典型河道生态修复工程的系统最优控制策略探析

康丽娟

(上海市环境科学研究院，上海 200233)

城市河道是城市空间骨架和生态系统不可或缺的组成部分，是区域水资源的重要载体和经济社会发展的重要支撑。城市河流生态系统是一个社会-经济-自然的复合生态系统，城市河道由于被人类高强度地开发利用和改造，其河流特征及水生态机制与自然河道不同，在生态修复策略上也与自然河道存在较大差异。城市河道生态修复是基于河道自然功能和社会功能，对退化生态系统的选择性再生和再发展，总体目标是协调自然与社会经济发展的关系，在景观的尺度上，保持生态系统的可持续性，保障和实现区域生态安全。针对城市水网地区刚脱离黑臭阶段的河道而言，河道生态修复的实施，往往来自于经济高度发展之后人们对城市生态的需求，在城市河道生态修复技术的选择上，既要遵循生态学理论，也要结合流域和区域经济、环境、社会等多方面因素[1]。《上海市河道规划设计导则》明确提出建设生态之河、安全之河、都市之河、人文之河、创新之河的目标，并提出了综合治理、动态更新等保障机制。本文以上海市中心城区典型河段生态修复工程为例，分析了河道生态修复工程中存在的主要问题，探讨了系统最优控制指导下的河道生态修复策略，以期为“十四五”期间城市河道生态修复提供参考。

1 典型河道生态修复工程概况

典型河段位于上海市中心城区，长5.196km，底宽8.2～19.6m，面宽21.0～32.0m，深度为3.5m，河道护岸结构基本为硬质直立式。该典型河段与其他5条河段直接相连，在引排水期间，河道水系沟通，非引排水期间，水体流速在3cm/s左右，各河段相互隔离，形成了近乎封闭的水体。河段易产生淤积，基本2～3年清淤一次。河段沿线各类企事业单位约3000家，人口密度约2.4万人/km2，区域生活污水收集率达100%，无直接入河工业及生活污染源排放口，沿线有6个市政雨水系统排放口。河段入河污染源主要为沿河排水系统雨天放江污染和相连水系间的污染传输。

2018年之前河段为黑臭河道，经过一系列整治之后，河段基本消除黑臭。河道综合整治策略由以“消除黑臭、改善水质”为主转向以“稳定水质、修复生态”为主。2018年以来，新建生态修复工程12.9万m2，包括软围隔2160m、挂膜11500m、水车式增氧机68台、沉水植物群落构建8.0万m2、生态浮岛3000m2等。河段生态修复工程实施以后，对河道水质起到了显著的改善作用，与2016年相比，2019年化学需氧量与五日生化需氧量降低了25%左右，氨氮与总磷降低了45%左右，溶解氧含量提高了2.7倍。河道生态景观得到大幅提升，在岸带绿化方面，部分区段修建了亭、廊，扩建了亲水河岸绿地等，增加了河岸绿化面积，提高了河岸的观赏性与沿岸生物的多样性。在水域景观方面，放眼望去，水面两侧生态浮床错落有致，浮床植物高低错落、层次丰富，成为新的景观亮点。

2 河道生态修复工程中亟待解决的问题

典型河段生态修复工程以“一河一策”为落脚点，围绕水质提升、环境改善、景观美化的总体要求，以达到功能区水质要求为目标，按照“水岸联动、截污治污、沟通水系、调活水体、改善水质、修复生态”的治水思路，围绕问题突出、治理效果明显、见效快、群众反应大、投诉多的治理任务和前期工作基础好的项目开展整治。经过一系列工程和管理措施，从主要水质指标看，水质向好趋势明显。其中水体生态修复工程作为长效管理措施，经过2年的实施与维护，对河段及周边景观提升起到了积极的作用，昔日“臭水塘”变身“小滨江”，成为附近居民休闲娱乐的好去处。但仍存在生态修复的目标不清晰、生态修复尺度随机性大、生态修复监测指标缺乏等一系列问题。

2.1 生态修复的目标不清晰

河流生态系统是一个复杂、开放、动态的非线性系统，水体生态修复是一个系统工程，不遵守线性因果关系逻辑，特别是对刚刚脱离黑臭阶段的河段而言，人工强化生态修复工程的结果可能是多样的。生态修复的不确定性要求在生态修复工程实施的过程中，要根据河道具体情况制定明确的总体目标及阶段目标，围绕生态修复目标规划后续生态修复技术的选择与工程的实施。

