(jī)能節(jié)律：日周期、月周期、年周期 一片森林中，貓頭鷹夜間捕食晝伏夜出的小動(dòng)物，而鷹白天捕食夜伏晝出的小動(dòng)物，各取所得。 生態(tài)工程種群的選擇與匹配過(guò)程中合理地利用不同生物的機(jī)能節(jié)律，與當(dāng)?shù)丨h(huán)境節(jié)律合理配合，就可以做到環(huán)境資源的合理利用。 雨季造林1.2.5 1.2.5 生物種群選擇原則生物種群選擇原則 根據(jù)生態(tài)工程建設(shè)的主要目的來(lái)選擇 根據(jù)工程所處自然環(huán)境特征來(lái)選擇1.2.6 1.2.6 種群匹配原則種群匹配原則 種群過(guò)分簡(jiǎn)單，是農(nóng)田、人工林等人工

8、生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差的關(guān)鍵原因。 可以根據(jù)生物共生互生、生態(tài)位等原理，選擇匹配次要種群，建造復(fù)合群體，形成互惠共存的群落。1.2.71.2.7人工壓縮演替周期原則人工壓縮演替周期原則 生態(tài)系統(tǒng)形成和演替是一個(gè)很長(zhǎng)的階段。地衣植物階段苔蘚植物階段草本植物階段高草灌木階段陽(yáng)性喬木階段多層次森林群落階段土壤顆粒增加土壤有機(jī)質(zhì)積累土層增加土壤肥力增加陽(yáng)性樹(shù)種侵入陰性樹(shù)種侵入 模擬自然生態(tài)系統(tǒng)形成演替規(guī)律，人工壓縮更替周期。 在生態(tài)環(huán)境比較惡劣，遭受?chē)?yán)重破壞的地區(qū)不能像過(guò)去，一律建造以喬木為主的林分，可以以抗旱灌木、牧草為第一期工程，然后再進(jìn)行第二期生態(tài)恢復(fù)工程。 第一期工程：檸條、胡枝子、沙棘等豆科植物，

9、具有抗風(fēng)沙的作用，又改良了環(huán)境，增加土壤肥力。 第二期工程：引入喬木形成疏林結(jié)構(gòu)，形成喬、灌、草結(jié)合的高效生態(tài)工程。1.2.8 1.2.8 種群置換原則種群置換原則 復(fù)合群體的群落組成是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的種間斗爭(zhēng)逐漸達(dá)到和諧與平衡的。 以豆科作物、豆科牧草或中草藥植物代替地被物，以經(jīng)濟(jì)灌木或小喬木組成下木，以食用菌代替腐生性低等生物，人工控制株行距，減少競(jìng)爭(zhēng)，這樣建成的生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)既具有自然生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性又具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。1.2.9 1.2.9 經(jīng)濟(jì)效益原則經(jīng)濟(jì)效益原則 西方生態(tài)工程的價(jià)值往往是自然環(huán)境保護(hù)和自然景觀的美化，而少或無(wú)市場(chǎng)價(jià)值與直接經(jīng)濟(jì)效益。 中國(guó)生態(tài)工程的價(jià)值是實(shí)利，在凈化與

10、保護(hù)的同時(shí)，往往還要產(chǎn)出商品，有直接的利潤(rùn)和經(jīng)濟(jì)效益。2 2 生態(tài)工程設(shè)計(jì)基本程序和路線生態(tài)工程設(shè)計(jì)基本程序和路線擬定目標(biāo)背景調(diào)查系統(tǒng)分析可行性評(píng)價(jià)社會(huì)目標(biāo)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)生態(tài)目標(biāo)自然資源條件社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件生態(tài)環(huán)境條件基基本本程程序序數(shù)據(jù)處理構(gòu)建數(shù)學(xué)模型技術(shù)路線 建立互利共生網(wǎng)絡(luò) 將平行的原本不相聯(lián)結(jié)的種，食物鏈生態(tài)系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)，形成互利共生網(wǎng)絡(luò)，提高效率，促進(jìn)物質(zhì)的良性循環(huán)。 稻田養(yǎng)魚(yú)（蟹） 延長(zhǎng)食物鏈 例如在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，作物生產(chǎn)量提高100%的話，可供人直接用的產(chǎn)品增加20%，其余的80%未被高效利用。 增加環(huán)節(jié)，變廢為寶，提高物質(zhì)能量利用率。 生產(chǎn)環(huán)、增益環(huán)、減耗環(huán)、復(fù)合環(huán)、加工環(huán) 生產(chǎn)環(huán)：所加

