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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

国家自然科学基金环境工程学科生态环境系统工程与风险控制学科方向发展探讨

2023-11-17

文章信息:

杨静.  国家自然科学基金环境工程学科生态环境系统工程与风险控制学科方向发展探讨[J]. 环境工程学报. doi: 10.12030/j.cjee.202310125



摘要

当前我国生态环境问题复杂多变,环境污染治理面临新挑战、新机遇和新要求,亟需以系统观念、整体理念推动生态环境高质量发展。国家自然科学基金委环境工程学科开展学科优化布局与改革,设立“E1008区域与城市生态环境系统工程”和“E1009生态环境风险控制”学科方向。作为新兴交叉方向,需不断开展深入、全面探讨。立足于国家自然科学基金委环境工程学科顶层战略,诠释优化学科方向、解析学科内涵、阐述学科范式、凝炼科学问题,提出发展方向、总结创新机制,以推进学科有组织科研,构建学科创新高地,助力实现人与自然和谐共生的中国式现代化。



生态文明建设是关系中华民族永续发展的根本大计,是新时代党和国家的重要决策。我国生态环境保护结构性、根源性、趋势性压力尚未根本缓解[1],推动人、自然环境、社会经济的绿色协同发展是建设美丽中国、实现中国式现代化的必由之路,也是一项复杂的系统工程。同时,随着科技革命深入推进和学科交叉融合发展,科学研究范式发生深刻变革,对我国科技发展提出了新挑战和新要求[2-3]。为应对复杂严峻生态环境问题和风险挑战,面向国家生态文明建设重大需求和构建多样性、稳定性、持续性生态系统的需求,全面贯彻新发展理念,国家自然科学基金委员会(简称自然科学基金委)以“四个面向”为指导,提出了资助导向、评审机制和学科布局三大改革措施[4]。通过优化学科布局将环境工程学科提升为独立学科资助代码,设立“E1008区域与城市生态环境系统工程”和“E1009生态环境风险控制”学科方向(简称生态环境系统工程与风险控制学科方向)。


2022年,环境工程学科根据自然科学基金委优化学科布局的总体部署,按照科学部计划,启动E1008和E1009学科方向优化工作。通过问卷调查、专家研讨等方式征集优化方案,围绕“学科范式、战略布局、交叉融合、人才培养、发展趋势”等方面召开学科战略研讨会,完善学科方向、内涵和关键词。本文基于学科方向设立背景,梳理专家研讨内容,阐明学科理论内涵、研究范式,凝炼重要科学问题与优先资助方向,提出创新发展机制,以期推进有组织科研,更好地发挥科学基金在国家创新体系中的基础引领作用[5],推动我国环境工程学科和生态环境的高质量发展,为解决中国及世界生态环境问题提供科学支撑[6]。


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学科方向设立背景



当前世界多重挑战和危机交织叠加,生态环境持续恶化[7],环境污染呈现多源性、复合性、动态性、高强度特征。新-常规污染物跨介质转移转化、放射性污染排放、温室气体排放、碳污交互作用、极端天气等环境问题加剧了生态环境不稳定性、不确定性和胁迫性,传统污染治理方法已难以解决复杂城市环境问题。因此,推进降碳、减污、扩绿、增长,推进生态文明建设,构建绿色生产生活方式是当前中国环境治理的重要理念。国家相继出台《关于推动城乡建设绿色发展的意见》[8]、《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[9]、《关于印发新污染物治理行动方案的通知》[10]等系列政策以全面推动绿色转型发展,把系统观念贯穿到生态环境保护全过程。我国生态环境保护发生历史性、转折性和全局性变化[11]。


与此同时,以数字化、智能化为特征的技术革命引领科学创新,尤其是人工智能技术(如生成式人工智能、元宇宙、物联网、区块链等)带来人类社会-环境的数字化转型,为解决复杂环境问题、推动城市生态环境可持续发展提供了新机遇。如何与新领域、新技术和新方法交叉融合,开展生态环境污染的风险预警、科学评估和系统防治,成为学科前沿方向。在此背景下,学科方向亟需与时俱进,突破学科固有结构,跨越学科界限、部门界限[3],不断优化学科方向布局,引领学科方向发展。

