敦煌月牙泉补水工程方案研究及应用

杨 杰，厍永慧

(甘肃省酒泉市水利水电勘测设计院，甘肃 酒泉 735000)

从20世纪70年代开始，由于党河水库的修建，党河灌区灌溉面积增加，导致党河水库下游河道断流，加之灌区地下水开采量增加，导致地下水补、排失衡和区域性地下水位大幅度下降，以致月牙泉湖底几次露出水面，千古名泉面临灭亡命运。包括月牙泉在内的敦煌的生态环境问题引起了党中央、国务院的高度重视和社会各界的广泛关注，在国家发展改革委和水利部指导下，由甘肃省发改委、水利厅及酒泉市政府组织编制完成了《敦煌水资源合理利用与生态保护综合规划(2011—2020)》(以下简称《综合规划》)并获得国务院批准。

规划目标确定月牙泉恢复与补水工程实施后，月牙泉水深提高到2.0m以上，恢复月牙形状，满足自然生态景观要求。

1 历次月牙泉恢复与补水工程回顾

自20世纪80年代至今已实施月牙泉恢复与补水工程三次。1986年，由于月牙泉中部泉底出露实施了月牙泉淘泉工程；1987年实施了小泉湾人工湖工程；2007实施了月牙泉应急治理工程。但以上工程由于恢复效果较差，现已部分停用或作为应急补水。

2 关键技术问题的提出

回顾历次恢复与补水工程发现，所有工程仅仅围绕月牙泉的水位与水面恢复这一单纯目的而展开研究和工程措施，未与月牙泉的成因及周边水生态环境相关联，是一个割裂的工程。因此，本次工程方案研究遵循月牙泉补水机理，结合整体水生态保护与修复建设，营造月牙泉原生态自然环境，打造基于月牙泉及党河水生态保护和修复的生态水利工程。

3 关键技术问题的研究

3.1 月牙泉的成因

对于月牙泉的形成，前人曾有“上升泉”、“断层泉”、“风成湖”、“基岩裂隙泉”、“沙漠地下水溢出泉”、“古河道残留湖”等六种说法，由于缺乏充分的资料和专门研究，因此，对月牙泉的形成原因一直是一个带有神秘色彩的推断，没有形成科学的定论。从1997年开始，地质专家们采用多种方法和手段，对月牙进行了专门的、全面的、深层次的地质勘查和研究工作，终于解开了月牙泉的形成之谜。研究认为：较低的地形条件和松散的地质结构是月牙泉形成的基本条件，而较高的区域地下水位是月牙泉溢出形成的必备条件，也是月牙泉千年不涸的基本保证，外围沙丘特征则是风力地质作用改造后的产物。

3.2 月牙泉与党河之间的关系

党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补给来源。党河水库修建前，河水处于自然径流状态，河床长年有水，河水通过入渗补给地下水，抬高月牙泉及周围地下地下水位，从而保持月牙泉千年不干。

3.3 基础实验研究

3.3.1 实验目的

试验的主要目的是通过水文地质调查、野外试验与室内分析，调查试验区地下水补径排关系、查明鸣沙山前断层特征、查清试验区含水层及包气带地层岩性、确定地下水主流方向、提供试验区水文地质参数，并通过建立试验区数学模型预测不同补水方案所需水量，最终为月牙泉补水工程设计提供科学依据。

3.3.2 工作方法

主要技术工作方法包括：资料收集、水文地质补充调查、地下水动态监测、地下水水位统测、物探勘查、监测孔钻探、示踪试验、渗水试验、水化学样品采集与分析、建立数学模型等。为月牙泉补水工程提供了科学、合理的水文地质参数。

3.3.3 实验结论及建议

3.3.3.1 试验结论

(1)物探显示，鸣沙山前存在一条北盘呈高阻反映，南盘下更新统呈低-中阻反映的逆断层。该断层两侧基本没有水力联系。

(2)通过水文地质钻探，查清试验区地层主要以第四系的细砂、砾石、卵石为主，部分钻孔中夹有粘土，含水层整体透水性好，粘土均分布在潜水面以下，而且以夹层、不连续的形式出现，靠近月牙泉附近基本均为细砂。

(3)月牙泉补水场地以位于黑山咀-党河河道-Y7-月牙泉-黑山咀形成的三角形区域为优。

3.3.3.2 建议

综合考虑各方面因素，通过渗水试验与模型计算，提出三种补水方案，分别为“鸣沙山前自然洼地渗水场”、“党河河道黑山咀-合水三队渔场段渗水场”和“党河河道黑山咀-白马塔大桥段渗水场”。三种补水方案中必须采取泥沙处理措施。

“鸣沙山前自然洼地渗水场”补给路径与补给方式最为直接，补水对月牙泉水位恢复有较好作用，但补水位置位于鸣沙山前自然洼地，补水工程施工难度大，后期管理维护成本高，受山前流动沙丘影响较大。

