《Frontiers in Water》：Risk assessment and techno-economic feasibility of managed aquifer recharge under high clogging conditions for pasture irrigation: a case study of the Koksu River Basin
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本研究评估了在哈萨克斯坦东南部科克苏地区采用开放式入渗结构的管理型含水层补给（MAR）系统的运行效率。2022年至2024年间开展的现场调查，表征了包气带及下伏砾石-卵石含水层内的过滤水动力学和机械堵塞动力学。研究人员的方法整合了当地地表水与地下水，以在真实水
本研究评估了在哈萨克斯坦东南部科克苏地区采用开放式入渗结构的管理型含水层补给（MAR）系统的运行效率。2022年至2024年间开展的现场调查，表征了包气带及下伏砾石-卵石含水层内的过滤水动力学和机械堵塞动力学。研究人员的方法整合了当地地表水与地下水，以在真实水文地质条件下提供高分辨率的补给性能评估。结果表明，入渗能力出现显著的、多阶段衰减，主要由机械堵塞驱动。初始入渗率（12.0–6.0?m/day）在运行92天内急剧下降至4.1–2.0?m/day，最终稳定在0.8?m/day的临界最小值。这一衰减与由地表水浊度（18–38?mg/dm3）引发的11?mm细粒沉积物层的累积相关，导致入渗系数降低了六倍。同时，MAR运行使地下水位最大上升了3.1?m，而地下水的总溶解固体（TDS）通过淡水稀释有效减半，显著改善了水质。经济上，MAR系统的实施使区域水资源可用性提高了20–25%。这些发现表明，尽管科克苏盆地的非承压含水层具有很高的季节性储存潜力，但其长期可行性取决于系统的机械再生。本研究为MAR部署提供了稳健的技术框架，以支持中亚干旱地区的牲畜饮水和可持续牧场灌溉。
**高堵塞条件下管理型含水层补给（MAR）的风险评估与技术经济可行性：科克苏河流域案例研究解读**
**研究背景与问题**
在哈萨克斯坦东南部干旱与半干旱地区，水资源短缺日益严峻，战略性的地下水管理与补给已成为关键。偏远社区和广阔牧场常因地表水源不达标而面临安全饮用水短缺问题。为此，采用开放式入渗盆地的管理型含水层补给（Managed Aquifer Recharge, MAR）系统成为提升水安全、支持畜牧业、保障绿洲灌溉及提供可靠饮用水供应的关键技术。然而，MAR实施面临的核心挑战是堵塞问题：低渗透性层的形成会显著降低入渗效率，损害基础设施长期性能。因此，量化控制堵塞强度的因素是进行准确技术经济评估和入渗设施可持续工程的前提。科克苏河流域（位于阿拉木图-热特苏地区）是研究这些过程的代表性区域，其气候大陆性强、河流补给为混合型冰雪-地下水，汛期（5–7月）流量大、浊度高（超过有效入渗阈值5–20?mg/dm3）。尽管区域砾石-卵石含水层水力潜力高，季节性MAR系统的运行可行性仍取决于悬浮固体的管理及由此导致的入渗能力下降。为填补关于地表水水质、堵塞动力学与含水层响应之间动态相互作用的高分辨率数据空白，本研究调查了使用开放式入渗结构的MAR系统的运行效率。研究问题聚焦于：在科克苏地区的真实水文地质条件下，包气带中的机械堵塞动力学如何演化，以及决定过滤循环有效时长的定量阈值是什么？本研究的独特贡献在于采用了新颖的方法：首次在哈萨克斯坦共和国通过物理构建的迷你盆地模型（配备专为区域性条件设计的水取用和入渗设施）进行长期现场实验（2022–2024年），超越了描述性分析，建立了入渗率变异在空间和深度上的概率统计特征。研究核心目标包括：量化机械堵塞动力学（表征包气带及下伏含水层入渗能力退化）、识别入渗率的临界转变点（作为过滤循环有效时长的定量指标），以及评估淡水稀释对地下水水质（总溶解固体TDS降低）的有效性，以确定增加牧场灌溉水可用性的潜力。研究论文发表在《Frontiers in Water》。
**关键技术与方法**
本研究采用的主要关键技术方法包括：（1）现场实验：在科克苏河下游代表性地点构建物理模型（季节性调节迷你入渗盆地），进行多学科现场实验，模拟并监测堵塞过程。（2）双重浊度测量：采用光度法（便携式浊度仪Turb
