深层地下水人工回补的国际经验及对我国的启示
引言：在地下水天然补给量远小于开采量的情况下，全球干旱和半干旱地区主要含水层水位持续下降，形成地下水降落漏斗，并引发地面沉降等地质灾害，全球地下水资源可持续利用面临重大挑战。在减少地下水开采量的同时，通过地下水人工回补，加快实现局部地区的地下水采补平衡，在国外已有一定经验积累。“地下水人工回补”由英文“Artificial Recharge Groundwater”翻译而来，近年来，国际上更多采用“Managed Aquifer Recharge（MAR）”这一说法，指将再生水、雨洪水、地表水等水资源通过渗滤池、回灌井、河道入渗等方式人工补给至地下水含水层中，以便后续回收或获得环境效益的行为。近年来，随着MAR相关技术不断进步，其内涵更为广泛，目的更加多元化，需要考虑水量、水质等多个要素，学界也将MAR译作“含水层人工调控技术体系”，本文中仍使用“地下水人工回补”这一更为公众所熟知的概念。
相较于传统的水资源处理方式，地下水人工回补可有效减少占地面积、输水距离、蒸发损失等，具有资源韧性强、污染风险低和成本花费小等诸多优势。根据不同地区的核心需求，地下水人工回补可实现多个目标：①提高水资源保障能力，应对极端天气变化；②增加地下水存储量，维持地下水采补平衡；③高效利用雨洪资源，减少洪涝灾害发生；④阻止或减缓海咸水入侵，防止地面沉降；⑤净化提升再生水水质，实现再生水安全高效利用；⑥改善区域地下水水质，实现微咸水资源化利用；⑦保护地下水生态系统多样性；⑧美化城市环境，提升土地价值等。
Peter Dillon等针对全球建有MAR工程的34个主要国家进行了相关数据统计，结果显示，1965—2015年，MAR工程的回补量从1亿m3/a增长至10亿m3/a，占上述建有MAR工程国家地下水开采量的2.4%，接近全球地下水开采量的1.0%，MAR的回补量也以每年5%的速度增长。参照地下水人工回补发展较为完善国家的经验，预计未来全球范围内地下水人工回补量将超过地下水开采量的10%。我国也在不断推进有关地下水人工回补的相关建设，2024年全国水利工作会议明确，要强化地下水超采综合治理，实施华北地区深层地下水人工回补试点。
01、地下水人工回补关键要素、回补方式及可持续性评价
地下水人工回补的关键要素
地下水人工回补包含7个关键要素，分别为回补水源、水处理（前）、回补、含水层存储、回采、水处理（后）和最终用途。
▲地下水人工回补过程
▲地下水人工回补过程关键要素
①回补水源。回补水源的选择范围十分广泛，包括地表水、雨洪水、再生水、淡化海水、其他含水层地下水等各类水资源，也可以混合不同类型的水源进行回补。回补水源需要综合考虑水量、水质和经济成本等因素，需保证在MAR工程运行期间持续稳定供水，补给能力应大于实际需求量；水质应符合相关水质标准及项目需求，否则会造成设备堵塞、环境污染等后果。
②水处理（前/后）。在地下水回补前后需通过湿地净化、过滤、反渗透等方式对水源进行相应的处理以提升水质。水处理方式的选择受回补水源水质、回补方式和最终需求等因素影响，如若使用水质较好的地表水，则无需进行水源前处理步骤，可直接进行回补；使用土壤含水层渗滤方法进行回补时，通过包气带进行水体过滤，对水处理的要求较低；回采后用于饮用的回补水，需要进行包括消毒、过滤等严格的后期水处理。相较于拥有水质净化功能的浅层地下水人工回补，深层地下水人工回补对于回补水水质要求更高，相应的水处理方式更为严格。
③回补。回补方式一般根据回补区特点如水文地质特征、场地空间面积进行选择。举例来说，深层的石灰岩含水层宜采用井灌方式回补；浅层砂质含水层宜使用渗滤方式；回补场地面积有限时可考虑井灌回补。深层地下水人工回补主要采取井灌方式。
