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新疆地处我国西北，属亚欧大陆腹地，气候干旱，水资源主要来源于降水，受季节因素影响，时空分布极不均衡，地表水蒸发量大，致使一些地方水资源严重不足。新疆全区多年平均水资源量为8.32×10 10 m 3 ，其中地下水资源量为5.03×10 10 m 3 ，全区平均水量仅为4.18×10 6 m 3 /km 2 。新疆水资源可开发利用总量约为407亿m 3 ，其中地表水可开发利用量为372.6亿m 3 ，可开发利用率为53.8%，开发潜力为79.7亿m 3 ，地下水可开发利用量为33.5亿m 3 ，可开发利用率为51.7%，开发潜力0.8亿m 3 。随着经济社会的发展，新疆面临着水资源短缺的困扰。据统计，新疆可供水量为495.38亿m 3 （地表水442.03亿m 3 ，地下水51.7亿m 3 ，其他1.65亿m 3 ），需水量506.02亿m 3 ，面临着10.64亿m 3 的缺水量。据调查，2012年新疆经济社会用水总量590亿m 3 ，水资源开发利用程度达到71%，超出了国际认定的40%警戒线。除伊犁、阿勒泰两地外，其他地区的地表水开发利用率为76.5%，地下水开采率73.1%，其中东疆达164.8%，属于区域性地下水严重超采区；北疆达98.5%，属区域性超采区；南疆为49%。对于经济社会协调发展而言，水资源的基础性地位愈加彰显，供需矛盾日益突出，成为制约新疆可持续发展的一大瓶颈。新疆农业用水量占总用水量的比重高于全国平均水平，挤占了新疆全区涉及国民经济其他部门的用水和生态用水，城市与工业用水同农业灌溉抢水的矛盾将愈加突出，给新疆生态环境带来了极大的负面影响。
以乌鲁木齐市为例，根据乌鲁木齐市水资源公报，2010年来水总量为9.39亿m 3 ，其中地表来水量9.09亿m 3 ，地下水补给量4.03亿m 3 ，地表水与地下水转换重复量为3.73亿m 3 。2010年供水总量为10.89亿m 3 ，其中地表水5.70亿m 3 ，地下水供水量已达4.97亿m 3 ，其他水源主要是城市污水处理再利用量，约为0.22亿m 3 。2010年乌鲁木齐市用水总量为10.89亿m 3 ，其中生活用水中包括1.39亿m 3 的城镇居民生活用水，生态用水主要是城镇环境补水和农村生态补水。2010年乌鲁木齐市水资源利用状况见表1-1。
表1-1 2010年乌鲁木齐市水资源利用状况
随着社会经济的快速发展，乌鲁木齐市水资源的需求不断提高，水资源开发利用率大幅上升，近年的开发利用量甚至超过区域的来水总量，区域发展与水资源之间的矛盾日益加剧。2010年水资源开发利用率达115.98%。水资源开发利用率的增长以地下水为主，2010年地下水开发利用率达123.33%，地下水利用量不仅大大超过可开采量，甚至超过了区域地下水补给量；地表水开发利用率总体处于30%~60%，波动不大，2010年达62.68%。可见，乌鲁木齐市的用水量已达到供水量的极限，水资源的匮乏致使地下水超采严重，水资源供需矛盾已十分突出；水资源开发利用程度逐年加强，水资源开发利用潜力则相应减弱。今后，乌鲁木齐市的缺水量仍会持续加大，特别是夏季用水高峰期，城市日用水量增加，供水能力严重不足，日供水缺口达到15万~20万m 3 。据相关统计，2015年乌鲁木齐市缺水量达到1.2亿m 3 ，2020年乌鲁木齐市的缺水量可达到3.8亿m 3 。水资源短缺是制约乌鲁木齐进一步发展的重要因素。
面对严峻的水资源短缺问题，寻找可靠稳定的新水源显得尤为重要。城镇污水处理厂的再生水是当前国际公认的第二水源。在大力发展农业节水技术的同时，将再生水资源用于灌溉是干旱区农业可持续发展的最佳选择之一，从西部干旱缺水地区的发展现状来看，城镇污水处理能力逐年提高，再生水量持续上升，对再生水进行必要的前处理，并通过地下水这一天然单元进行有效存储，待到农业用水需求时取水进行必要的后处理开展灌溉，可以大大减轻对农业水资源需求的压力，对实现新疆干旱区再生水循环利用和农业水资源安全具有重要意义。
