山西省地下水回灌前景分析

张建友 ，张 红 ，秦作栋

（1.山西大学环境与资源学院，山西 太原 030006；2.山西省水资源管理中心，山西 太原 030001；3.山西大学黄土高原研究所，山西 太原 030006）

地下水回灌是研究地表水与地下水人工转化规律的新课题，是新时期水资源匮乏地区探索“蓄优补源、调丰补缺、增源保水、综合利用”的新途径与新模式。山西是全国水资源严重匮乏的地区，长期以来受固有思维模式的影响，对地表水与地下水的整体性和相互转化性认识不足，相关的人工转化与补给措施严重滞后，导致地下水大面积超采与地表优质水源严重流失并存。在当前形势下，如何采用水资源转化的新观念与新技术，将多余地表水转化为地下水，在治理地下水超采的同时，增加水资源可利用量，进一步缓解山西水资源的供需矛盾，实现有效利用地表优质水源与涵养地下水的“双赢”，成为当前水利工作的当务之急和重要课题。

1 国内外地下水回灌技术发展现状

地下水回灌是利用工程措施将地表水注入地下含水层，人为增加地下水补给量的一种模式。其目的是将时间分配不均的、缺乏储存空间的、零散的、供水不稳定的地表水源，包括泉水、河流、水库弃水、雨洪水、处理后的再生水等，利用地下水回灌工程转化为较为稳定的、可持续利用的地下水资源。近30年来，世界各国对地下水回灌技术十分重视，发展十分迅速，取得了良好的经济效益与环境效益。该技术的应用范围已由单纯的增加地下水补给量发展到地下储能、地热开发、防止地表沉降、预防海水入侵、污废水处理等等，普遍应用于美国、日本及欧洲等国家，其发展水平和特点主要体现在开发回灌设施规模大、大型计算机集中控制、自动化程度高等。目前，国际上把地下水回灌和再利用技术统称为ASR。美国共有56个ASR回灌井项目在运转，并且正在建造100个以上的ASR回灌井项目，而且加拿大、以色列、英国、荷兰、澳大利亚、印度等国也都在发展自己的ASR技术。我国地下水回灌研究兴起于20世纪六七十年代，为了防止地面沉降和海水入侵，主要在东南沿海城市建设并实施地下水回灌，同时兼顾补给地下水，缓解当地供水紧张局面。上海市是我国开展地下水人工回灌技术最早的城市之一，在管井回灌技术方面，获得了大量的实际资料和丰富经验。山东省在近30年建成了较大的回灌工程30余处，用于回补地下水、兴建地下水库及防治海水入侵。

2 山西省水资源状况及存在问题

山西省地处华北地区西部、黄土高原东翼。全省共有大小河流1 000余条，分别属于黄河、海河两大水系，属于黄河水系的较大河流有汾河、沁河、丹河、涑水河、三川河、昕水河，属于海河水系的较大河流有桑干河、滹沱河、浊漳河、清漳河。1956—2000年全省多年平均水资源量123.8亿m3，其中地表水资源量86.8亿m3，地下水资源量84亿m3，重复水资源量47亿m3。全省水资源可利用量为83.77亿m3，占全省水资源总量的67.7%。按水源分类，地表水资源可利用量为51.87亿m3，地下水资源可利用量为50.0亿m3，重复水资源量为18.10亿m3；按流域分类，海河流域33.73亿 m3，黄河流域50.04亿 m3，且多分布于盆地边缘及省境四周，全省人均占有水资源量为全国的17%，每公顷平均占有水量只有全国的11%。2011年，全省经济社会用水总量74.2亿m3；按用途分类，生活用水9.0亿m3，农业用水44.9亿m3，工业用水14.7亿m3，第三产业用水2.2亿m3，生态环境用水3.4亿m3；按供水水源分类，地表水供水量32.7亿m3，地下水供水量38.6亿m3，非常规水源供水量2.9亿m3。山西省在水资源开发利用中由于受固有传统思维的影响，过度依赖地下水，轻视地表河流、泉水、雨洪水、水库弃水等水源的综合利用，导致出现了许多问题。

