河北省深层地下水回补研究

▲ 实施生态补水的滹沱河   摄/史晟全

党中央、国务院高度重视华北地区地下水超采问题。2014年，财政部、水利部等四部委在河北省启动了全国首个省级地下水超采综合治理试点。2014年以来，河北省积极推进地下水超采综合治理工作，累计压减地下水超采量59.7亿 m ³ ，治理效果明显。然而，地下水超采是长期累积形成的生态环境问题，在通过“节、引、调、补、蓄、管”等措施将地下水开采量压减到合理范围，初步实现区域地下水采补动态平衡和扭转水位持续下降态势后，如何修复历史亏空，促进地下水水位逐步恢复到历史健康水位，缓解地面沉降和海水入侵，是地下水超采综合治理后续阶段的重要课题。

2019—2022年，河北省按照《华北地区地下水超采综合治理行动方案》安排，先期开展河湖地下水回补试点，累计回补量达到102.2亿 m ³ ，主要补水河道周边范围内浅层地下水水位较回补前同期平均回升3.69m，补水河流两侧平均最大影响距离达到12.7km，邢台百泉等泉眼断流约30年后相继复涌。2023年水利部印发《华北地区地下水超采综合治理实施方案（2023—2025年）》，在现有浅层地下水回补成果的基础上，确定河北省作为深层地下水回补试点，在补径排机理、防堵增渗关键技术、回补长效机制等方面开展试验研究，探索减缓地面沉降、控制地下水水位降落漏斗、解决海（咸）水入侵问题的新路径新方法，为下一步成果推广提供科学储备。

国内外地下水回补相关案例

18世纪末至19世纪初，一些发达国家为改善地下水资源状况、缓解地下水枯竭和地下水超采引起的海水入侵等问题，开始了地下水人工回补研究。如荷兰阿姆斯特丹供水公司自1957年起通过人工回补抬高地下水水位防治海水入侵，同时为该市提供了60%的生活饮用水；美国加州有70个水管理机构使用500座回补设施开展地下水水位回补工程，共补给地下水62 m ³ 。目前，发达国家通过人工补给增加的地下水储备量已占到地下水利用总量的20%~30%。

我国地下水人工回补研究大约经历了50年的历程，其研究源于地面沉降问题。 上海 是国内最早开展地下水人工回补的城市之一，利用深井回补来控制地面沉降问题已有显著成效； 陕西西安 建设了15个地下水回补示范点，通过14年的回补，对抬升区域地下水水位、缓解地面沉降、抑制地裂缝的发展有一定效果； 北京市 选择永定河冲积扇作为试验区，以夏季雨水、冬季河道基流和工业废水为水源，利用深井进行回补试验研究，在增加地下水资源量和改善地下水水质方面取得了显著效果； 河北沧州 为有效控制地面沉降和涵养地下水资源，在沧州市海洋与渔业局（原沧州市地面沉降监测中心）院内建设地下水回补试验场，连续3年开展了3期回补试验，试验结果表明深层水回补对分层标沉降控制作用明显，在回补水位抬升期，沉降基本停止或有微弱回弹。

深层地下水回补主要难点

深层水回补作用机理尚不清晰

明晰深层水回补的作用机理，定量刻画人类活动影响下深层地下水系统的补给运移规律，是系统性开展深层地下水人工回补的基础前提。 近年来对于地下水回补的研究主要集中在回补效率影响因素、回补堵塞问题解决、回补对地下水环境的影响等方面，而对回补作用下地下水动力场、水化学场演变机理的研究，多数是为解决地热或矿产开采过程中产生矿井水、地热尾水利用问题而开展。许勇以开放式的西安市三桥惠森公司地热采灌对井为研究对象，建立了新近系上新统蓝田-灞河组深层孔隙型含水层地热尾水回灌数值模型，并结合硫氰酸铵示踪剂对深层水溶质运移进行模拟；赵春虎等人以鄂尔多斯某矿井深层回补井为研究对象，定量研究了三叠系刘家沟组裂隙型含水岩组矿井水回补过程水动力-溶质时空变化规律。对于第四系深层地下水回补作用机理的研究，大多局限于室内试验及小范围室外试验，具有回补规模小、回补历时短等特点，研究结果多为回补量与含水层渗透系数、含水层厚度、水位埋深、回补压力等的定量关系，而回补条件下地下水流场变化及溶质运移转化机理研究尚未形成体系。基础理论体系的缺失，对应用层面开展第四系深层水回补的规划布局、工程设计等产生了不利影响。  

