典型河道生態(tài)修復(fù)工程的系統(tǒng)最優(yōu)控制策略探析

康麗娟

(上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海 200233)

城市河道是城市空間骨架和生態(tài)系統(tǒng)不可或缺的組成部分，是區(qū)域水資源的重要載體和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要支撐。城市河流生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)社會(huì)-經(jīng)濟(jì)-自然的復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，城市河道由于被人類(lèi)高強(qiáng)度地開(kāi)發(fā)利用和改造，其河流特征及水生態(tài)機(jī)制與自然河道不同，在生態(tài)修復(fù)策略上也與自然河道存在較大差異。城市河道生態(tài)修復(fù)是基于河道自然功能和社會(huì)功能，對(duì)退化生態(tài)系統(tǒng)的選擇性再生和再發(fā)展，總體目標(biāo)是協(xié)調(diào)自然與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)系，在景觀的尺度上，保持生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性，保障和實(shí)現(xiàn)區(qū)域生態(tài)安全。針對(duì)城市水網(wǎng)地區(qū)剛脫離黑臭階段的河道而言，河道生態(tài)修復(fù)的實(shí)施，往往來(lái)自于經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展之后人們對(duì)城市生態(tài)的需求，在城市河道生態(tài)修復(fù)技術(shù)的選擇上，既要遵循生態(tài)學(xué)理論，也要結(jié)合流域和區(qū)域經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)等多方面因素[1]?！渡虾Ｊ泻拥酪?guī)劃設(shè)計(jì)導(dǎo)則》明確提出建設(shè)生態(tài)之河、安全之河、都市之河、人文之河、創(chuàng)新之河的目標(biāo)，并提出了綜合治理、動(dòng)態(tài)更新等保障機(jī)制。本文以上海市中心城區(qū)典型河段生態(tài)修復(fù)工程為例，分析了河道生態(tài)修復(fù)工程中存在的主要問(wèn)題，探討了系統(tǒng)最優(yōu)控制指導(dǎo)下的河道生態(tài)修復(fù)策略，以期為“十四五”期間城市河道生態(tài)修復(fù)提供參考。

1 典型河道生態(tài)修復(fù)工程概況

典型河段位于上海市中心城區(qū)，長(zhǎng)5.196km，底寬8.2～19.6m，面寬21.0～32.0m，深度為3.5m，河道護(hù)岸結(jié)構(gòu)基本為硬質(zhì)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(chǎn)生淤積，基本2～3年清淤一次。河段沿線(xiàn)各類(lèi)企事業(yè)單位約3000家，人口密度約2.4萬(wàn)人/km2，區(qū)域生活污水收集率達(dá)100%，無(wú)直接入河工業(yè)及生活污染源排放口，沿線(xiàn)有6個(gè)市政雨水系統(tǒng)排放口。河段入河污染源主要為沿河排水系統(tǒng)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(jīng)過(guò)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(zhì)”為主轉(zhuǎn)向以“穩(wěn)定水質(zhì)、修復(fù)生態(tài)”為主。2018年以來(lái)，新建生態(tài)修復(fù)工程12.9萬(wàn)m2，包括軟圍隔2160m、掛膜11500m、水車(chē)式增氧機(jī)68臺(tái)、沉水植物群落構(gòu)建8.0萬(wàn)m2、生態(tài)浮島3000m2等。河段生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施以后，對(duì)河道水質(zhì)起到了顯著的改善作用，與2016年相比，2019年化學(xué)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(tài)景觀得到大幅提升，在岸帶綠化方面，部分區(qū)段修建了亭、廊，擴(kuò)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(cè)生態(tài)浮床錯(cuò)落有致，浮床植物高低錯(cuò)落、層次豐富，成為新的景觀亮點(diǎn)。

