生態(tài)智慧與數(shù)字技術(shù)支持下的山地理水方法
——以南京紫金山霹靂澗水系為例

成玉寧 王雪原 朱雅潔

1 背景

“山因水活，水隨山繞”，山水相依一直是中國人理解自然和諧美的標(biāo)志。東漢·許慎在《說文解字》水部中，描述了不同形式與狀貌的山地水景觀特征，如表水之形式的“流、溪、島、焦、岸、汀、步、泉”，表水之大小的“溥、混、滔、浩、涓”，表水之深淺的“汪、泓、測、淮、淺”[1]。北魏·酈道元在《水經(jīng)注·洛水》中描述山水關(guān)系為“洛水東，逕九曲南，其地十里，有坂九曲”[2]，坂意為山坡，“洛水”與“坂”逕九環(huán)繞，展現(xiàn)了魏都洛水與丘陵地形的和諧互融、彼此映照。中國古代的哲學(xué)思想認(rèn)為山水是有機(jī)的整體，摯虞在《思游賦》中寫道：“陽降陰升，一替一興，流而為川，滯而為陵。”山川是陰陽之氣形成的，陰陽之氣流動就成為河流，氣滯就成為山陵。由此可見，山與水相伴而生是自然景觀的和諧之道，更是成為中國傳統(tǒng)山水藝術(shù)的范本。

南京鐘山風(fēng)景名勝區(qū)自然資源豐富、文化底蘊(yùn)深厚。紫金山地形豐富多變，形成了30個大小不等的流域，由于匯水面積不等，不同流域的水量分布差異很大。其中的霹靂澗水系，上起紫霞湖，下至燕雀湖，沿水系分布有六朝遺跡、明孝陵、梅花山、梅花谷、孫權(quán)墓等眾多名勝，是鐘山風(fēng)景名勝區(qū)最重要的景觀軸，沿線還分布有江蘇省中山陵8號賓館、南京會議中心等大型賓館。該片區(qū)有良好的匯水條件，但由于歷史的原因及地上、地下等工程影響，該小流域地表徑流改變，水環(huán)境問題突出：一方面，雨季洪澇頻繁，以至危及景區(qū)以南的城市地塊安全；另一方面，旱季山地水量稀缺、部分地段斷流、水景觀單調(diào)，沿線生境條件也因旱澇變化而受到威脅。因此，優(yōu)化霹靂澗流域水系統(tǒng)，改善水環(huán)境，不僅能夠優(yōu)化其生境條件，對提升該片區(qū)景觀環(huán)境質(zhì)量亦有重要意義。

筆者團(tuán)隊統(tǒng)籌運(yùn)用生態(tài)智慧與數(shù)字技術(shù)支持下的山地理水方法，通過因地制宜、有限干預(yù)來梳理并優(yōu)化水系統(tǒng)，以紫金山霹靂澗為例，具體闡述營造可持續(xù)山水環(huán)境的策略與方法。

2 系統(tǒng)均衡與韌性：生態(tài)智慧引導(dǎo)下的山地水文特征與理水策略

山地水文過程的特殊性導(dǎo)致其水資源的時空分布不均衡，同時山地水環(huán)境韌性較低，易生成山洪。因此對于重要的風(fēng)景區(qū)段，通過人為組織和適度干預(yù)來調(diào)節(jié)山地水文時空特征，均衡水資源分布，恢復(fù)水體動力，進(jìn)而改善生境條件，系統(tǒng)增強(qiáng)水系生態(tài)韌性，是強(qiáng)化山地水景特征、彰顯水景觀魅力的根本。

2.1 多元優(yōu)化水資源時空分布

以空間論，山地水資源的分布特征取決于地形地貌。受地形與植被等多種因素影響，水資源在高程上分布較不均勻，當(dāng)?shù)匦纹露容^大、地勢陡峭時，上游地段截蓄能力弱，易在下游聚集地表徑流，形成山洪。因此紫金山的上部通常缺水，下部水資源豐沛。以時間論，山地水資源變化取決于降水周期：汛期降水集中，易產(chǎn)生雨洪，下游及其相接建設(shè)用地區(qū)域存在洪澇風(fēng)險；旱季則相對缺水，在山地的上部表現(xiàn)更為突出。水資源的分布不均亦是導(dǎo)致山體上下游地段植被類型差異的因素之一。