2.2 生态修复尺度随机性大

生态过程与空间尺度具有很大的相关性，不同的尺度下，水体生态系统具有不同的生态学特征及生态效应。一方面，修复措施在不同的规模下有不同的生态效应。以浮床技术为例，在河道生态修复工程中，只有当生物浮床达到一定的面积或规模时，才能产生可测量的生态影响。另一方面，随着工程规模的扩大，措施的“边际效用”逐步突显。同样以浮床技术为例，措施的覆盖规模与其生态效应并非线性关系，随着规模的扩大，个别指标可能出现恶化趋势[2]。在该河段生态修复工程中，工程量确定的科学依据不足，随机性大。在沉水植物构建过程中，原计划构建8万m2，受现场条件限制，实际工程量远远小于计划面积。在水体增氧设施的设置上，由于河道水体需氧水动力模型不具有普适性[3]，工程规划设计的增氧设施不能满足河道水质改善的需求，导致后期增氧措施类型与规模多次变动。虽然《上海市河道生态整治导则》对河道生态整治提供了较详细的引导和规范，但在技术上，已经难以适应生态修复产业化的需求。

2.3 生态修复监测指标缺乏

生态系统的修复是个极其复杂的过程，生态过程和功能的恢复需要很长的时间。越来越多的证据表明，很多生态修复工程最初是乐观的，而随着时间的增加，结果往往低于预期。从该河段表观来看，2018年、2019年及2020年7月之前浮床植物长势良好，但之后浮床植物出现大面积枯死现象。生态修复工程实施前，该河段大型动植物几乎绝迹，河道水体生态系统退化及生态修复工程材料的引入为外来物种入侵提供了有利条件，目前福寿螺、水花生、非洲大蜗牛等恶性外来入侵物种大量出现[4]。不仅对生态修复的目标物种产生了极大的限制作用，降低了目标物种的生物量和成活率，而且在水网地区，入侵物种的出现极易加剧其在河网中的流动与暴发分布，引起区域范围的环境风险。

3 最优控制指导下的河道生态修复策略

最优控制问题是根据不同的研究对象以及预期达到的目的，去寻求一个最优控制方案。刚脱离黑臭状态的河道水生态系统属于受损生态系统，其损伤是全系统、多方位的，相应的生态修复工程属于复杂的系统工程，系统中生物与非生物要素非常多，每个要素之间都是相互作用、相互联系的。河道生态修复工程应从系统思维出发，以整体观念推进，顺应生态修复的内在规律，在给定的人力、物力投入下，寻求最优的控制方案，方能取得生态修复的最优绩效，实现生产、生活、生态的和谐统一。

3.1 长期目标同阶段目标并重

明确的生态修复目标是实施生态修复工程最重要的内容，这个目标既可以是能够测量的生态结果，也可以是易于感知的美学结果。目前在生态修复目标的表征上，部分研究者依托参考生态系统，从生态系统整体性出发，以生态系统的结构和功能为着眼点，以生物群落多样性为衡量指标，以生态修复所能达到的状态为目标[5]；也有研究者以生态修复实施后所表达出的健康性、可持续性等属性与特性为生态修复的目标[6]。城市河流生态系统是一定空间内生物与环境构成的统一整体，随着城市的发展，流域或区域对河流生态系统的支撑和胁迫因子也处于不断的变化之中，将河道恢复至某一参考状态是不切实际的，而仅仅重建了生态系统结构和组成而没有恢复生态系统功能，则不能认为是成功的生态修复。

河段生态修复工程是河道综合整治的一部分，该河段除了防洪除涝、引清调水、生态涵养等功能，还承载着城市生态景观的功能，是市民休闲娱乐与文化展示的重要平台，是城市特质与城市形象的集中反映。河道生态修复工程最终的目的要与人的因素结合起来，实现人居环境的改善、人与自然的和谐共处[7]。河道生态修复是一个系统工程，生态修复目标往往无法一步到位，应综合投资者、管理者、工程人员和其他利益相关者需求，从系统整体出发确立生态修复具体目标或阶段目标[8]。协同经济可行、利益相关者满意、景观优美、基础设施完善、教育展示提升等因素，一段时间以保护或修复一项生态系统服务功能为主，保持生态修复效果的可持续性，实现生态的整体修复。在该典型河道的生态修复工程中，长远目标是提高公众满意度，满足人民日益增长的对优美生态环境的需要，现阶段应以植被的自我维持为主要目标，提高对非期望物种入侵的抗性，启动生境景观范围内生态系统的自发修复过程。

