深層地下水人工回補的國際經驗及對我國的啟示

馬 蒙，吳 初，曹文庚，趙 勇，吳文勇，Yan Zheng

（1.中國水利水電科學研究院，100038，北京；2.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，050061，石家莊；3.南方科技大學，518055，深圳）

一、引 言

在地下水天然補給量遠小于開采量的情況下，全球干旱和半干旱地區主要含水層水位持續下降，形成地下水降落漏斗，并引發地面沉降等地質災害，全球地下水資源可持續利用面臨重大挑戰。在減少地下水開采量的同時，通過地下水人工回補，加快實現局部地區的地下水采補平衡，在國外已有一定經驗積累。“地下水人工回補”由英文“Artificial Recharge Groundwater”翻譯而來，近年來，國際上更多采用“Managed Aquifer Recharge（MAR）”這一說法，指將再生水、雨洪水、地表水等水資源通過滲濾池、回灌井、河道入滲等方式人工補給至地下水含水層中，以便后續回收或獲得環境效益的行為。近年來，隨著MAR相關技術不斷進步，其內涵更為廣泛，目的更加多元化，需要考慮水量、水質等多個要素，學界也將MAR譯作“含水層人工調控技術體系”，本文中仍使用“地下水人工回補”這一更為公眾所熟知的概念。

相較于傳統的水資源處理方式，地下水人工回補可有效減少占地面積、輸水距離、蒸發損失等，具有資源韌性強、污染風險低和成本花費小等諸多優勢。根據不同地區的核心需求，地下水人工回補可實現多個目標：①提高水資源保障能力，應對極端天氣變化；②增加地下水存儲量，維持地下水采補平衡；③高效利用雨洪資源，減少洪澇災害發生；④阻止或減緩海咸水入侵，防止地面沉降；⑤凈化提升再生水水質，實現再生水安全高效利用；⑥改善區域地下水水質，實現微咸水資源化利用；⑦保護地下水生態系統多樣性；⑧美化城市環境，提升土地價值等。

Peter Dillon等針對全球建有MAR工程的34個主要國家進行了相關數據統計，結果顯示，1965—2015年，MAR 工程的回補量從1 億m3/a 增長至10 億m3/a，占上述建有MAR 工程國家地下水開采量的2.4%，接近全球地下水開采量的1.0%，MAR 的回補量也以每年5%的速度增長。參照地下水人工回補發展較為完善國家的經驗，預計未來全球范圍內地下水人工回補量將超過地下水開采量的10%。我國也在不斷推進有關地下水人工回補的相關建設，2024年全國水利工作會議明確，要強化地下水超采綜合治理，實施華北地區深層地下水人工回補試點。

二、地下水人工回補關鍵要素、回補方式及可持續性評價

1.地下水人工回補的關鍵要素

地下水人工回補包含7 個關鍵要素，分別為回補水源、水處理（前）、回補、含水層存儲、回采、水處理（后）和最終用途，地下水人工回補過程如圖1所示，相關方式詳見表1。

表1 地下水人工回補過程關鍵要素

圖1 地下水人工回補過程

①回補水源。回補水源的選擇范圍十分廣泛，包括地表水、雨洪水、再生水、淡化海水、其他含水層地下水等各類水資源，也可以混合不同類型的水源進行回補。回補水源需要綜合考慮水量、水質和經濟成本等因素，需保證在MAR工程運行期間持續穩定供水，補給能力應大于實際需求量；水質應符合相關水質標準及項目需求，否則會造成設備堵塞、環境污染等后果。

②水處理（前/后）。在地下水回補前后需通過濕地凈化、過濾、反滲透等方式對水源進行相應的處理以提升水質。水處理方式的選擇受回補水源水質、回補方式和最終需求等因素影響，如若使用水質較好的地表水，則無需進行水源前處理步驟，可直接進行回補；使用土壤含水層滲濾方法進行回補時，通過包氣帶進行水體過濾，對水處理的要求較低；回采后用于飲用的回補水，需要進行包括消毒、過濾等嚴格的后期水處理。相較于擁有水質凈化功能的淺層地下水人工回補，深層地下水人工回補對于回補水水質要求更高，相應的水處理方式更為嚴格。

③回補。回補方式一般根據回補區特點如水文地質特征、場地空間面積進行選擇。舉例來說，深層的石灰巖含水層宜采用井灌方式回補；淺層砂質含水層宜使用滲濾方式；回補場地面積有限時可考慮井灌回補。深層地下水人工回補主要采取井灌方式。

