開展地下水人工調(diào)蓄研究芻議

李 偉 ，龍玉橋 ，鐘華平

（1.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，210029，南京；2.南京水利科學(xué)研究院地下水研究中心，210029，南京）

地下水是水循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是水資源的重要組成部分。我國多年平均地下水資源量為8218億m3，其中與地表水不重復(fù)計算量為1024億m3?！笆濉逼陂g全國地下水年開發(fā)利用量基本穩(wěn)定在1100億m3左右。2016年，全國地下水開采總量1057億m3，占供水總量的17.5%。北方17個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）地下水開采量約占全國總開采量的90%，占這些省份總供水量的32%，北方地區(qū)城市生活和工業(yè)用水量中地下水所占比例達(dá)到60%以上。

地下水在支撐經(jīng)濟社會快速發(fā)展的同時，也面臨著突出問題，主要表現(xiàn)為地下水超采問題嚴(yán)重。目前，全國有20余個?。ㄗ灾螀^(qū)、直轄市）存在不同程度的地下水超采問題，主要集中在北方地區(qū)，其超采區(qū)面積占全國超采區(qū)面積的95%，超采量占全國超采量的99%。由于地下水過度開發(fā)，導(dǎo)致出現(xiàn)地下水資源日益匱乏、地下水水位持續(xù)下降、地面沉降、海（咸）水入侵、土地荒漠化等生態(tài)環(huán)境問題。維持地下水資源的可持續(xù)性，保護和修復(fù)地下水系統(tǒng)，已刻不容緩。雖然地下水系統(tǒng)自身具備一定的天然調(diào)節(jié)能力，但在人類活動的強烈影響下，自我調(diào)節(jié)能力已日益退化，因此，地下水的人工調(diào)蓄已成為防止地下水資源持續(xù)匱乏、維護地下水系統(tǒng)活力的重要舉措。

一些發(fā)達(dá)國家逐漸將調(diào)蓄水資源的重點由地表水庫轉(zhuǎn)移至地下含水層的調(diào)蓄運用方面，與此相關(guān)的理論和實踐研究已成為地表水、地下水及各類非傳統(tǒng)水源統(tǒng)一調(diào)度領(lǐng)域的熱點問題。美國、瑞典、荷蘭、德國、日本等國家自20世紀(jì)80年代以來便開始大力推廣利用地下含水層調(diào)蓄水源的做法，并將其視為水資源管理的重要策略之一。美國、德國、荷蘭、瑞士等國家地下水人工補給量已超過地下水供水量的20%。20世紀(jì)70年代，我國以控制地面沉降、防止海水入侵為目的人工回灌工程逐漸興起，目前，上海、北京、河北、山東等地都建有不同規(guī)模的地下水人工調(diào)蓄工程，但由于相關(guān)技術(shù)發(fā)展滯后、管理經(jīng)驗缺乏、運行保障不力等，國內(nèi)地下水人工調(diào)蓄工作尚未廣泛開展，有關(guān)地下水人工調(diào)蓄的管理問題與技術(shù)問題還處于初期探索階段，未形成系統(tǒng)的技術(shù)理論體系和完善的指導(dǎo)管理體系。

一、開展研究的意義

開展地下水人工調(diào)蓄研究是結(jié)合國家發(fā)展戰(zhàn)略需求，實現(xiàn)多類水源統(tǒng)一配置、高效利用的重要手段。多種形式的地下儲水空間、地下含水層不僅是地下水的賦存空間，更是存蓄地表徑流、雨洪水、再生水的重要場所，地下水人工調(diào)蓄是實現(xiàn)多類水源統(tǒng)一配置，高效利用非傳統(tǒng)水源的重要手段。

開展地下水人工調(diào)蓄研究是遏制地下水資源匱乏態(tài)勢，增加可供水量，保障經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。通過人工措施主動積極干預(yù)地下水補徑排過程，是緩解地下水資源過度開發(fā)、增加地下水可供水量的重要措施。地下水人工調(diào)蓄可顯著提高地表水源特別是雨洪水、再生水等非傳統(tǒng)水源的利用效率，在保障供水安全，維護區(qū)域經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展方面有重要意義。

