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结合新疆干旱区实际情况，筛选适宜的再生水地下储存模式，通过分析再生水回灌后，主要污染物在干旱区包气带土壤层和地下水含水层中的迁移转化机制，分析再生水回灌区域土壤环境与地下水环境的变化及存在的生态风险，分析再生水回灌导致的健康风险。由此，提出适用于干旱区水循环和水资源安全的再生水利用与地下储存技术方案，明确再生水回灌的生态风险与健康风险的控制因素，并提出相应的控制对策，为今后研究适宜的回用方式及再生水回灌工程的运行和维护打下基础，为新疆干旱区再生水利用及水资源安全提供技术支撑。
地下水人工回灌主要有两种方式：地面入渗法和管井注入法（只考虑回灌潜水含水层）。本研究通过测定干旱区包气带土壤层与地下水含水层的相关特征参数，选择边界条件清晰的天然储水构造，结合实验室构建模拟干旱区地下环境的试验，在再生水满足地下水回灌水质标准的前提下，分别采用两种回灌方式后，土壤层与地下含水层的储存条件，即分析再生水地面入渗回灌后，土壤化学性质变化、潜水含水层水质变化以及土壤层对主要污染物的去除效果；分析地表渗滤回灌和管井注入回灌两种途径下，潜水含水层水质变化。比较两种情况下，含水层储存空间容量、水环境容量与土壤环境容量等，据此筛选适宜于干旱区的再生水回灌与储存模式，并确定再生水回灌方式、储存空间及回灌水量与水质、回灌时间与周期等技术参数。
基于干旱区城镇污水处理现状及再生水水质调查，确定再生水水质特征，采用主成分分析法进行数据分析，确定干旱区再生水重点污染物，为再生水以灌溉为目的的水资源深度处理技术提供依据。
结合现场观测井资料与实验室模拟试验数据，根据选定的地下水储存模式，结合土壤水动力学和地下水动力学理论基础，建立干旱区主要污染物迁移数值模型，利用土壤水或地下水数值模拟软件，开展干旱区主要污染物在包气带土壤层或地下含水层中的迁移转化过程研究，评价与预测再生水回灌后潜水或承压水水质变化，确定再生水回灌的水质安全指标体系，为防止再生水污染土壤和地下水提供技术支撑。若选择潜水含水层作为再生水回灌的储存空间，还需进一步分析包气带土壤层对主要污染物的去除效率。
对水循环过程中的各类水体，开展单项参数与综合参数的分析和总结，借鉴国外的相关水质标准，评价水循环过程中可能造成的重点污染物污染，着重考察水循环过程中由于再生水引入而导致的化学安全与毒理学安全问题。对水资源循环进行过程危害认定，建立剂量-响应关系，进行人类暴露评价与风险表征，确定风险的严重性和发生的可能性。
结合场地调查和试验研究结果，建立再生水地下储存模式的健康风险与生态风险评价模型，对再生水存储于地下并后续用于农业灌溉的全过程进行风险分级，开展量化分析，通过调整地下储存模式，改变主要单元的操作条件，考察预期的风险值，确定风险控制的关键因素及风险控制方法。
本研究拟解决以下关键问题：
（1）重点污染物在包气带土壤层的迁移转化机制；
（2）再生水地下储存模式的关键风险控制因素及风险控制方法。
本书立足于研究新疆干旱区再生水循环利用，构建适用于干旱区的再生水地下储存模式；基于再生水主要污染物在土壤层的迁移转化机制研究，建立再生水回灌的安全水质指标体系，基于再生水地下储存模式的健康风险与生态风险分析，确定健康与生态风险控制关键因素及控制方法。具体方案如下所述。
利用以野外调研与监测为主、室内模拟试验为辅的手段，考察分析干旱区地下水含水层空间自然条件，选择适宜开发利用的地下水库库区，筛选再生水地下储存模式。
通过野外调研，测定干旱区包气带土壤层的含水率、含盐率、渗透系数，分析包气带土壤层土壤成分、粒径等特征参数，利用分子生物学分析方法考察干旱区的微生物群落结构特征，建立干旱区重要地质条件与微生物特征的参数数据库。参数数据包括干旱区气象水文条件、地形与地表径流、土地使用情况、土壤岩性及物理性质调查（试坑法、钻井法等）、土壤化学性质（黏粒矿物学分析等）、地下水流速、含水层储水量、径流时间、地下水化学性质等。
通过进气式渗透仪法、双环渗水、渗坑试验、筒形渗滤计法，测定干旱区水力学特征，包括饱和水力传导系数、给水度、非饱和水力传导系数、渗滤速度、垂直饱和水力传导系数。通过实验室构建模拟干旱区地下环境，开展比较研究，分析地下水回灌过程中的水力学特征，预测和评价包气带土壤层对污染物的去除效率，筛选合适的再生水储存模式。
通过现场监测与实验室模拟确定与水质安全相关的主要污染物量化指标及污染物在土壤层和含水层中的迁移转化机制，确定包气带土壤层的水力学特征及污染物去除效率，确定再生水回灌的安全水质指标体系。
当采取地表渗滤法进行再生水回灌时，再生水中污染物的迁移转化分为两个阶段。