о 350 IR WTW，依据RD 52.08.104–2002）和重量法（实验室验证）测量地表水瞬时浊度，并建立两者强相关性（r=0.95）。（3）水文地质钻探与监测：钻设四个临时观测井（编号1–4），按三个阶段（初始高入渗期、衰减入渗期、稳态低入渗期）进行严格监测，收集140次地下水位测量数据。（4）水化学分析：计算水污染指数（WPI）和钠吸附比（SAR），评估水质及土壤碱化风险。（5）渗透率测定：通过试坑渗水实验（应用1–4），使用公式计算不同岩性层的过滤系数。
**研究结果**
**3.1 水化学分析与堵塞动力学**
通过对科克苏河水化学分析，得出2024年水污染指数（WPI）为1.34（三级，中度污染），其中铜（Cu
2+）浓度超过最大允许浓度（MAC）3.4倍。在主入渗盆地（MIB）观察到入渗率显著降低，直接与致密粉砂沉积层的发展相关。
**3.2 地下水位动态**
观测井网络（监测井1–4）显示，地下水位动态与实验迷你盆地的入渗影响存在明确函数关系。人工补给启动后720分钟（4月2日）内观察到快速水力响应，监测井2和3的水头上升至约3.4 m。最高地下水位上升（最大减少深度）出现在5月20日至6月20日，监测井2–4达到峰值高程2.4–3.1 m。此后水位逐渐恢复到更深基线，反映了入渗速度的渐进衰减，主要由表层堵塞层累积引起。
**3.3 地下水矿化度与化学组成**
通过计算钠吸附比（SAR），整个实验期间SAR值持续低于3.0，表明地下水矿化度低于1.0 g/L，对土壤盐渍化或碱化风险可忽略不计。科克苏河水的入渗不会损害土壤肥力或本地植被生长条件。
**3.4 包气带土壤的过滤特性与物理参数**
试坑渗水实验显示，不同岩性层的水力传导率存在显著差异。例如，在砾石-卵石层（含砂质壤土填充物）中，水力传导率（K
x）从初始6.00 m/day在20分钟内迅速衰减至约0.52 m/day，随后在09:10至12:10之间进一步下降至0.18 m/day，最终稳定在0.17 m/day。这一递进衰减是机械堵塞的直接经验指标，细粉砂和粘土颗粒迁移至孔隙喉道形成内部限流层。粒度分析证实了岩性异质性，粘土组分（<0.005 mm）最高可达64.4%。
**3.5 入渗率与堵塞过程的实验研究**
通过专用迷你入渗池实验，识别出入渗阶段三个主要阶段：阶段1（初始不稳定期，15/3–30/4）：入渗率从12降至6 m/day，持续47天；阶段2（持续不稳定期，1/5–30/6）：包气带饱和，入渗率从6.0降至4.1 m/day；阶段3（逐步下降期，1/7–30/9）：入渗率从4.1降至2.0 m/day（92天），最终在10月底降至0.8 m/day。盆地BSR-1积累了最厚的表层泥层（0.0112 m），由平均浊度28.1 mg/dm3的河水驱动，导致入渗速度降低系数降至0.006。这从数学上验证了定期机械刮除堵塞层以维持长期入渗率的操作必要性。
**结论**
本研究通过在科克苏河低地集水区迷你盆地系统内对堵塞过程的实验调查，为高渗透性环境中管理型含水层补给（MAR）的风险与可行性评估提供了稳健框架。研究建立了入渗率与进水浊度、水头及堵塞层岩性之间确定的定量关系，并确定了运行过滤循环的精确时长。地表水浊度被确定为堵塞强度的主要物理驱动因素；当浊度超过5–20?mg/dm3阈值时，未经预处理会导致盆底快速形成低渗透性沉积层。粒度分析揭示了极端岩性异质性（粘土含量高达64.4%）。与Aksu和Lepsinsk站点相比，科克苏站初始不稳定阶段入渗率更高（12–6?m/day）但过渡更快。加速的堵塞直接归因于更高的沉积负荷（平均浊度28.1?mg/dm3）和更厚的泥层（0.0112?m）。鉴于此，每个生长季节需两次强制性系统停机进行机械再生，导致成本高昂。经济分析证实，当前条件下人工补给运行成本显著超过常规水源，因此MAR部署应仅在有直接政府补贴以抵消高运行风险时考虑，且主要用于无其他替代水源的绿洲牧场灌溉场景。本研究的局限性在于实验采用迷你盆地模型，结果向工业级盆地缩放需现场调整；且仅关注机械堵塞，未涉及地球化学堵塞。未来研究将聚焦于开发集成实时浊度监测与自动控制系统的预测数字孪生模型，并探索预处理技术。