④含水层存储。含水层的选取对于地下水人工回补至关重要，除明确目标含水层具有可存储空间外，研究人员还需要充分掌握区域水文地质特征、地下水补给-径流-排泄特征、地下水水位-水质-水量时空变化规律等，并在地下水回补与存储期间，对地下水水位、水质进行密切检测监测，保证回补效果和安全，可通过地下水水流模型和溶质运移模型进行辅助计算。
⑤回采。回采一般通过抽水井直接进行开采，但需要基于地下水人工回补量、地下水天然补给量计算确定回采地下水总量和频率，确保回补区地下水存储量，可通过地下水水量模型进行辅助计算。一些特殊回补区，如防止海咸水入侵场地，可以不进行地下水回采。深层地下水与浅层地下水人工回补的回采方式无明显差异，但因深层地下水天然补给量更少、周期更长，其人工回补后的回采量普遍比浅层要小、周期更长，一些深层承压含水层甚至不会进行回采。
⑥最终用途。根据地下水人工回补的核心需求，回采后的地下水可用于生活、农业、工业等多种用途。如有些MAR工程是为了增加干旱气候下的水源保障，经消毒净化后，用于居民饮用和生活用水；有些MAR工程是为了更好地防洪减灾，实现雨水资源化利用，回采后可大体量供给工业用水；有些MAR工程是为了防止海咸水入侵、地面沉降，所回补的水资源用于填补含水层空缺，提升地下水存储量，并不会被开采使用。
人工回补方式选择
地下水人工回补具有多种回补方式，可分为河床河道改造（Streambed Channel Modifications）、傍河取水（Bank Filtration）、扩散渗滤（Water Spreading）和井灌（Recharge Wells）4种方式。河床河道改造是指通过在河床、河道上构建土坝、沟渠等方式，达到减缓河流水体流动，增加入渗补给地下水的目的，在印度、非洲等地区较为常见；傍河取水是指在河流或湖泊附近打井抽取地下水，河水经由河床下方沉积物入渗补给地下水，地表水与地下水共同组成了开采资源，并通过沉积物的过滤改善水质，多见于欧洲国家；扩散渗滤则主要通过渗滤池、渗滤盆地、土壤含水层渗滤等方式，使回补水源经由包气带入渗补给潜水含水层，在美国、澳大利亚、荷兰等国家较为普遍，多用于浅层地下水的人工回补。
现阶段国际上深层地下水人工回补主要依靠井灌的方式，具体包括单井含水层储存回收、多井含水层储存转移回收和建造干井3种方式。
▲深层地下水人工回补方式示意
含水层储存回收（Aquifer Storage Recovery，ASR）是指将回补水源通过注水井注入目标承压含水层，储存后从同一口井回采使用。该方式能直接补给深层承压水，并被广泛应用于微咸水含水层，常见于美国、欧洲、澳大利亚、中东等地区。含水层储存转移和回收（Aquifer Storage Transfer Recovery，ASTR）是指将回补水注入目标承压含水层储存后，从另一口井开采回收。该方式不仅能直接补给深层承压水，且可通过延长回补水在含水层中的停留时间提升水质，多应用于深层承压含水层和对水质要求高的地区，在美国、澳大利亚、欧洲较为普遍。建造干井是指针对地下水埋深较大的潜水含水层，建造深度较浅的注水井，让回补水穿越厚层包气带入渗补给潜水，适用于埋深大的潜水含水层，如美国的亚利桑那州。
地下水人工回补可持续性评价
1999年，联合国教科文组织国际水文学系列出版物将“可持续水资源系统”定义为在设计和管理上有利于充分促进现在和未来的社会目标达成，同时保持其生态、环境和水文完整性的系统。MAR工程是一项地表-地下水资源综合循环利用工程技术系统，具有很强的可持续性和资源韧性。Zheng等以美国环境保护署的可持续性指标框架作为指导，构建了针对地下水人工回补的可持续指标评价体系，该评价体系包括6项环境可持续性指标和3项社会可持续性指标。每项指标按“-5”到“5”共11个层级赋分，每层级分差为1，综合计算总分。该评价体系可应用于深层、浅层地下水含水层等不同回补区域，适用于所有地下水人工回补方式，实现了地下水人工回补可持续性的定量化客观评估，有助于指导地下水人工回补的设计、建设和维护管理，提高地下水人工回补的可持续性。
