典型河道生態修復工程的系統最優控制策略探析

康麗娟

(上海市環境科學研究院，上海 200233)

城市河道是城市空間骨架和生態系統不可或缺的組成部分，是區域水資源的重要載體和經濟社會發展的重要支撐。城市河流生態系統是一個社會-經濟-自然的復合生態系統，城市河道由于被人類高強度地開發利用和改造，其河流特征及水生態機制與自然河道不同，在生態修復策略上也與自然河道存在較大差異。城市河道生態修復是基于河道自然功能和社會功能，對退化生態系統的選擇性再生和再發展，總體目標是協調自然與社會經濟發展的關系，在景觀的尺度上，保持生態系統的可持續性，保障和實現區域生態安全。針對城市水網地區剛脫離黑臭階段的河道而言，河道生態修復的實施，往往來自于經濟高度發展之后人們對城市生態的需求，在城市河道生態修復技術的選擇上，既要遵循生態學理論，也要結合流域和區域經濟、環境、社會等多方面因素[1]。《上海市河道規劃設計導則》明確提出建設生態之河、安全之河、都市之河、人文之河、創新之河的目標，并提出了綜合治理、動態更新等保障機制。本文以上海市中心城區典型河段生態修復工程為例，分析了河道生態修復工程中存在的主要問題，探討了系統最優控制指導下的河道生態修復策略，以期為“十四五”期間城市河道生態修復提供參考。

1 典型河道生態修復工程概況

典型河段位于上海市中心城區，長5.196km，底寬8.2～19.6m，面寬21.0～32.0m，深度為3.5m，河道護岸結構基本為硬質直立式。該典型河段與其他5條河段直接相連，在引排水期間，河道水系溝通，非引排水期間，水體流速在3cm/s左右，各河段相互隔離，形成了近乎封閉的水體。河段易產生淤積，基本2～3年清淤一次。河段沿線各類企事業單位約3000家，人口密度約2.4萬人/km2，區域生活污水收集率達100%，無直接入河工業及生活污染源排放口，沿線有6個市政雨水系統排放口。河段入河污染源主要為沿河排水系統雨天放江污染和相連水系間的污染傳輸。

2018年之前河段為黑臭河道，經過一系列整治之后，河段基本消除黑臭。河道綜合整治策略由以“消除黑臭、改善水質”為主轉向以“穩定水質、修復生態”為主。2018年以來，新建生態修復工程12.9萬m2，包括軟圍隔2160m、掛膜11500m、水車式增氧機68臺、沉水植物群落構建8.0萬m2、生態浮島3000m2等。河段生態修復工程實施以后，對河道水質起到了顯著的改善作用，與2016年相比，2019年化學需氧量與五日生化需氧量降低了25%左右，氨氮與總磷降低了45%左右，溶解氧含量提高了2.7倍。河道生態景觀得到大幅提升，在岸帶綠化方面，部分區段修建了亭、廊，擴建了親水河岸綠地等，增加了河岸綠化面積，提高了河岸的觀賞性與沿岸生物的多樣性。在水域景觀方面，放眼望去，水面兩側生態浮床錯落有致，浮床植物高低錯落、層次豐富，成為新的景觀亮點。

2 河道生態修復工程中亟待解決的問題

典型河段生態修復工程以“一河一策”為落腳點，圍繞水質提升、環境改善、景觀美化的總體要求，以達到功能區水質要求為目標，按照“水岸聯動、截污治污、溝通水系、調活水體、改善水質、修復生態”的治水思路，圍繞問題突出、治理效果明顯、見效快、群眾反應大、投訴多的治理任務和前期工作基礎好的項目開展整治。經過一系列工程和管理措施，從主要水質指標看，水質向好趨勢明顯。其中水體生態修復工程作為長效管理措施，經過2年的實施與維護，對河段及周邊景觀提升起到了積極的作用，昔日“臭水塘”變身“小濱江”，成為附近居民休閑娛樂的好去處。但仍存在生態修復的目標不清晰、生態修復尺度隨機性大、生態修復監測指標缺乏等一系列問題。

2.1 生態修復的目標不清晰

河流生態系統是一個復雜、開放、動態的非線性系統，水體生態修復是一個系統工程，不遵守線性因果關系邏輯，特別是對剛剛脫離黑臭階段的河段而言，人工強化生態修復工程的結果可能是多樣的。生態修復的不確定性要求在生態修復工程實施的過程中，要根據河道具體情況制定明確的總體目標及階段目標，圍繞生態修復目標規劃后續生態修復技術的選擇與工程的實施。

