敦煌月牙泉補(bǔ)水工程方案研究及應(yīng)用

楊 杰，厙永慧

(甘肅省酒泉市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，甘肅 酒泉 735000)

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，由于黨河水庫(kù)的修建，黨河灌區(qū)灌溉面積增加，導(dǎo)致黨河水庫(kù)下游河道斷流，加之灌區(qū)地下水開(kāi)采量增加，導(dǎo)致地下水補(bǔ)、排失衡和區(qū)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(yùn)。包括月牙泉在內(nèi)的敦煌的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題引起了黨中央、國(guó)務(wù)院的高度重視和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，在國(guó)家發(fā)展改革委和水利部指導(dǎo)下，由甘肅省發(fā)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(tài)保護(hù)綜合規(guī)劃(2011—2020)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《綜合規(guī)劃》)并獲得國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)。

規(guī)劃目標(biāo)確定月牙泉恢復(fù)與補(bǔ)水工程實(shí)施后，月牙泉水深提高到2.0m以上，恢復(fù)月牙形狀，滿足自然生態(tài)景觀要求。

1 歷次月牙泉恢復(fù)與補(bǔ)水工程回顧

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

2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的提出

回顧歷次恢復(fù)與補(bǔ)水工程發(fā)現(xiàn)，所有工程僅僅圍繞月牙泉的水位與水面恢復(fù)這一單純目的而展開(kāi)研究和工程措施，未與月牙泉的成因及周邊水生態(tài)環(huán)境相關(guān)聯(lián)，是一個(gè)割裂的工程。因此，本次工程方案研究遵循月牙泉補(bǔ)水機(jī)理，結(jié)合整體水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)建設(shè)，營(yíng)造月牙泉原生態(tài)自然環(huán)境，打造基于月牙泉及黨河水生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的生態(tài)水利工程。

3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的研究

3.1 月牙泉的成因

對(duì)于月牙泉的形成，前人曾有“上升泉”、“斷層泉”、“風(fēng)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(shuō)法，由于缺乏充分的資料和專(zhuān)門(mén)研究，因此，對(duì)月牙泉的形成原因一直是一個(gè)帶有神秘色彩的推斷，沒(méi)有形成科學(xué)的定論。從1997年開(kāi)始，地質(zhì)專(zhuān)家們采用多種方法和手段，對(duì)月牙進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)的、全面的、深層次的地質(zhì)勘查和研究工作，終于解開(kāi)了月牙泉的形成之謎。研究認(rèn)為：較低的地形條件和松散的地質(zhì)結(jié)構(gòu)是月牙泉形成的基本條件，而較高的區(qū)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(fēng)力地質(zhì)作用改造后的產(chǎn)物。

3.2 月牙泉與黨河之間的關(guān)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(bǔ)給來(lái)源。黨河水庫(kù)修建前，河水處于自然徑流狀態(tài)，河床長(zhǎng)年有水，河水通過(guò)入滲補(bǔ)給地下水，抬高月牙泉及周?chē)叵碌叵滤?，從而保持月牙泉千年不干?/p>

3.3 基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究

3.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

試驗(yàn)的主要目的是通過(guò)水文地質(zhì)調(diào)查、野外試驗(yàn)與室內(nèi)分析，調(diào)查試驗(yàn)區(qū)地下水補(bǔ)徑排關(guān)系、查明鳴沙山前斷層特征、查清試驗(yàn)區(qū)含水層及包氣帶地層巖性、確定地下水主流方向、提供試驗(yàn)區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，并通過(guò)建立試驗(yàn)區(qū)數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)不同補(bǔ)水方案所需水量，最終為月牙泉補(bǔ)水工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

3.3.2 工作方法

主要技術(shù)工作方法包括：資料收集、水文地質(zhì)補(bǔ)充調(diào)查、地下水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、地下水水位統(tǒng)測(cè)、物探勘查、監(jiān)測(cè)孔鉆探、示蹤試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)、水化學(xué)樣品采集與分析、建立數(shù)學(xué)模型等。為月牙泉補(bǔ)水工程提供了科學(xué)、合理的水文地質(zhì)參數(shù)。

3.3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及建議

3.3.3.1 試驗(yàn)結(jié)論

(1)物探顯示，鳴沙山前存在一條北盤(pán)呈高阻反映，南盤(pán)下更新統(tǒng)呈低-中阻反映的逆斷層。該斷層兩側(cè)基本沒(méi)有水力聯(lián)系。