2.1 地下水超采严重

长期以来，山西省开发利用水资源过度依赖地下水，特别是在20世纪90年代后的10余年间地下水开采量占到总用水量的60%以上，导致部分地区地下水入不敷出，全省地下水超采现象十分严重。据统计，全省地下水超采区有22个，超采面积达10 632 km2，占全省总面积的8%，其中严重超采区面积4 947 km2，年超采地下水7.3亿m3，其中有6.6亿m3的超采量集中在大同、忻定、太原、临汾、运城五大盆地。严重的地下水超采导致出现了地面沉降、泉水枯竭、含水层疏干、机井报废等一系列问题，给山西省带来不可估量的损失。据统计，由于过度开采，太原市、运城市、大同市、临汾市城区盆地浅层地下水基本疏干；全省岩溶地下水位大幅度下降，导致晋祠泉、兰村泉、古堆泉相继干枯断流，洪山泉、郭庄泉濒临断流；太原市形成了以吴家堡、河西中学等地区为中心，长15 km、宽8 km的沉降地带，年均下沉37~114 mm，累积沉降量达1 300 mm；大同市形成了以时庄、西韩岭一带为中心的沉降地带，最大累计沉降量为124 mm。

2.2 降雨入渗补给不足

山西省地处中纬度地带的内陆，在气候类型上属于温带大陆性季风气候，太平洋水汽自东南方向入境后，受到太行山和吕梁山脉阻隔，降水量锐减。据全省第二次水资源评价成果，全省1956—2000年多年平均降雨量为508.8 mm，且省内季节分配极不均匀，冬季干旱少雨，夏季雨水较多，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体795.13亿m3，降雨入渗补给地下水资源量为84.04亿m3，降雨入渗补给系数为0.106，也就是说，全省年降水量除其中10.9%的降水量形成地表径流、78.5%的降水量蒸发消耗外，仅有10.6%的降水量转化为地下水资源。加之近年来山西省城市及工业规模发展十分迅速，城市化进程加快，地面不透水面积增大。据初步估算，全省城市、农村及工业厂矿地面硬化面积占全省总面积约4%，阻止了大气降雨的有效入渗，导致减少地下水补给量约3亿m3。

2.3 地表优质水源流失严重

近年来，山西省受气候干旱、降雨减少、植被破坏和工业污染等原因影响，水质优良的岩溶泉水、水库蓄水和常流水河流呈现逐渐减少态势，而且其中部分水源因供水保证率不高、用水时间不匹配、工程措施缺乏等原因得不到有效利用，大量排泄，造成水资源的极大浪费，与全省水资源严重匮乏的实际极不相称。在岩溶大泉方面，除晋祠泉、兰村泉、古堆泉、天桥泉、三姑泉因断流或未出露原因外，全省14个岩溶大泉流量达33.3 m3/s，除去全省工农业及城市生活引调水工程在泉口引水17.6 m3/s外，紧临省界的辛安泉、坪上泉、灵丘泉、柳林泉、娘子关泉，未利用并排出省外泉水达14.6 m3/s；地处省内腹地的岩溶大泉仍有1.1 m3/s的泉水流量排泄损失。在蓄水工程方面，全省水库工程分布较广，数量较多，截至2011年底全省已建成水库638座，总库容57.85亿m3，兴利库容22.3亿m3，防洪库容18.5亿m3。为了安全度汛和防洪需要，每年必须把防洪库容腾空，弃水度汛，排泄损失掉大量的水库蓄水。而且部分小型水库有供水能力，除农业灌溉使用外，再无其他用水户，大量水库蓄水白白弃掉。

3 地下水回灌条件

地下水人工回灌是通过各种人工入渗措施，把各种地表水源补充到地下含水层内，使之增加可以利用的地下水资源。实施地下水人工回灌必须具备有回灌水源、回灌空间、回灌水源水质达标等条件。以山西省为例分析实施地下水人工补给与回灌的必要条件。

