干旱地区地下水管理所面临的机遇和挑战

干旱地区地下水管理所面临的机遇和挑战

K·霍华德^[1]

（加拿大多伦多士嘉堡大学地下水研究所，安大略M IC，1A4，多伦多军事路1265号，邮箱:gwater@utsc.utoronto.ca）

【摘　要】地下水是世界上提取最多的资源，也是亚洲“绿色农业革命”的驱动力。目前，超过20亿人的日常供水依靠地下水，数十亿人依靠由地下水灌溉生产的粮食生活。由于全球人口快速增长，现已突破70亿，地下水的需求也正在迅速增长。为此，今后必须制定一些重要的地下水管理制度，尤其在干旱地区，那里的气候干燥，可再生水供给有限，解决方案也较复杂。从根本上说，以可靠的科学原理为基础，有效和负责任地管理可用水资源是一个全球性的挑战。管理的选择虽然有限，但通过明智的含水层补给管理来最大限度地利用水资源，这无疑应成为水资源管理计划的重要组成部分，特别是在地表水的供应趋紧阶段，抓住每一个机会以提高含水层的补给都是十分必要的。近几十年来，“含水层补给管理”（通常被称为MAR），其先进性体现在几乎使每一个含水层都可以开采，并以多余的地表水补给和增加含水层的储量。在缺水的世界干旱地区，这种方法值得推荐。

【关键词】干旱，半干旱，地下水，气候，人工补给，含水层储存，含水层补给管理，MAR

Groundwater Management in Arid Areas－Challenges and Opportunities

Ken Howard

（Groundwater Research Group，University of Toronto Scarborough，1265 Military Trail，Toronto，Ontario M1C 1A4，Canadagwater@utsc.utoronto.ca）

【Abstract】Groundwater is the world’s most extracted raw material and has been the driving force behind Asia’s“green agricultural revolution”.Currently，over 2 billion people rely on groundwater for their daily water supply and billions more depend on food produced on lands irrigated by groundwater.Demand for groundwater is increasing rapidly as the global population grows above the 7 billion mark.In future，many critical ground water management decisions will have to be made and the solutions will be complex，particularly in arid regions where the climate is relative dry and replenishable water supplies are limited.Ultimately，the global challenge is to manage available water resources effectively and responsibly using methods based on sound scientific principles.Choices are clearly limited but a key component of any water resource management program will be to maxi mise the available water resource through judicious management of aquifer recharge.In particular，it is essential that every opportunity be made to enhance aquifer recharge during periods when surface water availability exceeds requirements.In recent decades，artificial recharge technologies，often referred to as MAR（“managed aquifer recharge”），have advanced to the point that virtually every aquifer can exploit excess surface water to augment its storage.This approach is especially recommended in arid regions of the world where aquifer recharge is at a premium.

【Key words】arid；semi－arid；groundwater；climate；artificial recharge；aquifer storage；managed aquifer recharge；MAR

引　言

地下水是世界上提取最多的资源之一（600～700 km³/a），它为2亿多人提供日常用水，为数十亿人提供农田灌溉的重要水源。在亚洲，地下水已成为该地区“绿色农业革命”（Evenson和Gollin，2003年）的驱动力。

从根本上说，有效和负责任地管理地下水是一个全球性的挑战，这种挑战对世界各地来说并不一样。由于世界干旱地区降雨量很少（图1），含水层的补给又非常有限，所以该挑战在干旱区尤显困难。干旱地区（超干旱，干旱和半干旱）占据了地球土地面积约1/3（图2），在一些极干旱地区，含水层的补给接近于零。在这种情况下，所有抽取的地下水均可称之为“化石”地下水，这些地下水是几千年前当多雨气候盛行时留下的。据估计，世界干旱区养活了大约10亿人口，占全球人口的15%。图3显示了世界人均地下水量，表明为维持当地人口的需求，世界各国抽取地下含水层补给的程度。值得注意的是，在亚洲，由于人口密度高，低收益的人均地下水补给尤为突出。在干旱地区，真正的挑战是如何在保持最小的（有时甚至是零）自然含水层补给条件下，保证地下水的充足供应。