11、入的環(huán)，可使非經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品或廢物(或部分用非經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品與廢物)直接生產(chǎn)出為人利用的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)品。 用玉米芯生產(chǎn)木糖醇或糠醛，殘?jiān)囵B(yǎng)食用菌，培養(yǎng)食用菌后的殘?jiān)倥囵B(yǎng)蚯蚓，蚓糞再作為優(yōu)良有機(jī)肥還田；秸稈作飼料，家畜的糞便生產(chǎn)沼氣，沼渣生產(chǎn)肥料。 A用殘?jiān)鼇?lái)培育食用菌和蛆蛹，實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)的多級(jí)利用 B用玉米的副產(chǎn)品玉米芯生產(chǎn)木糖醇，可提高經(jīng)濟(jì)效益 C用蛆蛹糞便作為有機(jī)肥還田，運(yùn)用了能量循環(huán)再生原理 D在離開(kāi)人的管理?xiàng)l件下，該生態(tài)工程就不能正常運(yùn)轉(zhuǎn) 增益環(huán)：所加之環(huán)，雖不能直接生產(chǎn)出商品，但有利于生態(tài)環(huán)境的改善或間接提高生產(chǎn)環(huán)效益。 鳳眼蓮處理有機(jī)廢水 廢水 養(yǎng)魚(yú) 鳳眼蓮 飼料，節(jié)約商品飼料 減耗環(huán)：在食物鏈中

12、，有的環(huán)節(jié)只能是消耗者或破壞者，稱為“損耗環(huán)”，為抑制“損耗環(huán)” 對(duì)物質(zhì)和能量的過(guò)度消耗，在“損耗環(huán)”上增加一新環(huán)節(jié)，使之抑制和削弱減耗環(huán)的作用。天敵的引入。白菜白菜甲蟲(chóng)三葉草人70%30%20%10%90% 復(fù)合環(huán)：所加之環(huán)，往往起到上述各環(huán)的多種功能。 在一些農(nóng)、林生態(tài)系統(tǒng)中，引入蜜蜂這一環(huán)節(jié)，不僅可將原本分散在各植物中的花粉、花蜜，經(jīng)蜜蜂轉(zhuǎn)化后，生產(chǎn)出蜂蜜、蜂蠟、蜂王漿、蜂膠、花粉等，起到生產(chǎn)環(huán)作用，而且由于蜜蜂傳媒授粉作用，使很多作物增產(chǎn)，如可使棉花的皮棉增產(chǎn)20，油菜稈增產(chǎn)18左右，梨、蘋(píng)果分別增產(chǎn)30-50及20-47，起到增益環(huán)效果。 紅萍稻田 加工環(huán)：加工是物理、化學(xué)過(guò)程，并不

13、是生物學(xué)過(guò)程，不屬于食物鏈網(wǎng)的范疇，但它與系統(tǒng)的輸入與輸出關(guān)系密切，直接決定著不同系統(tǒng)的功能，對(duì)經(jīng)濟(jì)效益，生態(tài)環(huán)境及社會(huì)效益有很大影響。 通過(guò)加工增值，木材 - 家具；玉米 - 淀粉、玉米油。 通過(guò)加工減少對(duì)環(huán)境的影響，農(nóng)產(chǎn)品加工。新型人工濕地生態(tài)工程設(shè)計(jì)新型人工濕地生態(tài)工程設(shè)計(jì) 以山東省南四湖為例以山東省南四湖為例 南水北調(diào)東線工程重點(diǎn)污染源控制點(diǎn)南四湖湖區(qū)污染狀況較為嚴(yán)重，對(duì)南水北調(diào)水質(zhì)安全造成威脅。山東省南四湖是東線治污的重點(diǎn)之一，為此，設(shè)計(jì)符合生態(tài)學(xué)與生態(tài)經(jīng)濟(jì)基本原理的生態(tài)工程，使?jié)竦厣鷳B(tài)系統(tǒng)具有較高的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)綜合效益，對(duì)于保障南水北調(diào)工程實(shí)施的生態(tài)安全具有重要意義。1 1 設(shè)

