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地下水回灌是人为有计划地回灌补给地下水的活动，通常指将多余的地表水、雨洪水或再生水通过地表渗滤或回灌井注水，或者通过人工系统人为改变天然渗滤条件，将水从地面输送到地下水含水层中储存起来，随后同地下水一起作为新的水源开发利用。
再生水是指城市污水、废水等经适当处理后，达到一定的水质标准，满足某种使用要求，可以在一定范围内进行有益使用的非饮用水。再生水水质介于污水和饮用水之间，由于城市污水数量巨大、稳定、不受气候和其他自然条件影响，使再生水成为城市可靠的水资源。使再生水适用于城市景观和国民生活的诸多方面，再生水的合理利用可以提高水资源综合利用率、减轻水体污染，具有可观的社会效益、环境效益和经济效益，是解决水资源危机问题的重要途径之一。
再生水地下储存就是利用城市再生水补给地下含水层。采用再生水进行地下水回灌补给，必须从水量和水质上进行科学管理，其中回灌模式和水质安全控制体系是开展地下水回灌工程的重要方面。地下含水层具有蓄水和供水的功能，在回灌水渗滤进入土壤并向下渗透到各种地质构造时发生自净作用。将再生水经过深度处理后，回灌于地下适宜的含水层中，含水层便起到了地下水库的作用。在多雨季节和用水低谷期，将再生水通过渗滤池或注水井回灌于地下，在枯水季节和用水高峰期提升利用，地下含水层便成为储蓄水的银行。与地面水库相比，地下水库不占地面，没有不良的生态影响，很少或几乎没有蒸发损失，不影响地表土层和植物，蓄水容量大，成本低，操作简单，容易实施。除此之外，利用含水层蓄水可以水力阻拦海水入渗，减少或防止地下水水位下降，保持取水构筑物的出水能力并能起到控制或防止地面沉降及预防地震的作用。但是，在设计、施工和运营回灌工程时，地下水回灌仍存在潜在的不足之处，如建设回灌工程的场地、土壤与植被易受扰动，影响周边生态环境；回灌水的水质如果劣于含水层将影响含水层的质量；经济及管理成本与回灌水的水量与水质密切相关，需要进行合理科学的评估和规划。
发达国家在再生水循环利用方面一直走在世界前列。以美国为例，美国环境保护署十分重视污水回用的系统性研究和技术规范化工作，从20世纪80年代后期起投入人力、资金和技术力量对相关科学问题进行专题研究，1992年制订了污水回用指南（Guidelines for Water Reuse），对污水回用系统、技术、用途、水质标准等做了具体的规定；1998年进一步制订了节水计划指南（Water Conservation Plan Guidelines），强调用水管理、节水措施、污水回用等多个环节的规范化管理和技术指导，强调用节水和污水再利用的方法解决水资源的供需矛盾。由于美国工业废水的回收利用大都在工业企业内部解决，回收利用率已经很高，排放量呈逐年下降的趋势，因此水资源再生利用主要注重于城市污水处理出水的资源化和再利用。在以色列，工业用水已做到了最大限度的循环利用，并尽可能使用非饮用水水源，在保证生活水平的前提下，生活用水已通过普及节水用具等措施最大限度地避免了浪费，给水管网漏水率为世界最低水平，农业灌溉的单产用水量为世界最低水平，城市集中下水道的生活污水全部进行二级以上处理，污水再生利用率达到60%以上，其中有一半的水量实际上已处理到生活用水的水质，可以满足较大范围的使用目的，其经验受到全世界的注目。
与发达国家相比，我国在再生水循环利用的系统规划和相关的水处理技术上都缺乏较深入的研究。目前针对再生水利用的研究涉及再生水灌溉绿地草坪的影响、再生水与天然水或自来水优化配置、再生水灌溉条件下作物对水分与氮素利用效率的影响、再生水对土壤理化性质影响、再生水对土壤-作物中重金属分布影响、再生水对草坪草生长速率和生理生化特性及质量影响等。再生水利用在我国还有许多领域未涉足，尤其是针对干旱区的再生水利用特征仍然缺乏深入研究。