系統(tǒng)優(yōu)化紫金山水環(huán)境，需在時空中尋求水文過程與山地空間特征的融合。基于紫金山的水資源時空分布，在自然高差的基礎(chǔ)上，采取分級調(diào)控的設(shè)計策略二次調(diào)配霹靂澗的水量分布。在降雨期均衡調(diào)蓄地表徑流，實(shí)現(xiàn)就地滲透、多級滯蓄，優(yōu)化生境條件，并生成水系景觀[3]。

2.2 系統(tǒng)改善山地水系統(tǒng)的韌性特征

山地特殊的地形與水文特征，通常導(dǎo)致水系生境韌性弱，突出表現(xiàn)為3個方面：1)水體容量低，調(diào)節(jié)旱澇的能力弱；2)水量分布不均，導(dǎo)致水系動力不足，環(huán)境自凈能力弱；3)匯水區(qū)域的植被生長與景觀效果受旱澇交替影響作用大。

綜合改善山地水系韌性，需要根據(jù)山體的客觀條件，厘清水源、識別匯水分區(qū)及計算匯集水量，通過分級蓄滯來增加水系容量，結(jié)合自然與人工措施恢復(fù)水流動力[4]。從源頭到末端，制定系統(tǒng)的山地水環(huán)境優(yōu)化策略。霹靂澗所在的流域匯水面積約247.3hm2，匯水量較充足，但上游蓄滯空間相對缺乏。紫霞湖雖位于霹靂澗正上方，但由于歷史的原因，受人為擾動的霹靂澗水系，從上游經(jīng)明孝陵金水橋折而向西注入前湖，因此上游的紫霞湖與下游的霹靂澗水系彼此無涉。通過三大策略系統(tǒng)優(yōu)化霹靂澗水系統(tǒng)：充分利用高差，因地制宜地加強(qiáng)上游東郊國賓館匯水區(qū)與霹靂澗水系的聯(lián)系；流域沿線應(yīng)盡可能截留與促滲，提升山地的水源涵養(yǎng)能力，在改善生境的同時，實(shí)現(xiàn)對山地徑流的削減與錯峰；輔助工程措施形成分級水循環(huán)，增加水動力，提升水系的自凈化能力，形成可持續(xù)的水系景觀環(huán)境。

2.3 有機(jī)營造山地水景觀的系統(tǒng)共生特征

山地水景觀與植被生境具有鮮明的時效性，與水資源的時空分布緊密相關(guān)，同一區(qū)段的水系在雨期與旱季表現(xiàn)出截然不同的景觀效果，而沿水系的植被類型與生長情況受水文條件影響較大，因此隨著山地水資源的時空動態(tài)變化，土壤濕度、植物生境等亦表現(xiàn)出不同的景觀特征。

霹靂澗水景觀的營造應(yīng)基于自然的生境特征與動態(tài)規(guī)律，以自然的水文過程為主結(jié)合適度的人為干預(yù)，從水系水體及生境條件出發(fā)，優(yōu)化水資源分布，恢復(fù)水體動力，改善小流域生態(tài)環(huán)境。在此基礎(chǔ)上依據(jù)優(yōu)化后的水文過程營造水景觀，如識別徑流傾瀉點(diǎn)、在坡度陡峭的地段形成跌水、在較緩的區(qū)段形成溪澗與洲灘；明確上下游的水文、土壤等生態(tài)特征，結(jié)合景觀分區(qū)沿霹靂澗形成各具特色的水景觀與植被生境。

3 系統(tǒng)梳理與優(yōu)化：數(shù)字景觀技術(shù)支持下的山地水文優(yōu)化方法

運(yùn)用數(shù)字景觀技術(shù)解讀山地水環(huán)境的形態(tài)與生態(tài)特征、厘清水文機(jī)制，基于定量計算優(yōu)化水系，輔助水景的選點(diǎn)定位，通過合理的干預(yù)優(yōu)化水量分布，營造豐富的水景觀。

