敦煌月牙泉湖水位下降治理研究

李平平，王曉丹，黎濤，劉心彪，繆云騰，劉德玉

（1.甘肅省地下水工程及地熱資源重點實驗室，甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘察院，甘肅 張掖 734000；3.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081）

月牙泉湖地處敦煌市南部的鳴沙山之中，處于一個北西南三面沙山環(huán)抱東面開口的半封閉形洼地中，總的地形南北部高，中東部低，形酷似一彎新月（李平平等，2020）。敦煌鳴沙山月牙泉是甘肅省著名風景名勝區(qū)，以“山泉共處，沙水共生”的奇妙景觀著稱于世，被譽為“塞外風光之一絕”。月牙泉湖形成距今約為12 ka（許朋柱等，2002）。對于月牙泉湖的形成研究者有上升泉、斷層泉、風成泉、基巖裂隙泉、沙漠地下水溢出泉和古河道殘留湖等6 種觀點（孫顯科等，2006；尹念文等，2010），由于缺乏充分的資料和專門性的研究，對上述觀點仍存在較大分歧（張?zhí)柕龋?014），沒有形成科學的定論。從20 世紀70 年代開始，由于黨河水庫的修建、渠道襯砌及墾荒造田大面積抽水灌溉引起區(qū)域地下水位急劇下降，從而導致月牙泉湖水位急劇下降，逐漸威脅月牙泉存亡（安志山等，2013，2016），以致于從1986 年開始月牙泉湖底多次露出水面，形成2 個小泉成葫蘆形，造成月牙泉周圍環(huán)境地質(zhì)的惡化，導致敦煌市旅游資源的衰竭（張克存等，2012）。近年來，國內(nèi)雖有學者對月牙泉泉域沉積環(huán)境及泉水的形成、水位下降等原因進行探討分析，這些研究結(jié)果對月牙泉湖的形成及治理具有重要意義。筆者梳理前人研究成果，分析月牙泉形成的水文地質(zhì)條件，探討月牙泉湖水位下降的原因，論證月牙泉水位下降過程中不同時期的治理措施與效果。

1 月牙泉湖水文地質(zhì)條件

月牙泉湖地處河西走廊西端內(nèi)陸敦煌盆地，氣候干燥，多年平均降水量僅39.1 mm，蒸發(fā)量高達2 487.7 mm，蒸發(fā)量為降水量的62 倍。月牙泉湖在黨河洪積扇與西水溝洪積扇之間的風蝕沙漠洼地之中形成，因地形低洼風蝕切割地下水出露，為第四系松散巖類孔隙潛水含水層，含水層厚度達數(shù)百米（圖1），砂質(zhì)純凈，富水性豐富，水質(zhì)良好。黨河是補給月牙泉湖唯一的一條河流（圖2），河道距月牙泉湖最近處約為4.5 km，地下水自西南向東北徑流，泉域水力坡度為0.2%～0.3%（楊俊倉等，2003；Tu，2009），單井涌水量一般小于1 000 m3/d，滲透系數(shù)為0.50～6.43 m/d，礦化度為0.60～1.0 g/L，月牙泉地下水化學類型以SO4-HCO3-Na-Mg-Ca 型或SO4-Cl-Na 型為主（黎濤等，2013）。

圖1 敦煌月牙泉地區(qū)地下水埋深及等水位線圖Fig.1 Groundwater depth and water level map in the Yueyaquan area of Dunhuang

圖2 黨河河道地下水與月牙泉水位關系剖面圖Fig.2 Section diagram of relationship between water level of the Danghe river and groundwater of the Yueyaquan

2 月牙泉湖水位下降原因分析

2.1 月牙泉湖水位動態(tài)特征

20 世紀60 年代以前，人類活動對月牙泉湖水位影響極小，湖水位一直相對穩(wěn)定（圖3），是一種天然狀態(tài)下的補給、徑流、排泄過程（張文化等，2009），即便是嚴重干旱的年份，月牙泉湖也沒有出現(xiàn)萎縮現(xiàn)象（袁國映等，1997；丁宏偉等，2004）。從70 年代中期開始，月牙泉湖水位急劇下降，以致于月牙泉湖底幾度部分露出水面，到90 年代后期，月牙泉接近枯涸。2008 年開始，月牙泉湖應急治理工程實施后水位開始緩慢上升（桑學鋒等，2007），為月牙泉湖后期的治理贏得了時間；2018 年4 月，月牙泉湖恢復治理工程實施以來，月牙泉湖水位快速上升，當年上升了1.58 m，遏制了月牙泉湖周邊環(huán)境地質(zhì)的進一步惡化。

圖3 1947～2020 年月牙泉湖水位動態(tài)變化趨勢圖Fig.3 Active change trend of water level of the Yueyaquan lake from 1947 to 2020