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、再生水等多种水源，其中适合于山西特点的而且水质优良的水源主要包括岩溶泉水、水库蓄水和雨洪水。在水库蓄水方面，全省已建水库的防洪库容有18.5亿m3，这部分防洪库容蓄存的水资源可用于地下水回灌。另外，对于有蓄水无用户的水库，可全部用于地下水回灌补源。在岩溶大泉方面，对于地处省内腹地的岩溶大泉排泄量，可与治理地下水超采区统筹考虑，人工实施地下水回灌。对于主要用于农业灌溉的岩溶大泉，可在非农业灌溉季节实施地下水回灌。对于用于工业生产的岩溶大泉，可用满足生产的水源置换水质优良的岩溶泉水，使其用于地下水回灌补源。在雨洪水方面，可参照我省太原市清徐县白石沟翻闸工程模式，在一些汇水面积较小、夏季易发洪水的小流域内，建设翻板闸、人字闸等蓄水工程，蓄集雨洪水，用于回注地下水。同时，在城市或地面硬化面积较大的地方，可借鉴德国利用雨水回灌地下水的经验，建设回灌工程强化入渗，补给地下水资源。

3.2 地下水回灌空间

山西省地下水回灌空间的大小可以从地下水超采角度来分析。从地下水超采形成过程来看，山西地下水资源经过长期以来的高强度、大面积、掠夺式的开发和利用，致使太原、大同、忻定、临汾和运城五大盆地内出现大面积超采区，浅部含水层基本被疏干，形成了巨大的地下含水层孔隙空间，可作为地下水人工补给与回灌的容积和库容。从地下水补给与排泄平衡关系来看，历年地下水累积超采量就是地下水回灌的库容。据有关成果，1984—2010年，全省地下水累积超采量为133.4亿m3，扣除地面下沉导致减少的估算地下容积37.4亿m3，剩余地下含水层孔隙空间为96亿m3，可以作为地下水人工回灌与补给的库容。这一巨大的地下补给孔隙空间是当前全省水库总库容的1.7倍、兴利库容的4.3倍。

3.3 地下水回灌水源水质

实施地下水回灌必须坚持实施回灌水源水质优于回灌区地下水水质的原则。从全省来看，岩溶泉水、水库蓄水和雨洪水的水质相对较好，一般情况下可以满足回灌区地下水水质要求。在岩溶泉水水质方面，全省19个岩溶大泉基本达到了《地下水质量标准》Ⅱ类水或Ⅲ类水标准，满足生活用水需要，通常能优于地下水回灌区地下水源水质。在水库蓄水水质方面，全省建成的638座水库中，大部分水库水质能达到《地表水环境质量标准》Ⅲ类水标准，基本能满足地下水回灌区水源水质。在雨洪水水质方面，在无工业和农村居民的小流域内，或者在城市或硬化面积较大的地区，建设工程蓄集地表雨洪水，其水质通常能满足回灌区水质要求，可作为地下水回灌水源。

4 地下水回灌的有益方面

地下水回灌是直接增大地下水资源量的有效途径，不仅能有效治理地下水超采，而且增加地下水可利用量，缓解水资源紧缺状况，其益处是多方面的。

4.1 有效治理地下水超采

地下水超采是地下水开采量超过地下水可采资源量，造成地下水水位持续下降，或因开发利用地下水引发了环境地质灾害或生态环境恶化现象。其直接结果是形成地下水降落漏斗，有的甚至疏干地下含水层。地下水回灌是从地下水补给与排泄平衡角度着手，利用人工补给手段，将多余的地表优质水源直接补给至地下含水层，使地下水的补给量大于地下水的开采量，地下水位止降返升，最终达到采补平衡状态，有效治理地下水超采。

4.2 增加水资源可利用量

地下水回灌是把地表水源补充到地下含水层内，使之成为可以利用的地下水资源。对于我省零散的岩溶泉水、水库防洪弃水和小流域洪水和城市雨水，在大多数情况下，因无蓄集手段和储存空间，不具备供水能力，形不成有效供水而大量排泄。在具备地下水回灌工程的条件下，把这些零散的水源通过地下水回灌工程，人工补给到巨大的地下水库中，形成地下水资源储量，人为地增加地下水资源的可利用量。

4.3 提升水库供水能力

地表蓄水工程供水能力不仅受来水量的影响，而且还需要根据不同保证率进行调节计算，对于用水质量较高的用水户，汛期洪水泥沙又影响供水水质。若要形成稳定、可靠的供水能力，其影响因素与制约条件较多。在具备地下水回灌条件下，将地表水库与地下水库通过地下水回灌工程连通，蓄优补源，调丰补缺，联合调度地表水与地下水，使地表水库供水能力不受降雨集中、洪水泥沙、防洪弃水等制约因素影响，切实提升水库的供水保障能力。

