地下水人工回灌研究进展

  国外的地热资源开发利用程度高，更早开展了回灌技术方面的研究。20 世纪初，为保护和重新分配有限的水资源，恢复水生和陆生的生态环境，更有效促进水资源的循环利用，美国、欧洲等国正式开始科学、有计划地进行人工回灌并开展相关研究。上世纪中叶人工回灌补源的应用已经较为普遍，研究集中于地表水进行人工回灌以及如何增加地下水补给量、稳定地下水水位、控制地面沉降、建立地下水库储能、避免地下水质污染等方面。地下水数值模拟技术也得到快速发展，利用计算机技术进行地下水的分析与研究得到广泛应用。

 

  1905 年美国地质调查局在佐治亚、密歇根等地进行人工回灌试验，利用排水井恢复地下水位。1950 年后，W.R.Mill 研究了洛杉矶南端的盆地地下水回灌和废水再利用。1976 年美国科学家 Pyne 首次提出“含水层储水及恢复”（ASR-Aquifer Storage andRecovery）的概念，之后出现一批人工回灌的新方法，使地下水人工回灌工程在很多地区普遍开展。在理论和实验方面都获得较大发展，包括自然条件下入渗量的确定、利用处理后的污水进行回灌、拦蓄雨洪水回灌及回灌水对含水层的生物和水化学影响、利用同位素的方法确定入渗补给速率、回灌对海水和咸水入侵等环境地质问题的恢复作用、回灌水对地下水温度的影响等多个方面。针对人工补给方式、回灌水质、淤塞处理等方5面的试验和论证，美国内华达州的拉斯维加斯流域河谷进行了将处理后的科罗拉多河水注入到深层含水层中的可行性论证，研究地下水与河水混合后方解石的溶解能力变化，并考虑生产井长期注水的性能和使用寿命问题。德克萨斯州的回灌设计考虑到补给水源、储水空间和补给恢复设备等方面的条件，证明入渗盆地比入渗井补给效果更好。1992年加利福尼亚大学 Asano.T 做了关于利用城市废水进行人工补给水质标准的研究，给出了废水的注水标准。

 

  上世纪90年代，澳大利亚Peter J.Dillon在南澳大利亚的Bolivar水厂建设回灌工程，主要研究含水层存储和恢复中水质的变化。勘察后选定灰岩含水层进行回灌，利用暴雨水作水源，在回灌过程中对地下水水质进行监测，以 DOC（Dissolved Organic Carbon，溶解有机碳）为指标，深入分析了回灌井和周边地区在回灌和抽水的各个阶段水质的变化规律。2001 年 Peter 等人对不同的补给方法进行了比较分析，论述选择补给方式时需要考虑的各种影响因素，并应用渗透膜进行淤塞试验。

 

  1950 年之后，荷兰在人口众多的沿海城市开展了大规模的地下水补给工程。目的一是增大供水能力，遏制地下水位的持续下降和控制海水入侵；二是利用廉价的、天然过滤消毒入渗系统提供卫生的水资源。在阿姆斯特丹沙丘地区进行了人工回灌试验，根据其研究成果，1957 阿姆斯特丹供水公司开始利用人工回灌工程防止咸水入侵，把河水经处理后用于回灌，通过沙丘的天然过滤消毒作用净化水。至 1990 年，荷兰地下水的人工补给量达到 1.8 亿 m3/a，96%的水是通过沙丘地区的入渗系统进行补给。目前，荷兰依据保护生态环境的总方针，开始改进设计地表入渗系统，增加井灌补给，减少地表入渗补给，以避免和减少地表补给对生态环境带来不利影响。

 

  1981 年，前苏联首次在阿尔扎马斯有计划的建设人工补给地下水工程。利用已有的渗水装置和地势较高的上游地区蓄水池，积聚地表水补给地下水，使得地下水可开采量大大增加。德国大多选择河道入渗的的人工回灌方式， G.Massman 等人在 Oder河边缘围海造田地区进行地球化学调查，分析河水入渗的地球化学作用。2001 年德国召开两年一届的国际河岸入渗大会，研究入渗速率、水位上升以及有机物的转化等。

 

