張建友 ，張 紅 ，秦作棟

（1.山西大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030006；2.山西省水資源管理中心，山西 太原 030001；3.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西 太原 030006）

地下水回灌是研究地表水與地下水人工轉(zhuǎn)化規(guī)律的新課題，是新時(shí)期水資源匱乏地區(qū)探索“蓄優(yōu)補(bǔ)源、調(diào)豐補(bǔ)缺、增源保水、綜合利用”的新途徑與新模式。山西是全國(guó)水資源嚴(yán)重匱乏的地區(qū)，長(zhǎng)期以來受固有思維模式的影響，對(duì)地表水與地下水的整體性和相互轉(zhuǎn)化性認(rèn)識(shí)不足，相關(guān)的人工轉(zhuǎn)化與補(bǔ)給措施嚴(yán)重滯后，導(dǎo)致地下水大面積超采與地表優(yōu)質(zhì)水源嚴(yán)重流失并存。在當(dāng)前形勢(shì)下，如何采用水資源轉(zhuǎn)化的新觀念與新技術(shù)，將多余地表水轉(zhuǎn)化為地下水，在治理地下水超采的同時(shí)，增加水資源可利用量，進(jìn)一步緩解山西水資源的供需矛盾，實(shí)現(xiàn)有效利用地表優(yōu)質(zhì)水源與涵養(yǎng)地下水的“雙贏”，成為當(dāng)前水利工作的當(dāng)務(wù)之急和重要課題。

1 國(guó)內(nèi)外地下水回灌技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

地下水回灌是利用工程措施將地表水注入地下含水層，人為增加地下水補(bǔ)給量的一種模式。其目的是將時(shí)間分配不均的、缺乏儲(chǔ)存空間的、零散的、供水不穩(wěn)定的地表水源，包括泉水、河流、水庫(kù)棄水、雨洪水、處理后的再生水等，利用地下水回灌工程轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的、可持續(xù)利用的地下水資源。近30年來，世界各國(guó)對(duì)地下水回灌技術(shù)十分重視，發(fā)展十分迅速，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與環(huán)境效益。該技術(shù)的應(yīng)用范圍已由單純的增加地下水補(bǔ)給量發(fā)展到地下儲(chǔ)能、地?zé)衢_發(fā)、防止地表沉降、預(yù)防海水入侵、污廢水處理等等，普遍應(yīng)用于美國(guó)、日本及歐洲等國(guó)家，其發(fā)展水平和特點(diǎn)主要體現(xiàn)在開發(fā)回灌設(shè)施規(guī)模大、大型計(jì)算機(jī)集中控制、自動(dòng)化程度高等。目前，國(guó)際上把地下水回灌和再利用技術(shù)統(tǒng)稱為ASR。美國(guó)共有56個(gè)ASR回灌井項(xiàng)目在運(yùn)轉(zhuǎn)，并且正在建造100個(gè)以上的ASR回灌井項(xiàng)目，而且加拿大、以色列、英國(guó)、荷蘭、澳大利亞、印度等國(guó)也都在發(fā)展自己的ASR技術(shù)。我國(guó)地下水回灌研究興起于20世紀(jì)六七十年代，為了防止地面沉降和海水入侵，主要在東南沿海城市建設(shè)并實(shí)施地下水回灌，同時(shí)兼顧補(bǔ)給地下水，緩解當(dāng)?shù)毓┧o張局面。上海市是我國(guó)開展地下水人工回灌技術(shù)最早的城市之一，在管井回灌技術(shù)方面，獲得了大量的實(shí)際資料和豐富經(jīng)驗(yàn)。山東省在近30年建成了較大的回灌工程30余處，用于回補(bǔ)地下水、興建地下水庫(kù)及防治海水入侵。

