地下水回補

地下水回補是採用人工措施將地表水或其他水源的水注入地下以補充地下水，以達到增加地下水資源量、緩解地下水位持續下降、淨化水質、遏制海水入侵和其他生態環境效益的目的，又稱地下水人工補給、地下水回灌。含水層補給技術（MAR，Managed Aquifer Recharge）是有目的地將水儲存到適宜的含水層中的技術方法，並採用一系列管理措施確保人體健康和環境安全不受損害，有助於生態環境的改善，通過回採水解決尤其是季節性水資源短缺，獲得可觀的經濟效益。

2018年9月13日，正式啟動滹沱河、滏陽河、南拒馬河三條河流地下水回補試點，2019年8月底結束。

基本介紹

• 中文名：地下水回補
• 外文名：Managed Aquifer Recharge (MAR)

歷史背景

20世紀60年代以來，隨著水資源供需矛盾和環境問題日益突出，世界各國開展地下水回補的工作發展得很快。1970年在英國里丁(Riding)召開了地下水人工回灌討論會。1973年，在美國紐奧良召開了地下廢液管理與人工回灌地下水的國際學術討論會。1988年，國際水文地質家協會成立含水層補給技術委員會，並於八月在美國加州的Anaheim召開第一屆研討會(International Symposium for Managed Aquifer Recharge)，以後每三到四年舉辦一次，會場分別設在美國佛羅里達州的奧蘭多（1994）、荷蘭阿姆斯特丹（1998）、澳大利亞阿德萊德（2002）、德國柏林（2005）、美國菲尼克斯（2007）、阿聯阿布達比（2010）、中國北京（2013）、墨西哥的墨西哥城（2016），2013年召開的第八屆北京會議標誌著我國從國家層面開始重視含水層補給管理的科學方法及技術研究。

中國從20世紀50年代開始研究以儲冷為目的的地下水回灌工作。至60年代，上海市用人工回灌地下水來控制地面沉降和儲冷、儲熱。70年代以來，華北平原地區由於大量開採地下水，使地下水水位大面積持續下降，形成了30多處地下水位區域下降漏斗，產生了一系列環境問題。為此，在北京、天津二市和河南、河北、山東三省的城鄉地區，相繼開展了淺層地下水和深層承壓地下水的回灌試驗；河北省在南宮市開展了利用古河道的含水層作為地下水庫、人工回灌、調蓄河道洪水的試驗研究。1979年10月，中國地質學會在北京召開了人工回灌地下水學術討論會。進入21世紀，我國國內的水文地質工作者及相關領域的專家學者更加頻繁地與世界技術已開發國家進行含水層回補技術的交流與合作，除2013年在北京召開的第八屆國際含水層補給管理研討會外，2008年曾在濟南舉辦過中國-澳大利亞含水層補給管理研討會，2015年北京大學水中心曾舉辦過含水層補給技術國際研討會，這些會議及相關的研究工作促成了我國地下水回補技術的發展，加快了我國在此領域的技術套用及科技發展進程。

目的

地下水回補的主要目的：

通過增加水資源長期儲量和季節性調配能力，使水資源的價值由低變高。水資源是一種寶貴的資源。由於水資源存在時空分布不均的特點，將一定時段一定區域內相對過剩的水資源通過MAR技術儲存於地下，可以將白白浪費的水資源儲存起來以備日後利用，增加水資源儲量。即使在年平均降水量豐富地區，水資源也會有季節性，豐水期時水資源量充足，價值相對低，甚至可以忽略不計或因洪災為負值；而在枯水期，水資源又顯得十分珍貴，各行業、各地區常常因爭奪水資源付出慘重代價，與豐水期時的情況反差巨大。利用MAR技術可以在豐水期將水收集起來不僅可以在枯水季節時加以利用，而且還可以減少洪災發生的可能性。同樣，在城市居民生活和工業生產過程中，產生了大量的生活污水和工業廢水，這些污水和廢水經過污水處理廠處理後變為再生水，然後再通過MAR技術可以將再生水轉化為水資源加以利用，達到變廢為寶的目的。

相關研究和大量的工程實踐表明，通過MAR技術處理後的水通常水質較好，只需經過簡單的處理便可滿足工業、灌溉、飲用水相關標準，進入相應供水系統，這樣可以有效降低供水成本。