3.1 流域梳理：基于小流域尺度的水文分析

紫金山基于豎向特征可劃分為若干個小流域，同小流域間存在多層的嵌套關(guān)系，即小流域可繼續(xù)劃分為次級小流域、匯水單元等。將紫金山劃分為30個小流域(圖1)，各小流域間相對獨(dú)立，不同小流域的水文特征雖不盡相同，但受地形影響，雨水在重力作用下均由山脊順勢而下。優(yōu)化霹靂澗的小流域水環(huán)境，首先明確其分水線、識別匯水區(qū)，在此基礎(chǔ)上針對霹靂澗不同區(qū)段水文過程及其靜水、缺水、水質(zhì)差等具體問題，識別每條溪溝對應(yīng)的匯水范圍，進(jìn)而提出相應(yīng)的對策以系統(tǒng)改善山地水環(huán)境。

圖1 霹靂澗小流域

3.2 水系梳理：增強(qiáng)水環(huán)境的可持續(xù)能力

形成可持續(xù)的水系統(tǒng)是恢復(fù)生境條件、營造山地水景的基礎(chǔ)。梳理霹靂澗水系，根據(jù)地形及匯水區(qū)劃分為上、中、下游3個部分，上游主要為產(chǎn)生地表徑流和短暫坡面流的高地產(chǎn)流區(qū)，中游主要為匯集上游產(chǎn)流的坡地匯流區(qū)，下游則為承接自身和上游匯水的低地徑流匯集區(qū)(圖2)。

圖2 霹靂澗上、中、下游分區(qū)

歸納各區(qū)段的水環(huán)境問題：霹靂澗上游區(qū)段缺乏相應(yīng)規(guī)模的截蓄水體，難以充分滯留山地上部水資源，同時東苑賓館水體存在污水泄漏，因此無法維持穩(wěn)定、清潔的水體；中游水系出現(xiàn)斷流，未能形成上下游的系統(tǒng)連通；下游水系有燕雀湖作為蓄水終端，上接水系水動力不足，且存在硬質(zhì)化駁岸，水景觀待優(yōu)化。基于水系現(xiàn)狀，采用局部連通、分級蓄滯、人工回水的方法，構(gòu)建可持續(xù)的地表水系統(tǒng)(圖2)。上游增加蓄滯水體，中游溝通斷流、分段截流，在此基礎(chǔ)上結(jié)合補(bǔ)水、跨小流域調(diào)水，恢復(fù)霹靂澗水系的穩(wěn)定水源，提升水動力，系統(tǒng)優(yōu)化水形態(tài)，改善水文與生境條件的同時豐富水景觀(圖3)。

圖3 霹靂澗水形態(tài)優(yōu)化及水景營造

3.3 分級滯蓄：實(shí)現(xiàn)山地水資源的均衡分布

通過分級滯蓄優(yōu)化霹靂澗的水資源分布，增加水系容量，實(shí)現(xiàn)四季有水，在暴雨期分散、滯蓄徑流，有效緩解下游的洪澇壓力，增強(qiáng)水土保持能力，延長水系的補(bǔ)水時間。

以霹靂澗上游為例，通過ArcGIS分析匯水區(qū)、徑流路徑，提取關(guān)鍵傾瀉點(diǎn)來識別匯水潛力區(qū)(圖4，表1)。根據(jù)場地地形、坡向數(shù)據(jù)，利用ArcGIS的Hydrology分析模組的Stream分析工具，識別霹靂澗小流域潛在的地表徑流，分析徑流線與實(shí)際水系的對應(yīng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上識別傾瀉點(diǎn)；傾瀉點(diǎn)所在的區(qū)域普遍具有溪流交匯、形成水體的潛力，因此根據(jù)場地地形、坡向數(shù)據(jù)，采用ArcGIS的Hydrology分析模組的Pour Point分析工具，對場地潛在的地表徑流傾瀉點(diǎn)進(jìn)行識別；通過分析潛在徑流分布、關(guān)鍵的傾瀉點(diǎn)，明確能夠形成水面的潛在區(qū)域；匯水量計算采用水量平衡法估算年平均匯流量：

表1 霹靂澗及周邊集水區(qū)

圖4 霹靂澗小流域徑流線及傾瀉點(diǎn)識別

式中，W為可利用的水量；k、m分別為第i種土地利用類型的集水區(qū)下墊面徑流系數(shù)和徑流折減系數(shù)；A為第i種土地利用類型的集水區(qū)面積(m2)；P為多年平均降水深(mm)。