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学科方向现状与优化布局


生态环境系统工程与风险控制是系统科学、系统工程与环境工程科学相结合的产物,与系统科学和系统工程有着密切关联,其本质是基于“系统思维”,运用“系统方法”开展生态环境污染“系统防治”和生态环境风险“系统控制”研究。系统科学是研究系统规律、特征、原理的科学理论(如系统论、信息论、控制论等前沿理论)[13]。系统工程是系统科学下的应用技术和科学,强调实践和应用[14-15],包括自然、经济、政治等多个子系统。生态环境系统工程与风险控制已成为落实国家新发展理念,解决生态环境问题的关键手段,包含了E1008区域与城市生态环境系统工程和E1009生态环境风险控制两个学科方向。其中,E1008学科方向是面向多尺度复杂生态环境系统防治的系统工程,即以多尺度、复杂生态环境系统为研究对象,基于系统整体视角,运用系统科学方法开展模拟预测、分析评价、规划调控和研判决策等理论、方法与工程技术研究。E1009学科方向是针对生态环境潜在危险事件可能发生概率或后果的管理与控制,即以生态环境风险预防与控制为目标,开展多介质生态环境风险识别、效应评估、安全预警、管理与控制等理论方法与工程技术研究。这两个学科方向作为生态环境系统工程的重要增长点和组成部分,紧扣环境工程学科“工程”和“科学”深度交集、并集的特征,开展复杂生态环境污染防治和风险防控研究。2020年学科代码设立之初,E1008学科方向主要聚焦产业生态环境系统工程、区域生态环境系统工程、城乡生态环境系统工程3个方向;E1009学科方向聚焦受污染环境的生态环境效应、环境污染风险监测与评估、环境污染风险管控、工程建设对生态环境影响、灾害的环境影响与修复5个方向,围绕上述方向开展科学基金资助。


2.1 学科方向基金申报及资助情况分析

2020—2023年,E1008、E1009学科方向项目申请数量持续增长。E1008学科方向国家自然科学基金面上、青年和地区基金项目申请分别为187、168、13项,分别资助51、48、2项,四年总资助率分别为27%、29%和15%。E1009学科方向国家自然科学基金面上、青年和地区基金项目申请分别为138、118和29项,分别资助32、27、6项,四年总资助率分别为23%、23%和21%,如表1所示。其中,基于申报课题的四类科学问题属性分析,原创类项目申报占比4.3%、前沿类占比18%、需求类占比65.1%、交叉类占比12.6%。


表1 2020—2023年E1008、E1009学科方向基金项目申报和资助情况


分析申报人员学术背景、研究热点两方面内容发现,2020—2023年,E1008、E009学科方向科学基金资助的学者以环境工程学科背景为核心向外交叉拓展,涉及生态学、化学、土木建筑、农业、地理学、管理学、海洋科学、经济学等多个学科(图1);从基金项目研究热点词汇分析,E1008、E1009基金项目研究热点主要集中在城市、系统、代谢、塑料、抗生素、污染物、碳排放、生态系统、生命周期、重金属、微生物等方面(图2)。这表明近几年学科基金项目申报数量逐渐增多,研究人员学科背景呈现多元化趋势;新理念、新问题和新方法在学科研究中愈加凸显,研究内容的外延性进一步扩大和增强;需求类项目申报较多,原创类、交叉类项目较少。综上所述,学科方向得到了快速发展,为更好发挥学科在创新研究中的基础引领作用,亟需顺应发展趋势,进一步优化学科布局。


图1 2020—2023 年 E1008、E1009 科学基金资助学者学术背景占比

图2 2020—2023年E1008、E1009科学基金申报热点词汇

2.2 学科优化布局

2022年环境工程学科以“四个面向”为导向,以“国家需求、聚焦前沿、原创探索、交叉创新”为指导思想,对学科方向进行优化布局。在优化布局后,E1008学科方向在“产业生态环境系统工程、城乡生态环境系统工程、区域生态环境系统工程”三个方向的基础上增加了“可持续建成环境系统工程、生态环境韧性与安全、多介质复合污染系统治理、生态环境大数据与管控和碳中和环境系统工程”5个研究方向,形成新的8个研究方向;E1009学科方向进行优化并形成“生态环境风险评估与预警、环境污染的生态效应、环境污染的健康效应、气候变化的生态环境风险、工程建设的生态环境影响、灾害与突发性事件环境影响与修复、水环境风险控制、大气环境风险控制、土壤环境风险控制、跨介质环境风险控制、环境风险智能监测与大数据分析和生态环境风险管理”12个研究方向。学科方向设置如图3所示。优化后的学科方向数量有所增加,学科方向的外延性、全面性和交叉性得到进一步完善。

图3 E1008、E1009学科方向优化布局

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学科方向的内涵与范式



3.1学科方向内涵

3.1.1E1008学科方向内涵

1)产业生态环境系统工程。以产业活动对环境影响为研究对象,研究产品、企业、园区等不同尺度产业系统的全生命周期环境数据监测、物质代谢、清洁生产、资源循环利用、生态设计、污染治理,揭示产业生态环境系统物质要素“循环-代谢-污染”的关联机制,构建绿色、循环、韧性的产业生态环境系统。