▲地下水人工回补可持续性指标（注：评分等级中-5为极差，-4为很差，-3为差，-2 为较差，-1为略差，0为一般，1为略好，2为较好，3为好，4为很好，5为极好）
03、国外典型深层地下水人工回补案例
国外开展了多项深层地下水人工回补工程，涉及多种回补水源和不同的核心需求，在地下水人工回补场地选择、调查和实施过程等方面具有很好的实践借鉴意义。本文列举分析了澳大利亚、美国、英国等国家深层地下水人工回补典型案例，并梳理了相应的地下水人工回补数据和可持续性指标评分。
▲国外深层地下水人工回补典型案例情况统计及可持续性指标评分（注：可持续性指标评分按本文作者Zheng等2021年对相同场地进行的专家评分）
澳大利亚珀斯
在澳大利亚西部的珀斯，西澳大利亚州水务公司通过井灌的方式进行了深部承压含水层地下水人工回补，并于2017年获全球水奖（Global Water Awards）。该MAR工程旨在为当地提供气候变化下的饮用水水源供给，并防止海水入侵。回补水源为再生水厂出水，在回补前通过超滤、反渗透、紫外线消毒等处理方式，使得回补水水质符合甚至优于澳大利亚饮用水标准。为保证回采地下水水质，选择含水层储存转移和回收回补方式，同一含水层中注水井和饮用水供水井分开使用。该项目于2004年开始相关试点研究、测试实验，2017年一期工程运行，年回补能力可达1400万m3，2020年二期工程运行，年回补能力2800万m3，预计2050年该工程将供应珀斯地区20%的用水需求。每立方米能耗仅为2.2~2.5kW·h，为海水淡化能耗的一半。一期工程建造投资约为8500万美元，用于建造和调试回补设施。年运营成本约为290万美元，包括电力和化学品消耗、工程维护、取样和人员成本。二期工程扩建投资约为1.94亿美元，用于回补设施建设、再生水水厂扩建、管道构建等。
澳大利亚索尔兹伯里
在澳大利亚索尔兹伯里市进行的深层地下水人工回补项目建有9个城市雨水收集枢纽、31个ASR井、4个单一注水井、28个开采井、150km专用供水线路，主要通过城市住宅区、工业区旁边的芦苇湿地来收集雨洪水，回注进入距地表160~180m埋深的咸水含水层长时间贮藏，待水质提升后进行地下水回采，用于灌溉和工业等领域。地下水年回补量300万m3，年开采量250万m3，回采率达到80%，能耗仅为淡化咸水成本的3%。该工程的建设不仅有效助力地区防洪减灾，保障了城市居民人身和财产安全，保护了下游地区渔业资源，而且大规模、经济高效地利用了雨洪水资源，为南澳地区提供了工业用水、灌溉用水，促进多个鸟类栖息地恢复，保障了当地生物多样性。
英国伦敦
在英国伦敦开展的地下水人工回补工程，通过井灌将泰晤士河和利河的地表水回补进入承压含水层，回采后用于居民饮水供应。该工程共建有48眼水井，其中30眼用于地下水人工回补，深度可达130m。地下水日回补量可达6万m3，年回补量约1560万m3，年开采量约4920万m3。该地在干旱年进行大体量地下水开采，在之后的平水年、丰水年再进行大体量的地下水人工回补，1995—2019年，回补水与回采水体积之比的平均值为0.36。工程1995年投入使用，已经在1997年、2003年、2005年、2006年、2011年、2012年、2018年、2019年多次解决了伦敦干旱气候下的供水问题。依靠地下水人工回补和天然补给，在过去的20年里，该地区地下水储存量逐步增加，2018年达到了使用前最大实际容量的98%。
美国加州
美国加州通过立法设立了专门职能机构建设MAR工程基础设施，有效解决了当地地下水过度开采和海水入侵等问题，保障了区域水安全。该地通过河道、渗滤池、回灌井等多种技术每年回补1.48亿m3地表水（雨洪水及外调水）、1.38亿m3再生水进入含水层。其中塔尔博特海水入侵防御工程是该地区通过再生水回补地下水、实现海水入侵防御效果最为明显的一项工程。该工程自1973年起开始建设，共有36眼注水井，涉及4个含水层，深度在27~130m，并配有多眼观测井，井群离海岸带5.6km，彼此间隔183m，年回补量可达4440万m3。1975—2008年主要采用外调水和再生水混合进行回补，2008年后再生水成为主导，2009年再生水回补率达100%。回补工程在含水层中形成了一个特殊的水力屏障，防止海水向内陆地下水流动。