④含水層存儲。含水層的選取對于地下水人工回補至關重要，除明確目標含水層具有可存儲空間外，研究人員還需要充分掌握區域水文地質特征、地下水補給-徑流-排泄特征、地下水水位-水質-水量時空變化規律等，并在地下水回補與存儲期間，對地下水水位、水質進行密切檢測監測，保證回補效果和安全，可通過地下水水流模型和溶質運移模型進行輔助計算。

⑤回采。回采一般通過抽水井直接進行開采，但需要基于地下水人工回補量、地下水天然補給量計算確定回采地下水總量和頻率，確保回補區地下水存儲量，可通過地下水水量模型進行輔助計算。一些特殊回補區，如防止海咸水入侵場地，可以不進行地下水回采。深層地下水與淺層地下水人工回補的回采方式無明顯差異，但因深層地下水天然補給量更少、周期更長，其人工回補后的回采量普遍比淺層要小、周期更長，一些深層承壓含水層甚至不會進行回采。

⑥最終用途。根據地下水人工回補的核心需求，回采后的地下水可用于生活、農業、工業等多種用途。如有些MAR工程是為了增加干旱氣候下的水源保障，經消毒凈化后，用于居民飲用和生活用水；有些MAR工程是為了更好地防洪減災，實現雨水資源化利用，回采后可大體量供給工業用水；有些MAR工程是為了防止海咸水入侵、地面沉降，所回補的水資源用于填補含水層空缺，提升地下水存儲量，并不會被開采使用。

2.人工回補方式選擇

地下水人工回補具有多種回補方式，可分為河床河道改造（Streambed Channel Modifications）、傍河取水（Bank Filtration）、擴散滲濾（Water Spreading）和井灌（Recharge Wells）4 種方式。河床河道改造是指通過在河床、河道上構建土壩、溝渠等方式，達到減緩河流水體流動，增加入滲補給地下水的目的，在印度、非洲等地區較為常見；傍河取水是指在河流或湖泊附近打井抽取地下水，河水經由河床下方沉積物入滲補給地下水，地表水與地下水共同組成了開采資源，并通過沉積物的過濾改善水質，多見于歐洲國家；擴散滲濾則主要通過滲濾池、滲濾盆地、土壤含水層滲濾等方式，使回補水源經由包氣帶入滲補給潛水含水層，在美國、澳大利亞、荷蘭等國家較為普遍，多用于淺層地下水的人工回補。

現階段國際上深層地下水人工回補主要依靠井灌的方式，具體包括單井含水層儲存回收、多井含水層儲存轉移回收和建造干井3種方式，如圖2所示。

圖2 深層地下水人工回補方式示意

含水層儲存回收（Aquifer Storage Recovery，ASR）是指將回補水源通過注水井注入目標承壓含水層，儲存后從同一口井回采使用。該方式能直接補給深層承壓水，并被廣泛應用于微咸水含水層，常見于美國、歐洲、澳大利亞、中東等地區。含水層儲存轉移和回收（Aquifer Storage Transfer Recovery，ASTR）是指將回補水注入目標承壓含水層儲存后，從另一口井開采回收。該方式不僅能直接補給深層承壓水，且可通過延長回補水在含水層中的停留時間提升水質，多應用于深層承壓含水層和對水質要求高的地區，在美國、澳大利亞、歐洲較為普遍。建造干井是指針對地下水埋深較大的潛水含水層，建造深度較淺的注水井，讓回補水穿越厚層包氣帶入滲補給潛水，適用于埋深大的潛水含水層，如美國的亞利桑那州。

3.地下水人工回補可持續性評價

1999 年，聯合國教科文組織國際水文學系列出版物將“可持續水資源系統”定義為在設計和管理上有利于充分促進現在和未來的社會目標達成，同時保持其生態、環境和水文完整性的系統。MAR 工程是一項地表-地下水資源綜合循環利用工程技術系統，具有很強的可持續性和資源韌性。Zheng 等以美國環境保護署的可持續性指標框架作為指導，構建了針對地下水人工回補的可持續指標評價體系，該評價體系包括6 項環境可持續性指標和3 項社會可持續性指標（見表2）。每項指標按“-5”到“5”共11個層級賦分，每層級分差為1，綜合計算總分。該評價體系可應用于深層、淺層地下水含水層等不同回補區域，適用于所有地下水人工回補方式，實現了地下水人工回補可持續性的定量化客觀評估，有助于指導地下水人工回補的設計、建設和維護管理，提高地下水人工回補的可持續性。

