ASR技术模式在我国地下水库工程建设应用中面临的问题与应用展望

摘要：相比地表水库工程而言，地下水库工程是通过人工干预改变地下水补给量或排泄量来调节库容，在水资源战略储备和地下水资源保护等方面均有一定的优势。国内外地下水库工程已有一定数量和规模，但国外建设的地下水库工程广泛地应用了ASR（含水层存储与回用）技术模式，而国内则由于存在成本效益比不清晰、回灌堵塞技术未突破、环境影响不确定、回灌水源不足以及缺少政策法规指导等原因，尚无应用案例。然而，无论是在城市供水和水资源调蓄，还是水质涵养及战略储备上，建设采用ASR技术模式增压回灌的地下水库工程仍具有重要意义，具有较好的发展前景。

关键词：地下水库；地下水库工程；ASR；回灌；调蓄；回灌堵塞

中图分类号：TV211.12 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0192-04

水资源问题是2008年以来的达沃斯论坛必不可少的议题，也是全世界共同面临的难题。联合国资料显示2002年-2025年，全球将有2/3的国家和地区面临水资源短缺问题。调蓄水源是解决水资源矛盾的重要手段之一，修建地表水库的调蓄方式在水资源优化管理中起了重要作用，也带来了诸如泥沙淤积、洪灾加剧、土壤盐渍化、水库移民以及蒸发损失等一系列问题。地下水库带来的影响相对较少，既能有效存储调蓄水资源，也可以减少次生环境与地质问题，降低蒸发损失，提高水资源储存效率。

1 地下水库和地下水库工程

我国对地下水库和地下水库工程一直未形成严格而通用的定义，通常将地下水库和地下水库工程等同，将有人工干预的地下水库工程和无人工干预的地下含水层均被视作为地下水库。目前，国内学者们在地下水库概念上所达成一定的共识[1-4]实质是对地下水库工程的定义说明，即：（1）具有一定的库容，能够存储水资源；（2）有人工增储干预，如修坝、建渗井等；（3）能够实现调蓄功能，以丰补歉。

地下水含水层自身具有存储和调蓄的两大特征，即具备水库（地表水库）的基本功能，故广义来讲，具有一定规模，能够实现地下水资源存储和调蓄，且具有一定边界的地下含水体均可被定义为地下水库；而通过人工干预（如修坝、建渗井等）改变存储和调蓄能力的地下水库可认为是地下水库工程。依据国外通用的技术条件，ASR（Aquifer Storage & Recovery，含水层存储与回用）地下水库工程特指承压含水层增压回灌-回用的地下水库工程。

2 国内外地下水库工程发展现状

2.1 国外地下水库工程发展现状

在美国，一般认为地下水库对环境产生的影响远小于地表水库，采用地下水库工程供水是一种“环境友好”的供水方式。早在1950年末至1960年初，美国就开始了地下水人工回灌工程的试验和建设，为地下水库工程建设提供了前期技术准备。正在实施的“ASR工程计划”已建成100多个系统[5-8]，该工程通过水井和增压设备将水注入承压含水层，再利用配套抽水井，抽取该含水层中的地下水进行利用。

欧洲、澳大利亚、日本、南非、印度、中东等的一些缺水地区或海滨地区，均有成功的ASR工程实践，可见其已成为国际上地下水库工程建设的主要技术模式之一。ASR通常是年内季节性调控机制和年际长效调蓄机制并存，其中年内季节性调控适于季节性水资源分配明显地区，调配水资源、优化水资源供给结构，实现以丰补歉；年际长效调蓄适于战略储备或地下水降落漏斗回补，对环境造成影响最小。在滨海地区，ASR也是控制海水入侵的有效方式。

当然，ASR也存在一些值得关注的问题，如美国环保署（EPA）提出的诸如回用与回灌效益比、注入水源可靠性、注入速率和注入压力、上下含水层影响、注入含水层后的效果、注入井的密度、成井结构与注入效果的关系、水权结构、地下水恢复效果、回灌井堵塞问题以及法规约束等一系列问题。这也意味着在地下水库工程建设的同时，需要进一步开展地球化学、含水层水力学及压力响应、含水层结构再确认等诸多方面的综合研究。

2.2 国内地下水库工程发展现状

我国的地下水库工程建设通常以增加库区入渗补给量为主，人工阻截地下水径流量为辅。其中，增加库区入渗补给量的措施主要以建设入渗坑、回渗井等浅层入渗为主，深层地下含水层的回渗相对较少，而采用增压入渗的工程尚未见报道；人工阻截地下水径流的工程主要是通过建设地下水截流坝来实现，该类工程主要分布在滨海地区，在抬高地下水位而增加库容的同时，又能够有效防止海水入侵。