2)城乡生态环境系统工程。以城乡生态环境系统为研究对象,研究城乡生态环境物质代谢、资源循环、耦合模拟、综合治理、环境管控、生态修复等方面的理论和方法,揭示城乡复合生态系统物质能量流动、代谢、循环与生态效益之间的关联机制,构建可持续城乡生态环境系统。


3)区域生态环境系统工程。以区域生态环境系统为研究对象,研究区域以及跨区域生态环境系统的环境模拟、生态演变评估、物质流分析、污染协同治理、循环经济构建等理论和方法,揭示区域生态环境系统中“环境要素循环-物质能量流动-污染物转化”的耦合联动机制,构建可持续区域生态环境系统。


4)可持续建成环境系统工程。以满足人类生产生活需求的环境系统为研究对象,研究建成环境系统的监测、预测、评估、规划、治理与管控等方面的基础理论与方法,揭示建成环境各类要素、介质与生态环境的交互作用机制和迁移转化规律,促进建成环境和自然环境的和谐共存与可持续发展。


5)生态环境韧性与安全。以生态环境韧性、健康、安全为研究对象,研究生态环境韧性影响因子和韧性预测、模拟、评估和提升等基础理论与方法,关注生态系统韧性、韧性城市建造、环境治理韧性提升与改造等关键技术体系与方案,揭示生态环境中各种突发风险的生态效应、安全效应和健康效应的作用规律与机制,促进韧性和安全生态环境构建。


6)多介质复合污染系统治理。以流域、区域、城市、园区/社区等不同尺度的多介质复合污染系统治理为目标,研究多介质复合污染及其生态环境风险的监测、模拟和评估方法以及污染系统治理的原理方法、工程技术和管控策略,揭示复杂污染物跨区域扩散传输、跨介质迁移转化、复合环境效应演变机制,构建多介质复合污染系统治理、修复和保护技术体系。


7)生态环境大数据与管控。以多尺度、海量、多源异构生态环境数据感知与智慧管控为研究对象,研究生态环境大数据系统采集技术、立体观测技术、参数遥感反演技术、污染过程数值模拟技术、环境智慧运维与管控技术等内容,研发生态环境污染感知溯源、关联分析、模拟预测、应急预警、科学管控的模型方法及大数据集成信息平台,为生态环境的科学治理提供支撑。


8)碳中和环境系统工程。以产业、城乡和区域环境系统碳中和为研究目标,研究温室气体排放核算和监测、碳足迹、清洁能源潜力评估和规划、碳中和路径优化、低碳技术生命周期评价、降碳减污协同,揭示环境系统、能源和温室气体之间的复杂耦合关联机制,为实现碳中和战略提供科学支撑。


3.1.2E1009学科方向内涵

1)生态环境风险评估与预警。以生态环境风险防控为目标,研究环境污染风险、生态安全风险、人群健康风险、环境灾害风险以及复合风险等各类风险的评估与预警基础理论和技术手段,研究生态环境风险表征、危害识别、毒性评估与风险预警的阈值、方法、模型,揭示不同时空尺度、不同介质生态环境风险的产生、演变、传导机制,发展生态环境健康风险应急预警技术。


2)环境污染的生态效应。针对环境介质中有毒有害物质对生态系统的影响,研究污染物在多介质和多尺度环境中的赋存形态、迁移转化特征,甄别污染物生态危害的关键指示物,揭示其暴露途径与生物有效性、诱发生态危害的毒理学机理,发展环境污染的生态效应评价方法。


3)环境污染的健康效应。针对环境介质中有毒有害物质对人体健康的影响,甄别污染物健康危害的生物标记物,筛选和评估影响人体健康的关键污染物,阐释污染物暴露途径与生物有效性,揭示环境污染导致健康危害的毒理学机理,发展不同暴露场景下的健康效应评价方法。


4)气候变化的生态环境风险。以气候变化适应与应对能力提升为目标,研究环境污染与气候变化的相互作用机制和气候变化诱发生态环境风险的评估指标、模型与方法,揭示气候变化下高扰动生态系统的演替特征与气、水、土等生态环境要素变化规律以及生态环境风险演变特征,发展面向生态环境风险防控的气候变化适应与减缓方法。


5)工程建设的生态环境影响。以建筑、交通、水利、海洋、矿冶等工程建设活动所造成的环境风险为对象,解析工程建设与重大工程活动的原生和次生风险在多尺度、多介质环境中的产生、传导和演化规律,研究工程建设环境风险的模拟、预测、评估、预警和管理方法,建立工程建设风险作用下各类受损环境的修复基础理论和技术方法。


