综述：人为地下水补给对地下水环境的多方面影响：综述

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：The multi-faceted impacts of anthropogenic groundwater recharge on groundwater environment: A review

人工回灌（AGR）通过水文、水文化学和生物过程的耦合机制显著改善地下水储量与水质，但可能引发污染物迁移和生物堵塞风险。全球案例研究表明AGR能有效提升水位、遏制地面沉降和海水入侵，并优化水质参数。当前研究需加强新兴污染物在场地中的迁移规律及表层滞留物淋溶机制的系统研究，建议构建动态监测与优化模型，实施水源与表层滞留物协同控制，建立综合效益评估框架。

　　

陈柯|曾宪江|郝启晨|杨慧峰|孟瑞芳|孙振洲|金忠浩

中国地质科学院水文地质与环境地质研究所，厦门，361021，中国

摘要

人工地下水补给（AGR）已成为全球应对地下水过度开采的关键策略。本文通过三个相互关联的机制综合分析了AGR对地下水环境的多方面影响：控制水分再分配的水文过程、驱动水质演变的水化学过程以及调节生物地球化学转化的生物过程。通过整合全球案例研究（例如中国的南水北调工程、加利福尼亚州的州水资源项目以及巴基斯坦的印度河流域灌溉系统），我们证明了AGR在恢复地下水位、减轻地面沉降和海水入侵以及改善水质参数（如硬度 and 盐分含量）方面具有显著效果。然而，它也带来了风险，如补给水源带来的新污染物、含水层中地质污染物的迁移（例如砷、铁和氟）以及非饱和带中人为污染物的迁移（例如氮肥），以及生物堵塞现象。目前的研究还存在一些空白，特别是在新污染物的野外归趋和非饱和带残留物的渗漏方面。我们建议未来的AGR管理应利用监测网络和建模进行动态优化，加强水源和非饱和带的控制，并采用全面的效益评估框架来支持决策制定。这一综合研究为水资源短缺地区的AGR策略优化提供了重要的见解。

引言

地下水是超过20亿人的重要饮用水来源，也是农业灌溉的基石，但目前正面临前所未有的全球性危机。长期的过度开采导致其储量急剧下降[1]，[2]，引发了一系列严重的生态环境问题（例如植被退化、河流消失和湖泊萎缩）[3]，[4]，以及地质灾害（例如地面沉降、地面裂缝和海水入侵）[5]，[6]，[7]。这一全球性挑战需要有效且可持续的缓解策略。

在这种情况下，人工地下水补给（AGR）已成为全球区域水资源管理和生态恢复的核心策略之一。与传统的人工井内补给相比，AGR的成本更低[8]，它通过水库放水[9]、再生水[10]、[11]和跨流域调水[12]，[13]等方式，将地表水系统（如河流、湖泊和湿地）有目的地补充到过度开采的地区，使地表水自然渗透并补给含水层[13]，[14]，[15]。不可否认，AGR带来了显著的好处，直接增加了水资源的可用性[16]，[17]，[18]，减轻了地质灾害[19]，[20]，[21]，恢复了受损的生态系统[22]，[23]，并调节了局部气候[24]。重大的AGR项目，如中国的南水北调工程（SNWD）和黄河调水工程（YRD）、美国的中央谷地项目（CV）、巴基斯坦的印度河流域灌溉系统[27]以及以色列的国家供水系统[28]，已成为区域水资源安全和生态恢复的支柱。

然而，尽管AGR解决了“数量”危机，但其对地下水“质量”和环境的复杂影响仍是一个具有挑战性且尚未完全理解的研究领域[11]，[13]，[29]。补给水的化学组成和非饱和带[30]，[31]，[32]，补给过程中引起的剧烈水文地球化学条件变化[13]，以及由此产生的微生物群落响应[33]，[34]共同构成了一个复杂的过程相互作用体系，其综合效应仍然难以预测。这一过程可以通过非饱和带的过滤[35]、稀释污染物[36]或促进反硝化作用[37]来改善水质，但也可能成为污染物的传输途径[30]，[38]，甚至可能激活含水层中天然存在的“化学定时炸弹”，包括砷（As）、氟（F）和锰（Mn）[39]，[40]。当前的研究往往关注单一过程或短期效应[11]，缺乏综合水文、水化学和生物过程的视角来全面评估AGR的总体环境影响。

因此，本综述旨在填补这一关键空白，提供一个全面的框架来理解AGR对地下水环境的多维度影响。它将系统地：（1）分析AGR过程中涉及的水文、水化学和生物过程的关键耦合机制和途径；（2）综合其积极的生态效应和潜在的环境风险；（3）识别当前的研究局限，并提出未来的研究重点和管理策略。通过这一系统的综合分析，我们旨在为AGR项目的合理规划、风险管理和可持续运营提供坚实的科学基础，确保这一关键策略在解决资源危机的同时保护和改善我们宝贵的地下水资源。

章节摘录

影响地下水的主要途径和机制

AGR通过水文、水化学和生物过程影响地下水（图1）。水文过程实现水量的输入和分配；水化学过程控制水质的演变和变化；生物过程则进行深度净化和调节。这些过程紧密耦合：水文条件决定了化学反应的发生位置和持续时间[11]；由此产生的化学环境

提高地下水位

AGR是一种有效的提高区域地下水位策略（图2），这一点在中国北方平原尤为明显，该地区是全球地下水最匮乏的地区之一。通过大规模的AGR（例如，2014年至2020年间南水北调工程输送了494亿立方米的水[63]）和对该地区地下水过度开采的综合管理，2015-2018年间地下水储量的恢复趋势为每年1.8毫米[64]，地下水位平均有所上升

AGR对地下水环境的潜在风险

虽然生态补水在恢复流域生态和提高地下水位方面显示出显著效益，但其潜在的污染风险需要谨慎考虑。这些风险主要来源于补给水本身携带的污染物、二次污染、污染物羽流迁移和生物堵塞（图3）。

AGR的未来前景

如前所述，关于AGR对地下水环境影响的研究已经取得了显著进展。然而，随着AGR实践的扩展和深化，许多复杂的科学问题和技术挑战逐渐浮现。基于现有研究的不足和未来的发展需求，本章提出了四个关键的研究方向：深入理解其机制、克服监测瓶颈

控制AGR水源的水质

水源的质量直接决定了AGR的环境风险和生态效应，因此必须在源头严格控制（图5）。根据不同的水文地质条件和生态恢复目标，应制定差异化的AGR水质标准，对盐度[97]、硝酸盐[11]、[37]、重金属[40]、[55]和持久性有机污染物[38]等关键指标实施严格的准入管理。同时，还需要进行有针对性的预处理

结论

本综述通过建立一个综合的水文-水化学-生物框架，系统地捕捉了AGR环境影响的全部复杂性，从而加深了对AGR的理解。与以往仅关注水文效益或特定污染风险的综述不同，本研究提供了这三个相互关联机制的全面综合。我们系统地对比了AGR的双重性质：虽然它有效地恢复了

作者贡献声明

金忠浩： 数据整理。孙振洲： 数据整理。陈柯： 写作——初稿。杨慧峰： 写作——审阅与编辑。孟瑞芳： 数据整理。曾宪江： 写作——初稿。郝启晨： 写作——审阅与编辑

未引用参考文献

[73]。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（U2244214）、中国地质科学院水文地质与环境地质研究所的基础研究基金（SK202520）以及中国国家重点研发计划（2024YFC3211600）的资助。