新疆再生水补给地下含水层的可行性探讨——以乌鲁木齐市为例

王晓愚，赵晨曦，章真怡，贾尔恒·阿哈提*，赵慧坤

1.新疆环境保护科学研究院，新彊乌鲁木齐 830011

2.清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084

新疆再生水补给地下含水层的可行性探讨
——以乌鲁木齐市为例

王晓愚1，赵晨曦1，章真怡2，贾尔恒·阿哈提1*，赵慧坤1

1.新疆环境保护科学研究院，新彊乌鲁木齐 830011

2.清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084

利用再生水补给地下含水层是再生水利用的前沿领域，在干旱缺水的新疆开展再生水补给地下含水层，是缓解水资源紧缺、地下水超采、水重复利用率低及水污染严重等问题的有效途径。以乌鲁木齐市为例，通过分析城市水资源供需、再生水利用及水环境现状，考虑地下含水层空间条件及工程场地条件，对干旱区城市再生水补给地下含水层的优势和可行性进行探讨，并针对干旱区特殊的自然地理条件，提出了开展该项工作需要研究的重点问题。建议在新疆干旱区尽早开展再生水补给地下水的研究与实践工作，以促进城市再生水的安全利用，提早获得环境、经济和社会效益。

再生水；人工含水层补给；地下水；新疆

近年来随着世界各国水资源危机加剧，越来越多的国家和地区开始重视再生水的利用，再生水被广泛应用于工业、农业、城市绿化、景观、补给地下水及市政杂用等用途。目前一些发达国家已经把再生水利用作为解决水资源短缺的重要战略之一，如美国、以色列、日本及西欧等许多国家在再生水利用方面都开展了大量实践工作，取得了丰富的经验［1］。新加坡、以色列、纳米比亚等个别缺水国家（和城市）甚至将再生水回用于生活饮用水［2］。我国也有许多城市实现了污水再生利用。

利用再生水补给地下水是再生水利用的前沿领域，也是缓解区域水资源紧缺和由于地下水超采导致的含水层枯竭问题的有效手段。早在20世纪70年代国外就开始了再生水地表入渗回灌利用研究，采用的方式主要是土壤含水层处理系统（soil aquifer treatment，SAT），其中比较著名的是以色列的Dan Region工程［3］，早期的研究多集中于SAT作为深度处理技术对水质改善的效果上。随着地下水开采加剧，含水层水资源枯竭问题突显，SAT系统的应用不再局限于替代深度处理，而进一步扩展到增补饮用和非饮用地下水水源等方面。同时，利用河道、沟渠、坑塘等进行连续入渗回灌也得到了应用和发展，如美国、以色列、比利时、芬兰等的回灌工程推动了地下水回灌技术的快速发展。1983年Pyne提出了含水层储存和回采（aquifer storage and recovery，ASR）的概念，这一概念最早是指利用地下含水层储存调整功能，回灌（井管或渗灌）储存丰水期过剩的天然水，枯水期再抽出利用，实现地表水与地下水的联合调蓄［4］。后来，再生水也加入到回灌用水的行列。Sheng进一步拓展ASR的概念，将其定义为将处理或未处理的地表水、再生水通过入渗盆地、渗滤廊道、回灌井等方式回灌至合适的含水层，然后再通过回灌井或者附近的生产井部分或全部抽出利用，或者以增加河道基流方式排泄维持河流生态［5］。随着人工回灌地下水的发展，地下含水层的补给逐渐变为可管理的措施或手段，国际上统一称为人工含水层补给管理（managed aquifer recharge，MAR）。我国在这方面的研究起步较晚，上海、天津在20世纪60和80年代开始利用深井回灌地下水以控制地面沉降问题，石家庄、新乡、聊城等地也先后进行了人工引渗补给浅层地下水的试验工程，以补充调节地下水资源，实现“冬灌夏用”，但大多数是利用地表水进行回灌［6］。再生水补给地下水的研究相对滞后，实际工程应用很少，远不能满足再生水安全回灌的要求。近年来北京在这方面研究较多［7-8］，并有一定的实践经验，但要推广应用尚有许多问题需要解决。

