河北省深層地下水回補研究

李新旺，馬素英，劉 淼，付銀環，徐宏斌，趙雪朋

（1.河北省水利科學研究院，050057，石家莊；2.河北省地質礦產勘查開發局第四水文工程地質大隊，061000，滄州；3.河北省地質礦產勘查開發局第三水文工程地質大隊，053000，衡水）

黨中央、國務院高度重視華北地區地下水超采問題。2014 年，財政部、水利部等四部委在河北省啟動了全國首個省級地下水超采綜合治理試點。2014年以來，河北省積極推進地下水超采綜合治理工作，累計壓減地下水超采量59.7 億m3，治理效果明顯。然而，地下水超采是長期累積形成的生態環境問題，在通過“節、引、調、補、蓄、管”等措施將地下水開采量壓減到合理范圍，初步實現區域地下水采補動態平衡和扭轉水位持續下降態勢后，如何修復歷史虧空，促進地下水水位逐步恢復到歷史健康水位，緩解地面沉降和海水入侵，是地下水超采綜合治理后續階段的重要課題。2019—2022年，河北省按照《華北地區地下水超采綜合治理行動方案》安排，先期開展河湖地下水回補試點，累計回補量達到102.2億m3，主要補水河道周邊范圍內淺層地下水水位較回補前同期平均回升3.69 m，補水河流兩側平均最大影響距離達到12.7 km，邢臺百泉等泉眼斷流約30 年后相繼復涌。2023 年水利部印發《華北地區地下水超采綜合治理實施方案（2023—2025年）》，在現有淺層地下水回補成果的基礎上，確定河北省作為深層地下水回補試點，在補徑排機理、防堵增滲關鍵技術、回補長效機制等方面開展試驗研究，探索減緩地面沉降、控制地下水水位降落漏斗、解決海（咸）水入侵問題的新路徑新方法，為下一步成果推廣提供科學儲備。

一、國內外地下水回補相關案例

18世紀末至19世紀初，一些發達國家為改善地下水資源狀況、緩解地下水枯竭和地下水超采引起的海水入侵等問題，開始了地下水人工回補研究。如荷蘭阿姆斯特丹供水公司自1957 年起通過人工回補抬高地下水水位防治海水入侵，同時為該市提供了60%的生活飲用水；美國加州有70 個水管理機構使用500 座回補設施開展地下水水位回補工程，共補給地下水62億m3。目前，發達國家通過人工補給增加的地下水儲備量已占到地下水利用總量的20%～30%。我國地下水人工回補研究大約經歷了50年的歷程，其研究源于地面沉降問題。上海是國內最早開展地下水人工回補的城市之一，利用深井回補來控制地面沉降問題已有顯著成效；陜西西安建設了15 個地下水回補示范點，通過14年的回補，對抬升區域地下水水位、緩解地面沉降、抑制地裂縫的發展有一定效果；北京市選擇永定河沖積扇作為試驗區，以夏季雨水、冬季河道基流和工業廢水為水源，利用深井進行回補試驗研究，在增加地下水資源量和改善地下水水質方面取得了顯著效果；河北滄州為有效控制地面沉降和涵養地下水資源，在滄州市海洋與漁業局（原滄州市地面沉降監測中心）院內建設地下水回補試驗場，連續3年開展了3期回補試驗，試驗結果表明深層水回補對分層標沉降控制作用明顯，在回補水位抬升期，沉降基本停止或有微弱回彈。

二、深層地下水回補主要難點

1.深層水回補作用機理尚不清晰

明晰深層水回補的作用機理，定量刻畫人類活動影響下深層地下水系統的補給運移規律，是系統性開展深層地下水人工回補的基礎前提。近年來對于地下水回補的研究主要集中在回補效率影響因素、回補堵塞問題解決、回補對地下水環境的影響等方面，而對回補作用下地下水動力場、水化學場演變機理的研究，多數是為解決地熱或礦產開采過程中產生礦井水、地熱尾水利用問題而開展。許勇以開放式的西安市三橋惠森公司地熱采灌對井為研究對象，建立了新近系上新統藍田-灞河組深層孔隙型含水層地熱尾水回灌數值模型，并結合硫氰酸銨示蹤劑對深層水溶質運移進行模擬；趙春虎等人以鄂爾多斯某礦井深層回補井為研究對象，定量研究了三疊系劉家溝組裂隙型含水巖組礦井水回補過程水動力-溶質時空變化規律。對于第四系深層地下水回補作用機理的研究，大多局限于室內試驗及小范圍室外試驗，具有回補規模小、回補歷時短等特點，研究結果多為回補量與含水層滲透系數、含水層厚度、水位埋深、回補壓力等的定量關系，而回補條件下地下水流場變化及溶質運移轉化機理研究尚未形成體系?；A理論體系的缺失，對應用層面開展第四系深層水回補的規劃布局、工程設計等產生了不利影響。