根據(jù)現(xiàn)狀條件選擇若干個相對均衡的傾瀉點(diǎn)作為截蓄空間來滯留水體。計算每處傾瀉點(diǎn)的對應(yīng)匯水量，基于匯水量差異確定不同傾瀉點(diǎn)對應(yīng)的新增水體規(guī)模，結(jié)合不同形式的跌水壩形成豐富的水景觀。如識別霹靂澗上游四方城西路的傾瀉點(diǎn)，作為新增調(diào)蓄水體的定位選址，計算該點(diǎn)對應(yīng)的匯水面積約為120hm2，對應(yīng)的設(shè)計水體體積為1.8萬m3，平均水深約1.5m，水面面積為1.2hm2。模擬設(shè)計水體的水位過程線變化如圖5所示，表明該水體有效地擴(kuò)大了霹靂澗上游的蓄滯容量，增加了水系全年的持水時間。

圖5 四方城西路設(shè)計水體水量變化模擬

3.4 人工輔助：改善水動力，豐富水景觀

旱季山地水系普遍存在水動力不足的情況，這是導(dǎo)致水體質(zhì)量低劣的重要因素。所謂流水不腐，通過分級蓄滯利用高差強(qiáng)化水動力。此外，采用分區(qū)段、地段的大流量，小揚(yáng)程水泵推動水循環(huán)，進(jìn)而增強(qiáng)水體的自凈能力，改善生境與景觀。

根據(jù)霹靂澗現(xiàn)狀，由上至下分3段進(jìn)行調(diào)水、循環(huán)補(bǔ)水，具體補(bǔ)水路徑如圖2所示：第一段以霹靂澗上游國會蓄水池為起點(diǎn)，向下游紅樓藝文苑水體調(diào)水，激活水系流動，確保水位滿足生態(tài)需要，形成動態(tài)的水景觀；第二段從石象路至暗香閣分段逐級泵水，營造流水、跌水水景，調(diào)水盡可能采用短距離提水方式，水抬升的高差小，相應(yīng)地提升水帶來的能源消耗也較少；第三段以燕雀湖為起點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的管道設(shè)施向霹靂橋上游泵水，在橋下游結(jié)合高差設(shè)反弓形跌水壩和消力池，圍堰形成水面。從優(yōu)化霹靂澗的水文過程出發(fā)，通過分級蓄滯形成自然動勢，在此基礎(chǔ)上輔助人工措施改善水動力，針對性地解決局部滯水問題，營造可持續(xù)的水景觀。

4 水景組織與營造：生成因地就勢的多元水景系統(tǒng)

潘谷西先生在《江南理景藝術(shù)》中指出：“景域的加工處理可以‘理景’二字概括之——‘理’者，治理也。[5]”“理”即指順應(yīng)自然景觀的規(guī)律及形勢，基于規(guī)律優(yōu)化景觀生態(tài)與形態(tài)。因此理水實(shí)質(zhì)是以水生態(tài)環(huán)境營造為基礎(chǔ)，兼顧可持續(xù)的景觀效果，協(xié)同“生態(tài)”與“形態(tài)”，以科學(xué)為基礎(chǔ)，藝術(shù)地表達(dá)自然美，通過類自然的營造方法與技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)化山地水文與水景[6]。山地水景營造取決于地形，地形的起伏變化形成了湖、池、河、溪、灘、瀑、潭、泉等多種水景。基于紫金山的地形地貌條件優(yōu)化霹靂澗水系，因地制宜地形成大小、高低、急緩各異的水景觀(圖6-1、6-2)。

圖6 水景組織與營造

4.1 溪澗曲流，山水相映

依據(jù)山形水勢梳理霹靂澗的自然水系結(jié)構(gòu)。柳宗元修葺愚溪，“自愚丘東北行六十步，得泉焉……合流屈曲而南，為愚溝。遂負(fù)土累石，塞其隘為愚池……嘉木異石錯置，皆山水之奇者”[7]357。由此可見，營造自然溪澗景觀，關(guān)鍵在于隨形就勢，恢復(fù)自然的水文過程與動勢。根據(jù)霹靂澗各溪段寬度、溝底地質(zhì)條件及澗道水量，通過改造局部駁岸形態(tài)、調(diào)整溝底坡降，引導(dǎo)水流聚散與急緩，讓自然做功，增添山地流水意趣。以同樂園區(qū)域水體為例，采用人工回水恢復(fù)水源，保證穩(wěn)定水量，并結(jié)合現(xiàn)有旱溪向西擴(kuò)展形成水面，進(jìn)一步營造動態(tài)的自然跌水景觀，上下水面交接處設(shè)跌水假山，背面回土，使水景更具自然之感。利用地形起伏，結(jié)合游覽路線，在水面收束處，成溪澗瀑塘，與亭榭草木相互掩映(圖6-2)。