開展地下水人工調(diào)蓄研究是保護和修復(fù)地下水系統(tǒng)，構(gòu)建生態(tài)文明的重要措施。伴隨著地下水資源過度開發(fā)，地面塌陷沉降、咸水下移海水入侵、土地荒漠化等問題日益威脅著人類安全，很多地區(qū)的地下水系統(tǒng)已難以維持自身活力。地下水系統(tǒng)的修復(fù)有賴于科學(xué)合理的人工措施，地下水人工調(diào)蓄是保護修復(fù)地下水系統(tǒng)的重要技術(shù)措施。

開展地下水人工調(diào)蓄研究是應(yīng)對干旱、地表水源污染等突發(fā)水事件，發(fā)揮地下水源應(yīng)急供水作用的有益補充。供水保障是人類生存的基本要素之一，然而地區(qū)性持續(xù)干旱問題、突發(fā)性地表水源污染問題卻時常威脅著供水安全。與地表水源相比，地下水源受氣候條件影響小、不易污染、徑流速度慢等特性，使其成為應(yīng)急備用水源的首要選擇。開展地下水人工調(diào)蓄對于加強地下水資源管理、儲備相關(guān)技術(shù)力量、充分發(fā)揮地下水源應(yīng)急供水作用意義重大。

二、開展研究的迫切性

從增加供水的緊迫性來看，我國水資源短缺形勢日益嚴(yán)峻，特別是在黃淮海平原區(qū)，供水保障面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，地下水資源已經(jīng)難以維系經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展。如何利用各類傳統(tǒng)、非傳統(tǒng)水源，增加可供水量，實現(xiàn)地表水與地下水的聯(lián)合調(diào)度，是區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展亟待解決的問題之一。

從改善環(huán)境的機遇性來看，伴隨南水北調(diào)工程的逐步實施，華北地區(qū)過度依賴地下水的供水格局將發(fā)生改變，區(qū)域水資源供需矛盾得到一定緩解，受損地下水系統(tǒng)將面臨難得的修復(fù)機遇。如何抓住這一歷史性機遇，采用人工措施，促進受損地下水系統(tǒng)的逐步修復(fù)，從而改善地下水環(huán)境，是地區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)發(fā)展所面臨的重要任務(wù)。

從地下水人工調(diào)蓄發(fā)展趨勢來看，許多發(fā)達(dá)國家的地下水人工調(diào)蓄已跨出初期試驗階段，成為調(diào)蓄、保護地下水源的重要途徑。相比之下，我國地下水人工調(diào)蓄發(fā)展緩慢，人工補給實施的規(guī)模較小,缺乏以調(diào)蓄水源為目的大規(guī)模示范性工程，無論是技術(shù)理論還是管理模式都處于探索階段。因此，亟須開展有關(guān)研究，為我國地下水人工調(diào)蓄儲備技術(shù)力量和示范管理經(jīng)驗。

三、研究目標(biāo)與內(nèi)容

1.研究目標(biāo)

在分析評估國內(nèi)外現(xiàn)有地下水人工調(diào)蓄技術(shù)和應(yīng)用狀況基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究人工調(diào)蓄的理論、方法和技術(shù)，研究建立地下水人工調(diào)蓄模擬和管理模型，進行相關(guān)補給區(qū)建設(shè)模式、適宜性評價、效益評估、風(fēng)險管理、監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)、生態(tài)環(huán)境影響評估等關(guān)鍵技術(shù)研究，開展地下水調(diào)蓄工程示范區(qū)建設(shè)，研究地下水人工調(diào)蓄規(guī)律，達(dá)到地表水地下水聯(lián)合調(diào)控，充分利用雨洪資源，增加地下水可利用資源，緩解水資源供需矛盾，控制地下水開采，修復(fù)地下水系統(tǒng)，實現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用。

