الهندسة البيئية

📅 آخر تحديث: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٨ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
يُعد ترميم الأنهار لاستعادة خدمات النظام البيئي أحد التطبيقات الشائعة للهندسة البيئية

تستخدم الهندسة البيئية علم البيئة والهندسة للتنبؤ بالنظم البيئية وتصميمها وبنائها أو ترميمها وإدارتها، بحيث تدمج " المجتمع البشري مع بيئته الطبيعية لصالح كليهما". [ 1 ]

الأصول والمفاهيم الأساسية والتعريفات والتطبيقات

ظهرت الهندسة البيئية كفكرة جديدة في أوائل الستينيات، لكن تعريفها استغرق عقودًا عديدة ليُصقل. ولا يزال تطبيقها قيد التطوير، كما أن الاعتراف بها على نطاق أوسع كنموذج جديد حديث نسبيًا. وقد قدّم هوارد أودوم وآخرون [ 2 ] الهندسة البيئية باعتبارها استخدامًا لمصادر الطاقة الطبيعية كمدخل رئيسي للتحكم في النظم البيئية. وتعود جذور الهندسة البيئية إلى عمل أودوم في مجال النمذجة البيئية ومحاكاة النظم الإيكولوجية لرصد الأنماط الكلية الشاملة لتدفقات الطاقة والمواد التي تؤثر على الاستخدام الأمثل للموارد.

لخص ميتش ويورجنسن [ 3 ] خمسة مفاهيم أساسية تميز الهندسة البيئية عن غيرها من المناهج لمعالجة المشكلات بما يعود بالنفع على المجتمع والطبيعة: 1) تعتمد على قدرة النظم البيئية على التصميم الذاتي ؛ 2) يمكن أن تكون بمثابة اختبار ميداني (أو اختبار حاسم) للنظريات البيئية؛ 3) تعتمد على مناهج النظم؛ 4) تحافظ على مصادر الطاقة غير المتجددة ؛ و5) تدعم الحفاظ على النظم البيئية والبيولوجية .

كان ميتش وجورجنسن [ 4 ] أول من عرّف الهندسة البيئية بأنها تصميم الخدمات المجتمعية بحيث تفيد المجتمع والطبيعة، وأشارا لاحقًا [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 3 ] إلى أن التصميم يجب أن يكون قائمًا على الأنظمة، ومستدامًا، وأن يدمج المجتمع مع بيئته الطبيعية.

عرّف بيرغن وآخرون [ 8 ] الهندسة البيئية على النحو التالي: 1) استخدام العلوم والنظريات البيئية؛ 2) تطبيقها على جميع أنواع النظم البيئية؛ 3) تكييف أساليب التصميم الهندسي؛ و4) الاعتراف بنظام قيم توجيهي.

يقدم باريت (1999) [ 9 ] تعريفًا أكثر دقة للمصطلح: "تصميم وبناء وتشغيل وإدارة (أي هندسة) المنشآت الطبيعية/المائية وما يرتبط بها من مجتمعات نباتية وحيوانية (أي النظم البيئية) بما يعود بالنفع على البشرية، وفي كثير من الأحيان على الطبيعة أيضًا". ويضيف باريت: "تشمل المصطلحات الأخرى ذات المعاني المكافئة أو المشابهة التكنولوجيا البيئية ، ومصطلحين يُستخدمان بكثرة في مجال مكافحة التعرية : الهندسة الحيوية للتربة والهندسة البيوتقنية. مع ذلك، لا ينبغي الخلط بين الهندسة البيئية و" التكنولوجيا الحيوية " عند وصف الهندسة الوراثية على المستوى الخلوي، أو " الهندسة الحيوية " بمعنى بناء أجزاء اصطناعية للجسم".