近年来随着世界各国水资源危机加剧，越来越多的国家和地区开始重视再生水的利用，再生水被广泛应用于工业、农业、城市绿化、景观、补给地下水及市政杂用等用途。目前一些发达国家已经把再生水利用作为解决水资源短缺的重要战略之一，如美国、以色列、日本及西欧等许多国家在再生水利用方面都开展了大量实践工作，取得了丰富的经验。新加坡、以色列、纳米比亚等个别缺水国家（和城市）甚至将再生水回用于生活饮用水。我国也有许多城市实现了污水再生利用。
利用再生水补给地下水是再生水利用的重要方式之一和前沿领域，也是缓解区域水资源紧缺和由于地下水超采导致的含水层枯竭问题的有效手段。早在20世纪70年代国外就开始了再生水地表入渗回灌利用研究，采用的方式主要是土壤含水层处理（Soil Aquifer Treatment，SAT）系统，其中比较著名的是以色列的Dan Region工程，利用土壤-含水层的自然净化能力替代昂贵的污水深度处理技术，进一步去除污水中的悬浮物、微生物、COD、BOD、N、P、微量重金属等污染组分，以获得优质再生水用于除饮用以外的其他目的，因而早期的研究多集中于SAT系统作为深度处理技术对水质改善的效果上。随着地下水开采加剧，含水层水资源枯竭问题突显，SAT系统的应用不再局限于替代深度处理，而是进一步扩展到增补饮用和非饮用地下水水源等方面。同时，利用河道、沟渠、坑塘等进行连续入渗回灌也得到了应用和发展，如美国、以色列、比利时、芬兰等国的回灌工程推动了地下水回灌技术的快速发展。
1983年Pyne提出了含水层储存和回采（Aquifer Storage and Recovery，ASR）的概念，这一概念最早是指利用地下含水层储存调整功能，回灌（井管或渗灌）储存丰水期过剩的天然水，枯水期再抽出利用，实现地表水与地下水的联合调蓄。后来，再生水也加入到回灌用水的行列。自20世纪80年代以来美国开始实施ASR工程计划，在干旱和半干旱地区推广ASR技术，至今ASR工程已超过100个。英国从20世纪90年代开始关注ASR技术，并于1998年完成在英格兰和威尔士推行该技术的区域潜力研究。Sheng进一步拓展ASR的概念，将其定义为将处理或未处理的地表水、再生水通过入渗盆地、渗滤廊道、回灌井等方式回灌至合适的含水层，然后通过回灌井或者附近的生产井部分或全部地抽出利用，或者以增加河道基流方式排泄维持河流生态。当然，ASR也存在一些值得关注的问题，如美国环保署（EPA）提出的诸如回用与回灌效益比、注入水源可靠性、注入速率和注入压力、上下含水层影响、注入含水层后的效果、注入井的密度、成井结构与注入效果的关系、水权结构、地下水恢复效果、回灌井堵塞问题以及法规约束等一系列问题。因此，在建设ASR工程系统的同时，需要进一步开展地球化学、含水层水力学及压力响应、含水层结构再确认等诸多方面的综合研究。
随着人工回灌地下水的发展，地下含水层的补给逐渐变为可管理的措施或手段，国际上统一称为人工含水层补给管理（Managed Aquifer Recharge，MAR）。MAR也称为地下含水层补给与储存或人工回灌，其方式包括河岸入渗、河床入渗、渗滤池、回灌井等，利用天然河水、雨洪水、城市污水或再生水补充地下水储存量，并达到保护和改善水质、缓解水资源紧缺以及水资源综合利用与管理的目的。
