新疆再生水補給地下含水層的可行性探討
——以烏魯木齊市為例

王曉愚，趙晨曦，章真怡，賈爾恒·阿哈提*，趙慧坤

1.新疆環境保護科學研究院，新彊烏魯木齊 830011

2.清華大學核能與新能源技術研究院，北京 100084

新疆再生水補給地下含水層的可行性探討
——以烏魯木齊市為例

王曉愚1，趙晨曦1，章真怡2，賈爾恒·阿哈提1*，趙慧坤1

1.新疆環境保護科學研究院，新彊烏魯木齊 830011

2.清華大學核能與新能源技術研究院，北京 100084

利用再生水補給地下含水層是再生水利用的前沿領域，在干旱缺水的新疆開展再生水補給地下含水層，是緩解水資源緊缺、地下水超采、水重復利用率低及水污染嚴重等問題的有效途徑。以烏魯木齊市為例，通過分析城市水資源供需、再生水利用及水環境現狀，考慮地下含水層空間條件及工程場地條件，對干旱區城市再生水補給地下含水層的優勢和可行性進行探討，并針對干旱區特殊的自然地理條件，提出了開展該項工作需要研究的重點問題。建議在新疆干旱區盡早開展再生水補給地下水的研究與實踐工作，以促進城市再生水的安全利用，提早獲得環境、經濟和社會效益。

再生水；人工含水層補給；地下水；新疆

近年來隨著世界各國水資源危機加劇，越來越多的國家和地區開始重視再生水的利用，再生水被廣泛應用于工業、農業、城市綠化、景觀、補給地下水及市政雜用等用途。目前一些發達國家已經把再生水利用作為解決水資源短缺的重要戰略之一，如美國、以色列、日本及西歐等許多國家在再生水利用方面都開展了大量實踐工作，取得了豐富的經驗［1］。新加坡、以色列、納米比亞等個別缺水國家（和城市）甚至將再生水回用于生活飲用水［2］。我國也有許多城市實現了污水再生利用。

利用再生水補給地下水是再生水利用的前沿領域，也是緩解區域水資源緊缺和由于地下水超采導致的含水層枯竭問題的有效手段。早在20世紀70年代國外就開始了再生水地表入滲回灌利用研究，采用的方式主要是土壤含水層處理系統（soil aquifer treatment，SAT），其中比較著名的是以色列的Dan Region工程［3］，早期的研究多集中于SAT作為深度處理技術對水質改善的效果上。隨著地下水開采加劇，含水層水資源枯竭問題突顯，SAT系統的應用不再局限于替代深度處理，而進一步擴展到增補飲用和非飲用地下水水源等方面。同時，利用河道、溝渠、坑塘等進行連續入滲回灌也得到了應用和發展，如美國、以色列、比利時、芬蘭等的回灌工程推動了地下水回灌技術的快速發展。1983年Pyne提出了含水層儲存和回采（aquifer storage and recovery，ASR）的概念，這一概念最早是指利用地下含水層儲存調整功能，回灌（井管或滲灌）儲存豐水期過剩的天然水，枯水期再抽出利用，實現地表水與地下水的聯合調蓄［4］。后來，再生水也加入到回灌用水的行列。Sheng進一步拓展ASR的概念，將其定義為將處理或未處理的地表水、再生水通過入滲盆地、滲濾廊道、回灌井等方式回灌至合適的含水層，然后再通過回灌井或者附近的生產井部分或全部抽出利用，或者以增加河道基流方式排泄維持河流生態［5］。隨著人工回灌地下水的發展，地下含水層的補給逐漸變為可管理的措施或手段，國際上統一稱為人工含水層補給管理（managed aquifer recharge，MAR）。我國在這方面的研究起步較晚，上海、天津在20世紀60和80年代開始利用深井回灌地下水以控制地面沉降問題，石家莊、新鄉、聊城等地也先后進行了人工引滲補給淺層地下水的試驗工程，以補充調節地下水資源，實現“冬灌夏用”，但大多數是利用地表水進行回灌［6］。再生水補給地下水的研究相對滯后，實際工程應用很少，遠不能滿足再生水安全回灌的要求。近年來北京在這方面研究較多［7-8］，并有一定的實踐經驗，但要推廣應用尚有許多問題需要解決。