第一个阶段是污染物在土壤层中的迁移转化：土壤层的净化过程包括物理化学过程和微生物过程，错综复杂，其中物理化学过程主要包括过滤、吸附、反应、沉淀等；微生物过程主要包括降解、累积等。项目拟采用室内土柱模拟试验，研究再生水中污染物的迁移转化机制和去除率。根据野外试验区土壤条件，试验设置3个土柱模型，每个土柱模型注入等量的再生水，渗滤相同时间，试验结束后，分层采集包气带土壤样品，实验室分析再生水污染物控制指标以及土壤颗粒、渗透速率等土壤物理指标。通过土壤中再生水污染物控制指标与物理指标分析研究再生水中污染物的迁移转化机制，通过回灌水质与渗入地下的水质变化分析污染物的去除率。
第二个阶段是污染物在地下水中的迁移转化：通过野外渗滤试验，在渗灌场地设计观察井监测地下水运动及污染物在时间和空间上的迁移情况，结合试验区相应的地质、水文、水质，研究再生水中的污染物在地下水中的迁移转化机制。
当采取井灌注入法进行再生水回灌时，再生水中的污染物只在含水层中进行迁移转化，因此只需研究污染物在地下含水层中的迁移转化机制。此时，通过水文、地质调查，选择试验区域进行野外试验研究，利用观察井监测地下水运动及污染物迁移情况，结合试验区相应的地质、水文、水质，研究再生水中污染物在地下含水层中的迁移转化机制。
通过对再生水补给地下水过程中重点污染物在土壤包气带中的迁移转化规律、化学安全性，以及对关键技术的可靠性进行分析，综合研究在再生水补给地下水过程中自然活动和人类活动对水质安全带来的影响，定义风险点和监测标准，构建再生水地下储存模式的关键风险控制因素及风险控制方法，合理评价再生水地下储存工程应用的可行性。
以风险度作为评价指标，将环境污染与人体健康联系起来，定量描述污染对人体产生健康危害的风险，建立再生水地下储存模式健康风险评价模型，通过危害识别、剂量-效应评估、暴露评价和风险表征进行健康风险评价。
界定研究区的边界范围和时间范围，确定影响区域，以地下水环境及再生水回灌区域的土壤环境为研究对象，以水质变化和土壤环境变化为评价目标，建立再生水地下储存模式生态风险评价模型，通过风险源分析、暴露与危害分析，对再生水回灌后的生态风险进行综合评价，主要包括水质生态风险评价和土壤重金属污染生态风险评价。
（1）查阅相关主题或关键词的科技文献，总结国内外相关领域发展趋势、研究方法或评价方法、试验手段、相应的结果与结论。
（2）通过查阅历史文献与现场勘察、调研，选择再生水回灌工程地址，即本研究的现场试验地址。
（3）在总结前人研究方法、手段及成果的基础上，结合新疆实际情况，考虑室内模拟试验方案，方案须具体、可操作。如设备装置的设计、测试样品与指标等。
（4）借助外部力量（清华大学），合作与交流，邀请专家来疆讲座，开展相关技术培训与学习等。
按研究内容分解工作任务，技术路线见图1-1。
图1-1 技术路线图
掌握国内外关于地下水回灌技术方面的研究现状与趋势，了解地下水回灌的基本概念、回灌方法、地下水回灌需要解决的关键问题。
地下水回灌工程的勘探与选址，明确勘探与选址的主要工作内容，包括场地的基本情况，土壤岩性，物理、化学、水力学性质，地下水性质，渗滤速率测量以及勘探与选址报告等。
人工地下水回灌工程的设计，包括土壤地质勘察、土柱模拟试验与前期调查、预处理工艺设计，回灌工程设计要素分析，以及了解国内外人工地下水回灌工程设计实例。回灌水及其预处理，包括回灌源水的类型、城市污水深度处理工艺，以及国内外关于城市污水深度处理工艺的试验成果，地下水回灌的工程规范与水质标准等。对再生水回灌预处理技术的处理能力和处理机制进行研究，确定适用于再生水回灌的预处理工艺；针对再生水储存在地下的水质要求，对二级出水水质进行深入分析，去除优先控制组分，降低再生水回灌地下水的健康风险和生态风险。
掌握国内外在地下水回灌过程中污染物迁移转化机制、土壤含水层处理机制及土壤包气带和地下水含水层的水质变化等方面的研究动态。土壤含水层处理，研究土壤含水层的处理机制，即主要污染物在含水层中的迁移转化机制，以及主要的水质参数在土壤含水层中的净化效果。对土壤含水层处理的处理能力和处理机制开展深入研究，研究再生水储存于地下时，土壤含水层或地下水含水层的水质变化。
掌握国内外关于健康风险与生态风险评价方法的研究进展，国内外关于再生水回灌过程中风险评价理论和方法的研究进展。健康风险及其评价，总结国内外关于健康风险评价的方法和过程，以实际工程为例，研究和估算新疆干旱区再生水利用所致的潜在健康风险。生态风险及其评价，总结国内外关于生态风险评价的方法和过程，以实际工程为例，研究和估算新疆干旱区再生水利用所致的潜在生态风险。针对问题，提出对策，确定健康风险与生态风险控制关键因素，提出相应的控制措施或方法。