红崖山水库至青土湖连通生态输水模拟

高铭阳

(甘肃省水务投资有限责任公司，甘肃 兰州 730030)

1 工程概况

由于特殊的地理位置、恶劣的水资源条件及其脆弱的生态本底，目前石羊河下游民勤盆地的生态治理和保护挑战依然十分严峻，主要表现为外河现状河道已被风沙填埋、公路桥截断外河、灌溉渠道已截断外河、河道内已被老百姓堆放秸秆和盖农舍。随着石羊河流域社会经济的发展、人口增长、以及两岸农业灌溉的发展，对石羊河的用水需求将会逐步增大，同时随着工业化的发展，石羊河流域水量将会出现严峻的用水需求。20世纪50年代中后期，青土湖水域面积逐渐出现萎缩现象，这一期间，青土湖水域面积快速缩小，直至1959年流域完全干涸。回顾民勤县盆地水环境生态演变过程，分析其流域干涸原因，主要是20世纪人口增长过快，工业发展不足，缺少环保意识。为维持稳定的家庭收入，当地居民过度开荒造地、砍伐森林，因此造成当地森林大面积破坏，久而久之水土流失愈加严重。同时中游地表水资源过度开发，造成地表径流减少，因此进入民勤盆地的地表水量减少，加之当地居民生活用水主要为采用地下水，过量开采地下水导致地下水位急剧下降，生态环境恶化。至20世纪70年代，青土湖流域完全干涸。

2 河道治理措施

本次治理设计，以实现红崖山水库至青土湖水系连通，通过对外河河道生态清淤、疏浚河道、岸坡整修、生态护脚、生态护坡等措施[1-4]，改善水生态环境，实现红崖山水库至青土湖水系连通，恢复外河河道，使沿线生态环境逐步得到恢复。

2.1 河道疏浚

本工程疏浚河道总长56.859km，本次疏浚外河底宽计算以红崖山水库加高扩建工程调度运行为依据，外河内最大泄洪为30m3/s，疏浚后外河恢复过洪30m3/s能力，本次疏浚河道，以33.8m为最小河道底宽进行疏浚。

2.2 外河两岸岸坡整修

本工程外河两岸岸坡整修总长113.718km，河道宽度33.8m，最大水深为1.8m，疏浚后外河恢复过洪30m3/s能力。故岸坡整治高度以1.8m为标准。

2.3 岸坡生态固坡

经分析计算，青土湖水系沿岸生态固坡设计长度约57km，流域两岸设计固定坡面积480余亩。本流域生态固坡方法采用人工压设“双眉式”网格状沙障。如图1所示。

图1 “双眉式”网格状沙障

(1)人工压沙方法

结合青土湖流域河道现状及风蚀、设计沙障规格间距均为横、竖向1m×1m规格。沟槽尺寸为0.25m×0.15m宽深；沙障材料为草秸秆，秸秆长度不小于40cm，设计每亩土地沙障秸秆为700kg。

(2)人工造林

苗木选择梭梭；人工栽植梭梭，栽植工艺采用三埋二踩一提苗；规格尺寸为株距2.5m×2.5m，每亩107穴，每穴3株；坑穴尺寸：长宽高各40cm。

2.4 生态护坡、护脚

经统计生态护坡长度6.8km。根据当地建材情况以及拟定的护岸护坡形式，从生态角度护岸材料首先选用绿滨垫护坡、不阻隔河道水对地下水的补给，有利于利于河道生态恢复[5]。经统计计算外河两岸生态固脚长度56.765km。护脚冲刷深度计算结果为设计护脚基础埋深0.5m。依据计算结果，考虑安全性及工程地质条件等因素，考虑到生态设施措施的稳定性及抗冲性能及施工方便等方面，进行生态护脚防护措施。护脚防护采用格滨笼护脚处理措施[6-8]，护脚结构形式如图2所示。

图2 护脚结构形式

3 青土湖生态输水

生态输水工程拟从总干渠泄洪闸(龙王庙)取水，泄洪闸(龙王庙)以上总干渠设计输水能力为60m3/s，现状实际输水能力为60m3/s，以下渠道设计流量为30m3/s，在灌溉高峰期，泄洪闸(龙王庙)以上渠道仍有30m3/s的富余输水能力，同时按照现状外河断面复核，过流能力为20～30m3/s。因此，本次外河治理河道泄水最大规模确定为30m3/s，为恢复外河生态环境，在水库来洪条件下，可在汛期考虑引用洪水流量最大30m3/s，放至外河河道，增加外河沿线的下渗水量，以促进外河流域生态的恢复，下泄洪水在沙咀墩处通过泄水闸泄至滞洪区。

