Ingénierie écologique

L'ingénierie écologique utilise l'écologie et l'ingénierie pour prédire, concevoir, construire ou restaurer et gérer des écosystèmes qui intègrent « la société humaine à son environnement naturel au bénéfice des deux ».

L'ingénierie écologique est apparue comme une idée nouvelle au début des années 1960, mais sa définition a pris plusieurs décennies à être affinée. Sa mise en œuvre est encore en cours d'ajustement et sa reconnaissance plus large en tant que nouveau paradigme est relativement récente. L'ingénierie écologique a été introduite par Howard Odum et d'autres comme utilisant des sources d'énergie naturelles comme intrant prédominant pour manipuler et contrôler les systèmes environnementaux. Les origines de l'ingénierie écologique se trouvent dans le travail d'Odum sur la modélisation écologique et la simulation des écosystèmes pour capturer des macro-modèles holistiques de flux d'énergie et de matières affectant l'utilisation efficace des ressources.

Mitsch et Jorgensen ont résumé cinq concepts de base qui différencient l'ingénierie écologique des autres approches visant à résoudre les problèmes au profit de la société et de la nature : 1) elle est basée sur la capacité d'auto-conception des écosystèmes ; 2) elle peut être le test sur le terrain (ou test acide) des théories écologiques ; 3) elle s'appuie sur des approches systémiques ; 4) elle préserve les sources d'énergie non renouvelables ; et 5) elle soutient la conservation des écosystèmes et de la biologie .

Mitsch et Jorgensen ont été les premiers à définir l'ingénierie écologique comme la conception de services sociétaux tels qu'ils bénéficient à la société et à la nature, et ont noté plus tard que la conception doit être basée sur les systèmes, durable et intégrer la société à son environnement naturel.

Bergen et al. ont défini l'ingénierie écologique comme : 1) l'utilisation de la science et de la théorie écologiques ; 2) l'application à tous les types d'écosystèmes ; 3) l'adaptation des méthodes de conception technique ; et 4) la reconnaissance d'un système de valeurs directrices.

Barrett (1999) propose une définition plus littérale du terme : « la conception, la construction, l'exploitation et la gestion (c'est-à-dire l'ingénierie) des structures paysagères/aquatiques et des communautés végétales et animales associées (c'est-à-dire les écosystèmes) au profit de l'humanité et, souvent, de la nature. » Barrett poursuit : « d'autres termes ayant des significations équivalentes ou similaires incluent l'écotechnologie et deux termes les plus souvent utilisés dans le domaine du contrôle de l'érosion : la bio-ingénierie des sols et l'ingénierie biotechnique. Cependant, l'ingénierie écologique ne doit pas être confondue avec la « biotechnologie » lorsqu'elle décrit le génie génétique au niveau cellulaire, ou la « bio-ingénierie » signifiant la construction de parties du corps artificiels. »

Français Les applications en ingénierie écologique peuvent être classées en 3 échelles spatiales : 1) mésocosmes (~0,1 à des centaines de mètres) ; 2) écosystèmes (~un à des dizaines de km) ; et 3) systèmes régionaux (>dizaines de km). La complexité de la conception augmente probablement avec l'échelle spatiale. Les applications augmentent en ampleur et en profondeur, et ont probablement un impact sur la définition du domaine, à mesure que de plus en plus d'opportunités de concevoir et d'utiliser les écosystèmes comme interfaces entre la société et la nature sont explorées. La mise en œuvre de l'ingénierie écologique s'est concentrée sur la création ou la restauration d'écosystèmes, des zones humides dégradées aux bacs et serres multicellulaires qui intègrent les services microbiens, piscicoles et végétaux pour transformer les eaux usées humaines en produits tels que les engrais, les fleurs et l'eau potable . Les applications de l'ingénierie écologique dans les villes sont issues de la collaboration avec d'autres domaines tels que l'architecture paysagère , l'urbanisme et l'horticulture urbaine , Objectifs de développement durable des Nations Unies , avec des projets holistiques tels que la gestion des eaux pluviales . Les applications de l'ingénierie écologique dans les paysages ruraux ont inclus le traitement des zones humides et le reboisement communautaire grâce aux connaissances écologiques traditionnelles . La permaculture est un exemple d'applications plus larges qui ont émergé comme des disciplines distinctes de l'ingénierie écologique, où David Holmgren cite l'influence de Howard Odum dans le développement de la permaculture.