“党河河道黑山咀-合水三队渔场段渗水场”的补水方案符合《规划》提出的补水要求，从地下水流场分析，地下水主流方向与月牙泉之间有一定夹角，地下水可以通过潜流方式向月牙泉进行补给。党河水库建成之前月牙泉主要接受党河河道该段地下水的补给，而且当时地下水开采量较小，实施该方案基本相当于还原至党河水库建成之前的状况，对月牙泉水位恢复有一定的作用。

“党河河道黑山咀-白马塔大桥段渗水场”补水方案中对月牙泉水位恢复起到较大贡献的仍然为黑山咀-合水三队渔场段，下游渔场至白马塔大桥段主要通过入渗补给该地段地下水，使其水位不再下降甚至上升，这样可以降低月牙泉与敦煌城区等开采区之间的水力坡降，减小月牙泉向下游的潜流量。

建议“党河河道黑山咀-合水三队渔场段渗水场”作为渗水场。

3.4 工程方案研究

3.4.1 月牙泉恢复补水工程水源及输水方式拟定

根据规划要求党河水库承担向月牙泉和西湖自然保护区输水的任务。党河水库至月牙泉恢复补水工程断面河道输水效率表见表1。

表1 党河水库至月牙泉恢复补水工程断面河道输水效率表

从表1可以看出，若扣除党河水库向西湖的输水期、水库泄洪排沙、汛期及冬季通过党河河道下泄等时段，月牙泉恢复补水工程远期引用流量约为1.5m3/s，若通过天然河道下泄，则输水效率为0.31，按照规划拟定的下泄水量4000万m3计算，大部分水量消耗在党河水库至黑山咀断面之间，对月牙泉贡献较小，且进入回灌工程断面的水量仅仅为1240万m3，远远不足回灌工程需水量。

党河总干渠上段现状设计流量23.835m3/s，加大流量24.15m3/s，节水项目实施后总干渠设计流量21.0m3/s，具备向回灌工程输水条件。

在引哈济党工程实施前，除全年向西湖输水的27d生态输水期、水库泄洪排沙、汛期及冬季通过党河河道下泄外，其余时段月牙泉恢复补水工程主要依靠党河总干渠输水，由总干渠首输水至总干渠黑山咀节制分水闸引入河道渗水场。引哈济党工程实施后，由于河道下泄水量增加，除全年向西湖输水的40d生态输水期、河道泄洪排沙、汛期及冬季通过党河河道下泄外，其余时段月牙泉恢复补水工程主要依靠党河总干渠输水，由总干渠首输水至总干渠黑山咀节制分水闸后引入河道渗水场。

3.4.2 渗水场工程布置研究

依据《综合规划》等相关规划，结合水利工程设施现状，择河段较为合理，河道渗水场位置为“党河黑山咀至合水三队渔场”。

党河水经党河水库调节水库下泄洪峰流量较小。但每年汛期，党河水库工程需要泄洪排沙，增加了汛期河道内的洪水泥沙泄量，作为渗水场工程，如何解决汛期水库洪水、泥沙的安全下泄，以及渗水场工程自身的运行安全是工程的关键。

根据渗水场的水质要求和河道现状，初步拟定两个渗水场总体布局方案：二槽(清洪分离)方案和一槽(清洪不分)方案。

(1)二槽(清洪分离)方案

清洪分治理念，是将工程坝址河道划分为蓄水渗水区及行洪区两部分，用中隔堤将现有河道一分为二，形成复式河槽，右岸为主蓄水河槽，在右岸带状区域建设渗水场，左岸为浑水河槽。当党河水库下泄水量低于低于设防标准时，蓄水区均可正常运行，当上游下泄水量大于设防标准时，蓄水区上游人工塌坝泄空，全河道过洪，以确保防洪安全。

渗水场河道平均比降为4‰～5‰，在确保防洪安全的前提下，在治理河段左岸共布设泄洪槽5.644km，右岸布设12座低坝，形成梯级水域，低坝坝高2.0m，单级渗水场长400m，蓄水水深0～1.5m。

(2)一槽(清洪不分)方案

全河道为蓄水河槽，同时兼有蓄水和泄洪排沙的功能。平时为全河槽(一槽)蓄水湖区，形成大面积渗水场。每年的7—9月主汛期上游党河水库下泄超标洪水时，蓄水区全部塌坝泄空，全河道行洪，确保上游洪水泥沙自工程区河道安全下泄；洪水过后，再立坝重新蓄水，形成渗水场。

在确保防洪安全的前提下，在渗水场河段共布设12座低坝，形成梯级水域。

一槽方案泥沙淤积较多，大量泥沙会淤积在渗水场，影响渗水场底部的透水性，长时间运行会导致渗水场报废，后期需要定期清淤，管理运行问题较多，且工程投资较大。因此，推荐二槽方案为工程布置方案。