2 山西省水資源狀況及存在問題

山西省地處華北地區(qū)西部、黃土高原東翼。全省共有大小河流1 000余條，分別屬于黃河、海河兩大水系，屬于黃河水系的較大河流有汾河、沁河、丹河、涑水河、三川河、昕水河，屬于海河水系的較大河流有桑干河、滹沱河、濁漳河、清漳河。1956—2000年全省多年平均水資源量123.8億m3，其中地表水資源量86.8億m3，地下水資源量84億m3，重復(fù)水資源量47億m3。全省水資源可利用量為83.77億m3，占全省水資源總量的67.7%。按水源分類，地表水資源可利用量為51.87億m3，地下水資源可利用量為50.0億m3，重復(fù)水資源量為18.10億m3；按流域分類，海河流域33.73億 m3，黃河流域50.04億 m3，且多分布于盆地邊緣及省境四周，全省人均占有水資源量為全國(guó)的17%，每公頃平均占有水量只有全國(guó)的11%。2011年，全省經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水總量74.2億m3；按用途分類，生活用水9.0億m3，農(nóng)業(yè)用水44.9億m3，工業(yè)用水14.7億m3，第三產(chǎn)業(yè)用水2.2億m3，生態(tài)環(huán)境用水3.4億m3；按供水水源分類，地表水供水量32.7億m3，地下水供水量38.6億m3，非常規(guī)水源供水量2.9億m3。山西省在水資源開發(fā)利用中由于受固有傳統(tǒng)思維的影響，過度依賴地下水，輕視地表河流、泉水、雨洪水、水庫(kù)棄水等水源的綜合利用，導(dǎo)致出現(xiàn)了許多問題。

2.1 地下水超采嚴(yán)重

長(zhǎng)期以來，山西省開發(fā)利用水資源過度依賴地下水，特別是在20世紀(jì)90年代后的10余年間地下水開采量占到總用水量的60%以上，導(dǎo)致部分地區(qū)地下水入不敷出，全省地下水超采現(xiàn)象十分嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全省地下水超采區(qū)有22個(gè)，超采面積達(dá)10 632 km2，占全省總面積的8%，其中嚴(yán)重超采區(qū)面積4 947 km2，年超采地下水7.3億m3，其中有6.6億m3的超采量集中在大同、忻定、太原、臨汾、運(yùn)城五大盆地。嚴(yán)重的地下水超采導(dǎo)致出現(xiàn)了地面沉降、泉水枯竭、含水層疏干、機(jī)井報(bào)廢等一系列問題，給山西省帶來不可估量的損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于過度開采，太原市、運(yùn)城市、大同市、臨汾市城區(qū)盆地淺層地下水基本疏干；全省巖溶地下水位大幅度下降，導(dǎo)致晉祠泉、蘭村泉、古堆泉相繼干枯斷流，洪山泉、郭莊泉瀕臨斷流；太原市形成了以吳家堡、河西中學(xué)等地區(qū)為中心，長(zhǎng)15 km、寬8 km的沉降地帶，年均下沉37~114 mm，累積沉降量達(dá)1 300 mm；大同市形成了以時(shí)莊、西韓嶺一帶為中心的沉降地帶，最大累計(jì)沉降量為124 mm。

2.2 降雨入滲補(bǔ)給不足

山西省地處中緯度地帶的內(nèi)陸，在氣候類型上屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，太平洋水汽自東南方向入境后，受到太行山和呂梁山脈阻隔，降水量銳減。據(jù)全省第二次水資源評(píng)價(jià)成果，全省1956—2000年多年平均降雨量為508.8 mm，且省內(nèi)季節(jié)分配極不均勻，冬季干旱少雨，夏季雨水較多，全年降水主要集中在汛期6—9月，占全年降水量的60%以上。全省年降水量折合水體795.13億m3，降雨入滲補(bǔ)給地下水資源量為84.04億m3，降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)為0.106，也就是說，全省年降水量除其中10.9%的降水量形成地表徑流、78.5%的降水量蒸發(fā)消耗外，僅有10.6%的降水量轉(zhuǎn)化為地下水資源。加之近年來山西省城市及工業(yè)規(guī)模發(fā)展十分迅速，城市化進(jìn)程加快，地面不透水面積增大。據(jù)初步估算，全省城市、農(nóng)村及工業(yè)廠礦地面硬化面積占全省總面積約4%，阻止了大氣降雨的有效入滲，導(dǎo)致減少地下水補(bǔ)給量約3億m3。