2 河道生態(tài)修復(fù)工程中亟待解決的問(wèn)題

典型河段生態(tài)修復(fù)工程以“一河一策”為落腳點(diǎn)，圍繞水質(zhì)提升、環(huán)境改善、景觀美化的總體要求，以達(dá)到功能區(qū)水質(zhì)要求為目標(biāo)，按照“水岸聯(lián)動(dòng)、截污治污、溝通水系、調(diào)活水體、改善水質(zhì)、修復(fù)生態(tài)”的治水思路，圍繞問(wèn)題突出、治理效果明顯、見(jiàn)效快、群眾反應(yīng)大、投訴多的治理任務(wù)和前期工作基礎(chǔ)好的項(xiàng)目開(kāi)展整治。經(jīng)過(guò)一系列工程和管理措施，從主要水質(zhì)指標(biāo)看，水質(zhì)向好趨勢(shì)明顯。其中水體生態(tài)修復(fù)工程作為長(zhǎng)效管理措施，經(jīng)過(guò)2年的實(shí)施與維護(hù)，對(duì)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(lè)的好去處。但仍存在生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)不清晰、生態(tài)修復(fù)尺度隨機(jī)性大、生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)缺乏等一系列問(wèn)題。

2.1 生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)不清晰

河流生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜、開(kāi)放、動(dòng)態(tài)的非線(xiàn)性系統(tǒng)，水體生態(tài)修復(fù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，不遵守線(xiàn)性因果關(guān)系邏輯，特別是對(duì)剛剛脫離黑臭階段的河段而言，人工強(qiáng)化生態(tài)修復(fù)工程的結(jié)果可能是多樣的。生態(tài)修復(fù)的不確定性要求在生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施的過(guò)程中，要根據(jù)河道具體情況制定明確的總體目標(biāo)及階段目標(biāo)，圍繞生態(tài)修復(fù)目標(biāo)規(guī)劃后續(xù)生態(tài)修復(fù)技術(shù)的選擇與工程的實(shí)施。

2.2 生態(tài)修復(fù)尺度隨機(jī)性大

生態(tài)過(guò)程與空間尺度具有很大的相關(guān)性，不同的尺度下，水體生態(tài)系統(tǒng)具有不同的生態(tài)學(xué)特征及生態(tài)效應(yīng)。一方面，修復(fù)措施在不同的規(guī)模下有不同的生態(tài)效應(yīng)。以浮床技術(shù)為例，在河道生態(tài)修復(fù)工程中，只有當(dāng)生物浮床達(dá)到一定的面積或規(guī)模時(shí)，才能產(chǎn)生可測(cè)量的生態(tài)影響。另一方面，隨著工程規(guī)模的擴(kuò)大，措施的“邊際效用”逐步突顯。同樣以浮床技術(shù)為例，措施的覆蓋規(guī)模與其生態(tài)效應(yīng)并非線(xiàn)性關(guān)系，隨著規(guī)模的擴(kuò)大，個(gè)別指標(biāo)可能出現(xiàn)惡化趨勢(shì)[2]。在該河段生態(tài)修復(fù)工程中，工程量確定的科學(xué)依據(jù)不足，隨機(jī)性大。在沉水植物構(gòu)建過(guò)程中，原計(jì)劃構(gòu)建8萬(wàn)m2，受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，實(shí)際工程量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計(jì)劃面積。在水體增氧設(shè)施的設(shè)置上，由于河道水體需氧水動(dòng)力模型不具有普適性[3]，工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的增氧設(shè)施不能滿(mǎn)足河道水質(zhì)改善的需求，導(dǎo)致后期增氧措施類(lèi)型與規(guī)模多次變動(dòng)。雖然《上海市河道生態(tài)整治導(dǎo)則》對(duì)河道生態(tài)整治提供了較詳細(xì)的引導(dǎo)和規(guī)范，但在技術(shù)上，已經(jīng)難以適應(yīng)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化的需求。

