柴达木盆地那棱格勒河流域的水资源与矿源意义

2020-09-24谭红兵陆是成拓万全饶文波郭宏业

河海大学学报（自然科学版） 2020年5期

谭红兵，陆是成，拓万全，饶文波，郭宏业

(1.河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 211100； 2.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，甘肃兰州 730000；3.青海省水文地质工程地质环境地质调查院，青海西宁 810008)

那棱格勒河是柴达木盆地第一大河，流域内水源补给充足，地表水和地下水资源都很丰富，水质优良。世界大江大河众多，但很少有类似那棱格勒河的独特性：流域内地表/地下水系统虽然TDS很低，但其中的B、Li、K等元素质量浓度很高，远高于一般河流，B、Li质量浓度甚至高于海水相应浓度，而TDS仅为海水的1%。

那棱格勒河几乎整个流域地处高寒无人区，水资源开发利用程度低，地表水/地下水中高背景异常的矿产元素更是未引起世人重视。朱允涛等[1-2]曾推断那棱格勒河源区与火山、断裂活动有关的温泉排泄，是尾闾盐湖B、Li的主要物源。基于此，Tan等[3]开展了那棱格勒河水化学季节变化分析，并评估了自地史时期以来那棱格勒河输入湖盆的B、Li资源总量，认为仅这条河流源源不断输入的B、Li量就足以形成目前探明的盐湖资源总量。后来，Yu等[4]对该流域水体B、Li富集的原因进行了综合评述，认为那棱格勒河高浓度的B、Li等元素为尾闾盐湖资源提供了重要物源。面临气候急剧变化的大格局[5-7]，对这一源区冰雪广布，尾闾盐湖资源正在大规模开发的高寒流域，首先从宏观和不同时空尺度开展战略性先导研究十分必要。让这条世界罕见的既具有水源意义、又富含矿产资源价值的大河流域得到科学开发与合理保护，才能使大自然所赐的特色资源(水、矿)实现可持续发展，长久造福于人类。

1 区域概况及研究方法

1.1 区域水文地质及盐湖资源概况

柴达木盆地水系的分布受地形及新构造运动制约，大体呈向心状辐射分布。较大的河流多分布于东昆仑山北麓及其东部地区，补给水源主要是高山冰雪融水，受季节影响较大。一般河流在出山口即消失于山前砂砾岩层中，变为潜流；较大的河流在盆地内部各低洼地区形成湖泊，大多数经强烈蒸发演化为盐湖。发源于东昆仑的大河主要有那棱格勒河(初步估算径流量可能在10亿m3以上)和格尔木河(多年径流量为7.98亿m3)[8]，它们分别是柴达木盆地第一、第二大河流。乌图美仁河发源于乌图美仁乡附近的沼泽与泉水，由西向东延伸，中途不断有泉水供给，多年平均径流量为0.84亿m3[8]。柴达木盆地一里坪、西台吉乃尔、东台吉乃尔盐湖是那陵格勒河的尾闾湖，涩聂盐湖是乌图美仁河的终端湖(图1)。位于柴达木盆地中部的一里坪湖、西台吉乃尔湖和东台吉乃尔湖，卤水中的Li含量在柴达木盆地为最高，B含量也比较高，是世界上极为典型的富B、Li资源盐湖。

图1 研究区域和采样点分布Fig.1 Study area and sampling locations

那棱格勒河源区位于东昆仑与阿尔金断裂碰撞交汇地带，高海拔山间盆地发育很多盐湖，如勒斜武旦湖、西金乌兰湖、太阳湖、可可西里湖、库塞湖等。这些湖的B、Li质量浓度都很高(>50 mg/L)[9]，湖区及外围有许多正在活动的地热泉，如新青峰[9]、布喀达坂[1]、太阳湖都有高温地热活动或者有大量古火山活动遗迹，许多温泉B、Li质量浓度也很高。前期研究表明，这些高海拔区的盐湖外泄或地热水排泄，使其富含的B、Li等被源源不断带入尾闾盐湖，最终在那棱格勒河尾闾形成罕见的B、Li等矿产资源盐湖[3]。这些盐湖矿产资源成为支撑地方经济发展的主要和极具特色的矿种，创造了十分可观的社会经济效益。