(2)通過(guò)水文地質(zhì)鉆探，查清試驗(yàn)區(qū)地層主要以第四系的細(xì)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?shī)A層、不連續(xù)的形式出現(xiàn)，靠近月牙泉附近基本均為細(xì)砂。

(3)月牙泉補(bǔ)水場(chǎng)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(qū)域?yàn)閮?yōu)。

3.3.3.2 建議

綜合考慮各方面因素，通過(guò)滲水試驗(yàn)與模型計(jì)算，提出三種補(bǔ)水方案，分別為“鳴沙山前自然洼地滲水場(chǎng)”、“黨河河道黑山咀-合水三隊(duì)漁場(chǎng)段滲水場(chǎng)”和“黨河河道黑山咀-白馬塔大橋段滲水場(chǎng)”。三種補(bǔ)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(chǎng)”補(bǔ)給路徑與補(bǔ)給方式最為直接，補(bǔ)水對(duì)月牙泉水位恢復(fù)有較好作用，但補(bǔ)水位置位于鳴沙山前自然洼地，補(bǔ)水工程施工難度大，后期管理維護(hù)成本高，受山前流動(dòng)沙丘影響較大。

“黨河河道黑山咀-合水三隊(duì)漁場(chǎng)段滲水場(chǎng)”的補(bǔ)水方案符合《規(guī)劃》提出的補(bǔ)水要求，從地下水流場(chǎng)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(guò)潛流方式向月牙泉進(jìn)行補(bǔ)給。黨河水庫(kù)建成之前月牙泉主要接受黨河河道該段地下水的補(bǔ)給，而且當(dāng)時(shí)地下水開(kāi)采量較小，實(shí)施該方案基本相當(dāng)于還原至黨河水庫(kù)建成之前的狀況，對(duì)月牙泉水位恢復(fù)有一定的作用。

“黨河河道黑山咀-白馬塔大橋段滲水場(chǎng)”補(bǔ)水方案中對(duì)月牙泉水位恢復(fù)起到較大貢獻(xiàn)的仍然為黑山咀-合水三隊(duì)漁場(chǎng)段，下游漁場(chǎng)至白馬塔大橋段主要通過(guò)入滲補(bǔ)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(qū)等開(kāi)采區(qū)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(duì)漁場(chǎng)段滲水場(chǎng)”作為滲水場(chǎng)。

3.4 工程方案研究

3.4.1 月牙泉恢復(fù)補(bǔ)水工程水源及輸水方式擬定

根據(jù)規(guī)劃要求黨河水庫(kù)承擔(dān)向月牙泉和西湖自然保護(hù)區(qū)輸水的任務(wù)。黨河水庫(kù)至月牙泉恢復(fù)補(bǔ)水工程斷面河道輸水效率表見(jiàn)表1。

表1 黨河水庫(kù)至月牙泉恢復(fù)補(bǔ)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(kù)向西湖的輸水期、水庫(kù)泄洪排沙、汛期及冬季通過(guò)黨河河道下泄等時(shí)段，月牙泉恢復(fù)補(bǔ)水工程遠(yuǎn)期引用流量約為1.5m3/s，若通過(guò)天然河道下泄，則輸水效率為0.31，按照規(guī)劃擬定的下泄水量4000萬(wàn)m3計(jì)算，大部分水量消耗在黨河水庫(kù)至黑山咀斷面之間，對(duì)月牙泉貢獻(xiàn)較小，且進(jìn)入回灌工程斷面的水量?jī)H僅為1240萬(wàn)m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足回灌工程需水量。

黨河總干渠上段現(xiàn)狀設(shè)計(jì)流量23.835m3/s，加大流量24.15m3/s，節(jié)水項(xiàng)目實(shí)施后總干渠設(shè)計(jì)流量21.0m3/s，具備向回灌工程輸水條件。

在引哈濟(jì)黨工程實(shí)施前，除全年向西湖輸水的27d生態(tài)輸水期、水庫(kù)泄洪排沙、汛期及冬季通過(guò)黨河河道下泄外，其余時(shí)段月牙泉恢復(fù)補(bǔ)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(jié)制分水閘引入河道滲水場(chǎng)。引哈濟(jì)黨工程實(shí)施后，由于河道下泄水量增加，除全年向西湖輸水的40d生態(tài)輸水期、河道泄洪排沙、汛期及冬季通過(guò)黨河河道下泄外，其余時(shí)段月牙泉恢復(fù)補(bǔ)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(jié)制分水閘后引入河道滲水場(chǎng)。