4.4 减轻城市防洪压力

随着城市化进程的加快，城市不透水面积大幅度增加，城区降雨入渗地下越来越少，而降雨径流系数不断提高，汛期常有大量径流排出城外。这不仅造成水资源的无效流失，也对城市排水和防洪构成巨大压力。在建设地下水回灌工程后，降雨经收集注入地下含水层，不仅能减少城市排水和防洪压力，同时还能增加地下水入渗补给量。

5 建设地下水回灌工程的前景构想

地下水回灌要按照蓄优补源、调丰补缺、增源保水、综合利用的总体思路，构建地下水超采回灌工程体系、泉水复流回灌工程体系、地表与地下水库回灌工程体系，有效保护与修复地下水系统，促进全省水生态文明建设。

5.1 建设地下水超采回灌工程体系

要因地制宜，制定规划，在超采严重的大同、太原、忻定、临汾、运城五大盆地，建设一批地下水超采回灌工程。在大同盆地区，利用大同市小型水库和朔州市神头泉以及城市雨水，回灌大同市区和郊区、怀仁、山阴等4个地下水超采区。在太原盆地区，利用汾河水库、周边小型水库汛期弃水以及城市雨水，回灌太原市区和郊区、晋中榆太祁、交城边山等10个地下水超采区。在忻定盆地区，利用马圈泉及原平市小型水库，回灌忻州城区和原平城区等2个地下水超采区。在临汾盆地区，利用霍泉、龙子祠泉水及小型水库水，主要在非灌溉季节回灌临汾市区和郊区、侯马市区和郊区、汾河谷地等3个地下水超采区。在运城盆地区，利用永济、闻喜、绛县等地小型水库，回灌涑水盆地地下水超采区。

5.2 建设泉水复流及补给回灌工程体系

山西省建设泉水复流回灌工程要因地制宜，区别对待。对已断流的晋祠、兰村和古堆岩溶大泉，应根据岩溶大泉补给、径流、排泄的自然规律，遵循地下水回灌的原则，在已断流的岩溶泉域范围内，建设泉水复流回灌工程，利用现有优于岩溶泉水质的大中小型水库水源，在岩溶地下水主径流带进行地下水回灌，增大岩溶大泉的补给量，促进岩溶大泉尽快复流。对于濒临断流和衰减严重的洪山泉、郭庄泉、柳林泉、水神堂泉、辛安泉等岩溶大泉，在岩溶泉域补给范围内的主要渗漏地带，建设砌石坝、橡胶坝、翻扳闸等入渗补给工程，增大岩溶大泉的入渗补给。同时，辅之以地下水人工回灌工程，利用现有大、中、小型水库水源，对岩溶大泉实施回灌，彻底扭转岩溶大泉的衰减态势。

5.3 建设地表与地下水库回灌连通工程体系

针对全省部分水库工程存在供水保证率低、供水户缺乏、汛期水质变差、水库防汛弃水多的实际情况，重点选择供水保证率低且无供水户的地表水库，同时兼顾在下游地下松散层中有一定的含水层空间，并具有独立的水文地质单元，具备建设地下水库的必要条件。在此基础上，统筹考虑地表水库与地下水库相关联的各方面因素，按照调丰补谷、夏蓄冬灌、综合利用、互利共赢的思路，建设地表与地下水库连通回灌工程，将多余的地表蓄水回灌至地下水含水层中，增加地下水的储量，综合利用地表水与地下水，切实提高水库的供水能力。

[1] 范堆相.山西省水资源评价[M].北京:中国水利水电出版社，2005：81-84，120-125，273-278.

[2] 山西省水利厅，中国地质科学院岩溶地质研究所，山西省水资源管理委员会.山西省岩溶泉域水资源保护[M].北京:中国水利水电出版社，2008：7-18.

[3] 马承新.山东省地下水人工回灌补源模式研究[D].武汉：武汉大学，2005：111-123.

[4] 杜新强，廖资生，李砚阁.含水层储存和回采技术的研究与应用[J].中国给水排水，2004，20（ 8）：24-26.

[5] 徐征和，陈吉亭，刘健勇，等.地下水回灌补源生态修复技术研究[J].地下水，2006，28（ 3）：78-80.