1.2 研究方法

笔者于2019年4月对基流条件下的那棱格勒河开展了一次系统野外考察取样，同时以格尔木河流域作为对比也采集了样品。地下水主要集中于两大流域洪积扇带大厚度含水层，钻孔深度以150～250 m为主，也包括洪积扇前缘一些自流井或泉水。那棱格勒河地下水样品多为潜水，格尔木河流域则既有潜水也有洪积扇前缘深层承压水。除了承压自流井，所有钻孔地下水样品采样前均抽水1～2 h，尽可能采取新鲜水体。每个样品采集500 mL，现场测定电导率、pH、溶解氧、滴定碱度等基本参数并做好记录后过滤，然后封装于2个小瓶分别作为基本阴离子及阳离子测定样品，其中阳离子酸化至pH小于2。水动态监测除对重点钻孔安装自动水位计，每12 h自动记录一次并储存于自带储存卡外，从2019年4月开始逐月实测一次并检查导出自动水位计数据，确保不被外界扰动。

2 流域地表水/地下水循环与水化学典型特征

2.1 流域水循环基本特征

图2 那棱格勒河流域冲洪积扇带地下水位月平均动态Fig.2 Monthly average changes of groundwater levels in the alluvial-diluvial fan of Nalenggele River Catchment

大量监测资料表明，那棱格勒河径流四季变化大，春汛期间以冰雪融水为主，6—9月雨季期间则既有冰雪融水又有实时降水[10]。2019年多次野外考察发现，夏季7—8月那棱格勒河洪水频发，几乎每天下午山区都有降水事件，径流时空变化非常大，但由于没有水文监测站，很难准确获取径流信息。无人机配合地面监测流量显示，那棱格勒河上游两大支流(洪水河与楚拉克阿拉干河)4月枯水期时流量相当，但7月丰水期时楚拉克阿拉干河流量明显大于洪水河。出山口后，河流径流量的70%以上渗漏地下，河水四处漫溢，河道宽浅散乱，枯水期无固定河道。冲洪积扇前缘溢出带有大量泉水溢出，甚至集流成河，如乌图美仁河完全由地下水泄出成河，流量较大，最终河流全部汇入盐湖而消失。那棱格勒河总体属于地表水与地下水存在频繁转化关系的河流，但出山口处以地下水补给河水为主，山区则是河水渗漏补给地下水为主。近期笔者调研发现那棱格勒河上游新构造运动强烈，发育很多深大断裂，地表水垂直入渗参与深部循环也是该流域一种特殊的水循环方式。

不同于一般干旱盆地，那棱格勒河流域冲洪积扇为大厚度含水层，地下水位不仅存在较大的年际变化，且由2019年实测的不同月份地下水位数据可知，大部分钻孔水位存在较大的月变化甚至日变化(图2，图中2019年数据为笔者实测数据，其他数据来自青海省水文地质工程地质环境地质调查院搜集资料整理，灰色条块表示水位上升月份)。每年6月水位开始上升，9—10月水位最高，然后开始下降，亦即丰水期存在显著的补给。另外，在年际尺度上，近年来水位也表现出显著的上升趋势，如ZK01钻孔2019年6月水位相对2010—2013年6月上升幅度超过10 m，其他钻孔也总体表现为数米幅度的上升趋势，表明2019年相对于2013年及其之前流域地下水储水量有显著增加。这与Grace重力卫星数据揭示柴达木盆地地下水储量增加显著的结论一致[6]。那棱格勒河流域目前地下水开发程度比较低，水位变化主要受控于自然补给与排泄。即使对于井深超过150 m、水位埋深大于10 m，甚至20 m以上的含水层，丰水期也可以监测到明显的季节性补给，表明水循环条件良好，更新周期快，从水资源开发角度而言具有重大意义。