يمكن تصنيف تطبيقات الهندسة البيئية إلى ثلاثة نطاقات مكانية: 1) النظم البيئية المصغرة (من 0.1 متر إلى مئات الأمتار)؛ 2) النظم البيئية (من كيلومتر واحد إلى عشرات الكيلومترات)؛ 3) النظم الإقليمية (أكثر من عشرات الكيلومترات). من المرجح أن يزداد تعقيد التصميم مع ازدياد النطاق المكاني. تتسع نطاقات التطبيقات وتتعمق، ومن المحتمل أن تؤثر على تعريف هذا المجال، مع استكشاف المزيد من الفرص لتصميم النظم البيئية واستخدامها كحلقة وصل بين المجتمع والطبيعة. [ 10 ] وقد ركز تطبيق الهندسة البيئية على إنشاء النظم البيئية أو استعادتها، بدءًا من الأراضي الرطبة المتدهورة وصولًا إلى الأحواض متعددة الخلايا والبيوت الزجاجية التي تدمج الخدمات الميكروبية والسمكية والنباتية لمعالجة مياه الصرف الصحي وتحويلها إلى منتجات مثل الأسمدة والزهور ومياه الشرب . [ 11 ] انبثقت تطبيقات الهندسة البيئية في المدن من التعاون مع مجالات أخرى كالهندسة المعمارية للمناظر الطبيعية ، والتخطيط الحضري ، والبستنة الحضرية ، [ 8 ] وذلك لمعالجة قضايا صحة الإنسان والتنوع البيولوجي، كما هو مُستهدف في أهداف الأمم المتحدة للتنمية المستدامة ، من خلال مشاريع شاملة كإدارة مياه الأمطار . وشملت تطبيقات الهندسة البيئية في المناطق الريفية معالجة الأراضي الرطبة [ 12 ] وإعادة تشجير المجتمعات المحلية باستخدام المعارف البيئية التقليدية . [ 13 ] وتُعد الزراعة المستدامة مثالاً على تطبيقات أوسع نطاقاً ظهرت كتخصصات مستقلة عن الهندسة البيئية، حيث يُشير ديفيد هولمغرين إلى تأثير هوارد أودوم في تطوير الزراعة المستدامة.

إرشادات التصميم، والفئات الوظيفية، ومبادئ التصميم

يجمع التصميم الهندسي البيئي بين علم بيئة النظم وعملية التصميم الهندسي . يتضمن التصميم الهندسي عادةً صياغة المشكلة (الهدف)، وتحليلها (القيود)، والبحث عن حلول بديلة، واتخاذ القرار بين هذه البدائل، وتحديد الحل الأمثل. [ 14 ] وقدّم ماتلوك وآخرون [ 15 ] إطارًا زمنيًا للتصميم ، ينص على أن حلول التصميم تُدرس في سياق زمني بيئي. عند اختيار البدائل، ينبغي أن يدمج التصميم الجوانب الاقتصادية البيئية في تقييمه [ 15 ] ، وأن يتبنى نظام قيم توجيهي يُعزز الحفاظ على التنوع البيولوجي، بما يعود بالنفع على المجتمع والطبيعة. [ 7 ] [ 8 ]

تستفيد الهندسة البيئية من علم بيئة النظم في التصميم الهندسي للحصول على رؤية شاملة للتفاعلات داخل المجتمع وبينه وبين الطبيعة. وتُعدّ محاكاة النظام البيئي باستخدام لغة أنظمة الطاقة (المعروفة أيضًا بلغة دوائر الطاقة أو لغة الطاقة) لهوارد أودوم مثالًا على هذا النهج البيئي. [ 16 ] يُحدد هذا النموذج الشامل، الذي يُطوّر ويُحاكي، النظام محل الاهتمام، ويُحدد حدوده، ويُرسم كيفية انتقال الطاقة والمواد داخله وخارجه، وذلك لتحديد كيفية استخدام الموارد المتجددة من خلال عمليات النظام البيئي وتعزيز الاستدامة. النظام الذي يصفه هو مجموعة من المكونات (أي الأجزاء)، المرتبطة بنوع من التفاعل أو الترابط، والتي تستجيب مجتمعةً لمحفز أو طلب ما، وتُحقق غرضًا أو وظيفةً محددة. من خلال فهم علم بيئة النظم، يستطيع المهندس البيئي تصميمًا أكثر كفاءةً مع دمج مكونات النظام البيئي وعملياته في التصميم، واستخدام الطاقة والموارد المتجددة، وتعزيز الاستدامة.