6)灾害与突发性事件的环境影响与修复以气象、地质、洪涝、干旱等自然灾害和泄漏、爆炸、火灾、工程事故、交通事故等突发性事件所造成的环境风险为对象,解析灾害和突发性事件原生和次生风险在多尺度、多介质环境中的产生、传导和演化规律,研究灾害与突发性事件环境风险模拟、预测、评估、预警和管理方法,建立灾害与突发性事件导致的受损环境的修复基础理论和技术方法。


7)水环境风险控制。以河流、湖泊、城市、工业园区等水环境中污染物及其风险为研究对象,围绕突发性和非突发水污染事件风险防控目标,研究污染物质汇入水环境的可能途径,解析污染物质在水环境中的迁移和转化规律,分析其环境风险的演变和传导机制,揭示水环境污染物质及其风险的消减机制并建立相应的控制方法,构建水环境风险防范与管控的基础理论和技术手段。


8)大气环境风险控制。以大气雾霾、光化学烟雾、臭氧爆发、沙尘暴以及由工业污染、核事故、化学事故等有毒有害气体排放造成的各类大气环境风险为研究对象,开展大气环境风险的模拟、预测、评估以及相应的管控措施的基础理论研究,研究大气环境风险对生态、环境、健康和社会经济等可能造成的潜在影响,发展大气环境风险防范与管控的基础理论和技术手段。


9)土壤环境风险控制。以受重金属、化学品等污染的土壤环境为研究对象,分析污染物在土壤环境中的演变和传导机制,揭示土壤中污染物含量与健康风险、生态风险、粮食安全的关联机制,围绕土壤修复、源头治理、污染物传输途径阻断、安全利用等开展风险控制理论与方法研究,发展土壤环境风险防范管控的基础理论与技术手段。


10)跨介质环境风险控制。以多介质复合污染环境风险控制为目标,研究环境污染物在水、气、土等跨介质迁移、传输和转化等过程与机制,明确复杂污染物多介质赋存和共暴露对人群健康、生态安全的复合污染效应,研究跨介质环境风险的模拟、预测、评估、预警和管理方法,发展跨介质复合污染环境风险控制的原理、技术和调控方法。


11)环境风险智能监测与大数据分析。以多尺度、全生命周期环境风险的智能监测、数据挖掘和信息服务为研究对象,研究时空大数据、环境遥感、人工智能、关联分析等环境风险智能监测与大数据分析方法,发展环境风险数据库、环境风险大数据分析、环境风险信息服务、环境风险智能控制装备设施以及环境风险智慧服务平台,支撑环境风险的科学管控与精准治理。


12)生态环境风险管理。针对生态环境风险管理的基准与标准需求,阐明生态环境指标与生态、健康风险阈值的关联关系,建立基于风险基准与标准驱动的生态环境风险管理模式,研究相应基准、标准对经济社会的影响,研究生态环境事件发生全过程各节点的风险管理,发展生态环境风险管理方法体系。


3.2 与环境工程学科其他学科方向关联

自然科学基金委环境工程学科下设E1001—E1009共9个学科方向,其中E1001-E1007学科方向侧重水、土、气、固废等要素与生态环境交互产生的复杂环境问题研究。环境问题是节点和要素共同交互作用的结果,每个节点和要素都有可能引发生态环境污染和风险的发生,甚至产生决定性影响。因此,从某个节点或要素的视角解析环境问题仍不够全面,亟需开展系统性、全面性的研究。


E1008学科方向针对多尺度、多介质、多污染物、多要素交互的复杂环境问题,运用系统方法,兼顾环境整体-局部利益、环境-经济-社会协调发展,谋求最优方案和科学决策。E1009学科通过系统性识别、监测、评估生态环境各类风险,最大限度地减少和控制风险事件发生的概率或产生的影响。两个方向都强调从顶层、宏观和辩证角度研究环境问题,关注“环境-社会-经济”多维复合作用关系,注重生态环境污染等问题从前端到末端的全过程系统性预防与治理。实现从单节点或单要素研究向系统性研究的拓展、从传统工程应用向系统性工程应用的深化,是环境工程学科中将自然科学、工程技术、社会科学、经济管理多学科交叉融合的重要学科方向。可以说,E1008和E1009学科方向为E1001-E1007学科方向未来发展提供了新思路,两者之间是相辅相成、相互补充的关系,协同解决复杂环境问题(图4)。


