ASR技術(shù)模式在我國地下水庫工程建設(shè)應(yīng)用中面臨的問題與應(yīng)用展望

周俊 陳凱麒 梁鵬 蘇小四

摘要：相比地表水庫工程而言，地下水庫工程是通過人工干預(yù)改變地下水補(bǔ)給量或排泄量來調(diào)節(jié)庫容，在水資源戰(zhàn)略儲備和地下水資源保護(hù)等方面均有一定的優(yōu)勢。國內(nèi)外地下水庫工程已有一定數(shù)量和規(guī)模，但國外建設(shè)的地下水庫工程廣泛地應(yīng)用了ASR（含水層存儲與回用）技術(shù)模式，而國內(nèi)則由于存在成本效益比不清晰、回灌堵塞技術(shù)未突破、環(huán)境影響不確定、回灌水源不足以及缺少政策法規(guī)指導(dǎo)等原因，尚無應(yīng)用案例。然而，無論是在城市供水和水資源調(diào)蓄，還是水質(zhì)涵養(yǎng)及戰(zhàn)略儲備上，建設(shè)采用ASR技術(shù)模式增壓回灌的地下水庫工程仍具有重要意義，具有較好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：地下水庫；地下水庫工程；ASR；回灌；調(diào)蓄；回灌堵塞

中圖分類號：TV211.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-1683（2014）06-0192-04

水資源問題是2008年以來的達(dá)沃斯論壇必不可少的議題，也是全世界共同面臨的難題。聯(lián)合國資料顯示2002年-2025年，全球?qū)⒂?/3的國家和地區(qū)面臨水資源短缺問題。調(diào)蓄水源是解決水資源矛盾的重要手段之一，修建地表水庫的調(diào)蓄方式在水資源優(yōu)化管理中起了重要作用，也帶來了諸如泥沙淤積、洪災(zāi)加劇、土壤鹽漬化、水庫移民以及蒸發(fā)損失等一系列問題。地下水庫帶來的影響相對較少，既能有效存儲調(diào)蓄水資源，也可以減少次生環(huán)境與地質(zhì)問題，降低蒸發(fā)損失，提高水資源儲存效率。

1 地下水庫和地下水庫工程

我國對地下水庫和地下水庫工程一直未形成嚴(yán)格而通用的定義，通常將地下水庫和地下水庫工程等同，將有人工干預(yù)的地下水庫工程和無人工干預(yù)的地下含水層均被視作為地下水庫。目前，國內(nèi)學(xué)者們在地下水庫概念上所達(dá)成一定的共識[1-4]實質(zhì)是對地下水庫工程的定義說明，即：（1）具有一定的庫容，能夠存儲水資源；（2）有人工增儲干預(yù)，如修壩、建滲井等；（3）能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)蓄功能，以豐補(bǔ)歉。

地下水含水層自身具有存儲和調(diào)蓄的兩大特征，即具備水庫（地表水庫）的基本功能，故廣義來講，具有一定規(guī)模，能夠?qū)崿F(xiàn)地下水資源存儲和調(diào)蓄，且具有一定邊界的地下含水體均可被定義為地下水庫；而通過人工干預(yù)（如修壩、建滲井等）改變存儲和調(diào)蓄能力的地下水庫可認(rèn)為是地下水庫工程。依據(jù)國外通用的技術(shù)條件，ASR（Aquifer Storage & Recovery，含水層存儲與回用）地下水庫工程特指承壓含水層增壓回灌-回用的地下水庫工程。

2 國內(nèi)外地下水庫工程發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外地下水庫工程發(fā)展現(xiàn)狀

在美國，一般認(rèn)為地下水庫對環(huán)境產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)小于地表水庫，采用地下水庫工程供水是一種“環(huán)境友好”的供水方式。早在1950年末至1960年初，美國就開始了地下水人工回灌工程的試驗和建設(shè)，為地下水庫工程建設(shè)提供了前期技術(shù)準(zhǔn)備。正在實施的“ASR工程計劃”已建成100多個系統(tǒng)[5-8]，該工程通過水井和增壓設(shè)備將水注入承壓含水層，再利用配套抽水井，抽取該含水層中的地下水進(jìn)行利用。