2.2 泉湖水位下降影響因素分析

月牙泉湖地處河西走廊西端內(nèi)陸，屬典型的大陸性氣候（Li et al.，2009；張晨等，2016）、溫熱沙漠型氣候區(qū)，降水量少（冀欽等，2018；柴娟等，2018），蒸發(fā)強烈，是干旱氣候區(qū)的顯著特征（岳峰等，2007）。月牙泉湖水面年蒸發(fā)消耗量為1.338 2×104m3，月牙泉湖水來自西部黨河沖洪積平原區(qū)地下水的補給，只要區(qū)域地下水位始終保持一定的高度，水面蒸發(fā)對泉湖水位的影響微乎其微。

泉湖域地下水的運動規(guī)律大體上受區(qū)域地下水位控制，徑流方向與黨河地表水系狀況基本一致，總體泉湖周圍地下水徑流方向為由西南向東北。黨河水庫修建前，黨河河道處自然徑流狀態(tài)（Phan et al.，2008；韓積斌等，2019），通過入滲補給地下水，月牙泉湖處于穩(wěn)定狀態(tài)。1975 年黨河水庫的修建及后期高標準輸水渠道的修建，黨河基本斷流，大部分河水被引入灌區(qū)，灌溉敦煌綠洲。輸水渠道的修建，從而代替了原來以河道流水為主的自然水流輸送狀態(tài)，造成入滲補給地下水量迅速減少，導致區(qū)域性地下水位下降，并進一步對月牙泉湖產(chǎn)生影響（安志山等，2013，2016）。近半個世紀以來，特別是改革開放以來，敦煌隨著人口的快速增長和旅游業(yè)的快速發(fā)展，種植面積不斷擴大，區(qū)域內(nèi)用水量劇增，人們開始開采地下水（施錦等，2014）。1971 年到1997 年再到2007 年及2019 年，敦煌市地下水開采機井由400 余眼發(fā)展到1 134眼再快速發(fā)展到3 217 眼及3 231 眼（李平平等，2020），機井數(shù)量逐年增加（Zhu et al.，2015；祁澤學等，2018），開采地下水量（Katsifarakis，2008；Gaur et al.，2011；Lan et al.，2015）由小于1 000×104m3增加到4 123.72×104m3，再增加到近13 084×104m3及6 440×104m3（圖4），地下水嚴重超采（張明泉等，2004），地下水位持續(xù)下降（李平平，2019），造成區(qū)內(nèi)地下水補給、排泄嚴重失衡和區(qū)域地下水位的下降（Garth et al.，2008），月牙泉水域不斷萎縮（張克存等，2012）。2007 年以后，地下水開采量逐漸減少，月牙泉湖水位開始緩慢上升。

圖4 敦煌地下水開采量變化曲線圖Fig.4 Variation curve of groundwater exploitation in Dunhuang

3 治理工程

3.1 淘泉工程和注水工程

月牙泉湖水位持續(xù)下降，1986 年月牙泉湖中部泉底出露變成“亞鈴形”，水域面積縮小到4 600.0 m2，最大水深為1.9 m。于當年10 月15 日開始掏泉工程，歷時45 d，掏泉工程只增大水面以下深度，并不能提高泉湖水位的海拔標高。

1988 年10 月，在小泉灣利用人工湖開始向月牙泉進行注水（2 根100 mm 暗管），注水歷時15 d，注水量約為28 460 m3，期間泉湖水面升高65.2 cm。停止注水約31 天后，湖水位下降61 cm。注水工程期間，由于注水水質(zhì)與月牙泉水質(zhì)相差較大，導致月牙泉湖水變渾濁。

3.2 滲水試驗

為了不使月牙泉湖在2001 年干凅，于當年3 月9日在小泉灣林草地直接利用人工湖地表水進行灌溉滲水，灌水量約為32×104m3，期間月牙泉湖水位升高0.496 m。滲水期間泉湖水由清變渾濁，pH 值由7.8 變到9.0，在泉湖周邊的林草灌水地出現(xiàn)鹽漬化即土壤次生鹽堿化跡象。

3.3 應急治理工程

2007 年4 月開始月牙泉湖近期工程，工程包括供水工程、輸水工程、水處理工程和滲水工程4 部分組成。2007 年3 月12 日開始滲水，日滲水量為10 000 m3，到6 月15 日上升了1.70 m；泉域面積由5 333.3 m2擴大到7 333.3 m2，9 月15 日擴大到11 200.0 m2。此后，月牙泉湖水位基本穩(wěn)定且緩慢上升。

3.4 水位恢復治理工程

為遏制月牙泉湖水位下降，使月牙泉湖及周邊生態(tài)惡化趨勢得以遏制，不再惡化，提出了月牙泉恢復補水工程，即通過綜合治理使月牙泉湖面積和水深實現(xiàn)恢復性轉(zhuǎn)變，逐步恢復水深并提高到2.0 m 以上，恢復月牙形狀，滿足自然景觀要求。本研究采用國際上較為流行的FEFLOW 軟件模擬（呂曉立等，2020），按照研究區(qū)地下水的補給、徑流與排泄關系，計算地下水流場，根據(jù)監(jiān)測孔水位數(shù)據(jù)進行擬合（朱亮等，2020），最后通過模型進行預測分析不同地段補水后水位變化及月牙泉上升至2.0 m 所需的水量。