3.2 局部修复和系统治理相结合

随着生态文明建设的推进，系统治理、整体治理已从认识走向实践，在生态修复的思路上强调以“山水林田湖草是一个生命共同体”为认知基础，从单一要素修复转向全域、全过程协同治理，从单一目标线性治理，走向社会、经济、生态的多目标综合协同。长江三角洲区域一体化发展上升为国家战略，为区域生态修复做出了顶层设计，为区域河网自上而下和自下而上联动修复提供了根本遵循。以上海市为例，全市几乎每条河道均实施了不同规模与程度的生态修复工程，有些河段生态修复工程效果显著，有些河段生态修复工程暂未显露成效。总体来看，局部效果显著但整体效果不突出，各河段生态修复工程未形成区域河网生态修复成效的协同，甚至产生了成效间的相互制约。河道生态修复工程具有风险大、周期长、投资高等特点，应强调工程的综合效益。在系统层面上确定最佳的修复策略和资金分配计划，以该河段为例，河段的生态修复工程是区域生态修复的有机组成部分，具体工程设置应与河网修复目标相结合，将河段与5条直接相连河段及其他间接连通河段作为整体考虑，在有限的资金支撑下，力求空间公平，使人口、经济、资源环境协同，寻求一个最优控制方案。

我国正在编制“十四五”生态环境保护规划，生态空间网络体系建设将是“十四五”工作重点之一。城市河流生态廊道作为国家生态安全空间战略的一部分，对于优化空间格局发挥着重要作用。河道生态修复工程需要将局部修复和系统治理相结合，一方面自下而上，立足“一河一策”，细化河段生态修复方案，明确植物的筛选配置、种植密度等具体指标；一方面自上而下，将河流所在的流域作为一个整体来考虑，系统、渐进、有针对性地不断改善区域生态环境质量，营造高品质的环境优美的生活空间，使城市更加宜居、更具活力、更有特色。

3.3 动态评价与反馈修正相呼应

生态系统是一个不断变化的非线性复杂系统，需要建立负反馈机制，不断完善、改进修复措施和管理方式，确保河流生态修复工程目标的实现。目前大规模城市水体生态修复工程关注点依然停留在水质指标，对生态系统的关注不足，生态修复工程的动态评价指标匮乏，制约工程的反馈修正，降低了河道生态修复工程的综合效益。退化环境中生态系统的恢复通常是很缓慢的，修复的效果很难在短期内体现。该河段的生态修复工程处于河道生态修复的初期，应重点关注生态系统结构的恢复，应同步监测生态系统的结构指标，及时掌握恢复的进展。以该河段的浮床植物为例，浮床植物主要为狐尾藻和铜钱草，一段时间内植物长势良好，提升了区域的景观效果，受到水质及外来物种等因素冲击时，两种植物均处于难以存活和生长状况不佳的状态。如果在工程实施的过程中，有物种结构评价的指标来提供中途纠正恢复偏差的机会，及时增加物种多样性，就有可能提高目标植物的生存量，使生态系统沿着预知的演替轨迹进展。

持续性是实现生态修复目标的必要条件，生态系统动态监测是降低生态系统发展不确定性的重要手段。对生态修复工程不同阶段开展动态监测与评价也是修复工程的重要环节。我国对河流的保护工作已经从水质改善阶段进入到生态提升阶段，生态修复市场巨大，河道生态修复产业化初现雏形。在生态修复工程建管分开的体制下，生态修复工程实施过程中修正修复方案有较大的可行性，在管理维护阶段，生态系统动态监测指标的缺乏不利于生态修复工程养护的质量和效率稳定，补救应急式的管理也大大提高了工程运营维护的成本。

4 结 语

系统治理是一个多层次的动态概念，在河道生态修复的实践中不仅指流域层面上的系统整体治理、区域内各修复措施间的协同治理，也包括单个修复措施的分阶段优化实施。城市河道生态修复工程是河道综合整治的一部分，首先要在流域治理的框架下与其他修复措施相协调，就单个河段生态修复工程而言，应遵循生态学理论，科学合理地制定生态修复的目标，将河段作为生态廊道的有机部分，将局部的生态修复工程与系统治理相结合，重视生态修复的综合效益，不断完善、改进修复措施和管理方式，寻求最优的控制策略，实现生产、生活、生态的和谐统一。