表2 地下水人工回補可持續性指標

三、國外典型深層地下水人工回補案例

國外開展了多項深層地下水人工回補工程，涉及多種回補水源和不同的核心需求，在地下水人工回補場地選擇、調查和實施過程等方面具有很好的實踐借鑒意義。本文列舉分析了澳大利亞、美國、英國等國家深層地下水人工回補典型案例，并梳理了相應的地下水人工回補數據和可持續性指標評分（見表3）。

表3 國外深層地下水人工回補典型案例情況統計及可持續性指標評分

1.澳大利亞珀斯

在澳大利亞西部的珀斯，西澳大利亞州水務公司通過井灌的方式進行了深部承壓含水層地下水人工回補，并于2017 年獲全球水獎（Global Water Awards）。該MAR 工程旨在為當地提供氣候變化下的飲用水水源供給，并防止海水入侵。回補水源為再生水廠出水，在回補前通過超濾、反滲透、紫外線消毒等處理方式，使得回補水水質符合甚至優于澳大利亞飲用水標準。為保證回采地下水水質，選擇含水層儲存轉移和回收回補方式，同一含水層中注水井和飲用水供水井分開使用。該項目于2004年開始相關試點研究、測試實驗，2017年一期工程運行，年回補能力可達1400 萬m3，2020 年二期工程運行，年回補能力2800萬m3，預計2050年該工程將供應珀斯地區20%的用水需求。每立方米能耗僅為2.2～2.5 kW·h，為海水淡化能耗的一半。一期工程建造投資約為8500 萬美元，用于建造和調試回補設施。年運營成本約為290萬美元，包括電力和化學品消耗、工程維護、取樣和人員成本。二期工程擴建投資約為1.94 億美元，用于回補設施建設、再生水水廠擴建、管道構建等。

2.澳大利亞索爾茲伯里

在澳大利亞索爾茲伯里市進行的深層地下水人工回補項目建有9 個城市雨水收集樞紐、31 個ASR 井、4 個單一注水井、28 個開采井、150 km 專用供水線路，主要通過城市住宅區、工業區旁邊的蘆葦濕地來收集雨洪水，回注進入距地表160～180 m 埋深的咸水含水層長時間貯藏，待水質提升后進行地下水回采，用于灌溉和工業等領域。地下水年回補量300萬m3，年開采量250 萬m3，回采率達到80%，能耗僅為淡化咸水成本的3%。該工程的建設不僅有效助力地區防洪減災，保障了城市居民人身和財產安全，保護了下游地區漁業資源，而且大規模、經濟高效地利用了雨洪水資源，為南澳地區提供了工業用水、灌溉用水，促進多個鳥類棲息地恢復，保障了當地生物多樣性。

3.英國倫敦

在英國倫敦開展的地下水人工回補工程，通過井灌將泰晤士河和利河的地表水回補進入承壓含水層，回采后用于居民飲水供應。該工程共建有48眼水井，其中30眼用于地下水人工回補，深度可達130 m。地下水日回補量可達6萬m3，年回補量約1560萬m3，年開采量約4920 萬m3。該地在干旱年進行大體量地下水開采，在之后的平水年、豐水年再進行大體量的地下水人工回補，1995—2019年，回補水與回采水體積之比的平均值為0.36。工程1995年投入使用，已經在1997年、2003年、2005年、2006年、2011年、2012年、2018年、2019年多次解決了倫敦干旱氣候下的供水問題。依靠地下水人工回補和天然補給，在過去的20年里，該地區地下水儲存量逐步增加，2018 年達到了使用前最大實際容量的98%。

4.美國加州

美國加州通過立法設立了專門職能機構建設MAR工程基礎設施，有效解決了當地地下水過度開采和海水入侵等問題，保障了區域水安全。該地通過河道、滲濾池、回灌井等多種技術每年回補1.48億m3地表水（雨洪水及外調水）、1.38億m3再生水進入含水層。其中塔爾博特海水入侵防御工程是該地區通過再生水回補地下水、實現海水入侵防御效果最為明顯的一項工程。該工程自1973年起開始建設，共有36眼注水井，涉及4個含水層，深度在27～130 m，并配有多眼觀測井，井群離海岸帶5.6 km，彼此間隔183 m，年回補量可達4440萬m3。1975—2008年主要采用外調水和再生水混合進行回補，2008年后再生水成為主導，2009年再生水回補率達100%。回補工程在含水層中形成了一個特殊的水力屏障，防止海水向內陸地下水流動。