優越性

與地表水庫相比，地下含水層通常有巨大的儲存空間，能夠儲存大量的水資源，並且不存在因水庫損壞造成的垮堤或滲漏情況，因此地下水回補可以有效增加水資源的儲存量和安全性；

通過MAR技術在地下水漏斗區回補水量修復地下水漏斗，從而遏制地面沉降甚至可以使原本沉降的地面逐漸抬高，從而減少因地面沉降或因不均勻沉降引起的地裂縫或地表建築物的損毀等環境地質問題的發生；

在沿海地區由於海平面上升或地下水超采會引起海水入侵，通過MAR技術將地表過剩的淡水儲存到地下來抬高地下水位，隨著水位的不斷抬升淡水壓力不斷增加，形成的淡水屏障不僅可以遏制海水入侵，還可以將已被入侵區域的地下鹹水逐漸驅離，恢復為淡水；

由於水資源儲存於地下，與地表水資源相比，可以有效避免強烈的地表蒸發造成的水資源浪費，並且受人類活動的影響較小；

可以有效避免因蚊蟲等生物所攜帶的有害微生物或病毒進入水中繁殖傳播疾病或因藻類等浮游生物的爆發造成水體污染；

地表水在向含水層入滲運移的過程中，其中的部分有害物質可以被含水層吸附，從而可以有效改善水質；

含水層具有可以改善水質的作用，並且可以滿足法規要求的相關標準，增強公眾對再生水轉化為自來水的信心和接受程度。

水源

降雨徑流、河川基流和洪水，經過淨化處理的生活污水和工業廢水等，凡能滿足回灌水質要求的均可作為水源。用於地下水回補的水質，一般含重金屬及難以降解的有毒物質應不超過生活飲用水水質標準，以防污染地下水。當直接向井中注水回灌時，還要求水質低濁度、低鐵、低溶解氧、無細菌和有機物，以及不會對井管和濾水器有腐蝕作用的物質。回灌時地表水需經過一定處理，常用的一種方法為：將地表水送入大水池，先使小顆粒泥沙沉澱；再送入加藥池，加入氯、硫酸鋁（10%溶液）、碳酸鈉（10%溶液），形成絮凝狀物質沉澱於池裡；然後經過沙過濾池和淨化池；淨化後的水即可用於回灌。

方法

國際水文地質家協會含水層補給技術委員會(IAH-MAR Commission)與聯合國國際地下水資源評估中心(UN-IGRAC)對地下水人工補給方法分類如下：

主要分類	詳細分類
以滲水為主的技術	地面滲水法; (Spreading methods)		滲池、滲盆法(Infiltration ponds & basins)
			洪水漫灌法(Flooding)
			滲渠、滲溝法(Ditch and furrow)
			田間大水漫灌法(Excess irrigation)
			反濾排水法(Reverse drainage method)
	堤岸過濾入滲法(Induced bank infiltration)
	井灌法; (Well, shaft and borehole recharge)		深井回灌法; (Deep well injection)	含水層儲存和回採（ASR）
				含水層儲存、運移和回採（ASTR）
			大口井或坑塘回灌法(Dug well/shaft/pit injection)
以截水為主的技術	河道改造補給; (In-channel modifications)		滲漏壩(Recharge dams)
			地下壩(Subsurface dams)
			沙壩(Sand dams)
			滲水廊道(Channel spreading)
	雨水徑流收集裝置; (Runoff and rainwater harvesting)		攔水設施(Barriers and bunds)
			溝渠集水(Trenches)
			屋頂雨水收集裝置(Roof rainwater harvesting)