3.1 补水模型

为进一步研究民勤盆地地下水位动态变化，制定青土湖合理生态补水方案，运用2005—2014年民勤盆地36个地下水长观井的观测数据、灌区地下水开采量和红崖山水库引水灌溉用水量资料等，进行地下水模型的识别与验证，对青土湖生态需水量进行了模拟预测。

3.1.1青土湖生态补水模拟

(1)地下水系统概念模型和数学模型

研究采用加拿大Schlumberger Water Service盆地地下水模型。本模型将青土湖水系区地下水概化为非均质各向异性、非稳定流系统，本模型为理想模型。根据地下水概念模型，建立盆地地下水动力模型[9-11]。主微分方程：

(1)

式中，kxx，kyy，kzz—渗透系数，m/s；h—侧压水头，m；Q—单位体积流量，m3/(s·m3)；Ss—单位储水系数，m-1；T—时间，s。

初始及边界条件：

h(x，y，z，t)∣t=0=h0(x，y，z)

(2)

(3)

式中，h0—含水层的初始水位分布，m；Γ12—侧向混合边界；q(x，y，t)—边界流量。

该模型为理想模型，模型计算认为，流域接受地表径流、降水、凝结水入渗补给，农业灌溉工程的灌溉水补给、以及侧向边界补给；同时在上部边界考虑水分蒸发、地下水开采和泉水溢出等水分流失和排出。

(2)均衡项和排泄项的处理

①降水和凝结水补给，采用降水入渗系数法计算；

②模型取地表水渠系入渗系数为0.35，田间回归入渗系数为0.15；地下水渠系入渗回补系数为0.06，田间回归入渗系数为0.15。

③人工开采，根据收集到灌区9000多眼地下水井分布，概化为806个大井。

④潜水蒸发排泄，采用蒸发系数法，考虑地下水埋深不同蒸发量变化。

(3)计算区剖分及时间段选择

本模型计算区域采用矩形网格(1km×1km)，计算区域共设计计算单元4908个。计算时间为2005年1月1日—2009年12月30。本模型设计一个月为一个计算时段。选择2010—2014年数据来验证模型的可靠性。

3.1.2模型识别与验证

模型采用2005—2009年共5年的水位实测资料做流场拟合，为验证模型的模拟精度，选取2010—2014年共5年的76个观测点水位实测资料进行水位拟合[12]，拟合结果表明模型拟合结果较好，均方根值RMS误差4.138%。计算结果满足精度要求。

3.1.3现状青土湖地下水位动态研究

模型以2014年12月30日为初始流场，30d为时间步长，预测了未来15年地下水水位动态以及各均衡项的变化。现状利用弃水向青土湖补水方案下民勤盆地地下水均衡见表1。2030年地下水埋深小于3m浅埋区分布如图3(a)所示。

表1 2020年民勤盆地地下水补给、排泄表 单位：亿m3/a

图3 不同供水方案下2030年民勤盆地地下水位埋深<3m分布图

现状供水方案下，水库调度弃水起到了一定程度的积极作用，抬升了相关灌区和夹河东沙窝地区地下水位，灌区核心地区地下水水位恢复显著。但是大量地下水消耗于潜水蒸发，弃水对于改善湖区北部生态和保障绿洲长远稳定作用十分有限，单纯依靠抬高灌区地下水水位来抬升北部青土湖地区地下水位或者利用现有水利工程及运行方式向青土湖补水，对于改善湖区北部生态环境将会十分漫长。红崖山水库进行加高扩建后，实现有计划地向青土湖进行生态补水，可以尽早发挥湖区湿地阻隔北部最大的风沙带入侵的生态效益，使民勤绿洲生态治理效果更加明显。

3.1.4合理补水量研究

为模拟研究青土湖合理生态补水量，中国水利水电科学研究院研制的民勤盆地地下水系统概念模型和数学模型以红崖山水库1956—2013年长系列调节计算，进行了红崖山灌区2020年用水水平下、水库加高扩建对青土湖生态补水进行运行调度方案下的青土湖地下水位动态研究。经模型反演结果显示，当水库加高扩建后青土湖年补给地下水量为1142万m3时，可以保障当地2030年生态水环境治理实现“青土湖北部湖区出现不小于70km2区域，且出现地下水浅埋区小于3m区域”的目标。模型预计在生态补水方案下，青土湖常年水面面积达到8km2左右，最大达到15km2。