歐洲、澳大利亞、日本、南非、印度、中東等的一些缺水地區(qū)或海濱地區(qū)，均有成功的ASR工程實踐，可見其已成為國際上地下水庫工程建設(shè)的主要技術(shù)模式之一。ASR通常是年內(nèi)季節(jié)性調(diào)控機(jī)制和年際長效調(diào)蓄機(jī)制并存，其中年內(nèi)季節(jié)性調(diào)控適于季節(jié)性水資源分配明顯地區(qū)，調(diào)配水資源、優(yōu)化水資源供給結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)以豐補(bǔ)歉；年際長效調(diào)蓄適于戰(zhàn)略儲備或地下水降落漏斗回補(bǔ)，對環(huán)境造成影響最小。在濱海地區(qū)，ASR也是控制海水入侵的有效方式。

當(dāng)然，ASR也存在一些值得關(guān)注的問題，如美國環(huán)保署（EPA）提出的諸如回用與回灌效益比、注入水源可靠性、注入速率和注入壓力、上下含水層影響、注入含水層后的效果、注入井的密度、成井結(jié)構(gòu)與注入效果的關(guān)系、水權(quán)結(jié)構(gòu)、地下水恢復(fù)效果、回灌井堵塞問題以及法規(guī)約束等一系列問題。這也意味著在地下水庫工程建設(shè)的同時，需要進(jìn)一步開展地球化學(xué)、含水層水力學(xué)及壓力響應(yīng)、含水層結(jié)構(gòu)再確認(rèn)等諸多方面的綜合研究。

2.2 國內(nèi)地下水庫工程發(fā)展現(xiàn)狀

我國的地下水庫工程建設(shè)通常以增加庫區(qū)入滲補(bǔ)給量為主，人工阻截地下水徑流量為輔。其中，增加庫區(qū)入滲補(bǔ)給量的措施主要以建設(shè)入滲坑、回滲井等淺層入滲為主，深層地下含水層的回滲相對較少，而采用增壓入滲的工程尚未見報道；人工阻截地下水徑流的工程主要是通過建設(shè)地下水截流壩來實現(xiàn)，該類工程主要分布在濱海地區(qū)，在抬高地下水位而增加庫容的同時，又能夠有效防止海水入侵。

自1970年以來，我國陸續(xù)建成了河北南宮、北京西郊、山東龍口和傅家橋等多處地下水庫工程。根據(jù)國內(nèi)建成和待建的地下水庫工程統(tǒng)計結(jié)果（表1）可知，北方地區(qū)主要分布在華北平原，且以山東、河北居多，其次為東北地區(qū)和新疆北部；南方地區(qū)則分布在廣西、貴州巖溶區(qū)。與美國不同的是，這些地下水庫工程均非增加回灌工程。

我國地下水庫設(shè)計與當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件密切相關(guān)：山東濱海地區(qū)的地下水庫工程采用阻水壩，起到了調(diào)蓄水源和防止海水入侵的作用；新疆地區(qū)地下水庫工程一般沒有地下水阻水壩，僅是增加了促進(jìn)地下水入滲的工程措施；西南巖溶區(qū)地下水庫工程通常結(jié)合巖溶水管道流的特點，建立地下水阻水壩來阻截地下水側(cè)向徑流，以保證庫區(qū)地下水蓄水量。

3 我國開展ASR地下水庫工程將面臨的主

要問題 我國地下水回灌與回用的研究起步并不晚，從國內(nèi)第一個地下水庫工程項目建成至今，已有近40年的歷史。然而，增壓地下水回灌在大型地下水庫工程中目前仍停留在試驗階段。根據(jù)國外增壓回灌地下水庫工程（ASR）存在的問題，我國目前開展增壓回灌地下水庫工程建設(shè)面臨以下問題。