下面介紹幾種常見的補給方法：

滲池：涉及到將地表水運移到河流以外的窪地和渠道，通過這些窪地和渠道讓水滲入非飽和帶, 補充潛水含水層（例如澳大利亞昆士蘭州伯德金邵三角洲）。
堤岸過濾（RBF）：將地下水從位於河流或者湖泊附近的井裡抽出來，從而促進地表水體的滲透，在人口密集地區， 河流或者湖泊中再生水占比例高， 通過堤岸天然過濾， 水質因此得到改善並且更加穩定（例如德國柏林）。
含水層儲存和回採（ASR）：將水回灌到井中用以儲存和回採作用的是同一眼井。這在略鹹的含水層是非常有用的，這時儲存是首要目標而水處理則是一個較小的的考慮因素（例如南澳大利亞州帕多克）。
含水層儲存、運移和回採（ASTR）：涉及將水注入井中用於儲存和回採作用的是不同的井，這種方法通過延長水在兩個井之間含水層的停留時間來實現含水層中的水處理，以達到淨化水質的目的（例如南澳大利亞州帕勒菲爾德加登斯）。
補給堰：壩建在季節性的河流上（如只有在降水過後才能蓄水的河道）通過滯留水從而滲透到河床，增加潛水含水層的儲存量（例如澳大利亞昆士蘭州卡利德谷）。
地下壩：溝渠建在季節性河流的河床上，水流被高基準面攔截。底面對於溝渠也是非常關鍵的，其中填充低滲透性物質。在飽和沖積層能夠幫助儲存洪水為儲存和住宅所用（普遍分布於巴西東北部）。
沙壩：沙壩建在乾旱地區且處於低滲透性岩性的季節性河流的河床上。當水流或持續的洪水發生時沙壩就會阻擋形成的沉積物，然後被抬升形成一個“含水層”，在枯水季節可以利用開採井抽取（例如肯亞基圖伊）。
滲水廊道：埋入可滲透性土壤的溝渠（包括聚乙烯管或開槽管道）能夠允許水滲透通過非飽和帶到達潛水含水層。（西澳大利亞州弗羅瑞特園）。

風險管理

各類含水層補給技術雖然對地下水總體是保護作用， 但如果回補水源為風險性較高的再生水， 則需要實施嚴格科學的風險管理方案， 因地制宜， 確保全全性。國際上比較常見的MAR風險管理框架通過評估潛在危害和補給過程中的一系列風險因素， 確定預防措施， 以實現風險管理的目的。比如用再生水回補地下水管理框架分四方面，具體如圖所示。

以上12項內容可保護回採水和回補後含水層外圍影響區的環境質量。

簡單地認為把處理到接近飲用水標準就可以回補是不妥當的。例如加氯消毒殺菌的水可導致含水層回採水氯含量超標；在一些地方將飲用水注入到含水層後，由於其與含砷的黃鐵礦反應，會造成開採後砷濃度過高；源水淡化為高純度水後，與一般的水相比能溶解更多的礦物質。

因此，風險管理需要考慮含水層與補給水相互作用， 可參考以下科學方法：

（1） 消除可持續風險： 水在通過緩衝區時通過土壤和含水層來削減危害（病原體滅活，一些微量有機物的生物降解，部分營養物的吸收）；

（2） 消除低效風險：這些風險需要在補給前消除，因為它們有的不能消除（鹽度）或消除效果還沒有得到驗證（某些金屬離子的吸附及有機物的生物降解，過量的營養物，懸浮物等）；

（3） 消除與含水層相互作用造成的風險（如金屬運移、硫化氫、鹽度、鹼度、硬度或放射性核素）：需要提高補給水的水質以避免這些風險（如改變酸鹼度、降低氧化態或減少養份）。

運用MAR技術將水回補到地下之後，根據影響範圍的不同，可以將其分為五個區，分別為補給區、儲存區、緩衝區、水質影響區、水力影響區。

補給區為補給設施所在位置；儲存區為補給水進入含水層之後的儲存區域；水質影響區為MAR運行過程中水質發生變化的區域；水力影響區為MAR運行過程中水力參數發生變化的區域。圖中虛線與補給區邊界所包圍的區域為緩衝區，緩衝區為MAR補給區與周圍地下水水質未受影響的最大區域，隨著MAR運行的停止，緩衝帶將縮小和消失，最終整個含水層達到最初狀態。

技術指南和標準

MAR項目的實施通常要遵循政府部門制定的技術指南或技術標準， 以科學的標準和程式來有效地評估和監管MAR項目，確保各種含水層補給技術運行高效穩定。目前中國尚無含水層補給技術指南，圖為澳大利亞MAR指南的內容。