在极端干旱缺水的新疆，再生水利用才刚刚起步，在再生水补给地下水领域更鲜见相关研究与工程实践。若能将深度处理后的再生水，经SAT系统回灌地下再抽取使用，将有利于缓解城市水资源紧缺、水重复利用率低、地下水超采、水环境恶化等矛盾，对新疆可持续发展具有重要意义。笔者针对新疆城市各类水资源供需矛盾突出的问题，以乌鲁木齐市为例，对新疆干旱区利用再生水补给地下含水层的可行性进行探讨，以期为新疆再生水安全利用研究提供依据。

1 水资源供需现状

1.1 水资源利用现状

根据乌鲁木齐市水资源公报［9］，2010年来水总量为9.39亿m3，其中地表来水量9.09亿m3，地下水补给量4.03亿m3，地表水与地下水转换重复量为3.74亿m3。2010年供水总量为10.89亿m3，其中地表水5.70亿m3，地下水供水量已达4.97亿m3，其他水源主要是城市污水处理再利用量，约为0.226 3亿 m3；2010年乌鲁木齐市用水总量为10.89亿m3，其中生活用水中包括1.39亿m3的城镇居民生活用水，生态用水主要是城镇环境补水和农村生态补水（表1）［10］。

表1 2010年乌鲁木齐市水资源利用状况Table 1 Status of water resource utilization in Urumqi in 2010

随着社会经济快速发展，乌鲁木齐市水资源的需求不断提高，水资源开发利用率大幅上升，近年开发利用量甚至超过区域的来水总量，区域发展与水资源之间的矛盾日益加剧。2010年水资源开发利用率达115.98%。水资源开发率的增长以地下水为主，2010年地下水开发利用率达123.33%，地下水利用量不仅大大超过可开采量，甚至超过了区域地下水补给量；地表水开发率总体为30%～60%，2010年达62.68%［10］。可见，乌鲁木齐市的用水量已达到供水量的极限，水资源的匮乏致使地下水超采严重，水资源供需矛盾已十分突出；水资源开发利用程度逐年加强，水资源开发利用潜力则相应减弱。今后，乌鲁木齐市的缺水量仍会持续加大，特别是夏季用水高峰期，城市日用水量增加，供水能力严重不足，日供水缺口达15万～20万m3。据预测［9］，2015年乌鲁木齐市缺水量达1.2亿m3，2020年乌鲁木齐市的缺水量可达3.8亿m3。水资源短缺是制约乌鲁木齐进一步发展的重要因素。

1.2 水环境状况

一方面，长期以来，由于未经处理的工业废水以及城市生活污水直接排入地表水，造成地表水体的严重污染。经检测，乌鲁木齐河细菌总数和大肠菌群超标，头屯河pH、SS、氨氮、细菌总数和大肠菌群超标，水磨河污染更为严重，超标项目达到5～7项，连农灌标准也达不到［11］。乌鲁木齐市地区河床多为砂砾构成，渗漏严重，被污染的河水沿途渗入地下，又对地下水产生明显的污染影响。另一方面，近年来，为解决水资源供需平衡，乌鲁木齐地下水开采量逐年增加，致使地下水位不断下降，地下水水质恶化严重。根据地下水动态监测结果［12］，乌鲁木齐市地下水位呈下降趋势，下降最严重的区域每年降幅在l m以上，市区地下水位比20世纪60年代下降了5～14 m。由于地下水超采，导致1992年建立的柴窝堡地下水水源地水位持续下降，1995—2006年柴窝堡水源地地下水位下降了6 m。同时，2010年自治区环境状况公报显示：乌鲁木齐市地下水水质达标率仅为50%。地下水超采还致使区域内严重污染的地下水补给至开采区，使开采区地下水硬度、硝酸盐氮、硫酸根、氯离子浓度升高，从而加剧了地下水污染和柴窝堡湖周边生态环境恶化。