2.2 流域水化学典型特征

3月底至4月初为那棱格勒河流域最枯水季，冰雪融化尚未大规模开始，山区降水也很稀少。为讨论基流状态下那棱格勒河流域的水化学特征，笔者采集了上游两大支流至中下游地区的河水、地下水样品进行水化学分析。结果发现(表1)，与邻区格尔木河相比，虽然都源于东昆仑北坡，以冰雪融水及夏季降水为源，但两河流域不论地表水还是地下水，具有完全不同的水化学特征。最典型特征：那棱格勒河流域地表水、地下水的B、Li、K等元素显著富集，比格尔木河流域的水体高一个数量级，特别是Li的富集程度更为显著，B、Li质量浓度甚至比自然界最大的储库海水高数倍。这些元素的显著富集并非蒸发浓缩作用所致，因为两大流域水体电导率或TDS都不高，且与富集的元素浓度之间没有显著相关性。洪水河汇入前，那棱格勒河源自西北支流(又名楚拉克阿拉干河)，此时这些元素质量浓度与格尔木河基本接近，但当来自正南的洪水河汇入后，干流向下约10 km段水样的B、Li、K浓度突增了近10倍。洪水河(ρ(Li)=0.48 mg/L、ρ(B)=1.90 mg/L、ρ(K)=10.87 mg/L)本身比另一支流楚拉克阿拉干河(ρ(Li)=0.04 mg/L、ρ(B)=0.64 mg/L、ρ(K)=5.48 mg/L)高近一个数量级。那棱格勒河流域冲洪积扇带地下水虽然TDS低于河水，但具有比那棱格勒河更高的Li、B、K质量浓度，而且几乎所有地下水样品都显示这一特征。相比之下，格尔木河流域除个别井水(宝库村居民饮水井)的B质量浓度较高外，其他地下水B、Li、K质量浓度与河水基本接近。在自然界，一般天然淡水很难出现如那棱格勒河流域这样B、Li等元素的异常富集现象。世界大江大河B、Li质量浓度都很低，B质量浓度一般变化范围为0.007～0.5 mg/L，Li质量浓度范围为0.002～0.023 mg/L[11]。即使同样发源于青藏高原的长江，Li质量浓度(0.004 mg/L)仅为那棱格勒河的1/100[12]。由此可见，那棱格勒河流域水体B、Li等元素异常富集是不争的事实，作为淡水资源的大河或地下水系统，出现这类元素的超常富集在世界上也很罕见，虽然目前尚未查明富集成因机制，但肯定与深源流体活动密切相关。

表1 那棱格勒河及周边不同水样的B、Li、K质量浓度，TDS变化与资源量估算

3 水资源意义

那棱格勒河是柴达木盆地第一大河，监测资料显示，那棱格勒河流域水循环规律及水资源现状与格尔木河流域差异显著，前者流域面积大(21 898 km2)，河长435 km。在建水利枢纽前，流域水动态基本表现为自然状态，地表水-地下水转换频繁，特别是地下水以潜水为主，埋深浅，雨季水位显著上升暗示循环更新速率快，具有良好的开发利用潜力。作为那棱格勒河的邻区，格尔木河流域今后面临的不是继续开发而是重点保护[14]，其中那棱格勒河调水解决察尔汗及格尔木水资源问题经过多年论证认为是可行、且已经付诸实施的方案。另外，那棱格勒河源区分布大规模冰川冻土，随着柴达木盆地及其周围山区成为青藏高原气候变暖幅度最大的地区之一[5-6]，2013年以来大多数钻孔地下水位持续上升，初步预测气候变暖背景下地下水储量将大幅度增加。地下水以出山口前山区补给为主，季节补给效应显著，出山口前的那棱格勒河水利枢纽建成蓄水之后，必然引起地下水位大幅度上升。综上，无论是地表水还是地下水，那棱格勒河流域均具有比格尔木河流域更丰富的水资源可供开发利用。出山口的径流可以考虑外调格尔木河流域或者北上调往更为缺水的茫崖、冷湖等地的油田和矿区。虽然尚需慎重论证，但据笔者正在进行的监测表明，出山口附近河水外调对地下水的补给可能影响不大。相反，不论气候变暖、山区降水增加还是中上游蓄水，都会引起洪积扇带地下水位上升，对于干旱沙漠地带，开发利用地下水也是防止水位过度上涨、发生盐碱化等灾害的措施之一。