2.3 地表優(yōu)質(zhì)水源流失嚴(yán)重

近年來，山西省受氣候干旱、降雨減少、植被破壞和工業(yè)污染等原因影響，水質(zhì)優(yōu)良的巖溶泉水、水庫(kù)蓄水和常流水河流呈現(xiàn)逐漸減少態(tài)勢(shì)，而且其中部分水源因供水保證率不高、用水時(shí)間不匹配、工程措施缺乏等原因得不到有效利用，大量排泄，造成水資源的極大浪費(fèi)，與全省水資源嚴(yán)重匱乏的實(shí)際極不相稱。在巖溶大泉方面，除晉祠泉、蘭村泉、古堆泉、天橋泉、三姑泉因斷流或未出露原因外，全省14個(gè)巖溶大泉流量達(dá)33.3 m3/s，除去全省工農(nóng)業(yè)及城市生活引調(diào)水工程在泉口引水17.6 m3/s外，緊臨省界的辛安泉、坪上泉、靈丘泉、柳林泉、娘子關(guān)泉，未利用并排出省外泉水達(dá)14.6 m3/s；地處省內(nèi)腹地的巖溶大泉仍有1.1 m3/s的泉水流量排泄損失。在蓄水工程方面，全省水庫(kù)工程分布較廣，數(shù)量較多，截至2011年底全省已建成水庫(kù)638座，總庫(kù)容57.85億m3，興利庫(kù)容22.3億m3，防洪庫(kù)容18.5億m3。為了安全度汛和防洪需要，每年必須把防洪庫(kù)容騰空，棄水度汛，排泄損失掉大量的水庫(kù)蓄水。而且部分小型水庫(kù)有供水能力，除農(nóng)業(yè)灌溉使用外，再無其他用水戶，大量水庫(kù)蓄水白白棄掉。

3 地下水回灌條件

地下水人工回灌是通過各種人工入滲措施，把各種地表水源補(bǔ)充到地下含水層內(nèi)，使之增加可以利用的地下水資源。實(shí)施地下水人工回灌必須具備有回灌水源、回灌空間、回灌水源水質(zhì)達(dá)標(biāo)等條件。以山西省為例分析實(shí)施地下水人工補(bǔ)給與回灌的必要條件。

3.1 地下水回灌水源

山西省地下水回灌水源有河流、泉水、雨洪水、再生水等多種水源，其中適合于山西特點(diǎn)的而且水質(zhì)優(yōu)良的水源主要包括巖溶泉水、水庫(kù)蓄水和雨洪水。在水庫(kù)蓄水方面，全省已建水庫(kù)的防洪庫(kù)容有18.5億m3，這部分防洪庫(kù)容蓄存的水資源可用于地下水回灌。另外，對(duì)于有蓄水無用戶的水庫(kù)，可全部用于地下水回灌補(bǔ)源。在巖溶大泉方面，對(duì)于地處省內(nèi)腹地的巖溶大泉排泄量，可與治理地下水超采區(qū)統(tǒng)籌考慮，人工實(shí)施地下水回灌。對(duì)于主要用于農(nóng)業(yè)灌溉的巖溶大泉，可在非農(nóng)業(yè)灌溉季節(jié)實(shí)施地下水回灌。對(duì)于用于工業(yè)生產(chǎn)的巖溶大泉，可用滿足生產(chǎn)的水源置換水質(zhì)優(yōu)良的巖溶泉水，使其用于地下水回灌補(bǔ)源。在雨洪水方面，可參照我省太原市清徐縣白石溝翻閘工程模式，在一些匯水面積較小、夏季易發(fā)洪水的小流域內(nèi)，建設(shè)翻板閘、人字閘等蓄水工程，蓄集雨洪水，用于回注地下水。同時(shí)，在城市或地面硬化面積較大的地方，可借鑒德國(guó)利用雨水回灌地下水的經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)回灌工程強(qiáng)化入滲，補(bǔ)給地下水資源。

3.2 地下水回灌空間

山西省地下水回灌空間的大小可以從地下水超采角度來分析。從地下水超采形成過程來看，山西地下水資源經(jīng)過長(zhǎng)期以來的高強(qiáng)度、大面積、掠奪式的開發(fā)和利用，致使太原、大同、忻定、臨汾和運(yùn)城五大盆地內(nèi)出現(xiàn)大面積超采區(qū)，淺部含水層基本被疏干，形成了巨大的地下含水層孔隙空間，可作為地下水人工補(bǔ)給與回灌的容積和庫(kù)容。從地下水補(bǔ)給與排泄平衡關(guān)系來看，歷年地下水累積超采量就是地下水回灌的庫(kù)容。據(jù)有關(guān)成果，1984—2010年，全省地下水累積超采量為133.4億m3，扣除地面下沉導(dǎo)致減少的估算地下容積37.4億m3，剩余地下含水層孔隙空間為96億m3，可以作為地下水人工回灌與補(bǔ)給的庫(kù)容。這一巨大的地下補(bǔ)給孔隙空間是當(dāng)前全省水庫(kù)總庫(kù)容的1.7倍、興利庫(kù)容的4.3倍。