3.4.2 滲水場(chǎng)工程布置研究

依據(jù)《綜合規(guī)劃》等相關(guān)規(guī)劃，結(jié)合水利工程設(shè)施現(xiàn)狀，擇河段較為合理，河道滲水場(chǎng)位置為“黨河黑山咀至合水三隊(duì)漁場(chǎng)”。

黨河水經(jīng)黨河水庫(kù)調(diào)節(jié)水庫(kù)下泄洪峰流量較小。但每年汛期，黨河水庫(kù)工程需要泄洪排沙，增加了汛期河道內(nèi)的洪水泥沙泄量，作為滲水場(chǎng)工程，如何解決汛期水庫(kù)洪水、泥沙的安全下泄，以及滲水場(chǎng)工程自身的運(yùn)行安全是工程的關(guān)鍵。

根據(jù)滲水場(chǎng)的水質(zhì)要求和河道現(xiàn)狀，初步擬定兩個(gè)滲水場(chǎng)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(qū)及行洪區(qū)兩部分，用中隔堤將現(xiàn)有河道一分為二，形成復(fù)式河槽，右岸為主蓄水河槽，在右岸帶狀區(qū)域建設(shè)滲水場(chǎng)，左岸為渾水河槽。當(dāng)黨河水庫(kù)下泄水量低于低于設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，蓄水區(qū)均可正常運(yùn)行，當(dāng)上游下泄水量大于設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，蓄水區(qū)上游人工塌壩泄空，全河道過(guò)洪，以確保防洪安全。

滲水場(chǎng)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(shè)泄洪槽5.644km，右岸布設(shè)12座低壩，形成梯級(jí)水域，低壩壩高2.0m，單級(jí)滲水場(chǎng)長(zhǎng)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(shí)兼有蓄水和泄洪排沙的功能。平時(shí)為全河槽(一槽)蓄水湖區(qū)，形成大面積滲水場(chǎng)。每年的7—9月主汛期上游黨河水庫(kù)下泄超標(biāo)洪水時(shí)，蓄水區(qū)全部塌壩泄空，全河道行洪，確保上游洪水泥沙自工程區(qū)河道安全下泄；洪水過(guò)后，再立壩重新蓄水，形成滲水場(chǎng)。

在確保防洪安全的前提下，在滲水場(chǎng)河段共布設(shè)12座低壩，形成梯級(jí)水域。

一槽方案泥沙淤積較多，大量泥沙會(huì)淤積在滲水場(chǎng)，影響滲水場(chǎng)底部的透水性，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致滲水場(chǎng)報(bào)廢，后期需要定期清淤，管理運(yùn)行問(wèn)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(nèi)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(shù)簡(jiǎn)單，管理維護(hù)費(fèi)用低，取材方便，且運(yùn)行多年后植被恢復(fù)后基本無(wú)人工修復(fù)痕跡，且投資較低。但基礎(chǔ)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(yīng)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(wèn)題，因此，需要加強(qiáng)管理，并且投資較高。

砼或砌石壩壩型具有施工技術(shù)簡(jiǎn)單，壩身溢流條件好，且管理維護(hù)費(fèi)用低。

水閘河道內(nèi)布置需要布設(shè)高聳的啟閉機(jī)閘房，與周邊環(huán)境不協(xié)調(diào)，并且投資較高。

參考已建工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)兩者經(jīng)過(guò)多方面比較分析，并結(jié)合滲水場(chǎng)位置要求及河勢(shì)，同時(shí)考慮滲水場(chǎng)生植被恢復(fù)植物生長(zhǎng)習(xí)性，在河道滲水場(chǎng)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(yuǎn)期景觀要求及壩體滲流穩(wěn)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(zhǎng)，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(shè)30cm厚的耕植土。

3.4.4 防洪堤及中隔堤堤型及護(hù)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(xiàn)澆)擋墻及砂礫石梯形土堤。

