學術前沿 |【ESE】14位美國工程院院士：土木與環境工程如何重塑現代社會

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本期為您轉載自卓越期刊Environmental Science and Ecotechnology（ESE）的研究成果。該刊是由中國環境科學學會、哈爾濱工業大學、中國環境科學研究院聯合主辦，Elsevier 出版的開放獲取國際學術期刊，位列中科院一區，最新影響因子14.3，重點刊發全球環境熱點與生態技術創新。以下為精選全文，供行業參考。

ESE期刊顧問Glen T. Daigger等14位美國國家工程院院士在The Bridge 2026年夏季特刊“Engineering America: Celebrating 250 Years of Innovation”上聯合發表文章“Major Civil and Environmental Engineering Innovations Over the Past 250 Years”，聚焦土木與環境工程，回顧水資源、公共衛生、水處理、空氣污染控制、交通系統以及地震與結構工程等領域的重要進展。

過去250年，土木與環境工程的核心任務不斷擴展。它最初解決的是安全飲水、污水排放、防洪和交通連接等基礎問題；進入現代以后，學科目標逐漸轉向污染控制、資源管理、災害風險削減和復雜系統運行；面向未來，則越來越強調可持續、韌性、智能化和跨系統協同。

環境工程的起點

讓城市遠離水傳播疾病

環境工程的形成，與公共衛生密切相關。

19世紀末，城市人口增長和基礎設施不足，使受污染飲用水成為疾病傳播的重要來源。早期環境工程的任務十分明確：提供安全飲水，處理城市污水，并盡可能減少飲用水與污水之間的交叉污染。

費城、紐約、芝加哥等城市較早推進供水與排水系統建設，將飲用水源和污水排放隔離開來，顯著降低了水傳播疾病風險。20世紀初，氯消毒技術進一步減少了霍亂、傷寒、痢疾等疾病傳播，成為現代城市公共衛生體系的重要基礎。

以1900年前后的水傳播疾病死亡水平與當前情況相比，其差異相當于每年約35萬人死亡的減少。這一估算說明，環境工程對公共健康的影響，往往并不體現為單一技術的顯性存在，而體現在疾病負擔下降、壽命延長和城市日常運行的穩定性之中。

環境工程的議題隨后不斷擴展。安全飲水和污水處理仍是基礎，但新的挑戰持續出現：消毒副產物、新發病原體、痕量污染物、空氣污染、固體廢物、氣候變化、抗微生物耐藥性、PFAS和微塑料等，都進入了環境工程的研究和治理范圍。

學科邊界的擴大，也改變了環境工程的工作方式。它不再只是末端處理技術的集合，而逐漸成為連接公共健康、環境質量、資源安全和社會治理的綜合工程體系。

水資源工程

從水利設施到復雜水系統

水資源工程長期是土木與環境工程的重要支柱。無論是蓄水、輸水、配水，還是防洪、灌溉和水電開發，水基礎設施都直接影響社會發展和區域韌性。

早期水資源工程更多依賴工程經驗和單項設施建設。隨著水文學、水力學、概率分析和系統分析的發展，水資源管理逐漸從“建工程”轉向“管系統”。工程師不僅要考慮供水、防洪和發電，還要在生態、經濟、政策和社會風險之間進行綜合權衡。

這一轉變在防洪領域尤為明顯。過去一個世紀，洪水預警和疏散系統使全球洪水死亡率下降超過80%，美國下降超過90%。這表明，現代防災減災不只是堤壩、水庫等硬質工程的結果，也依賴監測、模型、預警、組織和應急體系共同發揮作用。

近年來，遙感、實時監測、先進模型和計算能力進一步改變了水系統治理方式。衛星、航空器、無人機、傳感網絡和數字孿生技術，使降水、土壤水分、植被變化和流域過程能夠在更大尺度上被持續觀測。水資源管理由此從靜態設計，轉向動態感知、風險評估和預測調控。

與此同時，生態水文學的發展推動水系統設計進一步融合大氣、生物和地質過程。對未來流域治理和城市水安全而言，關鍵不再只是“控制水”，而是理解水循環與生態系統、氣候過程和人類活動之間的相互作用。