2.深層水回補開展存在技術障礙

通過分析國內外地下水回補相關試驗案例發現，當前在地下水回補實踐中仍存在一些技術障礙，特別是回補井堵塞問題，在深層水和淺層水回補過程中均較為突出。截止到2018年，天津市共有721口地熱井、235口回補井（其中基巖熱儲回補井163口、砂巖熱儲回補井72 口），回補量占開采量的12.4%，回補井堵塞是造成回補量有限的主要問題；美國馬里蘭州207 個地表雨洪回補系統中，有33%運行不足兩年就因堵塞而報廢，到第6年因堵塞無法運行的已達50%；2013—2019年，Bloetscher對美國ASR站點調查分析，站點堵塞率基本在14%左右，且堵塞站點數量逐年增加。除了上述常見的回補井堵塞問題，在回補進程中，含水層滲透性發生改變，也會導致回補效率下降，尤其在粉細砂含水層中較為常見。

目前，對于地下水回補系統的堵塞緩解方法有機械洗井、氣舉法、高速噴射洗井等10 多種。2011 年至今，吉林大學地下水人工補給實驗室圍繞地下水人工回補堵塞及相關的水質和滲流問題開展了系列研究，國內外地熱井、氣井、油井的解堵技術已積累了部分典型經驗。但現有研究只能緩解堵塞發展進程，無法達到根除目的，主要原因有幾方面：一是堵塞原因難查明，堵塞常常發生在深井的井壁或濾料中，難于直觀地查明堵塞類型、程度及演化機理；二是堵塞物質難去除，實際發生的堵塞多為復合型，單靠洗井方法不足以完全去除；三是關鍵技術不成熟，成井工藝、水質、壓力等因素均會影響堵塞發生進程。高頻發生的堵塞問題，對深層水回補工作的長效和可持續運行造成了較大風險隱患。

3.深層水回補實施經濟成本偏高

三、河北省深層地下水回補試點進展

1.堅持系統思維,明確研究內容

深刻認識深層地下水回補試點的政治性、艱巨性、挑戰性，立足河北省實際，聚焦解決地面沉降、海水入侵等方面問題，統籌歷史與現實、表象與實質、近期與長遠、局部與整體，找準發力點，通過試點研究，回答解決河北及華北地區深層地下水能不能回補、在哪里回補、用什么水回補、怎么樣回補和由誰來回補等一系列科學技術問題，研究提出包含可行最優的回補時間、回補區域、回補方式、回補水質、回補設備、回補施工和回補效果等一整套技術方法體系，最后探索總結出一套包括從政府到市場、從政策到資金、從水源到調度、從規劃到建設、從實施到運維等一攬子高效有力的組織保障體系，形成機理清晰、作用明確、技術先進、管理規范、保障有力、成效顯著的深層水安全回補支撐體系。

2.堅持問題導向,確定試驗方案

按照水利部統一部署，聚焦減緩地面沉降、解決海水入侵、控制地下水水位降落漏斗三大問題，河北省全面啟動深層地下水回補試點工作，因地制宜、科學規劃試驗場站布局（見圖1）。在全省地面沉降代表性地區的滄州市城區建設運河區試驗場，重點突破深層水回補抵御地面沉降機制研究；在近年來地處華北深層地下水漏斗區的衡水市建設桃城區侯莊試驗場和阜城縣常村試驗場，重點突破水資源供需矛盾突出地區通過深層水回補控制和修復地下水漏斗機理研究；在位于渤海沿岸存在海（咸）水入侵和深層水超采雙重影響疊加的唐山市樂亭縣建設樂亭試驗場，重點開展通過深層地下水回補形成地下水壓力帷幕抵御海水入侵可行性前沿探索。在具體試驗場選擇中，通過綜合考慮水源便利性、試驗便捷性和經濟高效性等原則，依托機關單位和鄉村供水站等國有機構現有場地，避免了因土地征遷帶來的項目不確定性。

圖1 河北省深層地下水回補試驗場布局

（1）滄州市試驗場

滄州市運河區試驗場位于滄州市運河區迎賓大道原滄州市地面沉降監測中心院內，處于滄縣深層地下水降落漏斗中心位置，占地面積20余畝（1畝=1/15 hm2，下同），平面布置如圖2所示。該試驗場于2019年建成，2019—2021年間，河北省地礦局第四水文工程地質大隊分批次開展了深層地下水回補觀測試驗，2021年項目結束后未再進行回補試驗，僅開展常規觀測。

