敦煌月牙泉補水工程方案研究及應用

楊 杰，厙永慧

(甘肅省酒泉市水利水電勘測設計院，甘肅 酒泉 735000)

從20世紀70年代開始，由于黨河水庫的修建，黨河灌區灌溉面積增加，導致黨河水庫下游河道斷流，加之灌區地下水開采量增加，導致地下水補、排失衡和區域性地下水位大幅度下降，以致月牙泉湖底幾次露出水面，千古名泉面臨滅亡命運。包括月牙泉在內的敦煌的生態環境問題引起了黨中央、國務院的高度重視和社會各界的廣泛關注，在國家發展改革委和水利部指導下，由甘肅省發改委、水利廳及酒泉市政府組織編制完成了《敦煌水資源合理利用與生態保護綜合規劃(2011—2020)》(以下簡稱《綜合規劃》)并獲得國務院批準。

規劃目標確定月牙泉恢復與補水工程實施后，月牙泉水深提高到2.0m以上，恢復月牙形狀，滿足自然生態景觀要求。

1 歷次月牙泉恢復與補水工程回顧

自20世紀80年代至今已實施月牙泉恢復與補水工程三次。1986年，由于月牙泉中部泉底出露實施了月牙泉淘泉工程；1987年實施了小泉灣人工湖工程；2007實施了月牙泉應急治理工程。但以上工程由于恢復效果較差，現已部分停用或作為應急補水。

2 關鍵技術問題的提出

回顧歷次恢復與補水工程發現，所有工程僅僅圍繞月牙泉的水位與水面恢復這一單純目的而展開研究和工程措施，未與月牙泉的成因及周邊水生態環境相關聯，是一個割裂的工程。因此，本次工程方案研究遵循月牙泉補水機理，結合整體水生態保護與修復建設，營造月牙泉原生態自然環境，打造基于月牙泉及黨河水生態保護和修復的生態水利工程。

3 關鍵技術問題的研究

3.1 月牙泉的成因

對于月牙泉的形成，前人曾有“上升泉”、“斷層泉”、“風成湖”、“基巖裂隙泉”、“沙漠地下水溢出泉”、“古河道殘留湖”等六種說法，由于缺乏充分的資料和專門研究，因此，對月牙泉的形成原因一直是一個帶有神秘色彩的推斷，沒有形成科學的定論。從1997年開始，地質專家們采用多種方法和手段，對月牙進行了專門的、全面的、深層次的地質勘查和研究工作，終于解開了月牙泉的形成之謎。研究認為：較低的地形條件和松散的地質結構是月牙泉形成的基本條件，而較高的區域地下水位是月牙泉溢出形成的必備條件，也是月牙泉千年不涸的基本保證，外圍沙丘特征則是風力地質作用改造后的產物。

3.2 月牙泉與黨河之間的關系

黨河是敦煌盆地唯一的河流，也是月牙泉及敦煌盆地地下水的主要補給來源。黨河水庫修建前，河水處于自然徑流狀態，河床長年有水，河水通過入滲補給地下水，抬高月牙泉及周圍地下地下水位，從而保持月牙泉千年不干。

3.3 基礎實驗研究

3.3.1 實驗目的

試驗的主要目的是通過水文地質調查、野外試驗與室內分析，調查試驗區地下水補徑排關系、查明鳴沙山前斷層特征、查清試驗區含水層及包氣帶地層巖性、確定地下水主流方向、提供試驗區水文地質參數，并通過建立試驗區數學模型預測不同補水方案所需水量，最終為月牙泉補水工程設計提供科學依據。

3.3.2 工作方法

主要技術工作方法包括：資料收集、水文地質補充調查、地下水動態監測、地下水水位統測、物探勘查、監測孔鉆探、示蹤試驗、滲水試驗、水化學樣品采集與分析、建立數學模型等。為月牙泉補水工程提供了科學、合理的水文地質參數。