2.主要研究內(nèi)容

（1）國內(nèi)外地下水人工調(diào)蓄技術(shù)及其應(yīng)用分析評估

在全面系統(tǒng)梳理國內(nèi)外地下水人工調(diào)蓄技術(shù)與管理研究進展的基礎(chǔ)上，總結(jié)各國實施地下水人工調(diào)蓄技術(shù)與工程的適用條件、應(yīng)用范圍、實施效果等，論證其優(yōu)缺點及其應(yīng)用于我國地下水調(diào)蓄的可能性，提出適用于我國地下水的調(diào)蓄推薦模式，為開展地下水人工調(diào)蓄研究和應(yīng)用提供詳實的基礎(chǔ)資料，為促進科學(xué)的地下水管理提供參考依據(jù)。

（2）地下水人工調(diào)蓄關(guān)鍵技術(shù)研究

以地下水人工調(diào)蓄初期規(guī)劃、中期建設(shè)、后期運行研究為主線，以相關(guān)理論技術(shù)研究為切入點，開展調(diào)蓄區(qū)選址及規(guī)劃技術(shù)研究，建立調(diào)蓄區(qū)場地勘查技術(shù)理論體系和調(diào)蓄區(qū)適宜性評價指標(biāo)體系。開展調(diào)蓄水源論證技術(shù)研究，提出可調(diào)蓄水源的數(shù)量評估技術(shù)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。開展地下水人工調(diào)蓄工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究，提出補給工程關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)優(yōu)選設(shè)計及布設(shè)模式，結(jié)合典型區(qū)研究，提出調(diào)蓄區(qū)地下水開采優(yōu)化布設(shè)方案，編制地下水人工調(diào)蓄區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)指南。開展運行風(fēng)險分析研究，提出工程運行保障技術(shù)體系，提出水源污染風(fēng)險控制技術(shù)、分級預(yù)警技術(shù)和應(yīng)急預(yù)案，整合梳理各類關(guān)鍵技術(shù)，編制地下水人工調(diào)蓄技術(shù)規(guī)程。

（3）典型區(qū)地下水運動數(shù)值模擬與人工調(diào)蓄管理模型研究

揭示典型區(qū)含水層的結(jié)構(gòu)、巖性和水力特性，識別人類活動影響下地下水的動態(tài)及其變化規(guī)律。建立典型區(qū)地下水運動三維數(shù)值模擬模型，為地下水動態(tài)模擬和預(yù)測提供計算工具。建立典型區(qū)地下水人工調(diào)蓄管理模型，為地下水人工調(diào)蓄提供決策支持工具，提出不同情景下研究區(qū)地下水人工調(diào)蓄合理方案和措施建議。

（4）地下水人工調(diào)蓄效益評價與管理制度建設(shè)研究

研究提出地下水人工調(diào)蓄效益評估內(nèi)容和方法，建立地下水人工調(diào)蓄效益評估指標(biāo)體系。研究風(fēng)險評估方法和風(fēng)險管理制度，提出地下水人工調(diào)蓄工程風(fēng)險評估和管理的理論體系。根據(jù)不同區(qū)域類型特點提出地下水人工調(diào)蓄的運行管理方法、管理體制機制以及工程和非工程保障措施。

（5）地下水人工調(diào)蓄工程管理與技術(shù)研究

在分析評估國內(nèi)外地下水人工調(diào)蓄技術(shù)及其應(yīng)用狀況的基礎(chǔ)上，開展地下水人工調(diào)蓄關(guān)鍵技術(shù)研究，提出人工調(diào)蓄適宜性評價指標(biāo)體系，建立典型區(qū)地下水運動數(shù)值模擬與人工調(diào)蓄管理模型，分類型區(qū)開展地下水人工調(diào)蓄工程示范建設(shè)，研究探討不同類型區(qū)地下水人工調(diào)蓄規(guī)律，對地下水人工調(diào)蓄工程進行風(fēng)險管理研究、生態(tài)環(huán)境影響評估，提出相關(guān)管理政策措施建議。