1.3 污水资源利用现状

根据乌鲁木齐市水资源公报数据［9］，2011年废污水排放总量为2.15亿m3，来源主要是城镇居民生活污水和工业废水，其中工业废水约0.52亿m3，生活污水约1.63亿m3。进入城市市政排水管线末端废污水处理量1.43亿m3，占排放总量的66.5%。城市污水集中处理后用于农灌、绿化及工业5 276万m3（其中完全接纳2 263万m3），占总处理量的37.0%，占废污水总量的24.5%。

乌鲁木齐市再生水主要用于农业灌溉、城市绿化与景观用水，仅占总供水量的2.1%。由于再生水回用设施不完善，导致城市再生水利用率低下。据调查，乌鲁木齐城市污水日处理能力已达70万m3，但接近一半的废污水未经处理直接排向下游的沙坑，或进入头屯河、水磨河和安宁渠，最终进入青格达湖［13］。另外，还存在城市夏季水资源紧缺而冬季废污水白白浪费的问题。因此，乌鲁木齐市水资源的循环利用程度不高，污水处理率与再生水利用率亟待提高。

2 再生水补给地下含水层的优势

2.1 缓解水资源紧缺

国内外研究与实践已证明，城镇废污水只要处理得当就可以成为可靠的城市第二水源，在城市用水中，是一种具有重要发展潜力的水资源。在干旱缺水地区，再生水的应用更是解决供水危机的有效途径。开展再生水利用，不仅可以节省天然水的消耗量，缓解乌鲁木齐市供水紧张的状况，而且可在一定程度上减少废污水排放，对改善城市水环境质量也具有重要意义。

2.2 提高水的重复利用率

乌鲁木齐再生水利用中存在供需季节分配不均的问题，现有的污水处理设施处理后的再生水，夏季不够用，而冬季因无农业及基建、绿化用水，处理后的再生水只能白白浪费；现有投入使用的再生水回用工程，均处于示范试验阶段，尚未形成规模。因此，要更大限度地利用再生水，就需解决再生水储存的问题。国内外研究与实践也已证明，再生水补给地下含水层是实现可持续水资源管理的重要途径。将处理达标后的再生水回补地下水，根据需要实现冬季储存、夏季抽取利用，或异地取水利用，将是提高城市水重复利用率的最佳手段。

2.3 改善水环境

冬季若能将城镇废污水进行深度处理并达到地下水回灌标准后回灌于地下，通过储存再生水，补充地下水源，将有助于防止地面沉降［14］，恢复和维持区域地下水量平衡，减少污水对下游生态环境的破坏。而且再生水补给地下含水层后，可通过土壤的过滤、截留、物理和化学吸附、化学分解、生物氧化以及生物的吸收等作用对再生水中的污染物进一步综合净化［15-17］，去除水中有害物质和病原微生物，提高了再生水利用的安全性，其环境效益将十分显著。这种土壤含水层处理技术，具有设备简单、投资少、能耗低、操作管理方便且净化效果良好等优点，经济与社会效益也很明显。

3 乌鲁木齐市再生水补给地下水的可行性分析

3.1 再生水可利用潜力大

根据乌鲁木齐市城镇排水水务“十二五”规划的发展目标［18］：到2015年，该市城镇居民生活污水排放量为 2.25亿 m3，工业废水排放量为0.25亿m3，废污水的排放总量为 2.5亿 m3。到2020年，该市城镇居民生活污水排放量为2.84亿m3，工业废水排放量为0.25亿m3，废污水的排放总量为3.09亿m3。废污水可再生利用率2015年按50%考虑，2020年按70%考虑，则2015年废污水可利用量为1.2亿m3，2020年为2.0亿m3。若将该部分水源进行循环利用（可主要用于城市北部工业园区的循环利用、生活杂用及城市绿化和景观使用），则为乌鲁木齐城市发展新增了可控供水量。并且这些污水进入城市排水系统后，具有水量稳定、不受季节和气候等自然条件的影响，且就近可取、易于收集等优点。随着乌鲁木齐市城市建设的不断发展，水资源的集中使用为污水的相对集中处理提供了优势，建设再生水设施，无论从技术手段还是经济可行性上，都已不是问题。因而乌鲁木齐市再生水利用空间和潜力是很大的，可为补给地下含水层提供充足的再生水水源保证。