那棱格勒河出山口的水外调之后，可以考虑从上游洪水河源区实施跨流域调水方案补充外调的水量。最近为保护青藏线的安全，中国科学院寒区旱区环境与工程研究所提出从库塞河调水到洪水河，然后补给那棱格勒河的方案，有实际意义。可可西里盐湖面积持续性扩大，严重威胁青藏公路和青藏铁路运营安全。如果在库塞河中游掘开库塞河与洪水河连通，或者直接与正在扩张的盐湖连通，可以起到一石多鸟的效果：(a)可以把高海拔山区难以开发利用的盐湖矿质元素通过调水输入那棱格勒河下游盐湖作为矿源补充；(b)防止一些盐湖水位持续上涨,以至溃堤淹没青藏线；(c)补充那棱格勒河出山口后外调走的水量，实现动态调节平衡。当然，这一调水方案需要充分考虑可能对可可西里等地区生态环境的及对那棱格勒河水质的影响，虽然富含B、Li等矿产元素，但那棱格勒河第一任务仍然应是承当水资源功能。初步估算，如果以洪水河混合之前的那棱格勒河上游楚拉克阿拉干河TDS为背景，洪水河汇合之后的那棱格勒河干流TDS为参照，库塞湖作为高TDS(28.54 g/L)[15]的另一混合端元，只要保证输入洪水河的水量不超过洪水河现今流量的17.2%，到出山口因多条支流汇合稀释后的那棱格勒河干流TDS就不会超过1g/L，而且在出山口后TDS更低的地下淡水排泄会进一步稀释河水，所以可以保证干旱盆地淡水资源的要求。

4 流域地表水/地下水系统蕴藏的矿产资源潜在价值与地质意义

除那棱格勒河除上游支流楚拉克阿拉干河外，整个流域无论地表水还是地下水都具有富集B、Li等元素的显著特征，下游尾闾盐湖形成举世罕见的锂矿资源，显然与整个流域Li的高背景异常密切相关。目前，虽然那棱格勒河缺少水文站及长期观测资料，准确的地表径流量难以获得，地下水资源量也只能估算冲洪积扇带目前钻孔所及的150 m深度以上储量，但按已有资料保守估算(表1)，每年那棱格勒河包括下游支流乌图美仁河输入湖盆的B(B2O3)、Li(LiCl)、K(KCl)资源总量，以及冲洪积扇带初步勘查的150 m以上地下水中储存的这些元素总量都十分可观。这只是一种战略性的总量估算，一定时期内并不能作为矿产资源储量来衡量其经济价值。但那棱格勒河几乎整个流域B、Li、K元素的背景异常所蕴含的矿产资源潜在价值，特别是地质科学意义值得重视和关注。由于那棱格勒河流域河水、地下水都具有良好的水循环条件，意味着有源源不断来自深部流体的物源供给[3]。如果将来有条件从库塞湖或其他高海拔山间盆地调水到那棱格勒河，如勒斜武旦湖等Li的质量浓度(68.5 mg/L)[9]很高，那么这些水体中富含的B、Li、K也会自然输入盆地，进一步增加矿产元素的总量，这一总量预计将远高于表1保守估算的总量。从地质演化的理论角度讲，只要进入湖盆这么多资源元素而没有出口，最终都会演化成为卤水资源，其总量将会十分可观。虽然地表水/地下水中B、Li、K质量浓度当前远达不到工业直接开采利用的富集程度，但对无法作为水资源直接利用的洪水或溢出带泉水完全可以考虑输入干盐滩蒸发浓缩，日积月累自然也会成矿或者浓缩之后补充盐湖，矿源意义重大。

随着战略性紧缺矿产资源开采工艺技术的发展，世界各地都在试图从任何富锂水体中提取锂。那棱格勒河输入湖盆这么多总量的锂元素，如果对其开展长期攻关研究，有可能在工艺技术方面实现直接从一定程度富集的淡水中提取锂元素。如羊八井热电厂废水一直认为没有矿产资源价值，但近年来已经建厂提取硼矿资源即是成功的先例。另外，海水提锂也被认为是可行的，国内外在这一领域都已取得突破性进展[16]。那棱格勒河流域水体Li浓度比海水还高很多倍，如果浓缩到海水程度(约100倍)，Li浓度将比海水高数百倍，有一定开发利用的远景。只是因为这一流域人迹罕至又是极度干旱区，首先考虑的是水资源功能，至今并没有人从宏观战略角度评估其矿产元素利用价值。