  相对于国外，我国的人工回灌工程起步较晚。上世纪五十年代中期，石油、纺织等工业部门开始试行深井人工回灌补给，到六、七十年代东部沿海地区开始采用地下水回灌，目的是补给地下水源，缓解供水紧张，并防止地面沉降和海水入侵。1966 年起，上海在中心市区进行管井回灌，有效控制了地面沉降，总结了控制堵塞的经验，尤其在深井回灌方面获得了大量的实际资料，积累了丰富的经验。1965 年，处于华北地区的北京市开始回灌试验研究，选择永定河冲积扇作为试验区，使用多种方法进行回灌，6分别以夏季雨水、冬季河道基流和工业废水为水源，利用平原水库、旧河道、废弃砂石坑以及深井进行回灌试验研究，试验结果表明，利用水库和旧河道进行地下水补给是可行的，并可改善地下水水质。北京市在 1981 年推广深井人工回灌工作，发展较快，后来因为转产、停产、回灌井堵塞、工艺改造等原因，原有的大部分回灌井停灌。目前考虑到回灌影响因素，将水文地质条件较好的北京西郊作为重点的回灌区域开展研究，采用了大口井人工回灌方式模拟研究，表明西郊是建设地下水库的良好场所，可以有效补给地下水。

 

  天津中低温地热资源非常丰富，有关地热开发与保护的研究开展较早。在上世纪70 年代末，分别在大港和塘沽对明化镇组和馆陶组热储层进行了对井回灌、多井回灌数值模拟及回灌理论的研究。对回灌设备、系统工艺、技术方法等初步探索，发现地层吸水指数与回灌水温度成正相关。1997 年做了基岩热储层回灌试验，研究了自然状态下和加压状态下基岩热储层的吸水能力，分析回灌水压力、温度及回灌方式对地层吸水能力的影响。1997 年至 2001 年，进行了回灌条件下热储层压力场、温度场和水化学场的变化规律研究。近几年，天津更是加大了地热资源保护和可持续发展研究，建设了地热资源梯级循环利用工程，采用地板采暖、热泵调峰、自动化监控、回灌等技术，提高地热资源的利用率，地热水的回灌率达到 90%以上，避免了因排放造成的热污染，有效节约了地热资源，减缓了区域水位下降速度。孔隙型热储回灌是一个世界性难题，长期以来没有得到很好解决，回灌难度非常大。2010 年 3 月份天津滨海新区的地热回灌技术研究获得突破，将石油废井射孔改造为新近系地热井，建成一采两灌的地热开发系统，回灌能力达到 100%。这也是天津市新近系孔隙型砂岩热储回灌工作取得的重大突破，属于国内领先技术。当前天津基本上实现“在保护中开发，在开发中保护”、“节能减排、保护环境”的资源政策。另外河南、河北、山东等省也加快了在人工回灌方面的研究步伐。

 

  地下水人工回灌作为水资源开发与保护的一种有效手段，已成为世界范围内重要的地热田生产运行中的一项日常工作，在美国、冰岛、新西兰、意大利、法国、日本等多个国家得到了广泛的应用。在国内，以北京、天津为首的地热水回灌技术研究亦有快速发展。近些年对人工回灌的相关理论研究的区域和深度也逐步扩大，区别于各地不同的地质条件和气候水文条件，人工回灌技术的研究与发展将受到越来越多的关注。

 

  存在的问题开封市地热资源丰富，地热水开发利用程度高，但对地下热水资源进行的保护措施7还不够，地下水位降落速度增加，中心城区已形成了明显的水位降落漏斗区。并且设置的观测井也很少，缺乏相关的持续性水位、水温、水质等观测数据。总之，在现有的条件下，对开封市区超深层地热水进行回灌补源研究是必要的，但研究中也存在以下问题和困难。

 

  （1）开封市区的地热水资源开发目前仍是处于只采不补的状态，尚未对超深层地热水进行过回灌补源，更缺乏回灌的水位、水温、水质等试验或观测数据。无法采用先进的现代数值模拟软件对回灌过程进行模拟，取得的回灌水文地质参数存在一定的误差。

 

  （2）开封市开采的超深层地热水资源主要是蕴藏于新近系松散含水层中的孔隙水，含水层主要由细砂、中砂、粉细砂、粉砂岩等组成。一般来说，在孔隙型热储层中回灌难度大，实际回灌中，需要解决的问题很多。

 

  （3）国内对浅层地下水回灌方面的研究成果较多，而针对超深层地热水的回灌研究相对较少，仅有北京、天津、上海、西安等地开展过深层地热水的回灌试验和回灌工程研究。