4.2 潭塘相繼，曠奧得宜

基于紫金山豎向空間的特性，梳理水系形態(tài)的聚散開合，結(jié)合山林地氛圍營造“曠”“奧”有序的水景。柳宗元在《永州龍興寺東丘記》中提及“游之適，大率有二：曠如也，奧如也，如斯而已”[7]748，山水的“曠”“奧”變化是塑造山水景觀空間序列的根本。在提升水動力、連通上下游水系同時，沿水系空間或曲折蜿蜒，或開闊曠遠(yuǎn)，結(jié)合水體調(diào)蓄需要，營造溪潭、疊瀑，形成曠奧得宜的水景空間。以茶園下游水景序列為例，此處水體匯入一塘，通過分段逐級泵水活化水體；擴(kuò)大現(xiàn)狀水面，并于水岸草坡增補(bǔ)鳶尾、菖蒲，以水流轉(zhuǎn)折掩映錯落的植物，營造開闊的水景，消解上游茶園水段郁閉之感；水系向南入落羽杉濕地，此段水景空間開合多變，水流轉(zhuǎn)為平緩，借分級蓄滯形成的自然動勢激活水體、改善水質(zhì)，形成流水景觀，并于層層疊疊的落羽杉林下補(bǔ)植草花，營造幽靜的山林水景(圖6-1)。

4.3 疊瀑高下，霹靂澗想

霹靂澗曾為明孝陵陵區(qū)外御河，因下雨時溝中水聲如霹靂而得名，流域內(nèi)設(shè)有多處疊水。針對霹靂澗現(xiàn)狀水動力不足的問題，基于溪溝原有地形和走向，系統(tǒng)優(yōu)化水文過程。結(jié)合短距離提水等措施，引自然之水高墜入潭，形成聲形皆可賞的疊瀑景觀，重現(xiàn)霹靂澗聲景的同時優(yōu)化水系生境，營造“霹靂澗想”的深遠(yuǎn)意境，如茶園下游水系向南轉(zhuǎn)入霹靂澗，山澗空間較為封閉，豎向的變化較為劇烈，水流湍急，通過分段逐級泵水，在高程急劇變化處沿溪流疊石成景，呈現(xiàn)層疊墜落的疊瀑之景。整理山澗水岸、置石及駁岸形態(tài)，增補(bǔ)適生花卉，營造水石錯落的山澗花木景觀(圖6-1)。

4.4 平灘淺渚，水木明瑟

山地水景類型豐富、極具變化，一面臨水為“岸”“灘”，兩面臨水為“灣”，三面臨水為“渚”，以霹靂澗自然條件協(xié)同人工措施，營造多元水景。如在視線相對開闊的河灘地段，梳理灘、渚的形態(tài)變化，在水流較為平緩、水體較淺的溪段散置山石，形成可聽聲觀水的石灘之景；結(jié)合原生植物群落，沿霹靂澗水系修復(fù)植被生態(tài)，優(yōu)化水體的自然生境，在水岸增植水生和濕生植物，如鳶尾、水蓼、酢漿草、二月蘭、石菖蒲、戟葉蓼及蕨類植物等，形成自然野生之水景觀。結(jié)合植物的枯榮變化展現(xiàn)四季之相，營造富有野趣、自然多變且全年可賞的山地溪澗景觀。

5 結(jié)語

山地水文過程具有特殊性，其地形特征導(dǎo)致水資源的時空分布不均衡、水環(huán)境韌性較低，通過人為組織和適度干預(yù)來調(diào)節(jié)山地水的時空分布、組織山地水景的序列變化、促進(jìn)水環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，是彰顯水景觀魅力的根本。以數(shù)字技術(shù)通過定量分析輔助水系優(yōu)化的定量與定位，實(shí)現(xiàn)山地水資源的分級蓄滯、均衡分布、生境條件改善，綜合提升水系生態(tài)韌性，以科學(xué)的環(huán)境生態(tài)與形態(tài)特征為基礎(chǔ)理景成趣。

注：文中圖片均由作者繪制。