深层水回补开展存在技术障碍

通过分析国内外地下水回补相关试验案例发现，当前在地下水回补实践中仍存在一些技术障碍，特别是回补井堵塞问题，在深层水和浅层水回补过程中均较为突出。截止到2018年，天津市共有721口地热井、235口回补井（其中基岩热储回补井163口、砂岩热储回补井72口），回补量占开采量的12.4%，回补井堵塞是造成回补量有限的主要问题；美国马里兰州207个地表雨洪回补系统中，有33%运行不足两年就因堵塞而报废，到第6年因堵塞无法运行的已达50%；2013—2019年，Bloetscher对美国ASR站点调查分析，站点堵塞率基本在14%左右，且堵塞站点数量逐年增加。除了上述常见的回补井堵塞问题，在回补进程中，含水层渗透性发生改变，也会导致回补效率下降，尤其在粉细砂含水层中较为常见。

目前，对于地下水回补系统的堵塞缓解方法有机械洗井、气举法、高速喷射洗井等10多种。2011年至今，吉林大学地下水人工补给实验室围绕地下水人工回补堵塞及相关的水质和渗流问题开展了系列研究，国内外地热井、气井、油井的解堵技术已积累了部分典型经验。但现有研究只能缓解堵塞发展进程，无法达到根除目的，主要原因有几方面： 一是 堵塞原因难查明，堵塞常常发生在深井的井壁或滤料中，难于直观地查明堵塞类型、程度及演化机理； 二是 堵塞物质难去除，实际发生的堵塞多为复合型，单靠洗井方法不足以完全去除； 三是 关键技术不成熟，成井工艺、水质、压力等因素均会影响堵塞发生进程。高频发生的堵塞问题，对深层水回补工作的长效和可持续运行造成了较大风险隐患。

深层水回补实施经济成本偏高

当前，国内外地下水回补实践中，补水来源主要包括雨水、地下水、地表水和再生水等。与浅层地下水回补对水质要求较低不同， 深层地下水由于理化性质稳定、演替周期长且承担水安全战略保障任务，对回补水质的要求极高。 如美国规定回补用水水质不低于饮用水标准；澳大利亚要求使用再生水作为回补水源时，原水需处理至符合《澳大利亚饮用水指南》中涉及的166个水质指标要求；上海市发布的《上海市应急供水（回灌）深井建设与运行技术导则》明确要求回补水源的水质应符合《生活饮用水卫生标准》（GB 5749）的要求；河北沧州、陕西西安等地开展深层水回补试验时均直接采用供水管网内的饮用水作为补水水源。高水质要求必然带来补水成本的提升，河北省目前亟须开展回补的深层水超采区普遍缺少稳定的当地地表水源，能够保障长期稳定回补的水源仅有南水北调中线引江水，外调水源的使用进一步提高了回补的经济成本。同时在试验场建设中，深层回补井打井深度大，技术要求高，成井工艺难，也客观上增加了建设成本。

河北省深层地下水回补试点进展

坚持系统思维,明确研究内容

深刻认识深层地下水回补试点的政治性、艰巨性、挑战性，立足河北省实际，聚焦解决地面沉降、海水入侵等方面问题，统筹历史与现实、表象与实质、近期与长远、局部与整体，找准发力点，通过试点研究，回答解决河北及华北地区深层地下水能不能回补、在哪里回补、用什么水回补、怎么样回补和由谁来回补等一系列科学技术问题，研究提出包含可行最优的回补时间、回补区域、回补方式、回补水质、回补设备、回补施工和回补效果等一整套技术方法体系，最后探索总结出一套包括从政府到市场、从政策到资金、从水源到调度、从规划到建设、从实施到运维等一揽子高效有力的组织保障体系，形成机理清晰、作用明确、技术先进、管理规范、保障有力、成效显著的深层水安全回补支撑体系。

坚持问题导向,确定试验方案

按照水利部统一部署，聚焦减缓地面沉降、解决海水入侵、控制地下水水位降落漏斗三大问题，河北省全面启动深层地下水回补试点工作，因地制宜、科学规划试验场站布局（见下图）。在全省地面沉降代表性地区的沧州市城区建设 运河区试验场 ，重点突破深层水回补抵御地面沉降机制研究；在近年来地处华北深层地下水漏斗区的衡水市建设 桃城区侯庄试验场 和 阜城县常村试验场 ，重点突破水资源供需矛盾突出地区通过深层水回补控制和修复地下水漏斗机理研究；在位于渤海沿岸存在海（咸）水入侵和深层水超采双重影响叠加的唐山市乐亭县建设 乐亭试验场 ，重点开展通过深层地下水回补形成地下水压力帷幕抵御海水入侵可行性前沿探索。在具体试验场选择中，通过综合考虑水源便利性、试验便捷性和经济高效性等原则，依托机关单位和乡村供水站等国有机构现有场地，避免了因土地征迁带来的项目不确定性。