2.3 生態(tài)修復(fù)監(jiān)測(cè)指標(biāo)缺乏

生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)是個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，生態(tài)過(guò)程和功能的恢復(fù)需要很長(zhǎng)的時(shí)間。越來(lái)越多的證據(jù)表明，很多生態(tài)修復(fù)工程最初是樂(lè)觀的，而隨著時(shí)間的增加，結(jié)果往往低于預(yù)期。從該河段表觀來(lái)看，2018年、2019年及2020年7月之前浮床植物長(zhǎng)勢(shì)良好，但之后浮床植物出現(xiàn)大面積枯死現(xiàn)象。生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施前，該河段大型動(dòng)植物幾乎絕跡，河道水體生態(tài)系統(tǒng)退化及生態(tài)修復(fù)工程材料的引入為外來(lái)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(lái)入侵物種大量出現(xiàn)[4]。不僅對(duì)生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)物種產(chǎn)生了極大的限制作用，降低了目標(biāo)物種的生物量和成活率，而且在水網(wǎng)地區(qū)，入侵物種的出現(xiàn)極易加劇其在河網(wǎng)中的流動(dòng)與暴發(fā)分布，引起區(qū)域范圍的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

3 最優(yōu)控制指導(dǎo)下的河道生態(tài)修復(fù)策略

最優(yōu)控制問(wèn)題是根據(jù)不同的研究對(duì)象以及預(yù)期達(dá)到的目的，去尋求一個(gè)最優(yōu)控制方案。剛脫離黑臭狀態(tài)的河道水生態(tài)系統(tǒng)屬于受損生態(tài)系統(tǒng)，其損傷是全系統(tǒng)、多方位的，相應(yīng)的生態(tài)修復(fù)工程屬于復(fù)雜的系統(tǒng)工程，系統(tǒng)中生物與非生物要素非常多，每個(gè)要素之間都是相互作用、相互聯(lián)系的。河道生態(tài)修復(fù)工程應(yīng)從系統(tǒng)思維出發(fā)，以整體觀念推進(jìn)，順應(yīng)生態(tài)修復(fù)的內(nèi)在規(guī)律，在給定的人力、物力投入下，尋求最優(yōu)的控制方案，方能取得生態(tài)修復(fù)的最優(yōu)績(jī)效，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活、生態(tài)的和諧統(tǒng)一。

3.1 長(zhǎng)期目標(biāo)同階段目標(biāo)并重

明確的生態(tài)修復(fù)目標(biāo)是實(shí)施生態(tài)修復(fù)工程最重要的內(nèi)容，這個(gè)目標(biāo)既可以是能夠測(cè)量的生態(tài)結(jié)果，也可以是易于感知的美學(xué)結(jié)果。目前在生態(tài)修復(fù)目標(biāo)的表征上，部分研究者依托參考生態(tài)系統(tǒng)，從生態(tài)系統(tǒng)整體性出發(fā)，以生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能為著眼點(diǎn)，以生物群落多樣性為衡量指標(biāo)，以生態(tài)修復(fù)所能達(dá)到的狀態(tài)為目標(biāo)[5]；也有研究者以生態(tài)修復(fù)實(shí)施后所表達(dá)出的健康性、可持續(xù)性等屬性與特性為生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)[6]。城市河流生態(tài)系統(tǒng)是一定空間內(nèi)生物與環(huán)境構(gòu)成的統(tǒng)一整體，隨著城市的發(fā)展，流域或區(qū)域?qū)恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)的支撐和脅迫因子也處于不斷的變化之中，將河道恢復(fù)至某一參考狀態(tài)是不切實(shí)際的，而僅僅重建了生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成而沒(méi)有恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)功能，則不能認(rèn)為是成功的生態(tài)修復(fù)。