3.3 地下水回灌水源水質(zhì)

實(shí)施地下水回灌必須堅(jiān)持實(shí)施回灌水源水質(zhì)優(yōu)于回灌區(qū)地下水水質(zhì)的原則。從全省來看，巖溶泉水、水庫(kù)蓄水和雨洪水的水質(zhì)相對(duì)較好，一般情況下可以滿足回灌區(qū)地下水水質(zhì)要求。在巖溶泉水水質(zhì)方面，全省19個(gè)巖溶大泉基本達(dá)到了《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類水或Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，滿足生活用水需要，通常能優(yōu)于地下水回灌區(qū)地下水源水質(zhì)。在水庫(kù)蓄水水質(zhì)方面，全省建成的638座水庫(kù)中，大部分水庫(kù)水質(zhì)能達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，基本能滿足地下水回灌區(qū)水源水質(zhì)。在雨洪水水質(zhì)方面，在無工業(yè)和農(nóng)村居民的小流域內(nèi)，或者在城市或硬化面積較大的地區(qū)，建設(shè)工程蓄集地表雨洪水，其水質(zhì)通常能滿足回灌區(qū)水質(zhì)要求，可作為地下水回灌水源。

4 地下水回灌的有益方面

地下水回灌是直接增大地下水資源量的有效途徑，不僅能有效治理地下水超采，而且增加地下水可利用量，緩解水資源緊缺狀況，其益處是多方面的。

4.1 有效治理地下水超采

地下水超采是地下水開采量超過地下水可采資源量，造成地下水水位持續(xù)下降，或因開發(fā)利用地下水引發(fā)了環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害或生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象。其直接結(jié)果是形成地下水降落漏斗，有的甚至疏干地下含水層。地下水回灌是從地下水補(bǔ)給與排泄平衡角度著手，利用人工補(bǔ)給手段，將多余的地表優(yōu)質(zhì)水源直接補(bǔ)給至地下含水層，使地下水的補(bǔ)給量大于地下水的開采量，地下水位止降返升，最終達(dá)到采補(bǔ)平衡狀態(tài)，有效治理地下水超采。

4.2 增加水資源可利用量

地下水回灌是把地表水源補(bǔ)充到地下含水層內(nèi)，使之成為可以利用的地下水資源。對(duì)于我省零散的巖溶泉水、水庫(kù)防洪棄水和小流域洪水和城市雨水，在大多數(shù)情況下，因無蓄集手段和儲(chǔ)存空間，不具備供水能力，形不成有效供水而大量排泄。在具備地下水回灌工程的條件下，把這些零散的水源通過地下水回灌工程，人工補(bǔ)給到巨大的地下水庫(kù)中，形成地下水資源儲(chǔ)量，人為地增加地下水資源的可利用量。

4.3 提升水庫(kù)供水能力

地表蓄水工程供水能力不僅受來水量的影響，而且還需要根據(jù)不同保證率進(jìn)行調(diào)節(jié)計(jì)算，對(duì)于用水質(zhì)量較高的用水戶，汛期洪水泥沙又影響供水水質(zhì)。若要形成穩(wěn)定、可靠的供水能力，其影響因素與制約條件較多。在具備地下水回灌條件下，將地表水庫(kù)與地下水庫(kù)通過地下水回灌工程連通，蓄優(yōu)補(bǔ)源，調(diào)豐補(bǔ)缺，聯(lián)合調(diào)度地表水與地下水，使地表水庫(kù)供水能力不受降雨集中、洪水泥沙、防洪棄水等制約因素影響，切實(shí)提升水庫(kù)的供水保障能力。

4.4 減輕城市防洪壓力

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市不透水面積大幅度增加，城區(qū)降雨入滲地下越來越少，而降雨徑流系數(shù)不斷提高，汛期常有大量徑流排出城外。這不僅造成水資源的無效流失，也對(duì)城市排水和防洪構(gòu)成巨大壓力。在建設(shè)地下水回灌工程后，降雨經(jīng)收集注入地下含水層，不僅能減少城市排水和防洪壓力，同時(shí)還能增加地下水入滲補(bǔ)給量。