如圖所示，指南中的階段1屬於快速定性評價，階段2是在階段1的基礎上進一步對特定場地進行調查獲得補充資料進行的定量評價。必須在已有信息顯示可行的情況下項目才能按預期開始運行，試驗工程建完後才可以進行整體項目的建設。分階段進行項目建設有助於避免時間與資金的浪費，並且可以通過調整以改善設計。

階段2的調查能夠評定風險並通過鑑定採取預防措施。這需要知道源水水質、基礎設施和工程建議運行信息，水文地質性質來證明對於所有的危害可通過已有信息規劃管理解決。如果需要進一步的信息，可能需要建一個試驗工程。

如果風險能夠控制，就可以作出決策是否投資建設MAR項目替代供水。這種決策將考慮所有的項目成本和效益問題。

許多MAR項目在補給前無法得知其風險水平，那就需要伴隨著項目的監測。試點運行結果知道之後，階段3的監測將為MAR的運行實施奠定基礎，階段4要求監測確保控制人類健康和環境健康風險。

地下水回補

依據水利部、河北省人民政府研究制定了《華北地下水超采綜合治理河湖回補地下水試點方案》（2018-2019年），選定滹沱河、滏陽河、南拒馬河三條河流先行開展地下水回補試點，為總體推進治理行動提供經驗和示範。

據河北省水利廳介紹，試點河段補水工作2018年9月13日正式啟動，2019年8月底結束，計畫利用1年時間，補水7.5億-10億立方米，實現滹沱河、滏陽河、南拒馬河三條重點河流生態水量有效增加，沿線地下水位普遍回升，河湖生態功能逐步恢復，水生態空間有所增加的目標。

補水期間，河北省要求各市、各單位把安全運行管理放在首位，嚴格執行河北省水利廳調度指令，未經省水利廳同意，3條河沿線所有引水閘門不得啟閉。

發展前景

中國北方地區缺水，一些地區競相開採地下水解決城鄉供水和農田灌溉問題。2000年地下水源供水占總供水量40%以上的有京、晉、冀、魯、豫、遼、陝、內蒙古、黑等9省（自治區、直轄市），已經形成了許多處以城市為中心的大面積的地下水位區域下降漏斗，許多環境地質問題也隨之出現。因此，在這些地方開展地下水人工回補勢在必行。另外，據北京市有關部門調查統計，該市城區和近郊區52個不同類型的工廠資料表明，其中空調冷卻棄水約占工業總用水量的74%。這部分棄水含雜質少，可以作為回灌水源。在城市以儲冷、儲熱為目的的地下水回灌，經濟效益顯著，經驗也已成熟。開展城市地下水人工回灌具有良好的發展前景。

目前MAR技術在中國大有可為，主要集中在以下幾個方面：

中國北方屬於季風氣候，降水年際和年內分布極不均勻，夏季高溫多雨，洪水災害時有發生，城市內澇嚴重，針對這種情況，國家開始建設海綿城市，MAR技術可以很好地利用洪水將其轉化為水資源從儲存於地下，一舉雙得，化害為利。目前北京市水務局水科院正在研究一個方案,利用南水北調的水回補地下水。

我國城市居民和工業用水數量巨大，多數城市都存在缺水問題，同時使用後形成的污水由於處理設施滯後，污水直接排放引起環境污染的問題屢見不鮮，通過MAR技術處理後的污水完全可以達到飲用水的標準，這樣就可以實現水資源的循環利用，減少了跨流域調水等耗資巨大工程的建設，可以節省大量財力。

我國多數地區由於歷史上地下水開採量遠遠超出補給量，形成了大量的地下水漏斗，給工農業生產和居民生活造成了極大的安全隱患，地下水漏斗的治理問題勢在必行，刻不容緩，MAR技術可以針對上述漏斗區進行修復，或者延緩其進一步擴大。

我國海岸線長度世界排名第四，然而海水入侵現象也十分嚴重，多數沿海地區存在不同程度的海水入侵現象，給當地居民的生活和生產帶來了極大的威脅，而MAR技術可以很好地解決海水入侵問題，我國的山東半島的治理就是很好的先例。