▲ 河北省深层地下水回补试验场布局

沧州市试验场

沧州市运河区试验场位于沧州市运河区迎宾大道原沧州市地面沉降监测中心院内，处于沧县深层地下水降落漏斗中心位置，占地面积20余亩，平面布置如下图所示。该试验场于2019年建成，2019—2021年间，河北省地矿局第四水文工程地质大队分批次开展了深层地下水回补观测试验，2021年项目结束后未再进行回补试验，仅开展常规观测。

▲ 沧州市运河区试验场平面布置

运河区试验场现有回补井2眼，井深分别为285m和395m，井径均为340mm，目标回补层位分别为第Ⅲ1含水组和第Ⅲ2含水组；在观测系统方面，试验场原有分层标监测井5眼、孔隙水压力监测井1眼和一孔多层水位监测井1眼。为进一步完善回补监测体系，本次试点在原有井位基础上，新增地下水水位监测井2眼（同时具备回补功能），井深分别为285m和400m，目标段分别为第Ⅲ1含水组和第Ⅲ2含水组。11眼回补井和监测井中，4眼配置水位、水温和电导率三参数监测设备，其余7眼配备水位和水温两参数监测设备。

运河区试验场采用城市生活饮用水供水管网的自来水作为回补水源，经水质对比分析，回补水源水质指标优于回补区内的深层地下水水质。

2023年，运河区试验场分两期累计开展回补试验140天，累计回补量40067 m ³ ，平均每小时回补量12 m ³ ，最高回补速率达到23 m ³ /h。2024年，运河试验场拟开展以下试验内容：①回补试验，总时长5个月，包括1.5个月的变流量回补试验和3.5个月的定流量回补试验，其中变流量回补试验又包括0.5个月的Ⅲ2组单井变流量回补实验和1个月的Ⅲ1组双井变流量回补试验；②示踪试验，在定流量回补试验的第一个月和最后一个月，分别在回补井内投放示踪剂，研究地下水流向、流速和水力联系情况；③抽水试验，在变流量回补试验开始前和示踪试验结束后分别开展一次双孔3落程稳定流抽水试验，获取含水层水文地质参数，预计时长1个月。

衡水市试验场

衡水市试验场包括桃城区侯庄试验场和阜城县常村试验场2个试验单元，通过有压、无压和同井径不同填砾厚度等设计试验条件下的回补监测，联合开展区域地下水动力场和水化学场演变规律及机理研究、地下水流数值模型研究、地下水回补堵塞机理研究、地下水渗流与土体变形三维耦合数值模型研究、抽水和回补作用下土力学参数和变化特征研究、地下水回补效果评估研究、地下水回补长效运行机制研究和深层地下水回补标准体系研究等内容。

①桃城区侯庄试验场位于衡水市水利局下辖的桃城区侯庄分流站，占地面积约17亩，处于冀枣衡深层地下水漏斗区上游，主要试验目标层位为第Ⅲ含水组，同时兼顾第Ⅳ含水组回补研究。

▲ 衡水市桃城区侯庄试验场布局示意

试验场按照“一”字形布设回补井4眼，其中第Ⅲ含水组布设回补井3眼，井深380m，第Ⅳ含水组布设回补井1眼，井深450m；按照“十”字形布设与回补井等深的监测井35眼，其中第Ⅲ含水组布设监测井31眼，第Ⅳ含水组布设监测井4眼，布置分层标4眼（地面标及第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水组分层标）。

试验场配置有自动化回补和监测系统。回补系统包括水源取水系统、水质净化系统和灌排系统：水源取水系统主要包括从供水管道接至水质净化系统的管道及相关设备，水质净化系统包括精细黏附过滤、负压排气釜电子防垢仪等，灌排系统主要包括抽水泵、计量装置、控制装置等。自动化监测系统包括水位自动监测系统和分层标组自动监测系统：布署在回补井及监测井内的水位自动监测系统包括水位和水温测量传感器、水质自动监测仪、配套无线数据采集器和供电系统；分层标组自动监测系统由多个JS-2型静力水准仪组成，形成一套多节点沉降监测系统。