5 建設(shè)地下水回灌工程的前景構(gòu)想

地下水回灌要按照蓄優(yōu)補(bǔ)源、調(diào)豐補(bǔ)缺、增源保水、綜合利用的總體思路，構(gòu)建地下水超采回灌工程體系、泉水復(fù)流回灌工程體系、地表與地下水庫(kù)回灌工程體系，有效保護(hù)與修復(fù)地下水系統(tǒng)，促進(jìn)全省水生態(tài)文明建設(shè)。

5.1 建設(shè)地下水超采回灌工程體系

要因地制宜，制定規(guī)劃，在超采嚴(yán)重的大同、太原、忻定、臨汾、運(yùn)城五大盆地，建設(shè)一批地下水超采回灌工程。在大同盆地區(qū)，利用大同市小型水庫(kù)和朔州市神頭泉以及城市雨水，回灌大同市區(qū)和郊區(qū)、懷仁、山陰等4個(gè)地下水超采區(qū)。在太原盆地區(qū)，利用汾河水庫(kù)、周邊小型水庫(kù)汛期棄水以及城市雨水，回灌太原市區(qū)和郊區(qū)、晉中榆太祁、交城邊山等10個(gè)地下水超采區(qū)。在忻定盆地區(qū)，利用馬圈泉及原平市小型水庫(kù)，回灌忻州城區(qū)和原平城區(qū)等2個(gè)地下水超采區(qū)。在臨汾盆地區(qū)，利用霍泉、龍子祠泉水及小型水庫(kù)水，主要在非灌溉季節(jié)回灌臨汾市區(qū)和郊區(qū)、侯馬市區(qū)和郊區(qū)、汾河谷地等3個(gè)地下水超采區(qū)。在運(yùn)城盆地區(qū)，利用永濟(jì)、聞喜、絳縣等地小型水庫(kù)，回灌涑水盆地地下水超采區(qū)。

5.2 建設(shè)泉水復(fù)流及補(bǔ)給回灌工程體系

山西省建設(shè)泉水復(fù)流回灌工程要因地制宜，區(qū)別對(duì)待。對(duì)已斷流的晉祠、蘭村和古堆巖溶大泉，應(yīng)根據(jù)巖溶大泉補(bǔ)給、徑流、排泄的自然規(guī)律，遵循地下水回灌的原則，在已斷流的巖溶泉域范圍內(nèi)，建設(shè)泉水復(fù)流回灌工程，利用現(xiàn)有優(yōu)于巖溶泉水質(zhì)的大中小型水庫(kù)水源，在巖溶地下水主徑流帶進(jìn)行地下水回灌，增大巖溶大泉的補(bǔ)給量，促進(jìn)巖溶大泉盡快復(fù)流。對(duì)于瀕臨斷流和衰減嚴(yán)重的洪山泉、郭莊泉、柳林泉、水神堂泉、辛安泉等巖溶大泉，在巖溶泉域補(bǔ)給范圍內(nèi)的主要滲漏地帶，建設(shè)砌石壩、橡膠壩、翻扳閘等入滲補(bǔ)給工程，增大巖溶大泉的入滲補(bǔ)給。同時(shí)，輔之以地下水人工回灌工程，利用現(xiàn)有大、中、小型水庫(kù)水源，對(duì)巖溶大泉實(shí)施回灌，徹底扭轉(zhuǎn)巖溶大泉的衰減態(tài)勢(shì)。

5.3 建設(shè)地表與地下水庫(kù)回灌連通工程體系

針對(duì)全省部分水庫(kù)工程存在供水保證率低、供水戶缺乏、汛期水質(zhì)變差、水庫(kù)防汛棄水多的實(shí)際情況，重點(diǎn)選擇供水保證率低且無供水戶的地表水庫(kù)，同時(shí)兼顧在下游地下松散層中有一定的含水層空間，并具有獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，具備建設(shè)地下水庫(kù)的必要條件。在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮地表水庫(kù)與地下水庫(kù)相關(guān)聯(lián)的各方面因素，按照調(diào)豐補(bǔ)谷、夏蓄冬灌、綜合利用、互利共贏的思路，建設(shè)地表與地下水庫(kù)連通回灌工程，將多余的地表蓄水回灌至地下水含水層中，增加地下水的儲(chǔ)量，綜合利用地表水與地下水，切實(shí)提高水庫(kù)的供水能力。

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