在極端干旱缺水的新疆，再生水利用才剛剛起步，在再生水補給地下水領域更鮮見相關研究與工程實踐。若能將深度處理后的再生水，經SAT系統回灌地下再抽取使用，將有利于緩解城市水資源緊缺、水重復利用率低、地下水超采、水環境惡化等矛盾，對新疆可持續發展具有重要意義。筆者針對新疆城市各類水資源供需矛盾突出的問題，以烏魯木齊市為例，對新疆干旱區利用再生水補給地下含水層的可行性進行探討，以期為新疆再生水安全利用研究提供依據。

1 水資源供需現狀

1.1 水資源利用現狀

根據烏魯木齊市水資源公報［9］，2010年來水總量為9.39億m3，其中地表來水量9.09億m3，地下水補給量4.03億m3，地表水與地下水轉換重復量為3.74億m3。2010年供水總量為10.89億m3，其中地表水5.70億m3，地下水供水量已達4.97億m3，其他水源主要是城市污水處理再利用量，約為0.226 3億 m3；2010年烏魯木齊市用水總量為10.89億m3，其中生活用水中包括1.39億m3的城鎮居民生活用水，生態用水主要是城鎮環境補水和農村生態補水（表1）［10］。

表1 2010年烏魯木齊市水資源利用狀況Table 1 Status of water resource utilization in Urumqi in 2010

隨著社會經濟快速發展，烏魯木齊市水資源的需求不斷提高，水資源開發利用率大幅上升，近年開發利用量甚至超過區域的來水總量，區域發展與水資源之間的矛盾日益加劇。2010年水資源開發利用率達115.98%。水資源開發率的增長以地下水為主，2010年地下水開發利用率達123.33%，地下水利用量不僅大大超過可開采量，甚至超過了區域地下水補給量；地表水開發率總體為30%～60%，2010年達62.68%［10］。可見，烏魯木齊市的用水量已達到供水量的極限，水資源的匱乏致使地下水超采嚴重，水資源供需矛盾已十分突出；水資源開發利用程度逐年加強，水資源開發利用潛力則相應減弱。今后，烏魯木齊市的缺水量仍會持續加大，特別是夏季用水高峰期，城市日用水量增加，供水能力嚴重不足，日供水缺口達15萬～20萬m3。據預測［9］，2015年烏魯木齊市缺水量達1.2億m3，2020年烏魯木齊市的缺水量可達3.8億m3。水資源短缺是制約烏魯木齊進一步發展的重要因素。

1.2 水環境狀況

一方面，長期以來，由于未經處理的工業廢水以及城市生活污水直接排入地表水，造成地表水體的嚴重污染。經檢測，烏魯木齊河細菌總數和大腸菌群超標，頭屯河pH、SS、氨氮、細菌總數和大腸菌群超標，水磨河污染更為嚴重，超標項目達到5～7項，連農灌標準也達不到［11］。烏魯木齊市地區河床多為砂礫構成，滲漏嚴重，被污染的河水沿途滲入地下，又對地下水產生明顯的污染影響。另一方面，近年來，為解決水資源供需平衡，烏魯木齊地下水開采量逐年增加，致使地下水位不斷下降，地下水水質惡化嚴重。根據地下水動態監測結果［12］，烏魯木齊市地下水位呈下降趨勢，下降最嚴重的區域每年降幅在l m以上，市區地下水位比20世紀60年代下降了5～14 m。由于地下水超采，導致1992年建立的柴窩堡地下水水源地水位持續下降，1995—2006年柴窩堡水源地地下水位下降了6 m。同時，2010年自治區環境狀況公報顯示：烏魯木齊市地下水水質達標率僅為50%。地下水超采還致使區域內嚴重污染的地下水補給至開采區，使開采區地下水硬度、硝酸鹽氮、硫酸根、氯離子濃度升高，從而加劇了地下水污染和柴窩堡湖周邊生態環境惡化。