水處理技術

城市環境治理的關鍵底盤

如果說安全飲水奠定了環境工程的公共衛生基礎，那么污水處理技術則塑造了現代城市的環境底盤。

1914年，活性污泥法的提出成為水處理史上的重要節點。最初，這一方法是在微生物機制尚未完全闡明的情況下投入應用；后來，隨著環境微生物學和生物反應動力學的發展，活性污泥系統被認識為復雜的微生物過程，并逐漸成為全球污水處理系統的基礎技術之一。

此后，水處理技術沿著多個方向持續演進。

一方面，微生物過程變得更加可識別、可調控。污染物去除、氮磷削減、溫室氣體排放控制等問題，都與微生物群落結構和功能密切相關。組學技術的引入，使研究者能夠更深入地識別污染物降解、氮循環和溫室氣體產生的關鍵微生物機制。

另一方面，數學模型提高了污水處理過程的工程可控性。模型將微生物過程、反應動力學和運行參數聯系起來，使曝氣、污泥齡、負荷控制和營養鹽去除能夠更加精細化。

材料科學也在重塑水處理技術路徑。膜技術，尤其是反滲透技術，使海水淡化和受損水源凈化成為可能。下一代膜材料則進一步追求選擇性、耐久性和低化學藥劑消耗。納米催化劑、吸附材料和功能膜也被用于難降解污染物去除、營養物循環和能源回收。

更深層的變化，是水處理目標本身正在轉向。過去的核心任務是“去除污染物”；現在，越來越多技術開始關注“回收資源”。從廢水中回收能量、氮磷等營養物，乃至從高鹽水體或鹵水中提取鋰、稀土等關鍵資源，都表明水處理設施正在從末端治理單元，轉變為資源循環體系中的重要節點。

這對環境工程提出了新的命題：未來的污水處理廠，不應只是污染物削減設施，也可能成為城市能源、養分和關鍵資源回收平臺。

空氣污染控制

從削減排放到理解大氣反應

空氣污染控制同樣經歷了從直觀治理到復雜機理治理的轉變。

早期空氣污染問題常表現為煙塵、煤煙和明顯異味，治理重點主要是削減直接排放。環境空氣質量標準的建立，則推動了以人體健康保護為目標的監管體系和排放控制技術發展，并促進鉛、二氧化硫、一氧化碳等污染物削減。

然而，現代空氣污染治理的難點遠不止于“少排放”。地表臭氧和細顆粒物往往不是簡單的一次排放物，而是在大氣中經過復雜化學反應生成。揮發性有機物、氮氧化物、太陽輻射、氣象條件和區域輸送共同影響污染形成過程。

天然排放進一步增加了治理復雜性。植物釋放的揮發性有機物也會參與臭氧和二次污染形成，無法像工業排放源一樣被直接控制，卻必須進入空氣質量模型和政策評估框架。

因此，現代空氣污染控制需要同時處理排放清單、大氣化學、氣象過程、生態系統排放和區域協同治理之間的關系。對許多城市而言，臭氧和PM2.5協同控制的難度，正來自這種多過程、多尺度、多來源耦合。

交通基礎設施

效率提升之后的環境約束

交通系統并非環境工程的狹義對象，卻深刻影響能源消耗、空氣質量、土地利用、城市格局和碳排放。

過去250年間，交通基礎設施改變了區域聯系和社會運行方式。19世紀60年代，跨大陸鐵路建設連接美國大西洋與太平洋沿岸，工程師需要應對山脈、沙漠和極端氣候條件，并依靠橋梁、隧道、測量技術、鋼軌和鋼筋混凝土等工程創新完成系統建設。

20世紀，州際高速公路系統成為重要基礎設施工程。全長約4.9萬英里的高速公路網絡，實現了大范圍連續高速通行，也推動了互通立交、控制出入道路、多層路面結構等設計進步。航空運輸系統則進一步改變了人與貨物的全球流動方式，機場、跑道、航站樓、空管系統、排水和安全設計共同構成復雜基礎設施體系。

交通基礎設施提高了流動效率，也帶來了持續的環境約束。機動車排放、土地擴張、能源消耗、噪聲、生態破碎化和碳排放，都是交通系統外溢影響的一部分。

因此，今天的交通工程創新已經不能只以“更快、更遠、更大規模”為目標。網聯與自動駕駛汽車、數字孿生、韌性設計和替代燃料等方向，體現出交通系統正在向安全、低碳、智能和可恢復轉型。交通基礎設施的環境意義，也越來越需要從全生命周期和系統協同角度加以評估。