參照當(dāng)?shù)匾延泄こ碳肮こ虒?shí)際情況，本次堤防堤型選用碾壓砂礫石梯形堤并做護(hù)坡處理。

3.4.4.2 防洪堤及中隔堤護(hù)砌材料選擇

目前堤身臨水面及堤基的護(hù)砌結(jié)構(gòu)多采用砼護(hù)砌、細(xì)粒砼砌塊石護(hù)砌、格賓石籠護(hù)砌、植物護(hù)坡等形式，可根據(jù)工程地質(zhì)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(chǎng)水流特性及生態(tài)建設(shè)情況差別較大。堤身臨水面及堤基的護(hù)砌結(jié)構(gòu)需做綜合分析才能合理確定。

(1)渾水槽臨水面及堤基的護(hù)砌形式選擇

該工程考慮工程建設(shè)生態(tài)性及當(dāng)?shù)貧夂?、洪水特點(diǎn)等，選用格賓石籠作為渾水槽護(hù)坡材料，格賓石籠具有其自然透水性結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境的迅速恢復(fù)與重建；由于相鄰的格賓石籠都采用絞合鋼絲進(jìn)行絞合，使之成為整體，更具有整體的安全與穩(wěn)定性；考慮水位變動(dòng)易引起堤防細(xì)顆粒逸出，造成坡岸失穩(wěn)，因此，護(hù)坡結(jié)構(gòu)層從上到下依次為50cm厚的石籠護(hù)坡/30cm的砂礫石墊層/300g的土工布/砂礫石土堤；基礎(chǔ)為60cm厚的石籠。

(2)滲水場(chǎng)臨水面護(hù)砌形式選擇

滲水場(chǎng)引水流量1.5m3/s，滲水場(chǎng)內(nèi)水流流速較低，滲水場(chǎng)臨水面護(hù)砌形式采用生態(tài)護(hù)坡形式，邊坡1∶5～1∶10。

3.4.5 濕地植被恢復(fù)研究

濕地植被恢復(fù)工程主要通過(guò)植物種植、地形塑造、水線梳理、分區(qū)設(shè)計(jì)等解決水量、水流及防洪問(wèn)題，通過(guò)生態(tài)修復(fù)的方法改善生態(tài)環(huán)境。

濕地植物種類(lèi)選擇豐富。形成高低錯(cuò)落交織，水生、旱生植物景觀共現(xiàn)的濕地景觀，栽植高大喬灌林，占植被恢復(fù)面積的10%，采用檉柳、胡楊、杏樹(shù)、垂柳、紅花槐等；高草植物區(qū)，占植被恢復(fù)面積的65%，采用蘆葦、菖蒲、醉魚(yú)草、千屈菜。紫花苜蓿等；低草植物區(qū)，占植被恢復(fù)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(qū)，占植被恢復(fù)面積的5%，采用睡蓮。

3.4.6 周邊地下水關(guān)停范圍研究

根據(jù)監(jiān)測(cè)，月牙泉下游最近主要開(kāi)采區(qū)-合水村和鳴山村地下水開(kāi)采對(duì)月牙泉水位變化影響很大。在不考慮以上范圍機(jī)井開(kāi)采情況下的模擬預(yù)測(cè)，在黨河河道黑山咀子-魚(yú)場(chǎng)補(bǔ)水入滲1658.24萬(wàn)m3的情況下，月牙泉水位可以上升1.20m，如果以上范圍機(jī)井繼續(xù)開(kāi)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(dá)到《綜合規(guī)劃》要求。

依據(jù)相關(guān)規(guī)劃要求，確定此次關(guān)井范圍為合水村、鳴山村所有機(jī)井及敦煌城市自來(lái)水廠、七里鎮(zhèn)自來(lái)水廠機(jī)井。共關(guān)閉機(jī)井155眼。

4 結(jié)語(yǔ)

月牙泉恢復(fù)與補(bǔ)水工程通過(guò)多項(xiàng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)及研究，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了敦煌黨河和敦煌月牙泉區(qū)域水文循環(huán)規(guī)律，尋找最佳的補(bǔ)水途徑。工程建設(shè)方案遵循月牙泉補(bǔ)水機(jī)理，結(jié)合整體水生態(tài)保護(hù)與修復(fù)建設(shè)，營(yíng)造月牙泉原生態(tài)自然環(huán)境，打造基于月牙泉及黨河水生態(tài)保護(hù)和修復(fù)的生態(tài)水利工程。試運(yùn)行觀測(cè)結(jié)果顯示，月牙泉水深及水域面積均達(dá)到規(guī)劃要求，生態(tài)恢復(fù)良好。