1.3 污水資源利用現狀

根據烏魯木齊市水資源公報數據［9］，2011年廢污水排放總量為2.15億m3，來源主要是城鎮居民生活污水和工業廢水，其中工業廢水約0.52億m3，生活污水約1.63億m3。進入城市市政排水管線末端廢污水處理量1.43億m3，占排放總量的66.5%。城市污水集中處理后用于農灌、綠化及工業5 276萬m3（其中完全接納2 263萬m3），占總處理量的37.0%，占廢污水總量的24.5%。

烏魯木齊市再生水主要用于農業灌溉、城市綠化與景觀用水，僅占總供水量的2.1%。由于再生水回用設施不完善，導致城市再生水利用率低下。據調查，烏魯木齊城市污水日處理能力已達70萬m3，但接近一半的廢污水未經處理直接排向下游的沙坑，或進入頭屯河、水磨河和安寧渠，最終進入青格達湖［13］。另外，還存在城市夏季水資源緊缺而冬季廢污水白白浪費的問題。因此，烏魯木齊市水資源的循環利用程度不高，污水處理率與再生水利用率亟待提高。

2 再生水補給地下含水層的優勢

2.1 緩解水資源緊缺

國內外研究與實踐已證明，城鎮廢污水只要處理得當就可以成為可靠的城市第二水源，在城市用水中，是一種具有重要發展潛力的水資源。在干旱缺水地區，再生水的應用更是解決供水危機的有效途徑。開展再生水利用，不僅可以節省天然水的消耗量，緩解烏魯木齊市供水緊張的狀況，而且可在一定程度上減少廢污水排放，對改善城市水環境質量也具有重要意義。

2.2 提高水的重復利用率

烏魯木齊再生水利用中存在供需季節分配不均的問題，現有的污水處理設施處理后的再生水，夏季不夠用，而冬季因無農業及基建、綠化用水，處理后的再生水只能白白浪費；現有投入使用的再生水回用工程，均處于示范試驗階段，尚未形成規模。因此，要更大限度地利用再生水，就需解決再生水儲存的問題。國內外研究與實踐也已證明，再生水補給地下含水層是實現可持續水資源管理的重要途徑。將處理達標后的再生水回補地下水，根據需要實現冬季儲存、夏季抽取利用，或異地取水利用，將是提高城市水重復利用率的最佳手段。

2.3 改善水環境

冬季若能將城鎮廢污水進行深度處理并達到地下水回灌標準后回灌于地下，通過儲存再生水，補充地下水源，將有助于防止地面沉降［14］，恢復和維持區域地下水量平衡，減少污水對下游生態環境的破壞。而且再生水補給地下含水層后，可通過土壤的過濾、截留、物理和化學吸附、化學分解、生物氧化以及生物的吸收等作用對再生水中的污染物進一步綜合凈化［15-17］，去除水中有害物質和病原微生物，提高了再生水利用的安全性，其環境效益將十分顯著。這種土壤含水層處理技術，具有設備簡單、投資少、能耗低、操作管理方便且凈化效果良好等優點，經濟與社會效益也很明顯。

3 烏魯木齊市再生水補給地下水的可行性分析

3.1 再生水可利用潛力大

根據烏魯木齊市城鎮排水水務“十二五”規劃的發展目標［18］：到2015年，該市城鎮居民生活污水排放量為 2.25億 m3，工業廢水排放量為0.25億m3，廢污水的排放總量為 2.5億 m3。到2020年，該市城鎮居民生活污水排放量為2.84億m3，工業廢水排放量為0.25億m3，廢污水的排放總量為3.09億m3。廢污水可再生利用率2015年按50%考慮，2020年按70%考慮，則2015年廢污水可利用量為1.2億m3，2020年為2.0億m3。若將該部分水源進行循環利用（可主要用于城市北部工業園區的循環利用、生活雜用及城市綠化和景觀使用），則為烏魯木齊城市發展新增了可控供水量。并且這些污水進入城市排水系統后，具有水量穩定、不受季節和氣候等自然條件的影響，且就近可取、易于收集等優點。隨著烏魯木齊市城市建設的不斷發展，水資源的集中使用為污水的相對集中處理提供了優勢，建設再生水設施，無論從技術手段還是經濟可行性上，都已不是問題。因而烏魯木齊市再生水利用空間和潛力是很大的，可為補給地下含水層提供充足的再生水水源保證。