图4 E1008、E1009学科方向与其它学科关联


3.3 E1008、E1009学科方向的研究范式

引领和推动科研范式变革是自然科学基金委的职责,建立和完善学科范式体系,有利于学科共同体凝聚共识,促进学科精准定位,助力学科进入新的发展阶段[16]。研究范式通常认为是科学共同体或群体进行科学实践活动所遵循的一套认知规范、规则和标准,以揭示学科发展的本质与规律[17-18]。因此,科研范式并非简单的方法论,而包含多重维度内涵。科研范式具体包含哪些内容,当前学界仍未明确说明。本文从“研究边界、研究路径、研究特征”三个角度解析生态环境系统工程与风险控制研究范式(图5)。

图5  研究范式体系构建


3.3.1学科方向研究边界

1)研究视角的边界。学科方向关注生态环境“系统-子系统-要素”之间能量输运、物质迁移、风险关联和环境效益研究,而非要素本身机理研究。如在废弃物处置过程中,学科方向主要聚焦废弃物全周期处置过程中跨介质迁移、交互、循环带来的生态环境影响、风险胁迫识别控制等方面的研究,更加关注废弃物与生态环境的交互作用关系,并非废弃物自身理化机制。


2)研究尺度的边界。学科方向关注区域、流域和城市等不同尺度的生态环境系统防控理论、方法与技术研究,更加强调研究的可实施性和可落地性。如在空气污染治理中,学科方向聚焦城市群以及城市中小尺度、局地尺度的下垫面空气环境污染问题,通过物理和化学结合的方法开展空气环境污染感知-预警-溯源-模拟-评估-治理等技术方法研究,而全球尺度的大气环流与污染输运则不属于学科方向研究重点。


3)研究维度的边界。学科方向不仅关注环境污染问题,同时也关注社会、经济、能源、资源多要素对环境共生驱动和关联作用机制。因此,学科方向更强调运用多维度视角和手段解决环境问题,而不仅关注环境维度的治理方法和技术手段。如在城市生态环境治理中,强调经济、社会、政策等影响因素对生态环境及其效益的影响,以及所引发的水-土-气等自然环境要素的交互作用。


3.3.2学科方向研究路径

E1008学科方向研究路径主要针对多介质复合污染物在不同要素间的排放、迁移、交互转化过程开展模拟预测、分析评价、规划调控和决策研究,揭示多尺度多要素与复杂生态环境之间的耦合交互、协同胁迫作用机制,以开展生态环境污染防治工程,从而实现落地转化和应用示范。E1009学科方向研究路径则结合遥感信息、生态信息大数据、人工智能等前沿技术,针对生态环境要素的污染风险、生态安全风险、人群健康风险、环境灾害风险及复合风险等各类风险开展多介质生态环境风险识别、效应评估、安全预警、管理与控制研究,降低生态环境危险事件发生概率。


3.3.3 学科方向研究特征

1)系统整体性特征。生态环境是复杂开放的巨系统,生态环境污染呈现非线性、动态性、聚集性、交叉性和复合性特点[19],环境问题从简单过程向复杂、整体和系统性过程转变。学科方向目标是运用系统方法解决复杂环境问题,系统考虑引发环境污染的所有要素,开展多要素、多介质在不同时空中的作用机制研究,对环境污染进行系统预防与治理,实现生态环境整体与局部协调发展。


2)多维交叉性特征。环境问题是一个综合问题,涉及从污染源头到管治末端的多维度驱动与要素交互作用[20]。学科方向不仅是解决污染问题,也要关注污染背后所隐藏的社会、经济、自然层面直接或间接问题,治理手段从单纯治理技术研究向多维交叉协同研究转变。因此,学科方向具有“多介质-多要素-多技术-多学科”集成的多维交叉研究特征。


3)工程系统性特征。生态环境治理“能落地、可操作、见成效”是环境保护的重要支撑[21]。学科方向强调环境治理的实践性、应用性和工程性,不仅是指单一工程应用,而强调以解决复杂环境问题为目标的系统性应用,推动环境防治工程有组织运行,以达到最大环境效益,提出环境系统防治工程的“时间表、进度表、项目表和标准册”,以期实现生态环境高质、高效治理。


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学科方向重要科学问题与优先资助方向



4.1重要科学问题

1)生态环境污染的自然-社会-经济要素耦合交互机制。生态环境污染是自然、社会、经济等多要素交互作用下产生的,因此,协同自然环境与社会、经济、交通、产业等建成环境要素关联,系统解析生态环境多要素共同作用下内生驱动机制,量化解析不同尺度、维度下环境要素、介质之间的耦合关系与变化规律,并形成共生共治,是生态环境污染系统性防治和评估的重要依据,是未来的关键科学问题。