试验场回补水源采用南水北调净水厂外供的农村供水站自来水。

②阜城县常村试验场位于阜城县水利局下辖的连村闸管理所，占地面积约2.5亩，处于冀枣衡深层地下水漏斗区下游底部盆底，试验目标层位为第Ⅲ含水组。

▲ 衡水市阜城常村试验场布局示意

试验场共布置第Ⅲ含水组回补井2眼，井深310m；共布设与回补井等深的监测井15眼，布置分层标3眼（地面标及第Ⅱ、Ⅲ含水组分层标）。

试验场试验设备配置与侯庄试验场相同，回补水源同样采用南水北调净水厂外供的农村供水站自来水。

唐山市乐亭试验场

唐山市乐亭试验场位于河北省属国资企业乐亭县唐山浩淼供水有限公司净水厂院内，占地约335亩，试验目标层位为第Ⅲ含水组。试验场位于唐山市2023年度海（咸）入侵调查和监测项目区范围内，试验场南北方各有一条海水入侵情况动态监测剖面，每条剖面各设置有自动化监测站6处，站间平均间距3.5km（见图）。

▲ 唐山市乐亭试验场布局示意

试验场共布设回补监测两用井4眼，井深300m，同时布设与回补井等深的专用监测井5眼。新建监测井全部配套安装投入式、免试剂、多参数的地下水自动监测设备，包括水位水温传感器、水质分析仪、数据采集传输单元和供电系统等组成部分，可现场原位连续自动监测水位、水温和水质情况。

试验场回补水源为城镇公共供水企业地表水源，经采样化验和水质对比分析，回补水源水质指标优于回补区内的深层地下水水质。

乐亭试验场启动后，重点监测回补后的地下水水位、地下水环境数据（水温、DO、ORP、EC、pH等）以及多层水位和Cl-浓度数据，研判含水层回补后海水入侵范围和浅层咸水越流补给变化趋势。结合项目区已建成的海水入侵监测站网体系和2024年即将完成的县域深层取水井在线计量监测全覆盖站网体系，在整理分析回补区水文地质、地下水水位、供用水等相关资料的基础上，构建研究区地下水流和水质数值模型，基于模型对深层水回补缓解海水入侵情况进行评估，并提出后续建设建议。

坚持目标导向，合理工作进度

按照水利部关于“试点坚持科研定位、试验定位，通过科研试验，分析规律、总结经验，尽快实现深层水回补技术世界领先，为下一步推广打好基础”的工作要求，河北省计划于2024年完成4处试验场研究环境构建，开展相关回补试验，形成初步试验成果。

截至2024年3月底，沧州试验场已完成回补取水开户、供水价格调整、回补管道改造、水位监测设备更新等工作，启动第三期回补试验；衡水试验场已完成阜城县和桃城区2处试验场供水线路地下管线物探测量和供水线路地下危险源排查、4眼回补井的钻探取芯工作；唐山市试验场已完成前期工作并启动采购程序。

小结与建议

开展深层地下水人工回补试点工作是华北地区地下水超采综合治理的现实需求。 2014年以来，我国在京津冀地区实施了地下水超采综合治理，地下水水位逐年下降的趋势已经得到遏制和扭转，取得了良好成效。但华北地区水资源严重短缺及地下水严重亏空的局面没有根本改变，特别是深层地下水降落漏斗依然大规模存在。通过试点，探索控制地下水水位降落漏斗、减缓地面沉降速度、解决海(咸)水入侵问题的新途径、新方法，对提升地下水战略储备能力、改善区域水资源状况、保障区域水安全具有重要意义。

牢牢把握回补试点工作定位。 深层水回补具有原型试验和科研项目双重定位，要将回补试点作为开放式研究平台，围绕试验规模、范围、管理等多个方面配备高水平科研力量，面向地下水治理前沿技术，围绕深层水回补的典型性、机理、规律等开展多方位研究，解决破解“卡脖子”难题。要及时分析规律、总结经验，推进回补试点体系化研究成果形成，为下一步相关技术成果推广提供科学储备。

抓实抓好试点各环节工作。 深层水回补要科学布设监测站网，合理确定监测项目、频次，做好数据收集处理，精确掌握第一手资料，确保监测数据满足回补影响分析和科研需求。加强回补工程施工管理，细化工作环节，确保工程质量和运行安全。认真落实回补试验技术要求，及时分析不同回补设施、工艺、方式等对回补能力的影响，以及地下水水位、储量、地面沉降变化等情况。探索建立回补水源保障、水价控制、项目建设运行模式、监督管理等政策机制。加快地下水回补试验建模，结合大数据、数字孪生技术、人工智能等信息技术，逐步提升回补工作数字化、智能化水平。

 

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