四、深層地下水人工回補經驗總結及啟示

1.明確總體目標規劃，逐步推進地下水人工回補實施

現階段，國際上關于地下水人工回補的論證、實施、建設、運營等已有完整的流程體系。以澳大利亞為例，采用了分階段的方法，通過評估、調查、投產、監測和反饋，提供了一條有效管理風險的實施路徑。因此，開展地下水人工回補，應當建立總體目標規劃，隨后分階段依次進行，并保障順利實施。首先需明確總體目標，包括地下水人工回補的核心需求，以及是否迫切需要地下水人工回補。第一階段的理論可行性分析需結合所收集的信息數據，從回補水源、存儲含水層、項目執行力等多方面進行論證，評估地下水人工回補是否合理可行，實施回補后能否從水資源、環境、經濟、社會等多個方面獲益，以及所面臨的困難；第二階段進行深入調查評估，開展適應性區域評價、場地試點等工作，對項目進行風險評估；第三階段進行回補工程建設，并開始項目試運行；第四階段完善風險管理規劃，項目正式開啟運行。運行后的地下水人工回補項目根據監測信息和實際需求，再適時決定進行項目擴建和產能擴大。

建議開展地下水人工回補時，應首先明確核心需求，建立總體目標規劃并分階段執行，依次開展評估論證、風險評價、場地試點、工程建設、運營監測等，保證項目安全高效順利實施。

2.開展配套科學研究，規避地下水人工回補潛在風險

現階段國際上開展地下水人工回補工作時，仍存在很多潛在風險。如回補水中懸浮顆粒會造成回灌井堵塞，降低入滲速率，嚴重時可導致整個地下水人工回補工程報廢；回補過程中氧化還原環境的改變、回補水源與原位地下水組分的化學反應等，又會導致地下水人工回補的水質污染，危害環境與人類健康。

建議在努力推動我國地下水人工回補實施的同時，配套開展相關方向科學研究，推動技術革新，培養本領域核心人才，為地下水人工回補實施提供技術支撐，規避潛在風險。相關水利科研機構應開展相應研究，如構建地下水人工回補項目數字孿生模型，確定補給、開采強度；提升成井工藝水平，降低回灌井堵塞風險；開展單井原位抽注實驗，研究地下水人工回補過程中污染物遷移轉化規律；繪制MAR適宜性評價分布圖，篩選適宜開展MAR的場地。

3.完善對應管理體系，出臺地下水人工回補導則指南

很多國家對于地下水人工回補已建設有完善的管理體系和政策框架。澳大利亞制定了針對地下水人工回補的國家級指南，該指南基于世界衛生組織水安全規劃方法，在全面指導地下水人工回補工作開展的同時，充分保護人類健康和環境安全。美國環境保護局于1974 年施行《地下回補控制法規和安全飲用水法案》等聯邦法規。歐盟的《水框架指令》和《地下水指令》將地下水人工回補視為一種水資源管理方法，各成員國根據自己的政策實施回補，但必須遵守指令中的限制要求。

根據以上經驗，建議相關部門出臺地下水人工回補導則，明確回補流程環節；制定地下水回補標準，對回補細節實施精準量化；頒布相關法律法規，對地下水人工回補進行必要法律約束；建立地下水人工回補政策框架，對相關權益分配進行明確闡述。

4.統籌水量水質管理，實現地下水回補安全高效循環

全球有30 多萬種市售化學品，其中有大量威脅人體健康的新污染物，也對21 世紀全球環境保護包括地下水人工回補應用帶來挑戰。基于多種含水層人工調控技術體系的地下水人工回補工程在補充水量的同時，亟須制定針對各類新舊水質風險和基于整體風險管控的政策法規和因地制宜的技術導則，做到水量-水質協同管理。

建議參考國外相關法規，推進含水層分區分層管理，劃定地下水污染物衰減區并進行監控，充分發揮含水層自凈能力，促進水資源的高效循環和可持續利用。