我国在20世纪60—70年代，北京、山东等地开始开展回灌地下水工作，包括利用水库、渠道等补给地下水，还有部分地区应用无害、低害工业废水补给地下水，或拦蓄雨洪水补给地下水。20世纪80年代以来，山东、河北、北京、辽宁、贵州、广西以及南方滨海及岛屿地区等修建了大量地下水库。上海、天津分别在20世纪60、80年代开始利用深井回灌地下水以控制地面沉降问题，石家庄、新乡、聊城等地也先后进行了人工引渗补给浅层地下水的试验工程，以补充调节地下水资源，实现“冬灌夏用”，但大多数是利用地表水进行回灌。再生水补给地下水的研究相对滞后，实际工程应用很少，远不能满足再生水安全回灌的要求。近年来北京在这方面研究较多，并有一定的实践经验，但要推广应用尚有许多问题需要解决。总体上，国内在综合考虑水质安全目标的前提下，有目的和针对性地利用雨洪水和再生水回灌地下水则起步较晚。目前，国内已经有若干实际运行的地下水回灌工程，但在工程运行的技术和管理方面尚不完善，尤其是针对水质的控制仍然缺少科学管理。我国北方地区缺水严重，将丰水期的水存储于地下含水层，构建地下水库作为备用水源，已经得到广泛重视和普及。
包气带土壤层和含水层处理系统，简称SAT系统。已有研究表明，包气带土壤层是净化水质的主要屏障，含水层的贡献则相对较小。Quanrud等通过对美国亚利桑那州Tucson的SAT系统开展研究，发现溶解性有机碳（DOC）的去除主要发生在渗滤池底部以下3 m的范围内，去除的DOC组分主要为亲水性强、易生物降解的溶解性有机物。Rauch-Williams等发现SAT系统生物膜含量与可生物降解有机碳（BOC）之间存在显著正相关关系，SAT系统对于BOC的去除主要发生在30 cm土壤深度范围内，这里也是土壤生物膜含量最高的层位。Lin等研究了以色列Dan Region工程SAT系统长期运行过程中土壤渗滤介质有机质的变化规律，有机质的积累主要出现在渗滤池底部以下0.9 m的范围内，在长期运行过程中再生水输入的有机质大部分在土壤介质中被降解去除，SAT系统垂向入渗对于DOC的去除达到了70%~90%，而含水层中的水平径流仅去除10%左右DOC。
尽管SAT系统会对再生水水质起到一定的净化作用，污染含水层的风险依然存在。再生水中的DOC由众多复杂的有机化合物组成，可能包括内分泌干扰物、环境雌激素以及形成消毒副产物的前置有机物等。Zhang等采用树脂吸附层析技术分离了再生水中的DOM，结果显示，有机酸是DOM的主要组成部分，占52%，表现出较高的消毒副产物生成潜能。Mah-joub等发现再生水回灌过程中土壤中含有雌激素受体、芳香烃受体、孕烷X受体等内分泌干扰物，在回灌过程中未能将其有效去除。Westerhoff等通过室内柱实验模拟研究了入渗回灌对DOC的去除，发现小分子、低芳香性的DOC容易被降解去除。
再生水中的病原微生物是否会污染到地下含水层备受关注。地表渗滤回灌多以开放形式蓄积再生水于河道、沟渠或坑塘中，易导致病原微生物的滋生。为防止这一问题出现，《城市污水再生利用 地下水回灌水质》（GB/T 19772—2005）中规定：回灌水在被抽取利用前，应在地下停留足够的时间，以进一步杀灭病原微生物，保证卫生安全。采用地表回灌的方式进行回灌，回灌水在被抽取利用前，应在地下停留6个月以上。采用井灌的方式进行回灌，回灌水在被抽取利用前，应在地下停留12个月以上。Page等研究评估了墨西哥、澳大利亚、南非、比利时再生水地下水回灌处理工程对病原微生物的去除效果。结果表明，回灌水中病原微生物数量以及回灌水在含水层中的停留时间是影响风险的主要因素。
在干旱区开展地下水回灌，面临很多新问题，包气带土壤层中主要污染物的迁移、去除过程是关注的重点问题。了解干旱区包气带土壤特征和微生物特征，了解包气带土壤层的水力学特征及污染物的去除效率，筛选合适的地下储存模式，需要进一步开展深入研究。