1.迎接挑战

保持干旱地区地下水充分供应是一种挑战，这体现在以下几个方面（Howard，2004；Howard and Griffith，2010）:

（1）地下水的“集约利用”。

是指通过地下水“集约利用”，提取比自然补给更多的水，因此它被称为超采或对地下水的“挖掘”，这样将不可避免地会开采“化石”地下水储备，由于“化石”地下水是不可补充的，最终将导致地下水水位的长期下降。在干旱地区集约利用地下水始终是一个重要的选择，如果从科学和经济上经过精心筹划，严格控制地下水的抽采，集约利用地下水将是非常有益的。然而，长远来看，这种方法是不可持续的，并且遗留下一个问题:是否应该不惜任何代价去搞沙漠绿化？以致地下水资源枯竭？因此，开采地下水作为可用水供应，尚需一个明确而又可行的计划。

图1　由世界水文地质测绘项目（WHYMAP）（2007年）分类的从1961到1990期间年平均降水量地图（1∶120000000）
Fig.1　Mean annual precipitation map for the period（1961～1990）as classified by the world hydrogeological mapping program WHYMAP（2007）资料来源（source）:栅格降雨平均值数据组；全球降雨气候中心；奥芬巴赫2007（gridded precipitation normals date set；global precipitation climatology centre；offenbath 2007）降雨量单位:mm/a.

（2）地下水的更有效利用。

如何更有效地利用地下水，办法是有限的。虽然提高灌溉效率可减少对水的需求，例如采用最佳管理实践（BMPS），问题是，由于在干旱区，灌溉中一部分水经渗透又迅速返回到含水层，故对改善灌溉效率帮助甚微。

（3）增加可用地下水的供应

所以，在干旱区保持地下水供应的最好办法是增加可用水的供应，措施有:

①开发新的，未被充分利用的地下水资源；

②再生水的使用（例如，利用污水灌溉）；

③盐水淡化处理（这一直被认为代价很高）；

④人工补给（使用“MAR”的补给管理，即:“含水层补给管理”）。

本文的重点，是把利用含水层补给管理作为一个“机会”以提高干旱地区的可用地下水供应。

2.把人工补给（MAR）作为有效手段用于增加地下水的储存

2.1　什么是地下水人工补给

地下水人工补给（MAR），是指为恢复地下水并维护环境效益，有目的地把水回灌到含水层（Dillon etal.，2009），称为地下水的“人工补给”（Peters etal.，1998）或地下水的

“补给增加法”，它为含水层（世界最大的地下水库）的最佳利用，开创了有利条件（Foster，2002；Tuinh of and Heederik，2002）。在干旱地区，使用MAR的主要目的是:

·为地下含水层蓄水以供今后使用；

·恢复和提高已被过度开采的地下水含水层水位，并使之稳定；

·最大限度地减少（或消除）蒸发损失；

·控制盐水入侵或地面沉降。

2.2　地下水人工补给的水源

MAR（“含水层补给管理”）适用于广泛存在的潜在水资源，包括:雨水、再生水（处理后的污水）、自来水，淡化海水等。在某些情况下，它也有可能是来自其他地下含水层。在进行补给前应对补给水作适当的预处理；在有些情况下，当地下水恢复后，还有必要作后续处理（图4）。这种水可用于饮用水、工业用水、灌溉水、冲洗厕所等，并在供水紧缺时确保生态环境的可持续性。

图4　使用MAR的典型水源，获取及预处理方法的总结图（MF是微滤，GAC是粒状活性炭过滤，DAFF溶气浮选、过滤，RO是反渗透）除饮用水之外，无需作后续处理（From Dillon etal.，2009）
Fig.4　Summary of typical sources of water，methods of capture and pre－treatment for MAR（MF ismicrofiltration，GAC is granular activated carbon filtration，DAFF is dissolved air flotation and filtration，RO is reverse osmosis）.No post－treatment is required except for drinking water.（From Dillon etal.，2009）