La conception technique écologique combinera l'écologie des systèmes avec le processus de conception technique . La conception technique implique généralement la formulation du problème (objectif), l'analyse du problème (contraintes), la recherche de solutions alternatives, la décision entre les alternatives et la spécification d'une solution complète. Un cadre de conception temporelle est fourni par Matlock et al., indiquant que les solutions de conception sont envisagées dans le temps écologique. Lors du choix entre les alternatives, la conception doit intégrer l'économie écologique dans l'évaluation de la conception et reconnaître un système de valeurs directrices qui favorise la conservation biologique, au bénéfice de la société et de la nature.

L'ingénierie écologique utilise l'écologie des systèmes avec la conception technique pour obtenir une vue holistique des interactions au sein et entre la société et la nature. La simulation d'écosystèmes avec le langage des systèmes énergétiques (également connu sous le nom de langage des circuits énergétiques ou energese) de Howard Odum est une illustration de cette approche de l'écologie des systèmes. Ce développement et cette simulation de modèles holistiques définissent le système d'intérêt, identifient les limites du système et schématisent la manière dont l'énergie et la matière entrent, sortent et pénètrent dans un système afin d'identifier comment utiliser les ressources renouvelables par le biais des processus écosystémiques et augmenter la durabilité. Le système qu'il décrit est un ensemble (c'est-à-dire un groupe) de composants (c'est-à-dire des parties), reliés par un certain type d'interaction ou d'interrelation, qui répondent collectivement à un stimulus ou à une demande et remplissent un objectif ou une fonction spécifique. En comprenant l'écologie des systèmes, l'ingénieur écologique peut concevoir plus efficacement avec des composants et des processus écosystémiques dans la conception, utiliser l'énergie et les ressources renouvelables et augmenter la durabilité.

Mitsch et Jorgensen ont identifié cinq classes fonctionnelles pour les conceptions d'ingénierie écologique :

1. Écosystème utilisé pour réduire/résoudre les problèmes de pollution. Exemple : phytoremédiation, marais pour eaux usées et biorétention des eaux pluviales pour filtrer l'excès de nutriments et de pollution par les métaux
2. Écosystème imité ou copié pour résoudre un problème de ressources. Exemple : restauration de la forêt , remplacement des zones humides et installation de jardins pluviaux en bordure de rue pour étendre la couverture végétale et optimiser le refroidissement résidentiel et urbain
3. Écosystème rétabli après une perturbation. Exemple : restauration de terrains miniers, restauration de lacs et restauration aquatique de chenaux avec corridors riverains matures
4. Écosystème modifié de manière écologiquement rationnelle. Exemple : récolte sélective de bois, biomanipulation et introduction de poissons prédateurs pour réduire les poissons planctonophages, augmenter le zooplancton, consommer des algues ou du phytoplancton et clarifier l'eau.
5. Écosystèmes utilisés à des fins bénéfiques sans détruire l’équilibre. Exemple : agroécosystèmes durables, aquaculture multi-espèces et introduction de parcelles agroforestières dans les propriétés résidentielles pour générer une production primaire à plusieurs niveaux verticaux.

Mitsch et Jorgensen ont identifié 19 principes de conception pour l'ingénierie écologique, mais tous ne sont pas censés contribuer à une conception unique :

1. La structure et la fonction de l’écosystème sont déterminées par les fonctions de forçage du système ;
2. Les apports énergétiques aux écosystèmes et le stockage disponible de l’écosystème sont limités ;
3. Les écosystèmes sont des systèmes ouverts et dissipatifs (pas d’équilibre thermodynamique de l’énergie, de la matière, de l’entropie, mais apparition spontanée d’une structure complexe et chaotique) ;
4. L’attention portée à un nombre limité de facteurs de régulation/contrôle est la plus stratégique pour prévenir la pollution ou restaurer les écosystèmes ;
5. Les écosystèmes ont une certaine capacité homéostatique qui permet d’atténuer et de réduire les effets des apports fortement variables ;
6. Adapter les voies de recyclage aux rythmes des écosystèmes et réduire les effets de la pollution ;
7. Concevoir des systèmes pulsés dans la mesure du possible ;
8. Les écosystèmes sont des systèmes auto-conçus ;
9. Les processus des écosystèmes ont des échelles de temps et d’espace caractéristiques qui doivent être prises en compte dans la gestion de l’environnement ;
10. La biodiversité doit être défendue pour maintenir la capacité d’auto-conception d’un écosystème ;
11. Les écotones, zones de transition, sont aussi importantes pour les écosystèmes que les membranes pour les cellules ;
12. Le couplage entre les écosystèmes devrait être utilisé autant que possible ;
13. Les composants d’un écosystème sont interconnectés, interdépendants et forment un réseau ; tenez compte des efforts directs et indirects du développement de l’écosystème ;
14. Un écosystème a une histoire de développement ;
15. Les écosystèmes et les espèces sont plus vulnérables à leurs limites géographiques ;
16. Les écosystèmes sont des systèmes hiérarchiques et font partie d’un paysage plus vaste ;
17. Les processus physiques et biologiques sont interactifs, il est important de connaître les interactions physiques et biologiques et de les interpréter correctement ;
18. L’écotechnologie nécessite une approche holistique qui intègre autant que possible toutes les parties et tous les processus en interaction ;
19. Les informations dans les écosystèmes sont stockées dans des structures.