与2006年全疆地下水开采量57亿m 3 相比，地下水开采量年均增加11亿m 3 。目前国务院已经推行最严格的“三条红线制度”，根据自治区确定的“三条红线”用水总量控制指标，地下水开采量为75亿m 3 ，而2012年实际开采量是111亿m 3 ，超出限额达48%。地下水的严重超采，导致区域地下水水位明显下降、水环境恶化、生态环境退化加剧。一方面，长期以来，由于未经处理的工业废水以及城市生活污水直接排入地表水，造成地表水体的严重污染。经检测，乌鲁木齐河细菌总数和大肠菌群超标，头屯河pH值、SS、氨氮、细菌总数和大肠菌群超标，水磨河污染更为严重，超标项目达到5~7项，连农灌标准也达不到。乌鲁木齐市地区河床多为砂砾构成，渗漏严重，被污染的河水沿途渗入地下，又对地下水产生明显的污染影响。另一方面，近年来，为解决水资源供需平衡，乌鲁木齐地下水开采量逐年增加，致使地下水水位不断下降，地下水水质恶化严重。根据地下水动态监测结果，乌鲁木齐市地下水水位呈下降趋势，下降最严重的区域每年降幅约在1 m以上，市区地下水水位比20世纪60年代下降了5~14 m。由于地下水超采，导致1992年建立的柴窝堡地下水水源地水水位持续下降，从1995年至2006年柴窝堡水源地地下水水位下降6 m。以乌鲁木齐最重要的水源地——柴窝堡湖为例，20世纪90年代初，柴窝堡湖湖面面积30 km 2 ，随着地下水的大量开采利用，柴窝堡湖水量也越来越少。至2010年，柴窝堡水源地已形成87.68 km 2 的漏斗区，地下水水位下降了8~12 m。目前，柴窝堡湖湖岸后退达20 m，湖面面积减少了近10 km 2 。同时，柴窝堡小西湖已干枯，柴窝堡湖周边湿地面积减少了300多km 2 ，草场呈现严重的沙漠化、盐碱化，形势严峻。同时，2010年新疆维吾尔自治区环境状况公报显示：乌鲁木齐市地下水水质达标率仅为50%。地下水超采还诱导区域严重污染的地下水补给至开采区，使开采区地下水硬度、硝酸盐氮、硫酸根、氯离子升高，从而加剧了地下水污染和柴窝堡湖周边生态环境的恶化。在地下水严重超采区域，可以考虑人工补给地下含水层，这也是增加地下水资源、控制和提高地下水水位，防止因地下水水位大幅度下降导致的水质恶化、地面下沉等不良后果的重要手段之一。
根据乌鲁木齐市水资源公报数据，2011年废污水排放总量2.15亿m 3 ，来源主要是城镇居民生活污水和工业废水，其中工业废水约0.52亿m 3 ，生活污水约1.63亿m 3 。进入城市市政排水管线末端废污水处理量1.43亿m 3 ，占排放总量的66.5%。城市污水集中处理后用于农灌、绿化及工业5276万m 3 （其中完全接纳2263万m 3 ），占总处理量的37.0%，占废污水总量的24.5%。
乌鲁木齐市再生水主要用于农业灌溉、城市绿化与景观用水，仅占总供水量的2.1%。由于再生水利用设施不完善，导致城市再生水利用率低下。据调查，乌鲁木齐城市污水日处理能力已达70万m 3 ，但仍有接近一半的废污水未经处理直接排向下游的沙坑，或进入头屯河、水磨河和安宁渠，最终进入青格达湖。此外，还存在城市夏季水资源紧缺而冬季废污水白白浪费的问题。因此，乌鲁木齐市水资源的循环利用程度不高，污水处理率与再生水利用率亟待提高。
2010年，新疆全区建有城镇污水处理厂93座，总设计处理能力213.16万t/d。其中，二级城镇污水处理厂32座，设计处理能力152.2万t/d。全区城镇污水处理厂废水集中处理量3.83亿t，其中处理工业废水0.32亿t，处理生活污水3.51亿t。经集中排污口排入外环境的废水量5.38亿t，其中排入地表水体的废水1.93亿t，污灌农田0.76亿t，排入荒漠2.69亿t。新疆大部分城市的再生水利用刚刚起步，甚至还没有启动，城镇再生水资源还有巨大的空间和潜力有待开发利用。随着城市污水处理设施的不断完善，处理技术在可靠性方面已经有了较大的提高。城镇污水处理厂的再生水具有量大集中、水质水量相对稳定的特点，经过不同深度处理的再生水，可以成为潜在的农业灌溉水源。
再生水利用的一个主要方向是农业灌溉和生态环境用水，而农业灌溉的季节性很强，需要有一个较大的再生水存储空间。在干旱区，如果再生水资源没有存储好而被蒸发损失，会直接影响再生水利用率，因此将再生水回灌至地下含水层，形成地下水银行，有望成为未来解决干旱区农业水资源危机的重要战略性措施之一。