3.3.3 實驗結論及建議

3.3.3.1 試驗結論

(1)物探顯示，鳴沙山前存在一條北盤呈高阻反映，南盤下更新統呈低-中阻反映的逆斷層。該斷層兩側基本沒有水力聯系。

(2)通過水文地質鉆探，查清試驗區地層主要以第四系的細砂、礫石、卵石為主，部分鉆孔中夾有粘土，含水層整體透水性好，粘土均分布在潛水面以下，而且以夾層、不連續的形式出現，靠近月牙泉附近基本均為細砂。

(3)月牙泉補水場地以位于黑山咀-黨河河道-Y7-月牙泉-黑山咀形成的三角形區域為優。

3.3.3.2 建議

綜合考慮各方面因素，通過滲水試驗與模型計算，提出三種補水方案，分別為“鳴沙山前自然洼地滲水場”、“黨河河道黑山咀-合水三隊漁場段滲水場”和“黨河河道黑山咀-白馬塔大橋段滲水場”。三種補水方案中必須采取泥沙處理措施。

“鳴沙山前自然洼地滲水場”補給路徑與補給方式最為直接，補水對月牙泉水位恢復有較好作用，但補水位置位于鳴沙山前自然洼地，補水工程施工難度大，后期管理維護成本高，受山前流動沙丘影響較大。

“黨河河道黑山咀-合水三隊漁場段滲水場”的補水方案符合《規劃》提出的補水要求，從地下水流場分析，地下水主流方向與月牙泉之間有一定夾角，地下水可以通過潛流方式向月牙泉進行補給。黨河水庫建成之前月牙泉主要接受黨河河道該段地下水的補給，而且當時地下水開采量較小，實施該方案基本相當于還原至黨河水庫建成之前的狀況，對月牙泉水位恢復有一定的作用。

“黨河河道黑山咀-白馬塔大橋段滲水場”補水方案中對月牙泉水位恢復起到較大貢獻的仍然為黑山咀-合水三隊漁場段，下游漁場至白馬塔大橋段主要通過入滲補給該地段地下水，使其水位不再下降甚至上升，這樣可以降低月牙泉與敦煌城區等開采區之間的水力坡降，減小月牙泉向下游的潛流量。

建議“黨河河道黑山咀-合水三隊漁場段滲水場”作為滲水場。

3.4 工程方案研究

3.4.1 月牙泉恢復補水工程水源及輸水方式擬定

根據規劃要求黨河水庫承擔向月牙泉和西湖自然保護區輸水的任務。黨河水庫至月牙泉恢復補水工程斷面河道輸水效率表見表1。

表1 黨河水庫至月牙泉恢復補水工程斷面河道輸水效率表

從表1可以看出，若扣除黨河水庫向西湖的輸水期、水庫泄洪排沙、汛期及冬季通過黨河河道下泄等時段，月牙泉恢復補水工程遠期引用流量約為1.5m3/s，若通過天然河道下泄，則輸水效率為0.31，按照規劃擬定的下泄水量4000萬m3計算，大部分水量消耗在黨河水庫至黑山咀斷面之間，對月牙泉貢獻較小，且進入回灌工程斷面的水量僅僅為1240萬m3，遠遠不足回灌工程需水量。

黨河總干渠上段現狀設計流量23.835m3/s，加大流量24.15m3/s，節水項目實施后總干渠設計流量21.0m3/s，具備向回灌工程輸水條件。

在引哈濟黨工程實施前，除全年向西湖輸水的27d生態輸水期、水庫泄洪排沙、汛期及冬季通過黨河河道下泄外，其余時段月牙泉恢復補水工程主要依靠黨河總干渠輸水，由總干渠首輸水至總干渠黑山咀節制分水閘引入河道滲水場。引哈濟黨工程實施后，由于河道下泄水量增加，除全年向西湖輸水的40d生態輸水期、河道泄洪排沙、汛期及冬季通過黨河河道下泄外，其余時段月牙泉恢復補水工程主要依靠黨河總干渠輸水，由總干渠首輸水至總干渠黑山咀節制分水閘后引入河道滲水場。

