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　　摘要：全球人口增长、资源短缺、环境污染等给人类发展带来前所未有的挑战，尤其是作为“生命之源、生产之要、生态之基”的水资源，面临着地球浅表部水资源短缺、水污染未有效控制、地下水位下降等突出问题，而地球深部水资源却极为丰富。围绕“向地球深部进军”的国家战略，以解决地表水资源短缺、地下水资源可持续开发利用以及为地下空间利用提供水资源保障为目标，将传统地表水利工程向地下发展，实施地下水利工程战略，提出地下水利工程的内涵与开发原则，凝练深部地下水补给、赋存与运移规律、地下水资源的工程调控、地下水利工程安全保障三大关键科学问题，以及地下水廊、地下水库、地下水网与蓄调水、地下水位调控、地下水体储能与发电和地下水生态环境监测、保护与修复等核心关键技术。以上战略构想和相应关键技术有望为地下空间绿色利用、国家生态文明建设等提供解决思路。

　　关键词：水利工程;地下水廊;地下水库;地下水网;地下水位调控;地下储能;地下水生态环境

　　1引言

　　水是基础性的自然资源，也是生态环境的控制性要素。地球表面70%被水覆盖，水量极为丰富，但能直接被人类生产和生活所利用的比例却极低，淡水仅占总水量的2.5%，且70%的淡水固定在南极和格陵兰的冰层中，加上部分以高山冰川和永冻积雪的形式存在，真正能直接利用的淡水资源仅占地球总水量的0.26%。同时，全球淡水资源的地区分布极不平衡，巴西、俄罗斯、加拿大、中国、美国、印度尼西亚、印度、哥伦比亚和刚果等9个国家的淡水资源占了世界淡水资源的60%，约占世界人口总数40%的80个国家和地区约15亿人口淡水不足，其中26个国家约3亿人极度缺水(见图1)。当前，全球2/3的人口生活在缺水地区，大约有5亿人生活在水资源消费量占水资源再生2倍的区域，该区域生态环境极度脆弱，地下水呈持续减少的态势，迫切需要寻找可替代的水资源以满足需求[1]。

　　推荐期刊：《水利规划与设计》是水利部主管、水利部水利水电规划设计总院主办的具有前瞻性、科学性、指导性的综合科技期刊。为水利及农业、林业、国土、城建、环保等相关行业领导、专家、工程技术与科研工作者、大专院校师生服务。

　　我国水资源总量为32466.4亿m3，其中，地表水资源量31273.9亿m3，地下水资源量8854.8亿m3，地下水与地表水资源不重复量为1192.5亿m3，但人均水资源量低于2200m3，仅为世界人均淡水资源的1/4，是全球人均水资源最贫乏的国家之一[2]。同时，我国水资源时空分布严重不均，在长江流域及其以南地区国土面积只占36.5%，但水资源量占全国81%，以北地区国土面积占63.5%，水资源仅占全国19%;在季节上分布也极度不均，汛期(6～9月)降水量占全年降雨量70%，降雨量由东南年降雨量2000mm向西北年降雨量200mm递减。全国有16个省(区、市)低于严重缺水线，宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏等6个省(区、市)极度缺水(见图2);地表水污染问题未得到有效控制，据2016年《中国环境状况公报》，全国地表水1940个评价断面中，I类、II类、III类、IV类、V类和劣V类水质断面分别占2.4%，37.5%，27.9%，16.8%，6.9%和8.6%，现有水土流失总面积达356万km2，已占到国土面积的37.1%，成为我国最大的环境公害之一[3];地下水超采和地下水位下降问题愈发突出，据美国航空航天局(NASA)卫星资料显示，世界上最大的地下含水层中，1/3的水位正在以惊人的速度下降，中国地下水超采面积达32万km2，其中华北地区更是世界上地下水位下降最严重区域，中心水位埋深从20世纪80年代的52m下降到2013年153m。为解决水资源短缺和时空分布不均问题，我国政府大力开展地表水利工程建设，并实施地表跨流域调水工程，如南水北调工程[4]，规划调水规模中线为130亿m3，东线为148亿m3，也有中国科学家提出了空间调水工程构想，规划每年可实现跨区域调水50亿m3，尽管跨流域调水工程存在着生态争议，却也是缓解水危机的重要举措。