3.2 污水再生处理能力正逐步提升

据调查，乌鲁木齐市有8座污水集中处理厂，其中2011年重点监督性监测的城镇污水处理厂共有6家（表2）［18］，此外，还有河西污水处理厂，其设计日处理能力一期为10万m3，二期为20万m3，采用A/O循环曝气工艺。目前乌鲁木齐城市污水日处理能力已超过70万m3。但是，2011年经乌鲁木齐市城镇污水处理厂后的废水排放总量仅为12 449.21万m3，其中废水达标排放量也仅有6 340万m3，废水达标排放率只达到50.93%［18］。污水处理能力大于城市废污水收集排放量。

表2 2011年乌鲁木齐市城镇污水处理厂基本情况Table 2 Status of urban wastewater treatment plants in Urumqi in 2011

根据《乌鲁木齐市城市总体规划修编（2011—2020年）》，到2020年乌鲁木齐污水处理率要达到90%，城市再生水利用率要达到30%［19］。要实现这一目标，就需要解决污水处理技术、再生水回用管网、污水水质标准等问题。根据乌鲁木齐市“十二五”污染防治规划要求，乌鲁木齐市将以提升污水收集、处理能力和水平为重点，加快污水治理工程建设，完善城镇污水收集管网，实现中心城区污水收集管网全覆盖，污水处理厂服务范围内污染源截污纳管率达到95%［18］。污水再生处理技术和工艺日趋成熟，城市污水经二级处理，再加上适当的深度处理工艺，如MBR、臭氧、砂滤、纳滤、活性炭、BAF等，通过科学的工艺设计和系统运行管理，可满足再生水补给地下含水层的水质要求。

3.3 地下含水层空间条件

地下含水层是储存和输运地下水的场所，不同类型的含水层具有不同的地下水运移和水－岩相互作用特点。含水层主要分为多孔介质含水层、裂隙含水层和岩溶含水层。相比而言，多孔介质含水层发育较为均匀，孔隙连通性好，并沿一定方向分布，因而地下水在其中流动迅速，并与土壤充分接触，是适宜再生水储存和运移的地下含水层。

乌鲁木齐河流域山区地下水为单一结构的基岩裂隙水，含水层由互有水力联系的基岩风化裂隙、风化构造裂隙及断裂破碎带组成；进入柴窝堡山间盆地，沉积厚度数米至数百米的砾石、砂砾石，水位埋深大于50 m，至乌拉泊，因受基岩山地阻挡以泉水溢出；乌鲁木齐市区河谷地沉积厚20～30 m的砂砾和卵砾石层，地下水埋深10 m左右；乌鲁木齐山前倾斜平原沉积卵砾石、砂砾石层的单一潜水，厚度100～500 m，水位埋深150 m左右，渗透系数35～110 m/d，单井涌水量为920～3 000 m3/（d·m）。细土平原为粉细砂、亚砂和黏土层的多层结构的潜水和承压水。上部潜水平均厚度50 m，渗透系数小于3 m/d，单井涌水量小于15 m3/（d·m）；下部承压水平均厚度150 m，渗透系数1～5 m/d，单井涌水量小于500 m3/（d·m）［20-21］。可见，乌鲁木齐地区水文地质结构多以砂砾层为主，渗透系数大，而且由于地下水持续过量开采，地下水位大幅度下降，形成了比较大的地下水可调蓄空间，为地下回灌的开展提供了良好的含水层储存条件。如乌拉泊洼地和柴窝堡盆地就是理想的储存和调蓄水资源的地下水含水层空间［22］。