14、計(jì)工藝設(shè)計(jì)工藝 確定實(shí)驗(yàn)區(qū)為生態(tài)工程建設(shè)的主要區(qū)域，采用濕地三級(jí)處理污水工藝。整個(gè)工藝流程系統(tǒng)采用浮游植物作為污水的初級(jí)處理設(shè)施，污水的二級(jí)處理采用濕地植物蘆葦、菖蒲，在工程尾段采用沉水植物做最后的處理工作。第一級(jí)：浮游植物區(qū) 采用許多池塘均能發(fā)現(xiàn)的浮水植物小葉浮萍。它具有很強(qiáng)的生長(zhǎng)適宜性，而且有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可用于養(yǎng)殖業(yè)。浮水植物對(duì)污水起到粗濾作用。浮水植物的光合作用很強(qiáng)烈，產(chǎn)生大量的氧氣，提高湖水中氧氣的含量，為下一步蘆葦區(qū)的去污凈化作用提供豐富的氧氣。此外，小葉浮萍還有阻滯水中漂浮物，吸附水中懸浮顆粒的作用。第二級(jí)：蘆葦挺水植物區(qū) 蘆葦區(qū)是該系統(tǒng)凈化污水最主要的區(qū)域，系統(tǒng)利用濕地的自凈

15、能力將大部分污染物去除。濕地中主要去污功能表現(xiàn)在：(1)懸浮顆粒的沉降；(2)溶解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，擴(kuò)散并進(jìn)行沉積；(3)有機(jī)物礦質(zhì)化；(4)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被微生物和植物吸收。蘆葦區(qū)的濕地設(shè)計(jì)采用人工濕地和自然濕地相結(jié)合的方針。人工濕地有更強(qiáng)的去污能力，而建造人工濕地需要資金投入。在保證出水水質(zhì)的前提下，將人工濕地與自然濕地有效結(jié)合起來(lái)既充分利用了濕地資源，又節(jié)省了資金。 蘆葦區(qū)剖面采用壟溝結(jié)構(gòu)，壟上種以蘆葦、菖蒲，按照表面流型濕地的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)；壟溝內(nèi)鋪以細(xì)沙和碎石，建成滲透型濕地。意義：意義： 第一，南四湖地處北方，夏秋季節(jié)河水流量變化劇烈，壟溝結(jié)構(gòu)的人工濕地有可觀的蓄水能力，對(duì)削弱洪峰對(duì)生態(tài)保護(hù)區(qū)的危害有

16、重大意義。 第二，壟溝結(jié)構(gòu)有利于增加水流在濕地內(nèi)的滯留時(shí)間，降低水流在濕地內(nèi)的流速，從而達(dá)到沉淀懸浮顆粒、污水中的雜質(zhì)的目的。 第三，滲透型人工濕地主要用來(lái)降低水中的氨氮含量指數(shù)。滲透型濕地為厭氧微生物提供一個(gè)厭氧環(huán)境，硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌利用硝化作用、反硝化作用將N、P轉(zhuǎn)化為銨離子、硝酸根離子、磷酸根離子、以無(wú)機(jī)鹽形式被植物吸收或生成沉淀。壟埂上的表面流型濕地，由于蘆葦根部的吸收和呼吸作用以及微生物的分解作用，水中的大部分有機(jī)質(zhì)被除去，而且硫化物等形成礦物質(zhì)，沉淀于濕地中。 滲透型濕地與表面流型濕地的結(jié)合會(huì)造成水流流動(dòng)減慢，容易變質(zhì)形成死水，而且入湖河流污染物的構(gòu)成并不是恒定的，季節(jié)水量變化

17、較大。如果僅采用一種靜態(tài)設(shè)計(jì)將對(duì)人工濕地處理污水的能力和效率產(chǎn)生不利影響，所以在剖面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)人工濕地的平面結(jié)構(gòu)做出一個(gè)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在河口處建立監(jiān)測(cè)站，根據(jù)入湖水質(zhì)的變化情況對(duì)濕地做出動(dòng)態(tài)調(diào)整。 在原有的壟型結(jié)構(gòu)的表面流型濕地上增開(kāi)一個(gè)小型水閘，長(zhǎng)寬為2m1.5m，各閘口交錯(cuò)排列。并在人工濕地的側(cè)面與自然濕地的交界處增開(kāi)四個(gè)大閘，長(zhǎng)寬4m2m。 平時(shí)水量大小適度，污染物組成較為均勻時(shí)，使水均勻從表面流型濕地和滲透型濕地中流過(guò)，最后注入自然濕地。如果污染物中氨氮含量較高時(shí)，打開(kāi)部分閘門(mén)，使水流能沿最大路徑流經(jīng)滲透型濕地，這是利用滲透型濕地較強(qiáng)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。 夏秋季節(jié)，河流中