　　然而，全球人口增长、资源短缺、环境污染等给人类发展带来前所未有的挑战，地球浅部资源日趋枯竭，而深部资源极为丰富，以水资源为例，地壳上部2km的地下水总量约为22600万亿m3，其中形成时间不足100年的现代地下水约为347万亿m3[5-7]。因此，向地球深部要水已成为解决水资源短缺的重要途径。地球深部资源开发与保护已成为世界发达国家争先探索的科学制高点，如何超前布局、抢占深地研究高地已迫在眉睫。2016年5月30日，习近平同志在全国科技创新大会上指出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”[8-10]，而对于深地空间利用和深地资源开发而言，水是第一要素，地下水利工程实施是第一保障。

　　因此，围绕国家战略考虑、资源科技发展，向地球深部进军，将传统地表水利工程向地下发展，实施地下水利工程战略，是解决地表水资源短缺和为地下空间利用提供水资源保障，实现人类可持续发展的重要途径。针对我国水资源开发保护现状与未来发展趋势，围绕深地资源开发目标，本文提出地下水利工程的基础理论与技术构想，颠覆传统地下水利工程的开发模式，实现地下水资源的分布式、多层式、循环式的立体化利用与保护，提升地下水资源保护和利用水平;同时，在此过程中出现的新理论和新技术难题也是人类进行地球深部探索必须面对和急需解决的关键科学问题。

　　2地下水利工程国内外发展趋势

　　水利工程是指人类社会为了生存和发展的需要，对自然界的水和水域进行控制、调节、治导、开发、管理和保护，以防治洪水、干旱、水污染及水土流失等灾害，满足人类生活与工农业生产用水需要而修建的水库、水电站、堤坝、渠道、水闸等设施，包括地表水利工程和地下水利工程两大类。传统水利工程以开发地表水资源为主，随着地表潜在水资源逐渐枯竭，可开发的地表水资源开发成本越来越高，而地下水资源储量丰富，地下水利工程的开发利用则刚刚起步，需要利用更多颠覆性的知识和技术进行规划、设计、施工和运行。

　　当前对地下水资源赋存、循环和运动规律的研究主要集中在浅部含水层。深部含水层结构复杂，勘探困难。陈建生和江巧宁[11]利用地下水同位素特征揭示了深层地下水循环和地幔玄武岩之间发生的水岩相互作用。S.E.Grasby等[12]根据加拿大极地荒漠区的地下水同位素特征和地球化学数据显示了地下水源，表明深层循环地下水系统可以通过冰冻圈到地下形成积极的连接。王多君和易丽[13]总结了地球内部水含量的探索方法、存在状态、地球各层圈储水能力等方面的研究进展，表明地球内部储存的水可能超过了地球表面大洋水的数倍。另外，深地水资源由于三高(高地应力、高地温、高矿化度)环境，其赋存与地表水和浅层地下水存在明显的不同。深地水资源研究中需要考虑应力场和温度场变化对水运动和赋存的影响。同时由于深层地下水矿化度较高，不同区域深层地下水的密度变化会影响水的流速和方向，因此需要在研究中考虑深层地下水在空间上密度和黏度变化[14]。当前对深地水资源的开发利用鲜有报道，相关地下水利工程的研究和建设刚刚起步，主要分为“点–线–网”三个层次。“点”即利用地下自然空间和地下人工水利工程存储水资源。美国[15-16]自20世纪50年代起，开始在地下咸水层内进行贮存淡水的试验，20世纪70年代后逐渐发展形成了ASR技术(aquiferstorageandrecovery)，即在丰水季节将水通过注水井储存到合适的含水层中，当需要时，再通过该井将水抽取出来以供使用，从而有效实现水资源的地下调蓄功能。为防止海水入侵、提高水资源利用，日本于1972年在长崎县野母崎町桦岛建造了世界上第一座人工地下水库(集水面积0.6km2，总库容9000m3)，此后陆续建设了冲绳县宫古岛、福井县常神、冲绳县砂川等地下水库[17]。中国于1975年在河北省修建了首座地下水库–南宫地下水库(库容4.8亿m3)，此后在北京西郊、山东龙口、大连旅顺、广西、贵州、福建等地都已经开始修建地下水库[18-19]。然而，现有地下水库大多处于浅表部100m以浅，主要利用天然含水层及蓄水构造(如岩溶、含水断裂带)等进行蓄水，水库与地面连通，存在受地表影响大、蓄水量不稳定、易受污染等问题，且对深部丰富的水资源没有进行充分利用，仅作为单体工程对水资源进行调蓄，发挥作用有限。