水资源短缺、水资源的利用效率和水污染形势严峻是造成水资源危机的主要原因。提高水资源利用效率、加强水环境治理和严格水资源管理是解决水资源危机的主要出路。相比较其他的污水资源化手段，再生水利用是一个可行性较高的手段之一。利用再生水补给地下含水层是缓解区域水资源紧缺的重要手段，也是再生水利用的前沿领域。
目前，日本、美国、以色列等国城市污水再生利用已非常普及。在美国，再生水作为一种合法的替代水源，成为城市水资源的重要组成部分。我国于2015年出台的《水污染防治行动计划》中，提到：促进再生水利用，以缺水及水污染严重地区城市为重点，完善再生水利用设施，并将再生水等非常规水源纳入水资源统一配置。这将再生水等非常规水源利用提到了非常重要的地位。2022年，国家发展改革委员会、住房和城乡建设部印发《“十四五”城镇污水处理及资源化利用发展规划》（简称《规划》），《规划》明确，加强再生利用设施建设，推进污水资源化利用。《规划》明确，到2025年，全国地级及以上缺水城市再生水利用率达到25%以上，京津冀地区达到35%以上，黄河流域中下游地级及以上缺水城市力争达到30%。再生水补给地下含水层将是再生水利用的长期发展，也是其发展的前沿领域。
在极端干旱缺水的新疆，再生水利用才刚刚起步，在再生水补给地下水领域更是没有相关研究与工程实践。若能将深度处理后的再生水，经SAT系统回灌地下再抽取使用，将有利于缓解城市水资源紧缺、水重复利用率低、地下水超采、水环境恶化等矛盾，对新疆可持续发展具有重要意义。在此，针对新疆城市各类水资源供需矛盾突出的问题，以乌鲁木齐市为例，对新疆干旱区利用再生水补给地下含水层的可行性进行初步探讨，以期为新疆再生水安全利用研究提供依据。
国内外研究与实践已证明，城镇废污水只要处理得当就可以成为可靠的城市第二水源，在城市用水中，再生水是一种具有重要发展潜力的水资源。在干旱缺水地区，再生水的应用更是解决供水危机的有效途径。开展再生水利用，不仅可以节省天然水的消耗量，缓解乌鲁木齐市供水紧张的状况，而且可在一定程度上减少废污水排放，对改善城市水环境质量也具有重要意义。随着城市化进程的加快及地下水的过度开采，新疆的地下水水位普遍下降，地下水资源缺口愈演愈烈。地下含水层具有很大的蓄水容量，可避免蒸发损失，是天然的储水设施，将城镇再生水涵养补给地下水，可以利用土壤层深度净化再生水，在丰水季节大量补给地下水，扩大水资源储备，减缓地下水水位下降趋势，对地层结构的稳定性起着重要的维持作用。将再生水回灌地下水可调蓄地下水量并有一定的水质净化作用，对农业用水的供需分配有着重要的调节作用且管理灵活，对干旱区意义重大。
乌鲁木齐再生水利用中存在供需季节分配不均的问题，现有的污水处理设施处理后的再生水，夏季不够用，而冬季因无农业及基建、绿化用水，处理后的再生水只能白白浪费；现有投入使用的再生水利用工程，均处于示范试验阶段，尚未形成规模。因此，要更大限度地利用再生水，就需解决再生水储存的问题。国内外研究与实践也已证明，再生水补给地下含水层是实现可持续水资源管理的重要途径。将处理达标后的再生水回补地下水，根据需要实现冬季储存、夏季抽取利用，或异地取水利用，将是提高城市水重复利用率的最佳手段。
冬季若能将城镇废污水进行深度处理并达到地下水回灌标准后回灌于地下，通过储存再生水、补充地下水源，将有助于防止地面沉降，恢复和维持区域地下水量平衡，减少污水对下游生态环境的破坏。此外，再生水补给地下含水层后，可通过土壤的过滤、截留、物理和化学吸附、化学分解、生物氧化以及生物的吸收等作用对再生水中的污染物进一步综合净化，去除水中有害物质和病原微生物，提高了再生水利用的安全性，其环境效益将十分显著。这种土壤含水层处理技术，具有设备简单、投资少、能耗低、操作管理方便，且净化效果良好等优点，经济效益与社会效益也很可观。
利用再生水补给地下含水层是一项系统工程，在干旱区开展这项工作，需要研究以下几个方面的问题。
针对再生水水质状况，很多国家都对回灌地下的再生水提出了水质要求，以保障再生水的水质达标。目前美国已有超过25个州通过了再生水回用的有关规章制度，其中部分州推出了具体的指导方针。日本再生水形成了一套完整的政策标准体系。加利福尼亚州关于再生水颁布了一系列的法律规范。新加坡的再生水和饮用水执行同一标准。以色列颁布了一系列与水资源有关的法律法规来保障再生水水质。国际上为保证再生水水质安全，欧盟、美国环境保护局（USEPA）、世界卫生组织，均对再生水出台了相应的法律法规和利用指南。