地表降水和河水通常是MAR的主要来源。然而，这两个源头往往会导致一些问题:作为降水，首要关注的是其高度变化的化学和细菌含量（表1）；被污染的地面包括:流域内有害的大气沉降，路面上的油和金属，建筑垃圾，工业废水，动物粪便，腐烂的植被，草坪和公园绿地所用的化学药品，化粪池渗漏及乱抛弃的垃圾等。这些问题在一定程度上，可以通过以下措施减少:

·在降水初始阶段（即“第一次冲刷”），应避免雨水产生径流，因为在此期间降水积累的污染物浓度通常是最高的。

·将重点放在屋顶由降水所产生的径流（即“雨水收集”——见下文），该径流通常只含有低含量的污染物。

·采用一些可避免降水污染的预处理水平的渗透技术，例如采用“油阀”去除不良混合液体。

表1　降水污染物造成地下水污染的可能性（Pitt et al.，1996；Pitt et al.，1999）

Table 1　Groundwater contamination potential for storm water pollutants

续表

河水还可携带高污染物，尤其是在高度工业化的地区。然而，大家更关心的是存在悬浮沉积物的河水，如果河水直接进入补给设备，很可能会导致严重堵塞。通常情况下，可采用渗滤池促使沉积物沉降，以减轻堵塞问题。然而，渗滤池也很少能完全有效，尤其是对于一些更细粒度的淤泥和黏土，它们往往会造成潜在的堵塞；再者，这些设备需要长期维护，所以，在渗滤池设计阶段就必须认真考虑渗滤效果。霍华德等人进行的实验室柱体实验（2007年）（图5和图6）表明，堵塞往往局限于柱体的上部几厘米，而由植被（如草）覆盖的渗滤池可以减少堵塞问题，这可能是因为植被根系的存在，保持了地表和包气带之间的连接。

图5　霍华德等（2007年）用于调查由于雨水渗透造成堵塞可能性的实验室柱体实验

Fig.5　Laboratory column experiments by Howard et al.（2007）conducted to investigate the potential of clogging due to the infiltration of storm water

鉴于世界人口迅速增长，用废水补给地下含水层是最佳选择之一，如:

·使用处理后的污水（Sharp，1997）；

·使用微处理后的“灰水”（来自于洗衣机、水槽和浴缸的废水），这种水经处理后已隔离了高含氮及细菌丰富的“黑水”（人类排泄物）。

图6　由雨水渗透造成的堵塞与时间函数入渗率关系的实验室实验（霍华德等2007年）（控制补给的柱体B1用的是脱气的洁净水，而B2、B3、B4和B5用的是含有少量沉积物的雨水。只有柱体B5覆盖有能控制水流量的草植被）
Fig.6　Infiltration rates as a function of time during laboratory experiments conducted by Howard et al.（2007）（The control column B1 was recharged with clean de－aired water while B2，B3，B4 and B5 wererecharged with storm water containing small amounts of sediment.Only column B5，which was vegetated with grass，maintained its flow rate）

使用废水补给地下含水层，其前景在几十年前已被认识到（例如Schicht，1971）。不幸的是，废水的渗透会对地下水的质量造成严重的威胁，因此需要一个有效的预处理过程。这涉及很多因素，并取决于废水的来源，例如是工业还是家庭废水。使用再生水的根本障碍是要获得公众的接受，然而，需要指出，被认可的来自化粪池系统和无衬砌污水泻湖的废水，已是一个显著“失控”的世界含水层补给源，为此，特别是在低收入国家，应适当地、有规范地将处理过的废水渗透到地下含水层，这将始终是一个最好的选择。除了公共舆论之外，使用废水补给含水层的主要障碍是与管道、抽水站、废物处理设施建设相关的投资成本。

3.NSA技术

应用MAR（“含水层补给管理”）技术，需要考虑满足以下条件（Dillon et al.，2009）:

·具有充足的回收水满足补给的需求；

·具有充足水源进行补给；

·具有合适的含水层，以便在其中存储和恢复地下水；

·具有足够的土地，以便进行灌溉并取得收获；

·拥有有效地管理一个项目的机构并具备管理能力。

MAR技术是多种多样的和不断变化的，这取决于当地的含水层条件、水源的性质和可用性。最常见的方法如图7（modified after Dillon，2005 and Dillon etal.，2009），一般包括以下内容:

（1）打井技术:利用一个开口井引进并注入补给水。ASR法，恢复含水层储存补给水时，注入和恢复是通过同一个井进行（图7a）；ASTR法，含水层补给水的储存、运转和恢复（图7b），水的注入和恢复是在不同的井里进行的，ASTR延长了注入水的停留时间，从而为处理自然水质提供了有利条件。

在大量使用水，造成地下水位埋深下降较深的地区，水的补给是通过干井（图7c）引进的。钻孔方法的一个变种，是构建与浅回灌井相连的浅埋沟（包括聚乙烯管或开槽管），通过这些“渗透长廊”（图7g），使水能够进入包气带，并渗透到地下水分布区，从而提高了补给水的效率。

（2）储存过滤方法:指的是从水井或安装在毗邻河流或湖泊下方的沉箱里抽取地下水（图7f）。抽水过程中地下水渗漏到含水层里，并渗流入井中。在传输过程中，过滤器过滤了悬浮泥沙，使带有化学成分和细菌的水质得以改善。

（3）水的补给方法是利用各种尺寸和形状的渗透池（图7i）。最简单的渗透池，就是引入过量雨水至可渗透的大片土地。在沿海地区，利用沙层里沙粒的滚动可以获得类似的效果，其原理是将水引进海拔高处，通过水在地表的流动返回到海拔低处，同时水质也得以恢复。

（4）土壤含水层处理（SAT）（图7j），是指使用渗滤池使处理后的污水回灌含水层，在渗滤和随后的运移过程中，去除了所有剩余的固体悬浮物和微生物，通过脱氮法去除了有害的氮，并通过生物过程降低了可溶解有机碳的浓度；同时水中的磷酸盐和金属也被滤掉，但仍保留在土壤和沉积物中。

（5）筑坝蓄水法，包括:在低处的大坝或围堤（图7d），漏水的水坝和泄流补给（图7m），沙储水坝（图71），地下水坝（图7k）等之后所建的渗透池（或水箱）。这些方法通常只用在水流短时间流动的临时小水道上，或应对紧急降雨事件。建筑上述这些设施，目的是为了蓄留洪水，随后通过各种机制将这些水释放出来以补给含水层。

（6）雨水蓄积（图7e），一般涉情况下，将质量好的雨水从不透水的屋顶，经集雨装置转移到水井、水坑或装满沙子沉箱中，然后渗透到地下含水层。在人口稠密的城市地区，这是一个有价值的提高含水层水量的补给方法。

图7　MAR技术示意图（继Dillon 2005年和Dillon等2009年之后的修改）

Fig.7　Schematic representation of MAR techniques（modified after Dillon，2005 and Dillon et al.，2009）.

4.结论

在干旱环境下地下水资源管理是一个极其艰巨的挑战。虽然管理的选择有限，但通过科学地管理含水层补给，从而最大限度地利用可用水资源，这是任何一个水资源管理规划的重要组成部分，特别是在地表水的供应超过需求的时期，提高含水层补给的每一个机会都是必要的。近几十年来，人工补给技术，通常称为MAR（“含水层补给管理”），其先进性体现在:设法将多余的地表水增加含水层储量，使每一个含水层都可以开采。如果应用MAR深入地开展研究，合理地计划并很好地执行，那么，对提高现有的水供应显然是十分有价值的手段。在含水层补给相当珍贵的世界干旱地区，这种方法尤其值得推荐。

致谢

在这里，我要特别感谢国际水文地质学家协会负责含水层补给方面的Peter Dillon博士和他的同事，在过去的20年里，他们出色的工作为此稿提供了重要的资料来源；我也要感谢Karina Howard，她对稿件的编辑提出了宝贵意见；同时感谢渥太华自然科学和工程研究委员会，为我的研究提供资金帮助。

（英译中:付恒阳，中译英:付恒阳）

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【注释】

[1]作者简介:K·霍华德，加拿大多伦多士嘉堡大学地下水研究所教授，国际水文地质学家协会（IAH）副主席。