3.2 污水再生處理能力正逐步提升

據調查，烏魯木齊市有8座污水集中處理廠，其中2011年重點監督性監測的城鎮污水處理廠共有6家（表2）［18］，此外，還有河西污水處理廠，其設計日處理能力一期為10萬m3，二期為20萬m3，采用A/O循環曝氣工藝。目前烏魯木齊城市污水日處理能力已超過70萬m3。但是，2011年經烏魯木齊市城鎮污水處理廠后的廢水排放總量僅為12 449.21萬m3，其中廢水達標排放量也僅有6 340萬m3，廢水達標排放率只達到50.93%［18］。污水處理能力大于城市廢污水收集排放量。

表2 2011年烏魯木齊市城鎮污水處理廠基本情況Table 2 Status of urban wastewater treatment plants in Urumqi in 2011

根據《烏魯木齊市城市總體規劃修編（2011—2020年）》，到2020年烏魯木齊污水處理率要達到90%，城市再生水利用率要達到30%［19］。要實現這一目標，就需要解決污水處理技術、再生水回用管網、污水水質標準等問題。根據烏魯木齊市“十二五”污染防治規劃要求，烏魯木齊市將以提升污水收集、處理能力和水平為重點，加快污水治理工程建設，完善城鎮污水收集管網，實現中心城區污水收集管網全覆蓋，污水處理廠服務范圍內污染源截污納管率達到95%［18］。污水再生處理技術和工藝日趨成熟，城市污水經二級處理，再加上適當的深度處理工藝，如MBR、臭氧、砂濾、納濾、活性炭、BAF等，通過科學的工藝設計和系統運行管理，可滿足再生水補給地下含水層的水質要求。

3.3 地下含水層空間條件

地下含水層是儲存和輸運地下水的場所，不同類型的含水層具有不同的地下水運移和水－巖相互作用特點。含水層主要分為多孔介質含水層、裂隙含水層和巖溶含水層。相比而言，多孔介質含水層發育較為均勻，孔隙連通性好，并沿一定方向分布，因而地下水在其中流動迅速，并與土壤充分接觸，是適宜再生水儲存和運移的地下含水層。

烏魯木齊河流域山區地下水為單一結構的基巖裂隙水，含水層由互有水力聯系的基巖風化裂隙、風化構造裂隙及斷裂破碎帶組成；進入柴窩堡山間盆地，沉積厚度數米至數百米的礫石、砂礫石，水位埋深大于50 m，至烏拉泊，因受基巖山地阻擋以泉水溢出；烏魯木齊市區河谷地沉積厚20～30 m的砂礫和卵礫石層，地下水埋深10 m左右；烏魯木齊山前傾斜平原沉積卵礫石、砂礫石層的單一潛水，厚度100～500 m，水位埋深150 m左右，滲透系數35～110 m/d，單井涌水量為920～3 000 m3/（d·m）。細土平原為粉細砂、亞砂和黏土層的多層結構的潛水和承壓水。上部潛水平均厚度50 m，滲透系數小于3 m/d，單井涌水量小于15 m3/（d·m）；下部承壓水平均厚度150 m，滲透系數1～5 m/d，單井涌水量小于500 m3/（d·m）［20-21］。可見，烏魯木齊地區水文地質結構多以砂礫層為主，滲透系數大，而且由于地下水持續過量開采，地下水位大幅度下降，形成了比較大的地下水可調蓄空間，為地下回灌的開展提供了良好的含水層儲存條件。如烏拉泊洼地和柴窩堡盆地就是理想的儲存和調蓄水資源的地下水含水層空間［22］。