3.4 地下水水质改善可行性分析

据调查，乌鲁木齐平原区沿河地段潜水水化学类型为HCO3·SO4-Na·Ca（Na）和HCO3-Ca·Na（Ca），矿化度小于1.0 g/L；远离河道的潜水水化学类型为SO4·Cl-Ca（Na·Mg）、Cl·SO4-Na和Cl-Na·Ca（Na），矿化度大于1.0 g/L，甚至大于50.0 g/L［20］。地下水受到不同程度污染，其主要污染因子是、、Cl－、矿化度、总硬度、C6H5OH、CN等［21］。地处荒漠区的乌鲁木齐土壤多为盐碱土，若将再生水地下回灌场地选在荒漠植被丰富的荒滩地，不仅可利用荒漠土壤含水层处理系统去除再生水污染物，还可以利用荒漠植被与荒漠土壤微生物的耐盐性吸收再生水中的盐分，降低地下水矿化度，达到改善区域地下水水质的目的。

3.5 再生水地下回灌场地要求

开展再生水地下回灌，必须有合适的场地用于收集和处理回灌前的污水和再生水，还需要有一定面积的土地作为地下回灌的场地。若采用地表渗滤方式回灌，则要求有大面积的、符合一定技术要求的土地；若采用井灌方式回灌，所需场地面积较少，但由于是直接注入地下含水层，对回灌水水质的要求比较高。场地选择合适与否是决定地下回灌工程成败的基础条件。新疆地域广阔，乌鲁木齐市周边有着大面积的戈壁荒滩，完全可通过获取完整的场地调查资料，正确选择再生水回灌的场地，并最终保证回灌工程的工艺设计、建造与运行的合理性。

4 需要研究的问题

4.1 再生水水质保证

许多国家对回灌地下的再生水都提出了水质要求，如德国要求回灌水质应不低于当地的地下水水质，以色列规定用于回灌的再生水优于饮用水标准，2004年美国国家环境保护局（US EPA）出版的《再生水利用导则》（Guidelines for Water Reuse）中也严格规定，潜在饮用水的回灌水水质至少要求能达到饮用水水质。为保证再生水水质安全，2000年欧盟出台了《水框架指令》（Water Framework Directive），2006年世界卫生组织出台了《世界卫生组织污水安全利用指南》（WHO Guidelines for the Safe Use of Wastewater）［6］。2009年澳大利亚通过了MAR国家指南（Australian Guidelines for Water Recycling：Managed Aquifer Recharge），为MAR项目的评估提供了方法和相关管理监测措施［23］。我国根据再生水的不同用途，颁布了各类水质标准和规范，其中针对再生水补给地下水有GB/T 19772—2005《城市污水再生利用地下水回灌水质》，之后又颁布了SL 368—2006《再生水水质标准》。这些标准与规范促进了世界各国对再生水的利用，但在新疆干旱区采取再生水回灌，现行的水质标准和废水排放指标是否满足控制水质、保护人类健康和生态环境的需要［24］，以及再生水深度处理后的水质达到什么标准才能使回灌工程效益最大限度地发挥，是需要重点研究的问题。

4.2 污水处理工艺与技术

不同的污水处理工艺和技术对各类污染物的去除效果是不同的，应通过试验对比，优选合适新疆干旱区污水处理与再生水深度处理技术，或几种处理技术和工艺的组合，使深度处理后的再生水符合补给地下含水层的要求。再生水深度处理工艺通常采用化学混凝沉淀（气浮）、过滤、吸附、化学氧化、生物脱氮除磷、膜处理、脱盐、消毒等［25］，必须根据二级污水处理厂的出水水质和技术经济条件选择再生水处理工艺，要求技术合理，经济可行。