04、深层地下水人工回补经验总结及启示
明确总体目标规划，逐步推进地下水人工回补实施
现阶段，国际上关于地下水人工回补的论证、实施、建设、运营等已有完整的流程体系。以澳大利亚为例，采用了分阶段的方法，通过评估、调查、投产、监测和反馈，提供了一条有效管理风险的实施路径。因此，开展地下水人工回补，应当建立总体目标规划，随后分阶段依次进行，并保障顺利实施。首先需明确总体目标，包括地下水人工回补的核心需求，以及是否迫切需要地下水人工回补。第一阶段的理论可行性分析需结合所收集的信息数据，从回补水源、存储含水层、项目执行力等多方面进行论证，评估地下水人工回补是否合理可行，实施回补后能否从水资源、环境、经济、社会等多个方面获益，以及所面临的困难；第二阶段进行深入调查评估，开展适应性区域评价、场地试点等工作，对项目进行风险评估；第三阶段进行回补工程建设，并开始项目试运行；第四阶段完善风险管理规划，项目正式开启运行。运行后的地下水人工回补项目根据监测信息和实际需求，再适时决定进行项目扩建和产能扩大。
建议开展地下水人工回补时，应首先明确核心需求，建立总体目标规划并分阶段执行，依次开展评估论证、风险评价、场地试点、工程建设、运营监测等，保证项目安全高效顺利实施。
开展配套科学研究，规避地下水人工回补潜在风险
现阶段国际上开展地下水人工回补工作时，仍存在很多潜在风险。如回补水中悬浮颗粒会造成回灌井堵塞，降低入渗速率，严重时可导致整个地下水人工回补工程报废；回补过程中氧化还原环境的改变、回补水源与原位地下水组分的化学反应等，又会导致地下水人工回补的水质污染，危害环境与人类健康。
建议在努力推动我国地下水人工回补实施的同时，配套开展相关方向科学研究，推动技术革新，培养本领域核心人才，为地下水人工回补实施提供技术支撑，规避潜在风险。相关水利科研机构应开展相应研究，如构建地下水人工回补项目数字孪生模型，确定补给、开采强度；提升成井工艺水平，降低回灌井堵塞风险；开展单井原位抽注实验，研究地下水人工回补过程中污染物迁移转化规律；绘制MAR适宜性评价分布图，筛选适宜开展MAR的场地。
完善对应管理体系，出台地下水人工回补导则指南
很多国家对于地下水人工回补已建设有完善的管理体系和政策框架。澳大利亚制定了针对地下水人工回补的国家级指南，该指南基于世界卫生组织水安全规划方法，在全面指导地下水人工回补工作开展的同时，充分保护人类健康和环境安全。美国环境保护局于1974年施行《地下回补控制法规和安全饮用水法案》等联邦法规。欧盟的《水框架指令》和《地下水指令》将地下水人工回补视为一种水资源管理方法，各成员国根据自己的政策实施回补，但必须遵守指令中的限制要求。
根据以上经验，建议相关部门出台地下水人工回补导则，明确回补流程环节；制定地下水回补标准，对回补细节实施精准量化；颁布相关法律法规，对地下水人工回补进行必要法律约束；建立地下水人工回补政策框架，对相关权益分配进行明确阐述。
统筹水量水质管理，实现地下水回补安全高效循环
全球有30多万种市售化学品，其中有大量威胁人体健康的新污染物，也对21世纪全球环境保护包括地下水人工回补应用带来挑战。基于多种含水层人工调控技术体系的地下水人工回补工程在补充水量的同时，亟须制定针对各类新旧水质风险和基于整体风险管控的政策法规和因地制宜的技术导则，做到水量-水质协同管理。
建议参考国外相关法规，推进含水层分区分层管理，划定地下水污染物衰减区并进行监控，充分发挥含水层自净能力，促进水资源的高效循环和可持续利用。