4 結(jié)果與分析

4.1 自然洼地補水

利用鳴沙山前的自然洼地地段進行補水，每年所需補水量為1 004.8×104m3，加上蒸發(fā)損耗量約占滲水量30%，每年總補水量為1 306.24×104m3的情況下，月牙泉湖水位由1 134.24 m 上升到1 135.44 m，可提升1.2 m（圖5、圖6）。

圖5 補水前后地下水流場對比圖Fig.5 Comparison of groundwater flow field before and after water replenishment

圖6 月牙泉湖水位變化對比曲線圖Fig.6 Comparison curve of water level change in Yueyaquan lake

4.2 黨河河道補水

黑山嘴子至魚場段長為5.92 km，單位面積滲水量為1.51 m3/m2·d，包氣帶厚度為3.595 m，每天可入滲量為32 136.424 m3，年補水時間按258 d 計，共可入滲量為1 658.24×104m3。在此補給條件下，通過模擬計算，河道入滲補給量為1 658.24×104m3的情況下，月牙泉湖水位可上升2.0 m（圖7、圖8）。

圖7 補水前后地下水流場對比圖Fig.7 Comparison of groundwater flow field before and after water replenishment

圖8 月牙泉湖水位變化對比曲線圖Fig.8 Comparison curve of water level change in Yueyaquan lake

4.3 對比分析

4.3.1 從地下水流場分析

研究區(qū)地下水初始等水位線可看出，不管在豐水期還是枯水期，研究區(qū)南部鳴沙山前黑山嘴子至S6監(jiān)測孔之間地下水流向基本均為自西向東徑流至月牙泉，該段地下水位于月牙泉上游，對月牙泉的補給方式最為直接。

4.3.2 從地下水水力坡降分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，黨河河道中沒有地表水入滲補給時，S5 與月牙泉湖形成的天然水力坡降為4.658‰；當黨河河道泄水量3 887.36×104m3時，導致S5 水位升高，與月牙泉湖之間的水力坡降增大至5.534‰。隨著長時間的徑流，黨河河道下部形成的“水丘”向東南側(cè)的月牙泉湖擴散，最終導致月牙泉水位上升。從S5上游進行補水其效果要好于S5 以下段。

4.3.3 從補水所需水量分析

鳴沙山前自然洼地地段每年補水量為1 306.24×104m3，月牙泉湖水位可提升1.2 m。黨河河道每年補水量為1 658.24×104m3，月牙泉湖水位可提升2.0 m。在黨河河道補水需水量要大于鳴沙山前自然洼地補水需水量但月牙泉湖水位能上升2.0 m，分析表明黨河河道補水方案為最佳。

4.4 恢復補水工程效果

按照FEFLOW 軟件模擬補水方案，月牙泉湖恢復補水工程修建于黨河河道黑山嘴下游，修建12 個滲水場，最大蓄水量為98×104m3；2017 年10 月開始蓄水，保證了月牙泉湖地下水的補給來源；補水開始后月牙泉湖水位呈上升趨勢，湖水面上升1.58 m，年均上升0.53 m，月牙泉湖水域面積由11 183.31 m2也逐漸擴大到18 334.75 m2。

恢復補水工程發(fā)現(xiàn)，黨河水未進行除砂除泥處理直接引入滲水場，水位下降后底部有一層沉淀淤泥，隨著時間越長淤泥越厚。淤泥透水性很差并未作處理，隨著淤泥厚度的增加，滲水場內(nèi)水體下滲速度逐漸降低，最終會形成一潭死水而無法下滲。

5 結(jié)論

（1）月牙泉湖水位下降由自然因素和人為因素所造成，其中人為因素是導致月牙泉水位下降最主要原因，也是最直接原因。泉湖水位的下降導致周圍環(huán)境地質(zhì)的惡化和旅游資源的衰竭。

（2）月牙泉湖水位的急劇下降和周圍環(huán)境地質(zhì)的惡化，引起黨和國家領導人及相關部門的極大關注。1986 年開始，先后進行淘泉工程、注水工程、滲灌工程及應急治理工程等一系列的治理工程，效果都不盡人意，為了從根本上解決月牙泉湖水位下降問題，開始實施恢復補水工程。

（3）FEFLOW 軟件模擬預測表明，鳴沙山前自然洼地地段每年補水量為1 306.24×104m3，月牙泉湖水位可提升1.2 m；黨河河道每年補水量為1 658.24×104m3，月牙泉湖水位可提升2.0 m。黨河河道補水效果最佳。

（4）補水方案實施后，月牙泉湖水面上升了1.58 m，水域面積擴大到18 334.75 m2，達到預期效果。恢復補水工程直接把黨河水引入滲水場，隨著時間的推移滲水場底部逐漸沉淀一層淤泥，此淤泥透水性很差并未作處理，水體下滲速度逐漸降低。此外，關于短期監(jiān)測中發(fā)現(xiàn)的問題與判定仍需進一步監(jiān)測與研究。