حدد ميتش وجورجنسن [ 3 ] خمس فئات وظيفية لتصميمات الهندسة البيئية:

  1. نظام بيئي يُستخدم للحد من مشكلة التلوث أو حلها. مثال: المعالجة النباتية، والأراضي الرطبة لمعالجة مياه الصرف الصحي، والاحتجاز الحيوي لمياه الأمطار لتصفية المغذيات الزائدة وتلوث المعادن.
  2. محاكاة أو نسخ النظم البيئية لمعالجة مشاكل الموارد. مثال: استعادة الغابات ، واستبدال الأراضي الرطبة، وإنشاء حدائق مطرية على جوانب الشوارع لتوسيع الغطاء النباتي بهدف تحسين تبريد المناطق السكنية والحضرية.
  3. استعاد النظام البيئي عافيته بعد الاضطراب. مثال: استصلاح الأراضي المنجمية، واستصلاح البحيرات، واستصلاح القنوات المائية ذات الممرات النهرية الناضجة.
  4. تعديل النظام البيئي بطريقة سليمة بيئياً. مثال: الحصاد الانتقائي للأخشاب، والمعالجة البيولوجية، وإدخال الأسماك المفترسة لتقليل الأسماك التي تتغذى على العوالق، وزيادة العوالق الحيوانية، واستهلاك الطحالب أو العوالق النباتية، وتنقية المياه.
  5. استخدام النظم البيئية لتحقيق المنفعة دون الإخلال بالتوازن البيئي. مثال: النظم الزراعية المستدامة، وتربية الأحياء المائية متعددة الأنواع، وإدخال قطع الأراضي الزراعية الحرجية في الأراضي السكنية لتوليد الإنتاج الأولي على مستويات رأسية متعددة.

حدد ميتش وجورجنسن [ 3 ] 19 مبدأ تصميم للهندسة البيئية، ومع ذلك ليس من المتوقع أن تساهم جميعها في أي تصميم واحد:

  1. يتم تحديد بنية ووظيفة النظام البيئي من خلال وظائف الإجبار للنظام؛
  2. إن مدخلات الطاقة إلى النظم البيئية ومخزون الطاقة المتاح في النظام البيئي محدودان؛
  3. النظم البيئية هي أنظمة مفتوحة ومبددة للطاقة (ليست توازنًا ديناميكيًا حراريًا للطاقة والمادة والإنتروبيا، ولكن ظهورًا تلقائيًا لبنية معقدة وفوضوية)؛
  4. إن الاهتمام بعدد محدود من العوامل الحاكمة/الضابطة هو الأكثر استراتيجية في منع التلوث أو استعادة النظم البيئية؛
  5. تتمتع النظم البيئية بقدرة على الحفاظ على التوازن الداخلي، مما يؤدي إلى تخفيف آثار المدخلات المتغيرة بشدة وتقليلها؛
  6. قم بمطابقة مسارات إعادة التدوير مع معدلات النظم البيئية وقلل من آثار التلوث؛
  7. صمم لأنظمة النبض كلما أمكن ذلك؛
  8. النظم البيئية هي أنظمة ذاتية التصميم؛
  9. تتميز عمليات النظم البيئية بنطاقات زمنية ومكانية مميزة يجب مراعاتها في الإدارة البيئية؛
  10. ينبغي دعم التنوع البيولوجي للحفاظ على قدرة النظام البيئي على التصميم الذاتي؛
  11. تعتبر المناطق الانتقالية، أو المناطق الانتقالية، مهمة للنظم البيئية مثل الأغشية بالنسبة للخلايا؛
  12. ينبغي الاستفادة من الترابط بين النظم البيئية كلما أمكن ذلك؛
  13. مكونات النظام البيئي مترابطة ومتشابكة وتشكل شبكة؛ ضع في اعتبارك الجهود المباشرة وغير المباشرة لتطوير النظام البيئي؛
  14. للنظام البيئي تاريخ من التطور؛
  15. تكون النظم البيئية والأنواع أكثر عرضة للخطر عند حوافها الجغرافية؛
  16. النظم البيئية هي أنظمة هرمية وأجزاء من مشهد طبيعي أكبر؛
  17. تتفاعل العمليات الفيزيائية والبيولوجية، ومن المهم معرفة كل من التفاعلات الفيزيائية والبيولوجية وتفسيرها بشكل صحيح؛
  18. تتطلب التكنولوجيا البيئية نهجاً شاملاً يدمج جميع الأجزاء والعمليات المتفاعلة قدر الإمكان؛
  19. تُخزن المعلومات في النظم البيئية في هياكل.