3.4.3 挡水、溢流建筑物选择研究

河道内的挡水、泄水建筑物主要型式有格宾笼石坝、水闸、砼或砌石堰、橡胶坝等。

格宾石笼坝具有施工技术简单，管理维护费用低，取材方便，且运行多年后植被恢复后基本无人工修复痕迹，且投资较低。但基础易沉降，挡水效果较差。

橡胶坝具有塌坝后坝袋紧贴河床底板、不碍洪、外形轻巧美观而被广泛应用于城市水利工程中。但坝袋易被尖锐器物刺伤，且存在橡胶坝坝袋老化问题，因此，需要加强管理，并且投资较高。

砼或砌石坝坝型具有施工技术简单，坝身溢流条件好，且管理维护费用低。

水闸河道内布置需要布设高耸的启闭机闸房，与周边环境不协调，并且投资较高。

参考已建工程经验，对两者经过多方面比较分析，并结合渗水场位置要求及河势，同时考虑渗水场生植被恢复植物生长习性，在河道渗水场共布置11座挡水坝，挡水坝上共布置溢流堰17座砼堰作为挡水、泄水建筑物。挡水坝采用碾压砂砾石梯形断面，坝高1.7m，考虑远期景观要求及坝体渗流稳定要求，坝顶宽确定为5.0m，坝体夯填边坡均为1∶2；考虑坝坡的绿化灌溉及植被生长，坝坡可采用河道弃土及废弃料堆填为1∶5边坡，并在表层铺设30cm厚的耕植土。

3.4.4 防洪堤及中隔堤堤型及护砌材料选择

3.4.4.1 防洪堤及中隔堤堤型选择

防洪堤和中隔堤主要型式有浆砌石(或砼现浇)挡墙及砂砾石梯形土堤。

参照当地已有工程及工程实际情况，本次堤防堤型选用碾压砂砾石梯形堤并做护坡处理。

3.4.4.2 防洪堤及中隔堤护砌材料选择

目前堤身临水面及堤基的护砌结构多采用砼护砌、细粒砼砌块石护砌、格宾石笼护砌、植物护坡等形式，可根据工程地质情况、河道水流情况分析采用。本工程采用清洪分治，浑水槽及渗水场水流特性及生态建设情况差别较大。堤身临水面及堤基的护砌结构需做综合分析才能合理确定。

(1)浑水槽临水面及堤基的护砌形式选择

该工程考虑工程建设生态性及当地气候、洪水特点等，选用格宾石笼作为浑水槽护坡材料，格宾石笼具有其自然透水性结构，不影响地下水之间的自由交换，良好的促淤性使得自然植被能够迅速在表面生长，实现生态环境的迅速恢复与重建；由于相邻的格宾石笼都采用绞合钢丝进行绞合，使之成为整体，更具有整体的安全与稳定性；考虑水位变动易引起堤防细颗粒逸出，造成坡岸失稳，因此，护坡结构层从上到下依次为50cm厚的石笼护坡/30cm的砂砾石垫层/300g的土工布/砂砾石土堤；基础为60cm厚的石笼。

(2)渗水场临水面护砌形式选择

渗水场引水流量1.5m3/s，渗水场内水流流速较低，渗水场临水面护砌形式采用生态护坡形式，边坡1∶5～1∶10。

3.4.5 湿地植被恢复研究

湿地植被恢复工程主要通过植物种植、地形塑造、水线梳理、分区设计等解决水量、水流及防洪问题，通过生态修复的方法改善生态环境。

湿地植物种类选择丰富。形成高低错落交织，水生、旱生植物景观共现的湿地景观，栽植高大乔灌林，占植被恢复面积的10%，采用柽柳、胡杨、杏树、垂柳、红花槐等；高草植物区，占植被恢复面积的65%，采用芦苇、菖蒲、醉鱼草、千屈菜。紫花苜蓿等；低草植物区，占植被恢复面积的20%，采用白花三叶草、酢浆草。黑羊茅等；浮水水生植物区，占植被恢复面积的5%，采用睡莲。

3.4.6 周边地下水关停范围研究

根据监测，月牙泉下游最近主要开采区-合水村和鸣山村地下水开采对月牙泉水位变化影响很大。在不考虑以上范围机井开采情况下的模拟预测，在党河河道黑山咀子-鱼场补水入渗1658.24万m3的情况下，月牙泉水位可以上升1.20m，如果以上范围机井继续开采，月牙泉水位最少下降0.39m，水位低消之后仅能上升0.81m，难以达到《综合规划》要求。

依据相关规划要求，确定此次关井范围为合水村、鸣山村所有机井及敦煌城市自来水厂、七里镇自来水厂机井。共关闭机井155眼。

4 结语

月牙泉恢复与补水工程通过多项基础实验及研究，发现并总结了敦煌党河和敦煌月牙泉区域水文循环规律，寻找最佳的补水途径。工程建设方案遵循月牙泉补水机理，结合整体水生态保护与修复建设，营造月牙泉原生态自然环境，打造基于月牙泉及党河水生态保护和修复的生态水利工程。试运行观测结果显示，月牙泉水深及水域面积均达到规划要求，生态恢复良好。