2.2 生態修復尺度隨機性大

生態過程與空間尺度具有很大的相關性，不同的尺度下，水體生態系統具有不同的生態學特征及生態效應。一方面，修復措施在不同的規模下有不同的生態效應。以浮床技術為例，在河道生態修復工程中，只有當生物浮床達到一定的面積或規模時，才能產生可測量的生態影響。另一方面，隨著工程規模的擴大，措施的“邊際效用”逐步突顯。同樣以浮床技術為例，措施的覆蓋規模與其生態效應并非線性關系，隨著規模的擴大，個別指標可能出現惡化趨勢[2]。在該河段生態修復工程中，工程量確定的科學依據不足，隨機性大。在沉水植物構建過程中，原計劃構建8萬m2，受現場條件限制，實際工程量遠遠小于計劃面積。在水體增氧設施的設置上，由于河道水體需氧水動力模型不具有普適性[3]，工程規劃設計的增氧設施不能滿足河道水質改善的需求，導致后期增氧措施類型與規模多次變動。雖然《上海市河道生態整治導則》對河道生態整治提供了較詳細的引導和規范，但在技術上，已經難以適應生態修復產業化的需求。

2.3 生態修復監測指標缺乏

生態系統的修復是個極其復雜的過程，生態過程和功能的恢復需要很長的時間。越來越多的證據表明，很多生態修復工程最初是樂觀的，而隨著時間的增加，結果往往低于預期。從該河段表觀來看，2018年、2019年及2020年7月之前浮床植物長勢良好，但之后浮床植物出現大面積枯死現象。生態修復工程實施前，該河段大型動植物幾乎絕跡，河道水體生態系統退化及生態修復工程材料的引入為外來物種入侵提供了有利條件，目前福壽螺、水花生、非洲大蝸牛等惡性外來入侵物種大量出現[4]。不僅對生態修復的目標物種產生了極大的限制作用，降低了目標物種的生物量和成活率，而且在水網地區，入侵物種的出現極易加劇其在河網中的流動與暴發分布，引起區域范圍的環境風險。

3 最優控制指導下的河道生態修復策略

最優控制問題是根據不同的研究對象以及預期達到的目的，去尋求一個最優控制方案。剛脫離黑臭狀態的河道水生態系統屬于受損生態系統，其損傷是全系統、多方位的，相應的生態修復工程屬于復雜的系統工程，系統中生物與非生物要素非常多，每個要素之間都是相互作用、相互聯系的。河道生態修復工程應從系統思維出發，以整體觀念推進，順應生態修復的內在規律，在給定的人力、物力投入下，尋求最優的控制方案，方能取得生態修復的最優績效，實現生產、生活、生態的和諧統一。

3.1 長期目標同階段目標并重

明確的生態修復目標是實施生態修復工程最重要的內容，這個目標既可以是能夠測量的生態結果，也可以是易于感知的美學結果。目前在生態修復目標的表征上，部分研究者依托參考生態系統，從生態系統整體性出發，以生態系統的結構和功能為著眼點，以生物群落多樣性為衡量指標，以生態修復所能達到的狀態為目標[5]；也有研究者以生態修復實施后所表達出的健康性、可持續性等屬性與特性為生態修復的目標[6]。城市河流生態系統是一定空間內生物與環境構成的統一整體，隨著城市的發展，流域或區域對河流生態系統的支撐和脅迫因子也處于不斷的變化之中，將河道恢復至某一參考狀態是不切實際的，而僅僅重建了生態系統結構和組成而沒有恢復生態系統功能，則不能認為是成功的生態修復。

河段生態修復工程是河道綜合整治的一部分，該河段除了防洪除澇、引清調水、生態涵養等功能，還承載著城市生態景觀的功能，是市民休閑娛樂與文化展示的重要平臺，是城市特質與城市形象的集中反映。河道生態修復工程最終的目的要與人的因素結合起來，實現人居環境的改善、人與自然的和諧共處[7]。河道生態修復是一個系統工程，生態修復目標往往無法一步到位，應綜合投資者、管理者、工程人員和其他利益相關者需求，從系統整體出發確立生態修復具體目標或階段目標[8]。協同經濟可行、利益相關者滿意、景觀優美、基礎設施完善、教育展示提升等因素，一段時間以保護或修復一項生態系統服務功能為主，保持生態修復效果的可持續性，實現生態的整體修復。在該典型河道的生態修復工程中，長遠目標是提高公眾滿意度，滿足人民日益增長的對優美生態環境的需要，現階段應以植被的自我維持為主要目標，提高對非期望物種入侵的抗性，啟動生境景觀范圍內生態系統的自發修復過程。