حدد ميتش ويورجنسن [ 3 ] الاعتبارات التالية قبل تنفيذ تصميم هندسي بيئي:

  • إنشاء نموذج مفاهيمي لتحديد أجزاء الطبيعة المرتبطة بالمشروع؛
  • قم بتطبيق نموذج حاسوبي لمحاكاة تأثيرات المشروع وعدم اليقين فيه؛
  • قم بتحسين المشروع لتقليل عدم اليقين وزيادة الآثار المفيدة.

العلاقة مع التخصصات الهندسية الأخرى

يرتبط مجال الهندسة البيئية ارتباطًا وثيقًا بمجالي الهندسة البيئية والهندسة المدنية . وتتداخل هذه المجالات الثلاثة بشكل كبير في مجال هندسة موارد المياه، لا سيما معالجة وإدارة مياه الأمطار ومياه الصرف الصحي . ورغم ترابط هذه التخصصات الهندسية الثلاثة، إلا أن لكل منها مجالات خبرة متميزة.

يركز الهندسة البيئية بشكل أساسي على البيئة الطبيعية والبنية التحتية الطبيعية، مع التركيز على تنظيم العلاقة بين الإنسان وكوكب الأرض. وفي تخصصات مكملة، يركز الهندسة المدنية بشكل أساسي على البنية التحتية المبنية والأشغال العامة، بينما يركز الهندسة البيئية على حماية الصحة العامة والبيئية من خلال معالجة وإدارة النفايات.

العلاقة بين الهندسة البيئية والإيكولوجية والمدنية.

المناهج الدراسية (الكليات)

تم اقتراح منهج أكاديمي للهندسة البيئية عام ٢٠٠١. [ ١٥ ] تشمل العناصر الرئيسية للمنهج المقترح: الهندسة البيئية ، وعلم بيئة النظم ، وعلم بيئة الترميم ، والنمذجة البيئية ، وعلم البيئة الكمي، واقتصاديات الهندسة البيئية، بالإضافة إلى مقررات اختيارية تقنية . [ ١٧ ] وقد استُكملت هذه المقررات بمقررات تمهيدية في المجالات الفيزيائية والبيولوجية والكيميائية، وخبرات تصميم متكاملة. ووفقًا لماتلوك وآخرون، [ ١٥ ] ينبغي أن يُحدد التصميم القيود، ويُحدد خصائص الحلول في الزمن البيئي، ويُدمج اقتصاديات الهندسة البيئية في تقييم التصميم. وقد تم توضيح اقتصاديات الهندسة البيئية باستخدام مبادئ الطاقة للأراضي الرطبة، [ ١٨ ] وباستخدام تقييم المغذيات لمزرعة ألبان. [ ١٩ ] وانطلاقًا من هذه المبادئ، تم إضفاء الطابع الرسمي على أول برنامج بكالوريوس في الهندسة البيئية في العالم عام ٢٠٠٩ في جامعة ولاية أوريغون . [ ٢٠ ]

في عام 2024، نشر مجلس الاعتماد الأمريكي للهندسة والتكنولوجيا (ABET) معايير اعتماد برامج الهندسة البيئية لأول مرة. [ 21 ] وللحصول على الاعتماد، يجب أن تتضمن برامج بكالوريوس الهندسة البيئية ما يلي:

  • الرياضيات من خلال المعادلات التفاضلية، والاحتمالات والإحصاء، والفيزياء القائمة على حساب التفاضل والتكامل، والكيمياء على مستوى الكلية؛
  • علوم الأرض، وميكانيكا الموائع، والهيدروليكا، والهيدرولوجيا.
  • العلوم البيولوجية والبيئية المتقدمة التي تركز على الأنظمة متعددة الكائنات الحية ذاتية الاستدامة على نطاق واسع، وعلم بيئة النظم، وخدمات النظام البيئي، والنمذجة البيئية؛
  • توازنات المادة والطاقة؛ مصير وانتقال المواد في الهواء والماء والتربة وبينها؛ الديناميكا الحرارية للأنظمة الحية؛ و
  • تطبيقات المبادئ البيئية في التصميم الهندسي والتي تشمل اعتبارات المناخ، وتنوع الأنواع، والتنظيم الذاتي، وعدم اليقين، والاستدامة، والمرونة، والتفاعلات بين النظم البيئية والاجتماعية، والتأثيرات والفوائد على مستوى النظام.