3.4 地下水水質改善可行性分析

據調查，烏魯木齊平原區沿河地段潛水水化學類型為HCO3·SO4-Na·Ca（Na）和HCO3-Ca·Na（Ca），礦化度小于1.0 g/L；遠離河道的潛水水化學類型為SO4·Cl-Ca（Na·Mg）、Cl·SO4-Na和Cl-Na·Ca（Na），礦化度大于1.0 g/L，甚至大于50.0 g/L［20］。地下水受到不同程度污染，其主要污染因子是、、Cl－、礦化度、總硬度、C6H5OH、CN等［21］。地處荒漠區的烏魯木齊土壤多為鹽堿土，若將再生水地下回灌場地選在荒漠植被豐富的荒灘地，不僅可利用荒漠土壤含水層處理系統去除再生水污染物，還可以利用荒漠植被與荒漠土壤微生物的耐鹽性吸收再生水中的鹽分，降低地下水礦化度，達到改善區域地下水水質的目的。

3.5 再生水地下回灌場地要求

開展再生水地下回灌，必須有合適的場地用于收集和處理回灌前的污水和再生水，還需要有一定面積的土地作為地下回灌的場地。若采用地表滲濾方式回灌，則要求有大面積的、符合一定技術要求的土地；若采用井灌方式回灌，所需場地面積較少，但由于是直接注入地下含水層，對回灌水水質的要求比較高。場地選擇合適與否是決定地下回灌工程成敗的基礎條件。新疆地域廣闊，烏魯木齊市周邊有著大面積的戈壁荒灘，完全可通過獲取完整的場地調查資料，正確選擇再生水回灌的場地，并最終保證回灌工程的工藝設計、建造與運行的合理性。

4 需要研究的問題

4.1 再生水水質保證

許多國家對回灌地下的再生水都提出了水質要求，如德國要求回灌水質應不低于當地的地下水水質，以色列規定用于回灌的再生水優于飲用水標準，2004年美國國家環境保護局（US EPA）出版的《再生水利用導則》（Guidelines for Water Reuse）中也嚴格規定，潛在飲用水的回灌水水質至少要求能達到飲用水水質。為保證再生水水質安全，2000年歐盟出臺了《水框架指令》（Water Framework Directive），2006年世界衛生組織出臺了《世界衛生組織污水安全利用指南》（WHO Guidelines for the Safe Use of Wastewater）［6］。2009年澳大利亞通過了MAR國家指南（Australian Guidelines for Water Recycling：Managed Aquifer Recharge），為MAR項目的評估提供了方法和相關管理監測措施［23］。我國根據再生水的不同用途，頒布了各類水質標準和規范，其中針對再生水補給地下水有GB/T 19772—2005《城市污水再生利用地下水回灌水質》，之后又頒布了SL 368—2006《再生水水質標準》。這些標準與規范促進了世界各國對再生水的利用，但在新疆干旱區采取再生水回灌，現行的水質標準和廢水排放指標是否滿足控制水質、保護人類健康和生態環境的需要［24］，以及再生水深度處理后的水質達到什么標準才能使回灌工程效益最大限度地發揮，是需要重點研究的問題。

4.2 污水處理工藝與技術

不同的污水處理工藝和技術對各類污染物的去除效果是不同的，應通過試驗對比，優選合適新疆干旱區污水處理與再生水深度處理技術，或幾種處理技術和工藝的組合，使深度處理后的再生水符合補給地下含水層的要求。再生水深度處理工藝通常采用化學混凝沉淀（氣浮）、過濾、吸附、化學氧化、生物脫氮除磷、膜處理、脫鹽、消毒等［25］，必須根據二級污水處理廠的出水水質和技術經濟條件選擇再生水處理工藝，要求技術合理，經濟可行。