　　“线”即利用天然或人工地下通道形成较快速的深层地下水输送路径。在一些特定地质区域，如喀斯特岩溶地区[20]，发育成熟的地下暗河可实现一定区域范围内的蓄调水功能，如我国内蒙古巴丹吉林沙漠存在异常丰富的地下水量，其水源来自远在500km外祁连山的雪融水，通过山地断裂带进入地下水系统由暗河输送而来[21]。这种通过天然输水通道进行的输配水仅存在于少数地区，而通过修建人工地下水廊，可以达到快速运送和利用深地水资源的目的，但目前尚未见具体工程实例。

　　“网”即指利用地下输水通道和地下水源的有机结合，通过构建地下水网，实现对地下水的时空调配，在水平方向上实现地下水跨流域蓄调，在垂直方向上实现地下水位的调控。截至目前，全球至少40个国家和地区已修建了超过350个调水工程，如以色列的北水南调工程、中国的南水北调工程等，这些工程在一定程度上改善了水资源配制不均的不利局面。然而，由于缺少系统科学的理论与技术体系，地下水网与蓄调水问题机理不清，调控理论与技术缺乏，致使地下自然空间蓄调水功能不足、资源利用率极低，对地表整体缺水的压力缓解不足。

　　在深地资源开发中，除了对水资源的保护与调控外，还涉及地下能源开发与利用、地下水环境保护与修复等。以地下水能和热能[22-24]为例，1000m以深的地下空间具有储水量丰富且水温较高等特点，可综合利用其势能及热能进行发电，并可通过开辟地下人工水库等方式对热能进行储存，以用于供暖及污水处理等，地下水网势能的利用可以在目前已较为成熟的抽水蓄能电站技术基础上进一步展开研究[25-26]。此外，参考国外有关国家的工程数据[27-29]，水体在深地人工河流通道(地下2000m)中流动时会不断被周围高温岩土壁面加热，地下水温度逐渐升高至60℃～90℃，目前国际上已有许多研究工作围绕该温度范围的热发电技术展开，有大量研究成果可以借鉴[30-33]。在地下水生态环境方面，目前的深地资源的开发已对深地含水层造成了一定程度污染，需要重点考虑进行保护和修复。以页岩气开采为例，钻井可达地下1500m的页岩层，水力压裂技术可能导致深地含水层水质污染，如宾夕法尼亚州在地下页岩气开采过程中发生约3000起事故，其中地下水污染事故占30%[34]。废水深层灌注等也会导致深层地下水发生重金属和有机物污染，美国地质调查局(USGS)对3500口井进行了监测，在许多含水层都检测出了挥发性有机物[35]。

　　综上可以看出，除地表水利工程的地下厂房、引水隧洞等浅部配套建筑，以及地下水库方面已开展部分研究外，在地下水利工程的研究深度和利用效率方面还远远不够。当水利工程从地表转入地下(尤其是深部)后，必须思考以下问题：(1)深地水资源赋存分布规律与地表、浅部存在显著差异，传统对地下水演化的认知是否仍然适用?(2)从地表进入地下，尤其在深部“三高”(高应力、高地温、高渗压)和“三强”(强流变、强湿热、强动力灾害)条件下，传统地表水利工程的开发方式和安全保障措施是否适用?(3)深部水环境与浅表水环境存在显著的差异，尤其是三高环境(高应力、高地温、高矿化度)条件下如何高效、安全利用深部特殊性质的水资源?因此，对于地下水利工程而言，现有适用于地表传统水资源及水工程理论体系将不再适用甚至被颠覆，亟需发展考虑深部环境下的地下水利工程新理论、新方法和新技术，从而解决未来地下水资源保护与开发的理论与技术难题。