3.2 局部修復和系統治理相結合

隨著生態文明建設的推進，系統治理、整體治理已從認識走向實踐，在生態修復的思路上強調以“山水林田湖草是一個生命共同體”為認知基礎，從單一要素修復轉向全域、全過程協同治理，從單一目標線性治理，走向社會、經濟、生態的多目標綜合協同。長江三角洲區域一體化發展上升為國家戰略，為區域生態修復做出了頂層設計，為區域河網自上而下和自下而上聯動修復提供了根本遵循。以上海市為例，全市幾乎每條河道均實施了不同規模與程度的生態修復工程，有些河段生態修復工程效果顯著，有些河段生態修復工程暫未顯露成效。總體來看，局部效果顯著但整體效果不突出，各河段生態修復工程未形成區域河網生態修復成效的協同，甚至產生了成效間的相互制約。河道生態修復工程具有風險大、周期長、投資高等特點，應強調工程的綜合效益。在系統層面上確定最佳的修復策略和資金分配計劃，以該河段為例，河段的生態修復工程是區域生態修復的有機組成部分，具體工程設置應與河網修復目標相結合，將河段與5條直接相連河段及其他間接連通河段作為整體考慮，在有限的資金支撐下，力求空間公平，使人口、經濟、資源環境協同，尋求一個最優控制方案。

我國正在編制“十四五”生態環境保護規劃，生態空間網絡體系建設將是“十四五”工作重點之一。城市河流生態廊道作為國家生態安全空間戰略的一部分，對于優化空間格局發揮著重要作用。河道生態修復工程需要將局部修復和系統治理相結合，一方面自下而上，立足“一河一策”，細化河段生態修復方案，明確植物的篩選配置、種植密度等具體指標；一方面自上而下，將河流所在的流域作為一個整體來考慮，系統、漸進、有針對性地不斷改善區域生態環境質量，營造高品質的環境優美的生活空間，使城市更加宜居、更具活力、更有特色。

3.3 動態評價與反饋修正相呼應

生態系統是一個不斷變化的非線性復雜系統，需要建立負反饋機制，不斷完善、改進修復措施和管理方式，確保河流生態修復工程目標的實現。目前大規模城市水體生態修復工程關注點依然停留在水質指標，對生態系統的關注不足，生態修復工程的動態評價指標匱乏，制約工程的反饋修正，降低了河道生態修復工程的綜合效益。退化環境中生態系統的恢復通常是很緩慢的，修復的效果很難在短期內體現。該河段的生態修復工程處于河道生態修復的初期，應重點關注生態系統結構的恢復，應同步監測生態系統的結構指標，及時掌握恢復的進展。以該河段的浮床植物為例，浮床植物主要為狐尾藻和銅錢草，一段時間內植物長勢良好，提升了區域的景觀效果，受到水質及外來物種等因素沖擊時，兩種植物均處于難以存活和生長狀況不佳的狀態。如果在工程實施的過程中，有物種結構評價的指標來提供中途糾正恢復偏差的機會，及時增加物種多樣性，就有可能提高目標植物的生存量，使生態系統沿著預知的演替軌跡進展。

持續性是實現生態修復目標的必要條件，生態系統動態監測是降低生態系統發展不確定性的重要手段。對生態修復工程不同階段開展動態監測與評價也是修復工程的重要環節。我國對河流的保護工作已經從水質改善階段進入到生態提升階段，生態修復市場巨大，河道生態修復產業化初現雛形。在生態修復工程建管分開的體制下，生態修復工程實施過程中修正修復方案有較大的可行性，在管理維護階段，生態系統動態監測指標的缺乏不利于生態修復工程養護的質量和效率穩定，補救應急式的管理也大大提高了工程運營維護的成本。

4 結 語

系統治理是一個多層次的動態概念，在河道生態修復的實踐中不僅指流域層面上的系統整體治理、區域內各修復措施間的協同治理，也包括單個修復措施的分階段優化實施。城市河道生態修復工程是河道綜合整治的一部分，首先要在流域治理的框架下與其他修復措施相協調，就單個河段生態修復工程而言，應遵循生態學理論，科學合理地制定生態修復的目標，將河段作為生態廊道的有機部分，將局部的生態修復工程與系統治理相結合，重視生態修復的綜合效益，不斷完善、改進修復措施和管理方式，尋求最優的控制策略，實現生產、生活、生態的和諧統一。