2)全周期全链条产业碳污协同机制。我国产业碳排放总量大且来源多样化,解析城市上下游产业链碳污物质迁移转化规律和复杂耦合关系,探寻全生命周期产业-经济-环境-社会减污降碳协同机制,提出产业能源资源供给需求侧、碳排放消纳侧协同发力的解决方案,以构建低碳绿色循环经济新格局和清洁生产新模式,推动降碳、减污、扩绿、增效协同发展,是未来关键科学问题。


3)多尺度-多要素污染物动态耦合与时空迁移转化机制。受人类活动等外部影响,生态环境系统和要素发生巨大变化,环境污染对生物多样性、生态安全格局产生巨大影响。环境污染的时空迁移和交互转化,使得其难以准确防控,因此解析多尺度(区域、流域、城乡、建成环境尺度等)生态环境系统多要素、多过程污染动态耦合和时空迁移机制,是未来的关键科学问题。


4)新型-常规污染物跨介质转化、代谢和传递机制。新型污染物是目前国内外广泛关注的焦点,在多介质环境、多价态元素的背景下,揭示由污染物在不同介质间转移转化而产生的生物效应、传导机理和作用机制,发展新型污染物跨介质污染风险评估新方法是构建生态环境污染量化追踪和风险阻控方法的基础。因此解析新型污染物生成机制、与常规污染物交互-转化-代谢-传递机制是未来的关键科学问题。

5)环境风险主控因子精准识别、定向追踪与动态控制。环境风险是多因素作用下的系统性风险,环境系统性风险具有来源的不确定性和非线性特征。因此,准确识别和量化环境风险主控因子或关键影响因素,掌握要素在多介质环境的传导、扩散过程和作用机制,运用颠覆性技术进行全过程追踪、控制和预警,是未来的关键科学问题。


4.2 学科优先资助方向

4.2.1 E1008区域与城市生态环境系统工程学科方向优先资助方向

1)基于自然法则的生态环境系统污染防治。自修复和自组织是生态环境维持自身平衡的基本规律和法则,人类对生态环境的干扰超过其自我修复能力则产生环境污染。未来,如何在遵循生态环境自然法则和自然属性的基础上实现社会经济可持续发展,探寻生态环境自然式解决方案,是未来研究的重点。研究重点包括:高弹性生态系统及绿色基础设施承载力阈值评估;污染物排放的精准阻控和治理;污染物低碳高值资源化和绿色循环;基于自然式解决方案的城市生态环境规划;生态环境风险的精准识别、评估与预警;城市生态环境系统的生态-社会价值耦合协同;基于自然解决方案的城市热岛-污染协同治理系统方法;复杂污染物迁移转化与自然式协同控制理论方法;面向“无废社会”固废代谢机制与循环利用方法;生态环境多要素综合优化与协同管控研究。


2)多尺度生态环境污染风险模拟识别与管控。多尺度(区域、流域、城乡、产业)生态环境涉及大气、河流、湖泊、土地、海洋(近海)等环境要素,要素-污染物跨区域转移代谢机制复杂,对生态环境风险防治和管控提出了挑战,未来需强化生态环境污染风险模拟识别,以开展污染管控与环境治理修复。其重要方向包括:多尺度生态环境的胁迫风险模拟;跨区域生态环境代谢-补偿-平衡关联机制研究;基于生物多样性区域生态环境修复与安全评估;区域/流域生态环境污染纵向(跨维度)、横向(跨区域)时空转移及代谢过程解析;区域生态环境复合污染生态修复技术;区域生态环境减污降碳评估与管控;城市多介质污染物精准减排与风险控制的新方法。


3)绿色清洁和低碳循环产业系统。随着碳达峰、碳中和“3060”目标的提出,构建低碳绿色循环产业是城市生态环境治理的重要目标。而产业减污降碳是一项复杂的系统性工程,需立足国家产业重大发展需求,基于全周期全链条视角构建适合国情的低碳绿色循环产业营造理论、方法与标准。其重要方向包括:产业生态环境系统物质要素“循环-代谢-污染”的关联机制;多尺度产业系统的全生命周期环境数据监测预测;绿色产业园区资源高质循环利用方法、技术和装备;全生命周期绿色生态设计与制造技术;产业清洁能源废弃物预测技术与资源化利用;园区生态环境系统污染治理的理论方法;绿色韧性园区构建理论与方法;产业环境信息与大数据构建;产业清洁生产;绿色生态园区低碳影响评价标准等。