（1）邊界難定，水權(quán)不明。地下水存儲空間巨大，但邊界不容易確定，很難將注入的地下水固定在目標(biāo)范圍內(nèi)，給水資源管理上帶來諸多不便。另一方面，跨多個行政區(qū)的地下水庫工程，水權(quán)成為困擾管理部門的一大難題，目前缺少相關(guān)的法律規(guī)定或法規(guī)條文。

（2）回灌水源無法保障。包括回灌水源的水質(zhì)問題和水量保障問題。關(guān)于回灌水源水質(zhì)對地下水環(huán)境的影響問題，仍處于研究階段，尚未經(jīng)過實踐檢驗。當(dāng)回灌水源為區(qū)域調(diào)水時，水源成本也成為制約因素。

（3）回灌技術(shù)限制。主要是指由于物理、化學(xué)、生物等多重作用導(dǎo)致回灌井堵塞問題。目前國內(nèi)外地下水回灌均受困于此，盡管美國等國家ASR地下水庫工程應(yīng)用廣泛，回灌堵塞問題也一直困擾其工程科研人員尚未找到一套公認(rèn)的、行之有效的應(yīng)對方法。

（4）效益成本問題。評價地下水庫的效益目前還是主要以經(jīng)濟(jì)效益為主要指標(biāo)，環(huán)境效益和社會效益為輔助參考地下水庫工程經(jīng)濟(jì)效益見效較慢，在吸引資金上缺乏優(yōu)勢。

（5）環(huán)境效益不夠明確。雖然地下水庫工程具有有效減少水面蒸發(fā)損失等眾多優(yōu)點，但是否帶來其他環(huán)境地質(zhì)問題，目前尚在研究之中。換言之，地下水庫工程的環(huán)境效益預(yù)期較好，但仍存在一定的風(fēng)險。

（6）缺少法規(guī)或規(guī)范的約束指導(dǎo)。目前既沒有全國地下水庫工程宜建區(qū)調(diào)查評價的研究成果，也沒有可以指導(dǎo)性的文件或法律規(guī)范。

4 我國ASR地下水庫工程應(yīng)用展望

受氣候條件、地形地貌、水文地質(zhì)條件、水資源狀況等多種因素影響，北方干旱半干旱地區(qū)和西南缺水地區(qū)建設(shè)地下水庫工程的需求遠(yuǎn)大于地表水充沛地區(qū)，特別是華北平原、西北干旱地區(qū)和云貴紅層缺水區(qū)。因此，地下水庫工程建設(shè)在我國水資源調(diào)配上具有廣闊的發(fā)展前景，也將是優(yōu)化水資源管理的重要手段。

受限于經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件和可回灌地表水量，作為國外地下水庫工程重要技術(shù)手段的ASR工程技術(shù)在欠發(fā)達(dá)地區(qū)和嚴(yán)重缺水區(qū)的推行難度較大。但我國地下水庫工程有較好的發(fā)展前景，無論是在城市供水和水資源調(diào)蓄方面，還是就水質(zhì)涵養(yǎng)和戰(zhàn)略儲備而言，推進(jìn)ASR地下水庫工程建設(shè)均具有重要意義。

為進(jìn)一步推進(jìn)ASR工程技術(shù)在我國地下水庫工程建設(shè)中的應(yīng)用，今后尚需重點開展以下幾方面的工作。

首先，要以“有地存、存得住、取得出、用得好”作為地下水庫選址的重要依據(jù)，將“灌得好、取得足、影響小、效益高”作為地下水庫工程項目優(yōu)劣的重要指標(biāo)，開展全國地下水庫工程適宜區(qū)的摸底調(diào)查，確定宜建區(qū)域。

其次，開展試點研究，選擇不同含水層介質(zhì)和地下水埋藏類型的區(qū)域進(jìn)行增壓回灌試驗，總結(jié)適合我國的地下水增壓回灌方法，解決回灌堵塞問題。

最后，制定相應(yīng)的法規(guī)和規(guī)范，落實水權(quán)管理，指導(dǎo)和推動ASR技術(shù)在我國地下水庫工程建設(shè)中的應(yīng)用。

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