自1970年以来，我国陆续建成了河北南宫、北京西郊、山东龙口和傅家桥等多处地下水库工程。根据国内建成和待建的地下水库工程统计结果（表1）可知，北方地区主要分布在华北平原，且以山东、河北居多，其次为东北地区和新疆北部；南方地区则分布在广西、贵州岩溶区。与美国不同的是，这些地下水库工程均非增加回灌工程。

我国地下水库设计与当地水文地质条件密切相关：山东滨海地区的地下水库工程采用阻水坝，起到了调蓄水源和防止海水入侵的作用；新疆地区地下水库工程一般没有地下水阻水坝，仅是增加了促进地下水入渗的工程措施；西南岩溶区地下水库工程通常结合岩溶水管道流的特点，建立地下水阻水坝来阻截地下水侧向径流，以保证库区地下水蓄水量。

3 我国开展ASR地下水库工程将面临的主

要问题 我国地下水回灌与回用的研究起步并不晚，从国内第一个地下水库工程项目建成至今，已有近40年的历史。然而，增压地下水回灌在大型地下水库工程中目前仍停留在试验阶段。根据国外增压回灌地下水库工程（ASR）存在的问题，我国目前开展增压回灌地下水库工程建设面临以下问题。

（1）边界难定，水权不明。地下水存储空间巨大，但边界不容易确定，很难将注入的地下水固定在目标范围内，给水资源管理上带来诸多不便。另一方面，跨多个行政区的地下水库工程，水权成为困扰管理部门的一大难题，目前缺少相关的法律规定或法规条文。

（2）回灌水源无法保障。包括回灌水源的水质问题和水量保障问题。关于回灌水源水质对地下水环境的影响问题，仍处于研究阶段，尚未经过实践检验。当回灌水源为区域调水时，水源成本也成为制约因素。

（3）回灌技术限制。主要是指由于物理、化学、生物等多重作用导致回灌井堵塞问题。目前国内外地下水回灌均受困于此，尽管美国等国家ASR地下水库工程应用广泛，回灌堵塞问题也一直困扰其工程科研人员尚未找到一套公认的、行之有效的应对方法。

（4）效益成本问题。评价地下水库的效益目前还是主要以经济效益为主要指标，环境效益和社会效益为辅助参考地下水库工程经济效益见效较慢，在吸引资金上缺乏优势。

（5）环境效益不够明确。虽然地下水库工程具有有效减少水面蒸发损失等众多优点，但是否带来其他环境地质问题，目前尚在研究之中。换言之，地下水库工程的环境效益预期较好，但仍存在一定的风险。

（6）缺少法规或规范的约束指导。目前既没有全国地下水库工程宜建区调查评价的研究成果，也没有可以指导性的文件或法律规范。

4 我国ASR地下水库工程应用展望

受气候条件、地形地貌、水文地质条件、水资源状况等多种因素影响，北方干旱半干旱地区和西南缺水地区建设地下水库工程的需求远大于地表水充沛地区，特别是华北平原、西北干旱地区和云贵红层缺水区。因此，地下水库工程建设在我国水资源调配上具有广阔的发展前景，也将是优化水资源管理的重要手段。

受限于经济发展条件和可回灌地表水量，作为国外地下水库工程重要技术手段的ASR工程技术在欠发达地区和严重缺水区的推行难度较大。但我国地下水库工程有较好的发展前景，无论是在城市供水和水资源调蓄方面，还是就水质涵养和战略储备而言，推进ASR地下水库工程建设均具有重要意义。

为进一步推进ASR工程技术在我国地下水库工程建设中的应用，今后尚需重点开展以下几方面的工作。

首先，要以“有地存、存得住、取得出、用得好”作为地下水库选址的重要依据，将“灌得好、取得足、影响小、效益高”作为地下水库工程项目优劣的重要指标，开展全国地下水库工程适宜区的摸底调查，确定宜建区域。

其次，开展试点研究，选择不同含水层介质和地下水埋藏类型的区域进行增压回灌试验，总结适合我国的地下水增压回灌方法，解决回灌堵塞问题。

最后，制定相应的法规和规范，落实水权管理，指导和推动ASR技术在我国地下水库工程建设中的应用。

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