圖2 滄州市運河區試驗場平面布置

運河區試驗場現有回補井2眼，井深分別為285 m和395 m，井徑均為340 mm，目標回補層位分別為第Ⅲ1含水組和第Ⅲ2含水組；在觀測系統方面，試驗場原有分層標監測井5眼、孔隙水壓力監測井1眼和一孔多層水位監測井1 眼。為進一步完善回補監測體系，本次試點在原有井位基礎上，新增地下水水位監測井2眼（同時具備回補功能），井深分別為285 m和400 m，目標段分別為第Ⅲ1含水組和第Ⅲ2含水組。11眼回補井和監測井中，4眼配置水位、水溫和電導率三參數監測設備，其余7眼配備水位和水溫兩參數監測設備。

運河區試驗場采用城市生活飲用水供水管網的自來水作為回補水源，經水質對比分析，回補水源水質指標優于回補區內的深層地下水水質。

2023年，運河區試驗場分兩期累計開展回補試驗140 天，累計回補量40 067 m3，平均每小時回補量12 m3，最高回補速率達到23 m3/h。2024年，運河試驗場擬開展以下試驗內容：①回補試驗，總時長5個月，包括1.5個月的變流量回補試驗和3.5個月的定流量回補試驗，其中變流量回補試驗又包括0.5 個月的Ⅲ2組單井變流量回補實驗和1個月的Ⅲ1組雙井變流量回補試驗；②示蹤試驗，在定流量回補試驗的第一個月和最后一個月，分別在回補井內投放示蹤劑，研究地下水流向、流速和水力聯系情況；③抽水試驗，在變流量回補試驗開始前和示蹤試驗結束后分別開展一次雙孔3落程穩定流抽水試驗，獲取含水層水文地質參數，預計時長1個月。

本試驗所用試樣的砂骨架孔隙比如表2所示.試驗所用砂的最大孔隙比emax=0.96,由表2中在純水條件下的數據可知,試樣的砂骨架孔隙比均大于砂的最大孔隙比.由此可以說明本試驗的3種摻砂率混合物中都沒有砂顆粒之間的全面接觸.圖5為混合物試樣中砂與膨潤土顆粒的分布情況,可見砂顆粒懸浮在膨潤土之間,混合物試樣剪切強度絕大部分由膨潤土承擔.

（2）衡水市試驗場

衡水市試驗場包括桃城區侯莊試驗場和阜城縣常村試驗場2個試驗單元，通過有壓、無壓和同井徑不同填礫厚度等設計試驗條件下的回補監測，聯合開展區域地下水動力場和水化學場演變規律及機理研究、地下水流數值模型研究、地下水回補堵塞機理研究、地下水滲流與土體變形三維耦合數值模型研究、抽水和回補作用下土力學參數和變化特征研究、地下水回補效果評估研究、地下水回補長效運行機制研究和深層地下水回補標準體系研究等內容。

①桃城區侯莊試驗場位于衡水市水利局下轄的桃城區侯莊分流站，占地面積約17畝，處于冀棗衡深層地下水漏斗區上游，主要試驗目標層位為第Ⅲ含水組，同時兼顧第Ⅳ含水組回補研究（見圖3）。

圖3 衡水市桃城區侯莊試驗場布局示意

試驗場按照“一”字形布設回補井4眼，其中第Ⅲ含水組布設回補井3眼，井深380 m，第Ⅳ含水組布設回補井1 眼，井深450 m；按照“十”字形布設與回補井等深的監測井35眼，其中第Ⅲ含水組布設監測井31眼，第Ⅳ含水組布設監測井4 眼，布置分層標4 眼（地面標及第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ含水組分層標）。

試驗場配置有自動化回補和監測系統?；匮a系統包括水源取水系統、水質凈化系統和灌排系統：水源取水系統主要包括從供水管道接至水質凈化系統的管道及相關設備，水質凈化系統包括精細黏附過濾、負壓排氣釜電子防垢儀等，灌排系統主要包括抽水泵、計量裝置、控制裝置等。自動化監測系統包括水位自動監測系統和分層標組自動監測系統：布署在回補井及監測井內的水位自動監測系統包括水位和水溫測量傳感器、水質自動監測儀、配套無線數據采集器和供電系統；分層標組自動監測系統由多個JS-2型靜力水準儀組成，形成一套多節點沉降監測系統。