4.3 再生水回灌工程選址

工程選址需要考慮的因素很多，包括水源輸送、場地大小、土地利用、地形、地表徑流、氣象、土壤、水文地質以及建設成本等。選址前需要對現場進行勘探與調查［26］，調查與試驗的項目包括再生水的組成成分，土壤巖性、物理與化學性質、水力學性質，含水層的水力學性質以及地下水特性等。作為儲蓄和消納再生水的地下空間，含水層的水文地質條件應有利于進行人工補給，具有良好的入滲途徑及貯水空間。

4.4 回灌方式的選擇

再生水補給地下含水層是一項系統工程，其中回灌方式的選擇不僅取決于含水層地質構造、水文地質、氣象、土壤條件等，還需綜合考慮工程投資與效益，以及對區域環境與生態造成的影響。為此，應研究制定經濟合理的再生水補給地下含水層方案，劃定回灌范圍，確定回灌方式、回灌量和回灌水水質等。如在新疆采取地表滲濾回灌方式時，就需要考慮干旱區蒸發量大對補給水量和某些污染物組分濃度的影響。

4.5 含水層水質變化

再生水補給地下含水層后，需要掌握地下水動態變化，重點研究干旱區含水層水質在滲透、滲流和地下水域之間的變化情況，補給過程對地下水水質及含水層環境的影響。若采用SAT土壤含水層處理，需要研究干旱區SAT機理、土壤含水層對再生水污染物的最大環境容量以及SAT的處理效果等。

4.6 再生水補給地下含水層的風險評價

盡管再生水水質滿足回灌要求，但在長期補給地下含水層之后，再生水中所含有的污染物殘余在積累過程中也可能產生一定的水質安全問題。即使是我國現行的《城市污水再生利用地下水回灌水質標準》也并未對潛在的間接的飲用水做出對應的規定，同時也沒有準確限定再生水的有毒有害物質的痕量，該標準的內容還相對滯后。因此，在干旱區利用再生水補給地下含水層，更有必要對回灌后的區域環境健康與生態安全做好風險預測評估，為制定相應的環境健康風險與生態風險防控對策提供依據。

5 結語

烏魯木齊市有著充足穩定的污水資源，但再生水利用率低下。綜合考慮烏魯木齊地區地下含水層水文地質條件和當前可利用的先進的污水再生處理技術等多方面因素，烏魯木齊具備再生水補給地下含水層的優勢。建議盡快開展相關領域的研究工作，以推動烏魯木齊市再生水人工補給地下含水層的發展，促進再生水的安全利用。

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Feasibility Study on Managed Aquifer Recharge with Reclaimed Water in Xinjiang：A Case Study of Urumqi

WANG Xiao-yu1，ZHAO Chen-xi1，ZHANG Zhen-yi2，JIAERHENG Ahati1，ZHAO Hui-kun1
1.Xinjiang Academy of Environmental Protection Science，Urumqi 830011，China
2.Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China

Managed aquifer recharge（MAR）with reclaimed water，a frontier field of recycled water utilization，is an effective way to solve the problems of water scarcity，groundwater overexploitation，low reutilization rate of water and serious water pollution.With case study in Urumqi City，the advantages and feasibility of MAR with reclaimed water in arid-area cities were discussed based on an analysis of the status of water supply and demand，wastewater reuse and water environment，as well as of the conditions of aquifer space and engineering site.Some key issues required to research on MAR with reclaimed water were put forward，aiming at the special geographical and climatic characteristics of arid areas.It was proposed that researches and practices on MAR with reclaimed water should be engaged in Xinjiang so as to promote safe utilization of reclaimed water and gain more environmental，economic and social benefits.

reclaimed water；managed aquifer recharge（MAR）；grounder water；Xinjiang

X703.1

A

10.3969/j.issn.1674-991X.2014.04.050

1674－991X（2014）04－0306－07

2014－01－10

國家自然科學基金項目（41361087）

王曉愚（1976—），女，高級工程師，博士，主要從事水資源與水環境研究，wxyuyuer＠qq.com

*通訊作者：賈爾恒·阿哈提（1962—），男，高級工程師，主要研究方向為環境化學，jiaeh＠sina.com