انظر أيضاً

الأدب

  • هوارد تي. أودوم (1963)، "الإنسان والنظام البيئي" وقائع مؤتمر لوكوود حول الغابات الضواحي وعلم البيئة، في: نشرة محطة كونيتيكت الزراعية .
  • دبليو جيه ميتش وإس إي يورغنسن (1989). الهندسة البيئية: مقدمة في التكنولوجيا البيئية . نيويورك: جون وايلي وأولاده .
  • WJ Mitsch (1993)، الهندسة البيئية - "دور تعاوني مع أنظمة دعم الحياة الكوكبية ". العلوم والتكنولوجيا البيئية 27: 438-445.
  • كيه آر باريت (1999). "الهندسة البيئية في موارد المياه: فوائد التعاون مع الطبيعة". مجلة المياه الدولية . 24 : 182-188 . doi : 10.1080/02508069908692160 .
  • كانجاس، بي سي (2004). الهندسة البيئية: المبادئ والتطبيق . بوكا راتون، فلوريدا: دار لويس للنشر، مطبعة سي آر سي . رقم ISBN 978-1566705998.
  • دبليو جيه ميتش وإس إي يورغنسن (2004). الهندسة البيئية واستعادة النظم البيئية . نيويورك: جون وايلي وأولاده. ISBN 978-0471332640.
  • HD van Bohemen (2004)، أعمال الهندسة البيئية والهندسة المدنية ، أطروحة دكتوراه، جامعة دلفت للتكنولوجيا، هولندا.
  • د. ماس؛ ج. ل. شوت؛ إ. سكوبيل (2015). "الهندسة البيئية للزراعة المستدامة في المناطق القاحلة وشبه القاحلة في غرب أفريقيا" . ورقة بحثية موضوعية من مركز دراسات التنمية المستدامة (11): 2. مؤرشفة من الأصل بتاريخ 23 أبريل 2016. تم الاطلاع عليها بتاريخ 23 مارس 2019 .