3.4.2 滲水場工程布置研究

依據《綜合規劃》等相關規劃，結合水利工程設施現狀，擇河段較為合理，河道滲水場位置為“黨河黑山咀至合水三隊漁場”。

黨河水經黨河水庫調節水庫下泄洪峰流量較小。但每年汛期，黨河水庫工程需要泄洪排沙，增加了汛期河道內的洪水泥沙泄量，作為滲水場工程，如何解決汛期水庫洪水、泥沙的安全下泄，以及滲水場工程自身的運行安全是工程的關鍵。

根據滲水場的水質要求和河道現狀，初步擬定兩個滲水場總體布局方案：二槽(清洪分離)方案和一槽(清洪不分)方案。

(1)二槽(清洪分離)方案

清洪分治理念，是將工程壩址河道劃分為蓄水滲水區及行洪區兩部分，用中隔堤將現有河道一分為二，形成復式河槽，右岸為主蓄水河槽，在右岸帶狀區域建設滲水場，左岸為渾水河槽。當黨河水庫下泄水量低于低于設防標準時，蓄水區均可正常運行，當上游下泄水量大于設防標準時，蓄水區上游人工塌壩泄空，全河道過洪，以確保防洪安全。

滲水場河道平均比降為4‰～5‰，在確保防洪安全的前提下，在治理河段左岸共布設泄洪槽5.644km，右岸布設12座低壩，形成梯級水域，低壩壩高2.0m，單級滲水場長400m，蓄水水深0～1.5m。

(2)一槽(清洪不分)方案

全河道為蓄水河槽，同時兼有蓄水和泄洪排沙的功能。平時為全河槽(一槽)蓄水湖區，形成大面積滲水場。每年的7—9月主汛期上游黨河水庫下泄超標洪水時，蓄水區全部塌壩泄空，全河道行洪，確保上游洪水泥沙自工程區河道安全下泄；洪水過后，再立壩重新蓄水，形成滲水場。

在確保防洪安全的前提下，在滲水場河段共布設12座低壩，形成梯級水域。

一槽方案泥沙淤積較多，大量泥沙會淤積在滲水場，影響滲水場底部的透水性，長時間運行會導致滲水場報廢，后期需要定期清淤，管理運行問題較多，且工程投資較大。因此，推薦二槽方案為工程布置方案。

3.4.3 擋水、溢流建筑物選擇研究

河道內的擋水、泄水建筑物主要型式有格賓籠石壩、水閘、砼或砌石堰、橡膠壩等。

格賓石籠壩具有施工技術簡單，管理維護費用低，取材方便，且運行多年后植被恢復后基本無人工修復痕跡，且投資較低。但基礎易沉降，擋水效果較差。

橡膠壩具有塌壩后壩袋緊貼河床底板、不礙洪、外形輕巧美觀而被廣泛應用于城市水利工程中。但壩袋易被尖銳器物刺傷，且存在橡膠壩壩袋老化問題，因此，需要加強管理，并且投資較高。

砼或砌石壩壩型具有施工技術簡單，壩身溢流條件好，且管理維護費用低。

水閘河道內布置需要布設高聳的啟閉機閘房，與周邊環境不協調，并且投資較高。

參考已建工程經驗，對兩者經過多方面比較分析，并結合滲水場位置要求及河勢，同時考慮滲水場生植被恢復植物生長習性，在河道滲水場共布置11座擋水壩，擋水壩上共布置溢流堰17座砼堰作為擋水、泄水建筑物。擋水壩采用碾壓砂礫石梯形斷面，壩高1.7m，考慮遠期景觀要求及壩體滲流穩定要求，壩頂寬確定為5.0m，壩體夯填邊坡均為1∶2；考慮壩坡的綠化灌溉及植被生長，壩坡可采用河道棄土及廢棄料堆填為1∶5邊坡，并在表層鋪設30cm厚的耕植土。