河段生態(tài)修復(fù)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(diào)水、生態(tài)涵養(yǎng)等功能，還承載著城市生態(tài)景觀的功能，是市民休閑娛樂(lè)與文化展示的重要平臺(tái)，是城市特質(zhì)與城市形象的集中反映。河道生態(tài)修復(fù)工程最終的目的要與人的因素結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)人居環(huán)境的改善、人與自然的和諧共處[7]。河道生態(tài)修復(fù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，生態(tài)修復(fù)目標(biāo)往往無(wú)法一步到位，應(yīng)綜合投資者、管理者、工程人員和其他利益相關(guān)者需求，從系統(tǒng)整體出發(fā)確立生態(tài)修復(fù)具體目標(biāo)或階段目標(biāo)[8]。協(xié)同經(jīng)濟(jì)可行、利益相關(guān)者滿(mǎn)意、景觀優(yōu)美、基礎(chǔ)設(shè)施完善、教育展示提升等因素，一段時(shí)間以保護(hù)或修復(fù)一項(xiàng)生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能為主，保持生態(tài)修復(fù)效果的可持續(xù)性，實(shí)現(xiàn)生態(tài)的整體修復(fù)。在該典型河道的生態(tài)修復(fù)工程中，長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)是提高公眾滿(mǎn)意度，滿(mǎn)足人民日益增長(zhǎng)的對(duì)優(yōu)美生態(tài)環(huán)境的需要，現(xiàn)階段應(yīng)以植被的自我維持為主要目標(biāo)，提高對(duì)非期望物種入侵的抗性，啟動(dòng)生境景觀范圍內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的自發(fā)修復(fù)過(guò)程。

3.2 局部修復(fù)和系統(tǒng)治理相結(jié)合

隨著生態(tài)文明建設(shè)的推進(jìn)，系統(tǒng)治理、整體治理已從認(rèn)識(shí)走向?qū)嵺`，在生態(tài)修復(fù)的思路上強(qiáng)調(diào)以“山水林田湖草是一個(gè)生命共同體”為認(rèn)知基礎(chǔ)，從單一要素修復(fù)轉(zhuǎn)向全域、全過(guò)程協(xié)同治理，從單一目標(biāo)線(xiàn)性治理，走向社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)的多目標(biāo)綜合協(xié)同。長(zhǎng)江三角洲區(qū)域一體化發(fā)展上升為國(guó)家戰(zhàn)略，為區(qū)域生態(tài)修復(fù)做出了頂層設(shè)計(jì)，為區(qū)域河網(wǎng)自上而下和自下而上聯(lián)動(dòng)修復(fù)提供了根本遵循。以上海市為例，全市幾乎每條河道均實(shí)施了不同規(guī)模與程度的生態(tài)修復(fù)工程，有些河段生態(tài)修復(fù)工程效果顯著，有些河段生態(tài)修復(fù)工程暫未顯露成效?？傮w來(lái)看，局部效果顯著但整體效果不突出，各河段生態(tài)修復(fù)工程未形成區(qū)域河網(wǎng)生態(tài)修復(fù)成效的協(xié)同，甚至產(chǎn)生了成效間的相互制約。河道生態(tài)修復(fù)工程具有風(fēng)險(xiǎn)大、周期長(zhǎng)、投資高等特點(diǎn)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)工程的綜合效益。在系統(tǒng)層面上確定最佳的修復(fù)策略和資金分配計(jì)劃，以該河段為例，河段的生態(tài)修復(fù)工程是區(qū)域生態(tài)修復(fù)的有機(jī)組成部分，具體工程設(shè)置應(yīng)與河網(wǎng)修復(fù)目標(biāo)相結(jié)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(jīng)濟(jì)、資源環(huán)境協(xié)同，尋求一個(gè)最優(yōu)控制方案。

我國(guó)正在編制“十四五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃，生態(tài)空間網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)將是“十四五”工作重點(diǎn)之一。城市河流生態(tài)廊道作為國(guó)家生態(tài)安全空間戰(zhàn)略的一部分，對(duì)于優(yōu)化空間格局發(fā)揮著重要作用。河道生態(tài)修復(fù)工程需要將局部修復(fù)和系統(tǒng)治理相結(jié)合，一方面自下而上，立足“一河一策”，細(xì)化河段生態(tài)修復(fù)方案，明確植物的篩選配置、種植密度等具體指標(biāo)；一方面自上而下，將河流所在的流域作為一個(gè)整體來(lái)考慮，系統(tǒng)、漸進(jìn)、有針對(duì)性地不斷改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，營(yíng)造高品質(zhì)的環(huán)境優(yōu)美的生活空間，使城市更加宜居、更具活力、更有特色。