再生水地下储存对地下水的影响以及可能导致的区域健康与生态风险可以通过两种途径实现：一是再生水直接用于回灌补充地下水，二是再生水用于土地灌溉，污染物随水分渗滤进入地下含水层。目前，国内外在再生水灌溉对植物生长、土壤质量、地下水质量的影响以及安全灌水技术方面的研究较多，这方面的研究也反映了再生水地下储存可能导致的健康与生态风险。
研究再生水灌溉对根冠生长、收获部位产量与品质的影响规律是开展再生水适宜灌溉的作物筛选的基础性工作。Al-Lahham等发现，在再生水沟灌条件下西红柿果实体积和质量显著增加，产量增加得益于再生水中含有丰富的营养元素。再生水灌溉莴苣、胡萝卜、白菜、芹菜、菠菜、番茄等蔬菜与常规水肥灌溉获得了相似的产量和品质，再生水灌溉苜蓿、芦苇草、雀麦草、阿尔泰野生黑麦、高麦草，可以促使土壤含氮量增加，提高作物产量。再生水灌溉可致向日葵叶片氮素富集，Ca 2+ 、Mg 2+ 、Cl-含量也出现累积效应。再生水灌溉草种可以获得更好的产量与品质，可以节肥32%~81%。再生水在果园也得到成功利用，再生水中磷、钾、镁、铁等营养元素可以满足葡萄生长的需要，但是叶片磷、钾含量增加会对葡萄生长带来潜在危害。
再生水灌溉对土壤质量影响直接关系到土壤的生产能力和土壤生态平衡，目前国内外研究重点包括再生水灌溉对土壤结构、孔隙率、导水率等物理性质的影响，以及对重金属、持久性有机污染物、盐分、养分等化学性质与土壤微生物群落的影响等方面。
再生水表面活性剂含量较高时对土壤入渗性能与毛管张力有显著影响。长期再生水灌溉对土壤孔隙率和镁含量造成影响，造成土壤密实度增加，对营养物的吸持能力下降。在长期再生水灌溉条件下土壤Cd、Pd等重金属的累积问题不容忽视。再生水灌溉一般不会改变土壤pH值，但是当再生水中含有丰富的营养元素和盐分时会导致pH值升高。对美国干旱与半干旱地区5处再生水灌溉与5处地表水灌溉的高尔夫球场绿地进行对比试验发现，土壤EC值与钠吸附比分别增加187%和481%，土壤中钠、硼分别增加200%和40%，土壤pH值增加0.3个单位，土壤有机质无显著变化，研究区域为干旱少雨地区，土壤蒸发强烈，土壤盐分累积较明显，干旱少雨地区盐分累积是再生水灌溉的主要问题之一。
在再生水灌溉条件下土壤氮素的利用效率研究不断受到重视。在再生水灌溉条件下随着NO 3 -N浓度增加、土壤含氧量减少，更加有利于发生反硝化作用，可增强2~50倍。
再生水灌溉利用应当防止其对地下水的污染。地下水的防污性能与包气带岩性、地下水力学特征、再生水灌溉制度、灌区工程布置等有关，再生水中钠含量较高，在灌溉入渗补给地下水的过程中，Na + 、Ca 2+ 发生离子交换反应，导致地下水中盐分增加。
以色列农业再生水利用工程包括预处理工程、水源调蓄工程和节水灌溉工程等3部分，利用SAT系统处理技术开展再生水回灌地下水，实现季节性调蓄，促进了再生水的高效利用。澳大利亚墨尔本Weribee农场通过土地渗滤、地表渗流、氧化塘等方法对污水进行渗滤处理，对生化需氧量、悬浮物、有机碳、N、P、Zn、Cu、Pb等去除率达到94%~99%，对Cr、Cd、Hg、Ni去除率达到75%~90%，改善再生水水质将有力促进再生水的安全利用。再生水滴灌技术可以减少灌溉水与人群接触的机会，地面滴灌处理地面细菌总数远高于地下滴灌处理，地下滴灌可以有效减少细菌在叶片的累积，实现再生水安全灌溉。为了推动再生水的安全灌溉，美国、澳大利亚、新西兰、以色列、加拿大、FAO、WHO等国家或国际组织制定了相关标准规范，对再生水水质、适宜作物类型、灌溉方式、灌区管理、警示标识、管网布置、灌区缓冲距离等均有详细的规定。