Mitsch et Jorgensen ont identifié les considérations suivantes avant de mettre en œuvre une conception d’ingénierie écologique :

• Créer un modèle conceptuel pour déterminer les parties de la nature liées au projet ;
• Mettre en œuvre un modèle informatique pour simuler les impacts et les incertitudes du projet ;
• Optimiser le projet pour réduire l’incertitude et augmenter les impacts bénéfiques.

Le domaine de l'ingénierie écologique est étroitement lié aux domaines de l'ingénierie environnementale et du génie civil . Ces trois disciplines se chevauchent largement dans le domaine de l'ingénierie des ressources en eau, en particulier le traitement et la gestion des eaux pluviales et des eaux usées . Bien que les trois disciplines de l'ingénierie soient étroitement liées les unes aux autres, il existe des domaines d'expertise distincts dans chaque domaine.

L'ingénierie écologique se concentre principalement sur l'environnement naturel et les infrastructures naturelles, en mettant l'accent sur la médiation de la relation entre l'homme et la planète. Dans les disciplines complémentaires, le génie civil se concentre principalement sur les infrastructures bâties et les travaux publics tandis que l'ingénierie environnementale se concentre sur la protection de la santé publique et environnementale par le traitement et la gestion des flux de déchets.

Un programme d'études universitaires a été proposé pour l'ingénierie écologique en 2001. Les éléments clés du programme suggéré sont : l'ingénierie environnementale ; l'écologie des systèmes ; l'écologie de la restauration ; la modélisation écologique ; l'écologie quantitative ; l'économie de l'ingénierie écologique et les cours techniques au choix . Cet ensemble de cours était complété par des cours préalables dans les domaines physique, biologique et chimique, ainsi que par des expériences de conception intégrée. Selon Matlock et al., la conception doit identifier les contraintes, caractériser les solutions dans le temps écologique et intégrer l'économie écologique dans l'évaluation de la conception. L'économie de l'ingénierie écologique a été démontrée en utilisant les principes énergétiques pour une zone humide., et en utilisant l'évaluation des nutriments pour une ferme laitière. Avec ces principes à l'esprit, le premier programme de licence en ingénierie écologique au monde a été formalisé en 2009 à l'Université d'État de l'Oregon .

En 2024, l'US Accreditation Board for Engineering and Technology, Inc. (ABET) a publié pour la première fois les critères d'accréditation du programme d'ingénierie écologique. Pour être accrédités, les programmes d'ingénierie écologique BS doivent inclure :

• mathématiques par le biais d’équations différentielles, de probabilités et de statistiques, de physique basée sur le calcul et de chimie de niveau universitaire ;
• sciences de la terre, mécanique des fluides, hydraulique et hydrologie.
• sciences biologiques et écologiques avancées axées sur les systèmes autosuffisants multi-organismes à différentes échelles, l'écologie des systèmes, les services écosystémiques et la modélisation écologique ;
• Bilans matière et énergie ; devenir et transport des substances dans et entre l'air, l'eau et le sol ; thermodynamique des systèmes vivants ; et
• applications des principes écologiques à la conception technique qui incluent des considérations sur le climat, la diversité des espèces, l'auto-organisation, l'incertitude, la durabilité, la résilience, les interactions entre les systèmes écologiques et sociaux, ainsi que les impacts et les avantages à l'échelle du système.