4.3 再生水回灌工程选址

工程选址需要考虑的因素很多，包括水源输送、场地大小、土地利用、地形、地表径流、气象、土壤、水文地质以及建设成本等。选址前需要对现场进行勘探与调查［26］，调查与试验的项目包括再生水的组成成分，土壤岩性、物理与化学性质、水力学性质，含水层的水力学性质以及地下水特性等。作为储蓄和消纳再生水的地下空间，含水层的水文地质条件应有利于进行人工补给，具有良好的入渗途径及贮水空间。

4.4 回灌方式的选择

再生水补给地下含水层是一项系统工程，其中回灌方式的选择不仅取决于含水层地质构造、水文地质、气象、土壤条件等，还需综合考虑工程投资与效益，以及对区域环境与生态造成的影响。为此，应研究制定经济合理的再生水补给地下含水层方案，划定回灌范围，确定回灌方式、回灌量和回灌水水质等。如在新疆采取地表渗滤回灌方式时，就需要考虑干旱区蒸发量大对补给水量和某些污染物组分浓度的影响。

4.5 含水层水质变化

再生水补给地下含水层后，需要掌握地下水动态变化，重点研究干旱区含水层水质在渗透、渗流和地下水域之间的变化情况，补给过程对地下水水质及含水层环境的影响。若采用SAT土壤含水层处理，需要研究干旱区SAT机理、土壤含水层对再生水污染物的最大环境容量以及SAT的处理效果等。

4.6 再生水补给地下含水层的风险评价

尽管再生水水质满足回灌要求，但在长期补给地下含水层之后，再生水中所含有的污染物残余在积累过程中也可能产生一定的水质安全问题。即使是我国现行的《城市污水再生利用地下水回灌水质标准》也并未对潜在的间接的饮用水做出对应的规定，同时也没有准确限定再生水的有毒有害物质的痕量，该标准的内容还相对滞后。因此，在干旱区利用再生水补给地下含水层，更有必要对回灌后的区域环境健康与生态安全做好风险预测评估，为制定相应的环境健康风险与生态风险防控对策提供依据。

5 结语

乌鲁木齐市有着充足稳定的污水资源，但再生水利用率低下。综合考虑乌鲁木齐地区地下含水层水文地质条件和当前可利用的先进的污水再生处理技术等多方面因素，乌鲁木齐具备再生水补给地下含水层的优势。建议尽快开展相关领域的研究工作，以推动乌鲁木齐市再生水人工补给地下含水层的发展，促进再生水的安全利用。

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Feasibility Study on Managed Aquifer Recharge with Reclaimed Water in Xinjiang：A Case Study of Urumqi

WANG Xiao-yu1，ZHAO Chen-xi1，ZHANG Zhen-yi2，JIAERHENG Ahati1，ZHAO Hui-kun1
1.Xinjiang Academy of Environmental Protection Science，Urumqi 830011，China
2.Institute of Nuclear and New Energy Technology，Tsinghua University，Beijing 100084，China

Managed aquifer recharge（MAR）with reclaimed water，a frontier field of recycled water utilization，is an effective way to solve the problems of water scarcity，groundwater overexploitation，low reutilization rate of water and serious water pollution.With case study in Urumqi City，the advantages and feasibility of MAR with reclaimed water in arid-area cities were discussed based on an analysis of the status of water supply and demand，wastewater reuse and water environment，as well as of the conditions of aquifer space and engineering site.Some key issues required to research on MAR with reclaimed water were put forward，aiming at the special geographical and climatic characteristics of arid areas.It was proposed that researches and practices on MAR with reclaimed water should be engaged in Xinjiang so as to promote safe utilization of reclaimed water and gain more environmental，economic and social benefits.

reclaimed water；managed aquifer recharge（MAR）；grounder water；Xinjiang

X703.1

A

10.3969/j.issn.1674-991X.2014.04.050

1674－991X（2014）04－0306－07

2014－01－10

国家自然科学基金项目（41361087）

王晓愚（1976—），女，高级工程师，博士，主要从事水资源与水环境研究，wxyuyuer＠qq.com

*通讯作者：贾尔恒·阿哈提（1962—），男，高级工程师，主要研究方向为环境化学，jiaeh＠sina.com