案例

美國加州南部洛杉磯奧蘭治縣，人們在1956年就發現，由於大量開採地下水使地下水位降到海平面以下，造成太平洋海水入侵內陸海岸帶達到5英里，急需加以防治，他們利用當地有利的地形和地質條件，將當年剩餘的水資源和將污水處理後的達標水，甚至從其他水務局購買質高價低的水，採用河道和人工湖滲入，豎井回灌等地下水回灌技術，回灌到地下，儲存在近地表的含水層中，這樣不僅保存了珍貴的水資源，避免了無效蒸發，做到水資源的多年調蓄，使當地產水量達到總用水量的75%，並保證了水的年度和年際的穩定供給，同時也阻止了由於開採地下水而引起的海水倒灌。

荷蘭利用沿海沙丘進行人工回灌已有60多年歷史，它的水資源開發模式是“引萊茵河水-淨化-回灌至地下-抽出供水”。除此之外，還與日本合作在阿姆斯特丹地區開展帷幕灌漿工程修建地下水庫，用以儲存地下水和防治海水入侵。

德國是歐洲開展再生水回灌較早的國家。德國回灌地下水主要有兩種方法：一種是採用天然河岸滲漏；一種是修建滲池、滲渠、滲井等工程措施實施回補。20世紀60年代，德國就利用被污染的河水通過砂、礫石構成的河床實施地下水補給，通過與河道相隔一定距離的井取用循環後的地下水，取水量占總供水量的14%。德國柏林在20世紀70年代將經過生物淨化的污水處理後進行地下水回灌，經地質淨化後作為飲用水重新抽取出來。Langen市為解決地下水位下降問題，將污水處理廠的二級出水重新處理後，利用土壤滲濾回補地下水，該工程1979年投入運行。

澳大利亞Mount Gambier市城市雨洪水通過市區500多眼排水井補給到非承壓石灰岩含水層 ，這些井大部分都完全位於白雲質灰岩含水層中，最終排泄到該市的城市供水水源地藍湖，地下水年補給量500～650萬m3，占藍湖總補給量的 35%～ 55% 城市雨洪水增加了含水層的補給量，同時也增加了各種污染物的含量。Joanne Vanderzalm檢測了城市雨洪水中24項污染物以及微量有機化合物、少量揮發性有機物，並對含水層補給風險進行評價，結果顯示確定污染物在裂隙含水層的停留時間為500～18000d，參照微量污染物在潛水含水層降解半衰期的運移時間，並通過檢驗藍湖的24項水質指標均滿足飲用水標準，表明石灰岩含水層對城市雨洪水污染物具有一定的自然衰減作用，過去100多年的雨洪水徑流排放到目前為止未對藍湖水質表現出任何可量度的損害。

上海市在歷史上由於大量開採地下水造成大面積沉降，城區最大地面沉降達到2.63米，對工業生產和城市建設造成了嚴重威脅。1958年，由於大量抽取地下水，地下水位下降至-35-40米，為了增加地下水補給量，抬高地下水位，上海棉紡廠工人利用廢棄井（深95米，直徑250mm）進行回灌試驗，揭開了地下水人工補給的序幕，至1966年，共有七十多家工廠134口深井同時回灌，大大增加了地下水補給量，使地下水位抬高了十多米，夏季開採時，獲得了原水溫低的地下水，夏用期結束後，上海地面不但沒有下沉，反而平均上升了6mm，這是十幾年來連續下降後第一次出現上升現象，開始控制了上海的地面沉降。

孟加拉灣沿岸海水入侵現象嚴重，13個村莊的居民為應對淡水資源短缺問題，他們套用ASR技術在由淤泥和黏土覆蓋的淺層細-中沙承壓含水層中回補淡水，這裡一般的ASR項目是由一個19.5m3大的雙室級配砂滲池組成，滲池的水通過帶有開關和閥門的PVC管流入4-6個直徑為30.5或56cm的井中，這些滲水井埋深在18-31米不等，13處ASR項目運行一年後的平均入滲量在3m3/d，11個項目的抽取量範圍在5-40%，與回補的源水濁度100NTU相比，抽取的水濁度為5NTU；堵塞管理中，人工沖洗後回補效率可以恢復到年平均值以上；與源水相比，抽取的水中大腸桿菌數量大大減少，但仍可以在大約一半的樣品中檢測到；有三個ASR項目抽取的水中砷含量>100 μg/L，這就意味著砷的問題一定要認真對待並進一步研究。