我国根据再生水的不同用途，颁布了各类水质标准和规范，其中针对再生水补给地下水有：《城市污水再生利用 地下水回灌水质》（GB/T 19772—2005）、《再生水水质标准》（SL 368—2006）、《城镇污水再生利用技术指南（试行）》。这些标准与规范促进了世界各国对再生水的利用，但在新疆干旱区采取再生水回灌，现行的水质标准和废水排放指标是否满足控制水质、保护人类健康和生态环境的需要，尚缺少科学研究。
新疆有大量的非适耕土地，具备开展较大处理水量的包气带土壤层处理技术的天然条件，急需开展重要污染物指标对土壤、农作物、地下水以及水体功能的影响分析，建立农业用水安全的评价指标体系。影响土壤安全性的因素可以分为严重毒害土壤因素组和影响土壤理化性能与肥力因素组；影响农作物安全性的因素可以分为农作物累积污染物因素组和阻碍作物生长因素组；影响地下水安全性的因素可以分为对人或动物有毒害作用因素组、地下水常规理化指标因素组、生物污染因素组和放射性污染因素组；影响水体功能安全的因素可以分为常规理化指标因素组、毒害指标因素组和微生物因子因素组。应根据新疆干旱区农灌的具体情况，建立合理的评价模型，为保障农业用水水质安全提供科学参考。
不同的污水处理工艺与技术对各类污染物的去除效果是不同的，应通过试验对比，优选适合新疆干旱区的污水处理与再生水深度处理技术，或几种处理技术和工艺的组合，使深度处理后的再生水符合补给地下含水层的要求。再生水深度处理工艺通常采用化学混凝沉淀（气浮）、过滤、吸附、化学氧化、生物脱氮除磷、膜处理、脱盐、消毒等，必须根据二级污水处理厂的出水水质和技术经济条件选择再生水处理工艺，要求技术合理，经济可行。
再生水回灌工程选址需要考虑的因素很多，包括水源输送、场地大小、土地利用、地形、地表径流、气象、土壤、水文地质以及建设成本等。选址前需要对现场进行勘探与调查，调查的项目包括再生水的组成成分、土壤岩性、物理与化学性质、水力学性质，含水层的水力学性质以及地下水特性等。作为储蓄和消纳再生水的地下空间，含水层的水文地质条件应有利于进行人工补给，具有良好的入渗途径及储水空间。
再生水补给地下含水层是一项系统工程，其中地下储存模式或回灌方式的选择不仅取决于含水层地质构造、水文地质、气象、土壤条件等，还需综合考虑工程投资与效益，以及对区域环境与生态造成的影响。为此，应研究制定经济合理的再生水补给地下含水层方案，划定回灌范围，确定回灌方式、回灌量和回灌水水质等。如在新疆采取地表渗滤回灌方式时，就需要考虑干旱区蒸发量大对补给水量和某些污染物组分浓度的影响。
再生水补给地下含水层后，需要掌握地下水动态变化，重点研究干旱区含水层水质在渗透、渗流和地下水域之间的变化情况，补给过程对地下水水质及含水层环境的影响。若采用土壤含水层处理（SAT）系统，需要研究干旱区SAT机制、土壤含水层对再生水污染物的最大环境容量以及SAT的处理效果等。地下水具有生态脆弱性，一旦被污染，治理技术难度大、恢复代价昂贵、修复周期漫长，因此再生水补给地下水必须以不污染地下水和不引起地下水区域性恶化为前提。新疆的城镇污水厂二级处理后的出水BOD、COD、SS明显降低，能否直接补给地下水仍需要慎重分析。我国在地下水回灌的水质标准、技术规范、管理经验方面存在不足，影响再生水回灌地下水的工程实践。研究再生水回灌地下水的水质指标及控制技术，防止地下水污染，是解决再生水地下储存的关键环节。
尽管再生水水质满足回灌要求，但在长期补给地下含水层之后，再生水中所含有的污染物残余在积累过程中也可能产生一定的水质安全问题。即使是我国现行的《城市污水再生利用 地下水回灌水质》（GB/T 19772—2005）也并未对潜在的间接的饮用水做出相应的规定，同时也没有准确限定再生水的有毒有害物质的含量，该标准的内容还相对滞后。因此，在干旱区利用再生水补给地下含水层，更有必要对回灌后的区域环境健康与生态安全做好风险预测评估，为制定相应的环境健康风险与生态风险防控对策提供依据。