4)机理-数据混合驱动的生态环境系统治理。生态环境是复杂的巨系统,生态环境污染呈现出来源广、种类多、流动强、跨介质动态传播特征,如何准确、实时的掌握污染物的动态变化机制和规律是解决环境问题的关键。因此,基于多尺度生态环境污染演变的复杂关联机制和环境多源大数据,集成人工智能、CIM/BIM、VR等信息技术,开展生态环境污染的全周期孪生、模拟和治理,为实现准确、实时科学监测、模拟预测、评估决策提供技术支撑。也是开展环境污染、风险全链条防控的重要手段。研究内容包括:生态环境数据同步虚实映射与高效转换理论方法;建成环境污染虚实双向交互快速预测理论、方法与模型;环境多源异构数据的实时感知与重构算法;数字孪生信息技术集成研究;环境智慧管控数字平台与系统构建;建成环境污染和风险智慧调控理论方法研究;基于AI赋能的生态环境模拟软件的研发等。


5)物理-生物-化学协同的城市生态环境污染防治。生态环境污染是一个多过程叠加、多相态变化、多能量转换的复杂变化过程,其中既存在物理机制也存在化学反应,两者相互影响共同作用于环境,并影响生物群落的健康。因此,将物理-生物-化学手段和方法相协同是解决环境问题的重要方法,是未来研究的重点。研究内容包括:物质平衡、能量平衡的污染物化学转移转化机制;基于物理方法的污染物治理增效机制;物理-生物-化学协同的环境污染传质机制;生态环境物质热量、质量与动量传递理论机制与方法;物理-生物-化学协同的环境污染的监测、模拟、识别技术;物理-生物-化学结合的城市污染物系统防控理论和方法;物理-生物-化学协同的环境污染评估模型。


6)建成环境多介质污染与健康风险防控。多介质污染是建成环境污染的重要问题,通常通过跨介质迁移转化来实现,多介质污染加大了城市人群的污染暴露风险和健康胁迫。因此,开展不同尺度多介质污染和健康效应研究是当前研究重点,研究内容包括:建成环境多介质污染的环境赋存、传播和变异规律、多介质污染和单一污染跨介质迁移转化机制;多介质污染界面动态交互作用与非均匀扩散传递机制;多介质污染暴露与人员健康作用机理;建成环境多介质污染防控的协同作用机制;多介质环境污染与健康风险的科学监测、快速预测、评估预警与高效防控;多要素作用下多介质污染传递机制与交互作用;多介质污染高效净化与智慧低碳控制方法;建成环境多介质污染及健康风险的防控理论与方法;多介质复合污染健康风险的综合评估模型。


4.2.2 E1009生态环境风险控制学科方向优先资助方向

1)新型-传统污染物的多(跨)介质、全过程生态健康风险与基准。新型污染物具有种类多、危害大、持久性长等特点,对人与生态环境健康产生较大风险。而新型污染与传统污染物常发生多介质迁移转化并导致复合污染,其治理难度大、技术复杂程度高。亟需针对新型-传统污染物耦合的机理特性,开展精准监测、溯源、预测、评估和治理研究。具体内容包括:新型污染物降解机制研究;新型-传统污染物时空异质性及转化规律;新型污染物定向转化过程的物质转化、能量代谢与传递机制;面向区域异质性的新型污染物靶向净化技术;新型-常规污染物协同消减机理与处理技术;新型污染物毒性即时监测与评估;复杂参数、维度、生境下的新型-传统污染物协同控制;新型-常规污染物耦合的智能监测筛查、预测和评估;新型污染物指标体系与净化的量化标准构建。


2)生态环境风险控制网络体系、阻控装备和管控。系统性环境风险控制是一个交互影响、交互作用的复杂网络系统,开展系统、全面管控是当前难点。构建全链条生态环境风险控制网络体系、装备和平台,可以实现生态环境风险的精准识别、综合考量与智慧防控。具体内容包括:多源污染物排放计算模型和精准识别评估模型;环境风险定量精准识别和预警方法;特征环境风险发生和发展的成因与突变机制;环境风险决定性因子的定向追踪与动态控制理论方法;工程导致环境风险的引发、增强、传导过程与调控原理;生态环境风险“识别-监控-模拟-预测-预警”理论技术;风险暴露的快速检测-甄别-应急处置理论技术;生态环境受损修复修补方法;生态环境风险“源头-释放-暴露-受体-控制”全过程控制网络体系构建;环境风险智能感知、评估阻控装备与管控平台研发。