地震與結構工程

從避免倒塌到保障恢復

過去60年，地震、結構與施工工程發生了重要轉向：從防止結構倒塌，轉向保障生命安全、減少損傷、維持功能和加快恢復。

20世紀60年代，地震工程仍大量依賴簡化方法和有限經驗。建筑規范更多關注等效側向力，對強震作用下結構真實行為的解釋能力有限。1964年阿拉斯加地震、1971年圣費爾南多地震等事件暴露出建筑和基礎設施系統的薄弱環節，推動了地震工程研究投入。

此后，強震觀測、動力分析、大型實驗模擬和非線性計算不斷發展。工程師開始能夠模擬結構開裂、屈服、強度退化和失穩過程。基于性能的抗震工程由此形成，使設計目標從滿足規范要求，轉向更明確的功能結果：震后能否繼續使用，能否保障生命安全，能否防止倒塌，關鍵設施能否保持運行。

隔震和耗能減震技術也改變了工程實踐。通過降低地震加速度和結構損傷，醫院、應急設施、博物館和關鍵基礎設施能夠在強震后更好維持功能。高性能混凝土和鋼材、纖維增強材料、復合系統、工程木結構和可控搖擺體系，則為結構韌性提供了更多技術路徑。

更重要的是，現代地震工程已經從單體建筑擴展到社區尺度。一次地震的社會后果，不只取決于某棟建筑是否損壞，還取決于交通、供水、供電、住房、通信和應急服務能否恢復。恢復時間和系統功能，往往比單純物理損傷更能決定災害的經濟和社會影響。

這也是韌性城市建設的核心邏輯：工程系統不僅要在災害中減少破壞，也要在沖擊后盡快恢復基本功能。

從幾個關鍵數字

看工程創新的社會價值

水傳播疾病死亡水平的歷史差異，相當于每年約35萬人死亡的減少；過去一個世紀，洪水預警和疏散系統使全球洪水死亡率下降超過80%；州際高速公路系統總里程約4.9萬英里；自20世紀30年代以來，施工和結構失效導致的死亡率總體下降約90%。

這些數字共同指向一個事實：工程創新的社會價值，常常體現在風險被降低、疾病被減少、系統更穩定、災后恢復更快，以及資源和環境壓力得到更有效管理。

環境工程尤其如此。它的成果并不總是以宏大工程或單項技術突破的形式出現，而更多體現在清潔的自來水、穩定運行的污水處理系統、較低的污染暴露、更可靠的災害預警和更有韌性的城市基礎設施中。

環境工程的未來

不止于污染治理

面向未來，土木與環境工程的關鍵詞正在變得更加清晰：可持續、韌性、智能化和系統集成。

人工智能、數據分析、遙感、傳感網絡、數字孿生、先進材料和分子生物學，正在進入水處理、空氣污染控制、災害預警、基礎設施運維和資源循環等多個場景。與此同時，基礎設施老化、氣候變化、極端天氣、新污染物和資源約束，也在提高工程系統面臨的不確定性。

環境工程的未來任務，將不只是“把污染物去掉”，而是要回答更加系統的問題：

? 城市水系統如何同時實現安全、低碳和資源回收？

? 污水處理廠如何從污染削減設施轉變為能源與資源回收平臺？

? 空氣污染治理如何耦合排放控制、大氣化學和氣候過程？

? 基礎設施如何在洪水、地震、熱浪和復合災害下維持功能？

? 環境治理如何與能源轉型、城市更新和公共健康協同推進？

從安全飲水到韌性城市，土木與環境工程的發展始終圍繞一個基本目標展開：讓人類社會在更安全、更健康、更可持續的環境中運行。

對于環境科學與工程領域而言，這種歷史回望的價值不在于復制某一國家的工程路徑，而在于重新認識工程創新的長期邏輯。真正持久的環境工程進步，最終都要回到公共健康、資源可持續利用、生態環境保護和社會韌性的共同提升。

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排版：李濱妤

審核：孫麗華

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