3.3 動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與反饋修正相呼應(yīng)

生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)不斷變化的非線(xiàn)性復(fù)雜系統(tǒng)，需要建立負(fù)反饋機(jī)制，不斷完善、改進(jìn)修復(fù)措施和管理方式，確保河流生態(tài)修復(fù)工程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。目前大規(guī)模城市水體生態(tài)修復(fù)工程關(guān)注點(diǎn)依然停留在水質(zhì)指標(biāo)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)注不足，生態(tài)修復(fù)工程的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)匱乏，制約工程的反饋修正，降低了河道生態(tài)修復(fù)工程的綜合效益。退化環(huán)境中生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)通常是很緩慢的，修復(fù)的效果很難在短期內(nèi)體現(xiàn)。該河段的生態(tài)修復(fù)工程處于河道生態(tài)修復(fù)的初期，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的恢復(fù)，應(yīng)同步監(jiān)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)指標(biāo)，及時(shí)掌握恢復(fù)的進(jìn)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(qián)草，一段時(shí)間內(nèi)植物長(zhǎng)勢(shì)良好，提升了區(qū)域的景觀效果，受到水質(zhì)及外來(lái)物種等因素沖擊時(shí)，兩種植物均處于難以存活和生長(zhǎng)狀況不佳的狀態(tài)。如果在工程實(shí)施的過(guò)程中，有物種結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的指標(biāo)來(lái)提供中途糾正恢復(fù)偏差的機(jī)會(huì)，及時(shí)增加物種多樣性，就有可能提高目標(biāo)植物的生存量，使生態(tài)系統(tǒng)沿著預(yù)知的演替軌跡進(jìn)展。

持續(xù)性是實(shí)現(xiàn)生態(tài)修復(fù)目標(biāo)的必要條件，生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)是降低生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展不確定性的重要手段。對(duì)生態(tài)修復(fù)工程不同階段開(kāi)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)也是修復(fù)工程的重要環(huán)節(jié)。我國(guó)對(duì)河流的保護(hù)工作已經(jīng)從水質(zhì)改善階段進(jìn)入到生態(tài)提升階段，生態(tài)修復(fù)市場(chǎng)巨大，河道生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)化初現(xiàn)雛形。在生態(tài)修復(fù)工程建管分開(kāi)的體制下，生態(tài)修復(fù)工程實(shí)施過(guò)程中修正修復(fù)方案有較大的可行性，在管理維護(hù)階段，生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的缺乏不利于生態(tài)修復(fù)工程養(yǎng)護(hù)的質(zhì)量和效率穩(wěn)定，補(bǔ)救應(yīng)急式的管理也大大提高了工程運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)治理是一個(gè)多層次的動(dòng)態(tài)概念，在河道生態(tài)修復(fù)的實(shí)踐中不僅指流域?qū)用嫔系南到y(tǒng)整體治理、區(qū)域內(nèi)各修復(fù)措施間的協(xié)同治理，也包括單個(gè)修復(fù)措施的分階段優(yōu)化實(shí)施。城市河道生態(tài)修復(fù)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(fù)措施相協(xié)調(diào)，就單個(gè)河段生態(tài)修復(fù)工程而言，應(yīng)遵循生態(tài)學(xué)理論，科學(xué)合理地制定生態(tài)修復(fù)的目標(biāo)，將河段作為生態(tài)廊道的有機(jī)部分，將局部的生態(tài)修復(fù)工程與系統(tǒng)治理相結(jié)合，重視生態(tài)修復(fù)的綜合效益，不斷完善、改進(jìn)修復(fù)措施和管理方式，尋求最優(yōu)的控制策略，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、生活、生態(tài)的和諧統(tǒng)一。