水库加高扩建向青土湖有计划的进行生态补水方案下民勤盆地地下水均衡见表2，2030年地下水埋深小于3m浅埋区分布如图3(b)所示。青土湖区北部水分浅埋区面积的出现以及青土湖水面逐年的形成，将极大改善流域的生态环境现状。从长远意义看，对于尽早发挥湖区湿地阻隔北部风沙带入侵的生态效益，保障绿洲北部生态系统的恢复与维持十分关键[13-14]。

表2 水库调度向青土湖补水方案下2030年民勤地下水补给、排泄表 单位：亿m3/a

3.2 青土湖生态补水过程

根据红崖山水库满足红崖山灌区用水后弃水过程，8—10月份水库弃水量较大，同时该时段流域附近灌区灌溉结束，正好遇到上游洪水期，水库来水比较充足，因此这段时间水环境生态效益显著。在将补水时段确定为8—11月后，水库向青土湖生态供水量采用3180万m3的条件下，经调节计算结果显示，水库可满足各供水对象的需水要求，说明供水时段及供水规模是合适的。根据青土湖供水过程，本工程生态输水流量为3.63m3/s。

3.3 青土湖补水线路及效果分析

红崖山水库现状渠道输水至青土湖线路如图4所示。

图4 红崖山水库现状渠道输水至青土湖线路示意图

根据民勤盆地地下水系统概念模型和数学模型反演分析：多年平均由红崖山水库通过现有农灌渠道向青土湖下泄生态水量3180万m3，渠道输水损失954万m3，青土湖水面蒸发损失1084万m3，青土湖地下水补水量为1142万m3。经分析计算，按照红崖山水库向青土湖生态供水量为3180万m3时，河道损失1004万m3，渠道输水损失351万m3，考虑青土湖水面蒸发损失1084万m3，青土湖地下水补水量741万m3，青土湖地下水补水量减少了401万m3，减少35%，但外河沿线地下水补水量增加了1004万m3。从长远角度考虑，通过河道疏浚治理改善外河沿线水生态环境，逐步抬升外河沿线地下水位，恢复生态环境，形成民勤县东面防风屏障，实现红崖山水库至青土湖地下水水系连通。

3.4 地下水埋深效果

逐年下泄水量、青土湖水域面积、地下水埋深如图5所示。

图5 逐年下泄水量、青土湖水域面积、地下水埋深

通过与民勤县水务局收集生态注水资料，2010年，红崖山水库共下泄用于青土湖注水和生态林灌溉用水1290万m3，除去在输水过程中的蒸发、入渗后的实际入湖水量860万m3，形成3km2的水面；2011年，水库出库水量2160万m3，其中向青土湖下泄1800万m3，除去在输水过程中的蒸发、入渗后的实际入湖水量1512万m3，形成10km2的水面；2012年，出库水量3000万m3，实际入湖水量2100万m3，除去在输水过程中的蒸发、入渗后的实际入湖1200万m3，形成了15km2的水面；2013年，出库2000万m3，除去在输水过程中的蒸发、入渗后的实际入湖水量1400万m3，形成了15km2的水面；2014年出库水量3300万m3，除去在输水过程中的蒸发、入渗后的实际入湖水量2310万m3，形成了22km2的水面。2015年出库水量2833万m3，除去在输水过程中的蒸发、入渗后的实际入湖水量1983万m3，形成了22.36km2的水面。2016年出库水量3358万m3，实际入湖水量2350万m3，形成了25.16km2的水面。具体的数据统计见表3。

表3 2010—2016年水库向青土湖下泄水量过程统计 单位：万m3

4 结论与建议

本文针对近年来青土湖流域面积减小及地下水严重开采等导致的水资源严重损失问题对青土湖流域河道展开治理。河道治理工程包括疏浚河道长度56.9km、外河岸坡整修113.72km、生态固坡面积482.44亩、生态固脚长度56.8km、生态护坡长度6.80km。同时基于河道现状对治理后的河库及地表水入渗、降水、蒸发蒸腾、地下水开采等进行模拟运算，模拟结果显示当年补给地下水为1142万m3时，在2030年地下水埋深小于3m区域将逐渐扩大，水面面积最大可达到15km2。可见该河道治理工程对青土湖生态恢复效果显著。但本模拟所需年补给地下水量较大，是河道工程治理的难点，需进一步研究。