3.4.4 防洪堤及中隔堤堤型及護砌材料選擇

3.4.4.1 防洪堤及中隔堤堤型選擇

防洪堤和中隔堤主要型式有漿砌石(或砼現澆)擋墻及砂礫石梯形土堤。

參照當地已有工程及工程實際情況，本次堤防堤型選用碾壓砂礫石梯形堤并做護坡處理。

3.4.4.2 防洪堤及中隔堤護砌材料選擇

目前堤身臨水面及堤基的護砌結構多采用砼護砌、細粒砼砌塊石護砌、格賓石籠護砌、植物護坡等形式，可根據工程地質情況、河道水流情況分析采用。本工程采用清洪分治，渾水槽及滲水場水流特性及生態建設情況差別較大。堤身臨水面及堤基的護砌結構需做綜合分析才能合理確定。

(1)渾水槽臨水面及堤基的護砌形式選擇

該工程考慮工程建設生態性及當地氣候、洪水特點等，選用格賓石籠作為渾水槽護坡材料，格賓石籠具有其自然透水性結構，不影響地下水之間的自由交換，良好的促淤性使得自然植被能夠迅速在表面生長，實現生態環境的迅速恢復與重建；由于相鄰的格賓石籠都采用絞合鋼絲進行絞合，使之成為整體，更具有整體的安全與穩定性；考慮水位變動易引起堤防細顆粒逸出，造成坡岸失穩，因此，護坡結構層從上到下依次為50cm厚的石籠護坡/30cm的砂礫石墊層/300g的土工布/砂礫石土堤；基礎為60cm厚的石籠。

(2)滲水場臨水面護砌形式選擇

滲水場引水流量1.5m3/s，滲水場內水流流速較低，滲水場臨水面護砌形式采用生態護坡形式，邊坡1∶5～1∶10。

3.4.5 濕地植被恢復研究

濕地植被恢復工程主要通過植物種植、地形塑造、水線梳理、分區設計等解決水量、水流及防洪問題，通過生態修復的方法改善生態環境。

濕地植物種類選擇豐富。形成高低錯落交織，水生、旱生植物景觀共現的濕地景觀，栽植高大喬灌林，占植被恢復面積的10%，采用檉柳、胡楊、杏樹、垂柳、紅花槐等；高草植物區，占植被恢復面積的65%，采用蘆葦、菖蒲、醉魚草、千屈菜。紫花苜蓿等；低草植物區，占植被恢復面積的20%，采用白花三葉草、酢漿草。黑羊茅等；浮水水生植物區，占植被恢復面積的5%，采用睡蓮。

3.4.6 周邊地下水關停范圍研究

根據監測，月牙泉下游最近主要開采區-合水村和鳴山村地下水開采對月牙泉水位變化影響很大。在不考慮以上范圍機井開采情況下的模擬預測，在黨河河道黑山咀子-魚場補水入滲1658.24萬m3的情況下，月牙泉水位可以上升1.20m，如果以上范圍機井繼續開采，月牙泉水位最少下降0.39m，水位低消之后僅能上升0.81m，難以達到《綜合規劃》要求。

依據相關規劃要求，確定此次關井范圍為合水村、鳴山村所有機井及敦煌城市自來水廠、七里鎮自來水廠機井。共關閉機井155眼。

4 結語

月牙泉恢復與補水工程通過多項基礎實驗及研究，發現并總結了敦煌黨河和敦煌月牙泉區域水文循環規律，尋找最佳的補水途徑。工程建設方案遵循月牙泉補水機理，結合整體水生態保護與修復建設，營造月牙泉原生態自然環境，打造基于月牙泉及黨河水生態保護和修復的生態水利工程。試運行觀測結果顯示，月牙泉水深及水域面積均達到規劃要求，生態恢復良好。