数字景观技术支持下的紫金山山地水文优化方法

系统梳理与优化：数字景观技术支持下的紫金山山地水文优化方法

 

运用数字景观技术解读山地水环境的形态与生态特征、厘清水文机制，基于定量计算优化水系，辅助水景的选点定位，通过合理的干预优化水量分布，营造丰富的水景观。

 

3.1流域梳理：基于小流域尺度的水文分析

 

紫金山基于竖向特征可划分为若干个小流域，同小流域间存在多层的嵌套关系，即小流域可继续划分为次级小流域、汇水单元等。将紫金山划分为30个小流域(图
1)，各小流域间相对独立，不同小流域的水文特征虽不尽相同，但受地形影响，雨水在重力作用下均由山脊顺势而下。优化霹雳涧的小流域水环境，首先明确其分水线、识别汇水区，在此基础上针对霹雳涧不同区段水文过程及其静水、缺水、水质差等具体问题，识别每条溪沟对应的汇水范围，进而提出相应的对策以系统改善山地水环境。

 

3.2水系梳理：增强水环境的可持续能力

 

形成可持续的水系统是恢复生境条件、营造山地水景的基础。梳理霹雳涧水系，根据地形及汇水区划分为上、中、下游3个部分，上游主要为产生地表径流和短暂坡面流的高地产流区，中游主要为汇集上游产流的坡地汇流区，下游则为承接自身和上游汇水的低地径流汇集区(图2)。

 

归纳各区段的水环境问题：霹雳涧上游区段缺乏相应规模的截蓄水体，难以充分滞留山地上部水资源，同时东苑宾馆水体存在污水泄漏，因此无法维持稳定、清洁的水体；中游水系出现断流，未能形成上下游的系统连通；下游水系有燕雀湖作为蓄水终端，上接水系水动力不足，且存在硬质化驳岸，水景观待优化。基于水系现状，采用局部连通、分级蓄滞、人工回水的方法，构建可持续的地表水系统(图2)。



上游增加蓄滞水体，中游沟通断流、分段截流，在此基础上结合补水、跨小流域调水，恢复霹雳涧水系的稳定水源，提升水动力，系统优化水形态，改善水文与生境条件的同时丰富水景观(图3)。

 

3.3分级滞蓄：实现山地水资源的均衡分布

 

通过分级滞蓄优化霹雳涧的水资源分布，增加水系容量，实现四季有水，在暴雨期分散、滞蓄径流，有效缓解下游的洪涝压力，增强水土保持能力，延长水系的补水时间。



 

 

以霹雳涧上游为例，通过ArcGIS分析汇水区、径流路径，提取关键倾泻点来识别汇水潜力区(图4，表1)。




根据场地地形、坡向数据，利用ArcGIS的Hydrology分析模组的Stream分析工具，识别霹雳涧小流域潜在的地表径流，分析径流线与实际水系的对应关系，在此基础上识别倾泻点；倾泻点所在的区域普遍具有溪流交汇、形成水体的潜力，因此根据场地地形、坡向数据，采用ArcGIS的Hydrology分析模组的PourPoint分析工具，对场地潜在的地表径流倾泻点进行识别；通过分析潜在径流分布、关键的倾泻点，明确能够形成水面的潜在区域；汇水量计算采用水量平衡法估算年平均汇流量：式中，W为可利用的水量；k、m分别为第i种土地利用类型的集水区下垫面径流系数和径流折减系数；A为第i种土地利用类型的集水区面积(m2)；P为多年平均降水深(mm)。

 

根据现状条件选择若干个相对均衡的倾泻点作为截蓄空间来滞留水体。计算每处倾泻点的对应汇水量，基于汇水量差异确定不同倾泻点对应的新增水体规模，结合不同形式的跌水坝形成丰富的水景观。如识别霹雳涧上游四方城西路的倾泻点，作为新增调蓄水体的定位选址，计算该点对应的汇水面积约为120hm2，对应的设计水体体积为1.8万m3，平均水深约1.5m，水面面积为1.2hm2。模拟设计水体的水位过程线变化如图5所示，表明该水体有效地扩大了霹雳涧上游的蓄滞容量，增加了水系全年的持水时间。

 

3.4人工辅助：改善水动力，丰富水景观

 

旱季山地水系普遍存在水动力不足的情况，这是导致水体质量低劣的重要因素。所谓流水不腐，通过分级蓄滞利用高差强化水动力。此外，采用分区段、地段的大流量，小扬程水泵推动水循环，进而增强水体的自净能力，改善生境与景观。

 

根据霹雳涧现状，由上至下分3段进行调水、循环补水，具体补水路径如图2所示：第一段以霹雳涧上游国会蓄水池为起点，向下游红楼艺文苑水体调水，激活水系流动，确保水位满足生态需要，形成动态的水景观；第二段从石象路至暗香阁分段逐级泵水，营造流水、跌水水景，调水尽可能采用短距离提水方式，水抬升的高差小，相应地提升水带来的能源消耗也较少；第三段以燕雀湖为起点，结合现有的管道设施向霹雳桥上游泵水，在桥下游结合高差设反弓形跌水坝和消力池，围堰形成水面。从优化霹雳涧的水文过程出发，通过分级蓄滞形成自然动势，在此基础上辅助人工措施改善水动力，针对性地解决局部滞水问题，营造可持续的水景观。