地下水人工补给技术的现状与发展

2024.10.08 中国矿业报

　　◎ 李晓媛

　　地下水作为我国关键的饮用水来源和战略性资源，对推动社会进步和促进生态文明建设具有重要作用。地下水超采会引发地下水资源枯竭、环境地质灾害频发、生态系统退化等一系列问题，给经济社会可持续发展、人民群众身体健康和生态环境带来严重危害。

　　目前，我国应对地下水超采问题采取的措施主要包括两方面：一是执行严格的行政管理，划定地下水禁采和限采区域；二是因地制宜地开展地下水人工回补，通过工程设施增加地下水资源的储存量和可利用量。

　　什么是地下水人工补给

　　地下水人工补给是地下水开采的逆过程，通过河道改造、渗透池、注水井等设施，将地表水、雨洪水或其他水源有计划地补充到含水层中的过程。

　　地下水人工补给是一种多效并举的水资源管理手段，能有效增加地下水储存量、平衡水资源时空分布、改善地下水质量，是实现地下水超采治理和余水调蓄的行之有效的办法。

　　可以说，与禁采和限采等行政手段抑制或转移地下水用水需求相比，地下水人工补给则是更为积极、主动和灵活的地下水资源调蓄措施。

　　是什么“堵住”了含水层

　　地下水人工回补技术拥有诸多益处，然而这项技术在水量调节和资源利用方面还没有得到广泛应用，一个关键的挑战在于实施人工补给地下水的过程中，常常会因为回补水源的水质不够理想或者入渗介质的物理化学特性等诸多因素发生堵塞现象，这些问题会导致含水层的渗透性减弱，回补速度显著下降，从而影响回补工程的效率，严重时可能导致回补系统无法正常运作。

　　此外，处理这些堵塞问题会增加回补系统的运行成本。如果堵塞问题无法逆转或修复成本过高，可能会迫使回补场地关闭。因此，堵塞问题成为了影响人工回补技术发展和推广的制约性因素。

　　堵塞的发生与补给水源水质和入渗介质等因素有关，根据堵塞物质的来源可以分为物理堵塞、化学堵塞、生物堵塞和气体堵塞。了解这些堵塞的成因，有助于我们采取相应的措施来预防和解决堵塞问题，确保地下水人工补给过程的高效进行。

　　物理堵塞是指回灌水源携带的或者含水介质内部剥离的颗粒物聚集在多孔介质表面或内部孔隙，阻挡了水流的运移通路，致使含水介质渗透性能降低，是各种堵塞类型中最常见的一种堵塞形式。

　　生物堵塞是由藻类、细菌、真菌等微生物的生命过程引起的，生物体和代谢物附着和聚积在入渗介质颗粒表面占据孔隙体积，引起介质渗透性降低，从而产生生物堵塞，其造成的堵塞程度仅次于物理堵塞。

　　化学堵塞是地下含水层原本处于水-岩平衡状态，当回灌水迅速而集中地进入含水层后，原有平衡瞬间被打破，可能发生一系列复杂的水文地球化学反应，产生新的溶解和沉淀，从而引起地下水水质变化和含水层渗透性降低。

　　气体堵塞顾名思义就是气体占据了多孔介质的孔隙通道。那么水中的这些气体是怎么产生的呢？回灌水源由地表注入地下时温度和压力会发生改变，使得回灌水中携带的气泡和溶解气体得以释放；其次，井灌时回灌水从井口垂直跌落，回灌管内的水流在重力加速度作用下是非连续的，因此产生的负压致使回灌水发生强烈汽化从而导致溶解性气体的溢出；再者，微生物的生命活动也会产生大量气体。

　　堵塞问题的预防与治理

　　预防是控制堵塞的最佳方式，严格控制回灌水源的水质是预防堵塞的最优选择。例如，通过混凝、沉降、过滤去除固体颗粒物避免物理堵塞；通过氧化还原、化学沉淀、电渗析等方式分离、去除水中离子避免化学堵塞；通过紫外线和氯等强氧化物杀死微生物避免生物堵塞；采用密封良好的回补设施，使用溶解氧洗涤器或脱气装置去除水中溶解性气体避免气体堵塞。

　　针对已经发生堵塞的处理方式，应当基于实际的回补场地条件和水源特征，结合堵塞的成因，制定和实施相应的治理措施。目前，在实际回补工程实践中，对于地表入渗系统，物理堵塞、生物堵塞和气相堵塞主要集中于入渗设施的浅表层区域。

　　鉴于此，一旦发生堵塞，将一定深度表层堵塞介质移除并更替清洁介质是最为直接有效的处理方式，这种处理方法能迅速恢复入渗介质的渗透能力，从而确保回补工程的顺畅持续运行。对于井灌，通常通过回扬来保持含水层的渗透性。

　　地下水人工回补的前景

　　地下水人工回补作为一项关键的水资源管理和环境保护措施，展现出巨大的发展潜力和广阔的应用前景。尽管人工补给技术的应用显著促进了补给过程中介质堵塞研究的发展，但我们必须认识到堵塞现象是一个复杂的多学科耦合作用的过程，涉及地质学、物理、化学、生物学等多个领域，在实际回补工程中，堵塞也往往是多种堵塞类型的共同作用结果，基于现有研究仍需通过跨学科合作，更全面地理解堵塞机制。

　　同时，随着对堵塞问题认识的深入，相关的法规和标准也将不断完善，这将推动行业采用更先进的技术和管理方法，提高回灌系统的运行效率和可持续性。尽管目前已存在一系列较为完善的堵塞预防和处理技术，用以应对人工补给过程中出现的堵塞问题，但这些技术仍未能彻底杜绝堵塞现象的发生，也未能持续高效恢复介质的渗透能力。这一现状将进一步推动新型材料的研发和生物技术的进步，以寻求更为有效的解决方案。

　　总体而言，未来地下水回补过程中堵塞问题的解决将依赖于技术创新、跨学科研究、法规和标准的共同推进。通过这些努力，可以期待回补技术将更加高效、环保和可持续，为全球水资源管理做出更大贡献。

　　（本文由国家自然科学基金青年基金项目资助。）

　　（作者单位：中国地质科学院水文地质环境地质研究所）