四、關(guān)鍵技術(shù)研究

1.地下水人工調(diào)蓄區(qū)選址與規(guī)劃技術(shù)研究

以傳統(tǒng)水文調(diào)查、水文地質(zhì)勘查技術(shù)方法為基礎(chǔ)，開發(fā)遙感技術(shù)與現(xiàn)代物探技術(shù)相結(jié)合的調(diào)蓄區(qū)勘查選址技術(shù)，提出調(diào)蓄區(qū)場地勘查技術(shù)理論體系，繪制場地調(diào)查技術(shù)基本流程圖。從調(diào)蓄水源條件、地下儲水空間條件、經(jīng)濟技術(shù)條件、生態(tài)環(huán)境需求等方面，篩選指標(biāo)，構(gòu)建地下水人工調(diào)蓄區(qū)適宜性評價指標(biāo)體系與方法，劃分調(diào)蓄區(qū)類別與等級。以區(qū)域性總體規(guī)劃為目標(biāo)，以科學(xué)先進性、普遍適用性為原則，以地表、地下水源聯(lián)合調(diào)蓄技術(shù)為重點，編制地下水人工調(diào)蓄規(guī)劃工作大綱。

2.調(diào)蓄水源數(shù)量評估與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究

以水資源配置理論為依據(jù)，針對雨洪水、地表水庫棄水、污水處理再生水等多類可調(diào)蓄水源，在生活、生產(chǎn)、生態(tài)用水之間進行水源調(diào)配，研究各類水源地下可調(diào)蓄水量及其保證率的分析計算方法，分別提出近期調(diào)蓄水源數(shù)量評價技術(shù)和遠(yuǎn)期調(diào)蓄水源潛力評估技術(shù)。針對不同調(diào)蓄水源，分類識別主要污染物，分析其在包氣帶及含水層中遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，劃定調(diào)蓄水源中主要污染物閾值，系統(tǒng)梳理總結(jié)國內(nèi)外各類相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，提出地下水人工補給水源質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3.地下水人工補給工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

開展代表性補給工程調(diào)研，對現(xiàn)有的各類補給方式與技術(shù)方法進行系統(tǒng)歸納與分類，逐一闡述組成結(jié)構(gòu)，闡明適用條件，針對不同區(qū)域，提出與區(qū)域特點相適應(yīng)的地下水人工補給模式、技術(shù)方法。深入分析各類補給工程中制約補給效率的原因，識別主要影響因素，以物理模型試驗和數(shù)學(xué)模擬分析為手段，揭示工程型態(tài)、構(gòu)建方式對補給效率的影響特征，開展補給工程關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)優(yōu)選設(shè)計，提出補給工程優(yōu)化建設(shè)方式及布設(shè)模式。揭示物理、生物、化學(xué)等主要堵塞過程的動態(tài)變化規(guī)律，開發(fā)濾料層鋪設(shè)與土工織物相結(jié)合的堵塞防治技術(shù)。

4.調(diào)蓄區(qū)地下水開采優(yōu)化與動態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究

以數(shù)學(xué)模擬模型為主要技術(shù)手段，結(jié)合典型區(qū)研究，針對不同開采方案，提出開采井的空間優(yōu)化布設(shè)方式，提出開采量的空間及時間優(yōu)化分配模式。研究調(diào)蓄區(qū)地表地下水質(zhì)水量監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化布設(shè)技術(shù)，編制地下水人工調(diào)蓄區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)指南。

5.地下水人工調(diào)蓄運行風(fēng)險及保障技術(shù)研究

基于風(fēng)險分析理論方法，以風(fēng)險因子識別、風(fēng)險評估與預(yù)測、風(fēng)險控制技術(shù)研究以及風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案編制為主線，著重開展調(diào)蓄工程運行風(fēng)險分析，建立調(diào)蓄工程運行維護保障技術(shù)體系。開展水源污染風(fēng)險分析，結(jié)合監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)，研究調(diào)蓄區(qū)水源污染分級預(yù)警技術(shù)，編制調(diào)蓄區(qū)水源污染應(yīng)急預(yù)案。結(jié)合開采井與補給工程布設(shè)，研究污染水源快速抽取排放技術(shù)以及地下污染水流快速阻滲技術(shù)。開展地下存儲水量滲漏風(fēng)險分析，提出地下儲水空間防滲技術(shù)。系統(tǒng)梳理各類關(guān)鍵技術(shù)，編制地下水人工調(diào)蓄技術(shù)范本。 ■