試驗場回補水源采用南水北調凈水廠外供的農村供水站自來水。

②阜城縣常村試驗場位于阜城縣水利局下轄的連村閘管理所，占地面積約2.5畝，處于冀棗衡深層地下水漏斗區下游底部盆底，試驗目標層位為第Ⅲ含水組（見圖4）。

圖4 衡水市阜城常村試驗場布局示意

試驗場共布置第Ⅲ含水組回補井2眼，井深310 m；共布設與回補井等深的監測井15眼，布置分層標3眼（地面標及第Ⅱ、Ⅲ含水組分層標）。

試驗場試驗設備配置與侯莊試驗場相同，回補水源同樣采用南水北調凈水廠外供的農村供水站自來水。

（3）唐山市樂亭試驗場

唐山市樂亭試驗場位于河北省屬國資企業樂亭縣唐山浩淼供水有限公司凈水廠院內，占地約335畝，試驗目標層位為第Ⅲ含水組。試驗場位于唐山市2023年度海（咸）入侵調查和監測項目區范圍內，試驗場南北方各有一條海水入侵情況動態監測剖面，每條剖面各設置有自動化監測站6處，站間平均間距3.5 km（見圖5）。

圖5 唐山市樂亭試驗場布局示意

試驗場共布設回補監測兩用井4眼，井深300 m，同時布設與回補井等深的專用監測井5眼。新建監測井全部配套安裝投入式、免試劑、多參數的地下水自動監測設備，包括水位水溫傳感器、水質分析儀、數據采集傳輸單元和供電系統等組成部分，可現場原位連續自動監測水位、水溫和水質情況。

試驗場回補水源為城鎮公共供水企業地表水源，經采樣化驗和水質對比分析，回補水源水質指標優于回補區內的深層地下水水質。

樂亭試驗場啟動后，重點監測回補后的地下水水位、地下水環境數據（水溫、DO、ORP、EC、pH等）以及多層水位和Cl-濃度數據，研判含水層回補后海水入侵范圍和淺層咸水越流補給變化趨勢。結合項目區已建成的海水入侵監測站網體系和2024年即將完成的縣域深層取水井在線計量監測全覆蓋站網體系，在整理分析回補區水文地質、地下水水位、供用水等相關資料的基礎上，構建研究區地下水流和水質數值模型，基于模型對深層水回補緩解海水入侵情況進行評估，并提出后續建設建議。

3.堅持目標導向，合理工作進度

按照水利部關于“試點堅持科研定位、試驗定位，通過科研試驗，分析規律、總結經驗，盡快實現深層水回補技術世界領先，為下一步推廣打好基礎”的工作要求，河北省計劃于2024年完成4處試驗場研究環境構建，開展相關回補試驗，形成初步試驗成果。

截至2024年3月底，滄州試驗場已完成回補取水開戶、供水價格調整、回補管道改造、水位監測設備更新等工作，啟動第三期回補試驗；衡水試驗場已完成阜城縣和桃城區2處試驗場供水線路地下管線物探測量和供水線路地下危險源排查、4眼回補井的鉆探取芯工作；唐山市試驗場已完成前期工作并啟動采購程序。

四、小結與建議

開展深層地下水人工回補試點工作是華北地區地下水超采綜合治理的現實需求。2014年以來，我國在京津冀地區實施了地下水超采綜合治理，地下水水位逐年下降的趨勢已經得到遏制和扭轉，取得了良好成效。但華北地區水資源嚴重短缺及地下水嚴重虧空的局面沒有根本改變，特別是深層地下水降落漏斗依然大規模存在。通過試點，探索控制地下水水位降落漏斗、減緩地面沉降速度、解決海(咸)水入侵問題的新途徑、新方法，對提升地下水戰略儲備能力、改善區域水資源狀況、保障區域水安全具有重要意義。

牢牢把握回補試點工作定位。深層水回補具有原型試驗和科研項目雙重定位，要將回補試點作為開放式研究平臺，圍繞試驗規模、范圍、管理等多個方面配備高水平科研力量，面向地下水治理前沿技術，圍繞深層水回補的典型性、機理、規律等開展多方位研究，解決破解“卡脖子”難題。要及時分析規律、總結經驗，推進回補試點體系化研究成果形成，為下一步相關技術成果推廣提供科學儲備。

抓實抓好試點各環節工作。深層水回補要科學布設監測站網，合理確定監測項目、頻次，做好數據收集處理，精確掌握第一手資料，確保監測數據滿足回補影響分析和科研需求。加強回補工程施工管理，細化工作環節，確保工程質量和運行安全。認真落實回補試驗技術要求，及時分析不同回補設施、工藝、方式等對回補能力的影響，以及地下水水位、儲量、地面沉降變化等情況。探索建立回補水源保障、水價控制、項目建設運行模式、監督管理等政策機制。加快地下水回補試驗建模，結合大數據、數字孿生技術、人工智能等信息技術，逐步提升回補工作數字化、智能化水平。