许多国家对回灌地下的再生水都提出了水质要求，如德国要求回灌水质应不低于当地的地下水水质，以色列规定用于回灌的再生水优于饮用水标准。目前美国还没有直接针对再生水利用的全国性法规，只有一个推荐性的《污水回用指南2012》，其中指出，各州在推荐指南的基础上，根据本州水资源的实际需求，规定必须在保护环境、有价回用，以及公众健康的前提下，设计、建设和运行再生水工程。许多州也颁布了各自的再生水法规或指南。加利福尼亚州关于再生水颁布了一系列的法律规范，包括《California Water Code，2011》（加州水法）、《California Code of Regulation，2013》（加州管制法）、《California Safe Drinking Water Act》（加州安全饮用水法）、《California Health and Safe Code，2011》（加州卫生安全法）等。新加坡的水质监控追求的是水质的绝对安全。新加坡的再生水和饮用水执行同一标准，既包含了世界卫生组织《饮用水水质指引》，又考虑了新加坡的供水安全。该标准共有292项指标，既高于美国环境保护局（USEPA）制定的97项指标，又高于世界卫生组织制定的116项指标。日本再生水利用行政主管部门、地方政府和行业协会等组织，分别制定了相关的指南、规定、纲要和条例，形成了一套完整的政策标准体系。这些政策标准主要有：《污水处理水循环利用技术方针》《冲厕用水、绿化用水：污水处理水循环利用指南》《污水处理水中景观、戏水用水水质指南》《再生水利用事业实施纲要》《再生水利用下水道事业条例》《污水处理水的再利用水质标准等相关指南》《污水处理水循环利用技术指南》《污水处理水中景观、亲水用水水质指南》等再生水水质标准。以色列1959年出台《水法》，对国家水资源的所有权、开采权和管理权等作出了明确规定。根据这一法律，全国水资源为公有财产，由国家统一配发使用，任何单位和个人不得擅自开采。《水法》还特别规定，私人土地上的水资源也属于公有。此后，以色列又颁布了《水井法》《河溪法》等一系列与水资源有关的法律法规。
为保证再生水水质安全，2000年欧盟统一出台了《水框架指令》（Water Framework Directive），2004年美国环境保护局（USEPA）出版的《再生水利用导则》（Guidelines for Water Reuse）中也严格规定，潜在饮用水的回灌水水质至少要求能达到饮用水水质。2006年世界卫生组织出台了《世界卫生组织污水安全利用指南》（WHO Guidelines for the Safe Use of Wastewater）。2009年澳大利亚通过了MAR国家指南（Australian Guidelines for Water Recycling:Managed Aquifer Recharge），为MAR项目的评估提供了方法和相关管理监测措施。
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的有《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，以及再生水深度处理后的水质达到什么标准才能使回灌工程效益最大限度地发挥，是需要重点研究的问题。
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。针对新疆干旱区的实际情况，在国内外现有研究基础之上，需要进一步研究再生水回灌后主要污染物在区域土壤及地下水中的迁移转化机制，以此筛选和确定针对新疆干旱区再生水回灌的主要水质安全指标。根据再生水灌溉条件下可能产生的健康与生态风险，开展再生水地下储存模式及其健康与生态风险分级量化研究，从而明确关键的风险控制因素，提出风险控制对策或措施，以确保再生水用水安全。该研究对于指导干旱区利用再生水资源具有一定的科学价值。