3)环境即时遥感与生态环境大数据分析。新时代生态环境保护的综合性、复杂性、艰巨性陡增,生态环境治理从传统治理技术向大数据与人工智能解析转变,进入了数字化、智能化时代,亟需运用遥感、地理信息、机器学习等技术获取并解析海量数据暗含的生态环境污染、风险产生的机制,以开展精准防治。具体研究包括:生态环境大数据“时-空-天-地”一体化多源异构数据挖掘和轻量化解析方法;多介质污染空-天-地探测与智慧管控技术;基于大数据的生态环境变化过程模拟;基于大数据的生态环境风险识别与评估等研究;基于高分遥感和机器学习算法的污染物识别与模拟;生态环境大数据服务平台构建关键技术;时空连续的全量获取与智能感知技术;跨介质精准感知的基础理论。


4)重大环境污染和突发性灾害的风险识别、预警与防控。随着资源和人类活动的高度集中,危险废物、有毒化学品、电磁辐射等泄露,以及气象、洪涝、工程事故等灾害引发的突发性环境污染和灾害事件严重威胁生态环境、人的健康安全。重大环境污染和突发性灾害的突变性、随机性和偶然性特征对环境防控提出了高要求,未来亟需探寻重大突发性污染和灾害事件原生-次生风险产生诱因、传导机制和演化规律,开展重大、突发性污染灾害事件环境风险模拟、预测、评估、预警、防控研究。具体研究包括:基于精准分级分类的重大环境污染风险识别新方法;全球变化下自然诱因对重大环境污染风险发生的影响机制;自然诱因与人为因素叠加诱发重大环境污染风险的识别、预警和防控技术;多因素耦合的一体化风险预警预报技术;重大环境污染和突发性灾害的风险预测预报模型;多维度、立体化的风险量化-仿真模拟-自动预警-靶向干预-应急处置的综合风险防控平台。


5

学科方向发展创新机制



1)加强拔尖创新人才和创新团队的培养。资助、培养引领世界科技前沿的拔尖创新人才是自然科学基金委重要职责,也是推动科学研究、开拓科学新领域的重要手段,是一项系统工程。学科方向未来将加大对具有国际视野和创新潜力的系统工程青年科学家和青年才俊的支持和培养,加强青年学者创新团队建设并优化青年人才培养路径,营造需求牵引和学科内生驱动协同的创新生态,在时间、空间上给予年轻科学家更多的科研容错空间,加快构建针对不同层次、年龄的拔尖创新人才培养机制和培养体系。


2)持续强化多学科交叉合作研究。交叉科学和跨学科研究已成为推动基础研究发展的重要内因[3],推动学科交叉融合发展是自然科学基金委十四五规划的基本方针之一,期望通过多学科融合研究形成新的框架来促进新的科学发现和复杂问题的解决。未来学科方向将持续引导和鼓励不同院校、专业科研人员融合不同学科的知识、方法和技能开展交叉研究,加快探索学科方向与环境工程学科、其它学科交叉研究的典型创新模式和创新路径,构建有组织、有目标、有秩序的科研,并不断优化资源配置并加大学科交叉研究支持力度,营造需求牵引和学科内生驱动协同的创新生态,打造学科方向的科学共同体。


3)强调科研成果产出的多元化。学科方向未来坚持科学分类、多维度评价,针对不同的研究类型特征(如基础科学研究、实践工程研究、社会管理研究等)构建不同的研究成果评价体系和多元化评价标准;以国家重大需求为导向,鼓励原创性、标志性和综合性成果,弱化文章数量和影响因子等评价模式,并加强生态环境防治大众科普宣传和公众参与,注重研究成果的科学价值和落地产出,鼓励将科研谱写在祖国大地上。


6

结 语



走向生态文明新时代、实现人与自然和谐共生是实现中华民族伟大复兴中国梦的重要内容。未来,面向国家生态环境重大需求,开展生态环境系统性防治和风险控制研究,提出系统整体的生态环境问题解决方案,是环境工程学科未来重要发展方向,也是自然科学基金委的重要使命。随着国家需求变化和科技发展,环境工程学科方向仍需不断优化和调整,仍将“基于历史、立足当下、面向全球、着眼未来”,鼓励广大学者聚焦学术前沿、开展交叉融合研究,争取获得重大科技创新成果,推动学科方向内涵不断深化,实现环境工程学科高质量发展。为世界生态环境治理提供中国智慧、贡献中国力量,以彰显中国对全球生态环境治理和生态文明建设的大国担当。


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202310125-yangjing.pdf


致谢 本文根据2023年2月25—26日于南京召开的“生态环境系统工程与风险控制论坛-学科战略研讨会”专家报告及研讨内容进行梳理和整理,诚挚感谢院士及各位与会专家对学科方向发展提出的宝贵建议。


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