مراجع

  1. ↑ دبليو جيه ميتش وإس إي يورجنسن (1989)، "مقدمة في الهندسة البيئية"، في: دبليو جيه ميتش وإس إي يورجنسن (محرران)، الهندسة البيئية: مقدمة في التكنولوجيا البيئية . جون وايلي وأولاده، نيويورك، ص 3-12.
  2. ↑ HT Odum et al. (1963), Experiments with Engineering of Marine Ecosystems , in: Publication of the Institute of Marine Science of the University of Texas , 9: 374-403.
  3. 1 2 3 4 5 دبليو. جيه. ميتش وإس إي يورجنسن (2004)، "الهندسة البيئية واستعادة النظم البيئية". جون وايلي وأولاده، نيويورك
  4. ↑ دبليو جيه ميتش وإس إي يورجنسن (1989)، "مقدمة في الهندسة البيئية" في: دبليو جيه ميتش وإس إي يورجنسن (محرران)، الهندسة البيئية: مقدمة في التكنولوجيا البيئية . جون وايلي وأولاده، نيويورك، ص 3-12.
  5. ↑ WJ Mitsch (1993), "الهندسة البيئية - دور تعاوني مع أنظمة دعم الحياة الكوكبية" في: العلوم والتكنولوجيا البيئية ، 27: 438-45.
  6. ↑ دبليو جيه ميتش (1996)، "الهندسة البيئية: نموذج جديد للمهندسين وعلماء البيئة"، في: بي سي شولز (محرر)، الهندسة في ظل القيود البيئية . مطبعة الأكاديمية الوطنية، واشنطن العاصمة، ص 114-132.
  7. 1 2 W.J. Mitsch & SE Jørgensen (2003), "الهندسة البيئية: مجال حان وقته"، في: الهندسة البيئية ، 20(5): 363-377.
  8. 1 2 3 S.D. Bergen et al. (2001), "مبادئ التصميم للهندسة البيئية"، في: الهندسة البيئية ، 18: 201-210.
  9. ↑ كيه آر باريت (1999). "الهندسة البيئية في موارد المياه: فوائد التعاون مع الطبيعة". مجلة المياه الدولية . 24 : 182-188 . doi : 10.1080/02508069908692160 .
  10. ↑ مركز الأراضي الرطبة، الهندسة البيئية ، نص إلكتروني 2007.
  11. ↑ إن جيه تود وجيه تود (1994). من المدن البيئية إلى الآلات الحية: مبادئ التصميم البيئي . بيركلي: كتب شمال الأطلسي. ISBN 978-1556431500.
  12. ↑ ناهليك، أ.م.؛ ميتش، و.ج. (2006). "الأراضي الرطبة الاستوائية المعالجة التي تهيمن عليها النباتات المائية الطافية لتحسين جودة المياه في كوستاريكا". الهندسة البيئية . 28 : 246-257 .
  13. ↑ SAW Diemont وآخرون (2006)، "إدارة غابات لانكاندون مايا: استعادة خصوبة التربة باستخدام أنواع الأشجار المحلية"، في: الهندسة البيئية ، 28: 205-212.
  14. ↑ إي في كريك
  15. 1 2 3 4 م.د. ماتلوك وآخرون (2001)، "الهندسة البيئية: أساس منطقي للمناهج الموحدة والشهادات المهنية في الولايات المتحدة"، في: الهندسة البيئية ، 17: 403-409.
  16. ↑ براون، إم تي (2004). "صورة تساوي ألف كلمة: لغة أنظمة الطاقة والمحاكاة". النمذجة البيئية . 178 ( 1-2 ): 83-100 .
  17. ↑ ديمونت، ستيوارت أ.و.؛ لورانس، تيموثي ج.؛ إندريني، ثيودور أ. (أبريل 2010). "تصور تعليم الهندسة البيئية: دراسة استقصائية دولية للمجتمع التعليمي والمهني" . الهندسة البيئية . 36 (4): 570-578 . doi : 10.1016/j.ecoleng.2009.12.004 .
  18. ↑ S. Ton, HT Odum & JJ Delfino (1998), "التقييم الاقتصادي البيئي لبدائل إدارة الأراضي الرطبة"، في: الهندسة البيئية ، 11: 291-302.
  19. ↑ بيزارو، سي.؛ مولبري، دبليو.؛ بليرش، دي.؛ كانغاس، بي. (2006). "تقييم اقتصادي لتقنية تنظيف الطحالب لمعالجة مخلفات روث الألبان" (ملف PDF) . الهندسة البيئية . 26 (12): 321-327 . doi : 10.1016/j.ecoleng.2005.12.009 .
  20. ↑ "جامعة ولاية أوهايو تطلق أول برنامج بكالوريوس في الهندسة البيئية في الولايات المتحدة" الحياة في جامعة ولاية أوهايو . 6 يوليو 2009. تم الاطلاع عليه بتاريخ 27 أبريل 2023 .
  21. ↑ "معايير اعتماد برامج الهندسة، 2025-2026" . www.abet.org .
  • ما هي "الهندسة البيئية"؟ نص إلكتروني، مجموعة الهندسة البيئية، 2007.
  • موقع جمعية طلاب الهندسة البيئية ، EESS، جامعة ولاية أوريغون، 2011.
  • نص إلكتروني في الهندسة البيئية من إعداد مركز هوارد تي أودوم للأراضي الرطبة بجامعة فلوريدا، 2007.

المنظمات

المجلات العلمية

  • الهندسة البيئية منذ عام 1992، مع وصف عام للمجال.
  • الهندسة البيئية وهندسة المناظر الطبيعية منذ عام 2005.
  • مجلة تصميم الهندسة البيئية، التي انطلقت رسميًا عام ٢٠٢١، تُقدّم هذه المجلة بنظام الوصول المفتوح الماسي (مجانًا للقارئ والمؤلف). وهي المجلة الرسمية للجمعية الأمريكية للهندسة البيئية، بدعم إنتاجي من مكتبات جامعة فيرمونت.