察尔汗盐湖资源开发的生态环境保护对策

2021-03-24熊增华张建伟王石军

中国矿业 2021年3期

熊增华，张建伟，王石军,

(1.青海师范大学地理科学学院，青海西宁 810016；2.青海盐湖工业股份有限公司，青海格尔木 816000；3.国家盐湖资源综合利用工程技术研究中心，青海格尔木 816000；4.青海省盐湖资源综合利用重点实验室，青海格尔木 816000)

察尔汗盐湖位于青藏高原柴达木盆地，是我国面积最大、资源储量最丰富的钾镁盐矿，具有固液并存、多组分共存、气候环境独特等特点[1]。察尔汗盐湖资源开发始于1958年，经过六十多年的探索实践和科技创新，目前已经建成了我国最大的钾肥生产基地，正在建设世界级镁盐和锂盐产业基地。当前，在资源承载力与环境容量的共同约束下，如何提高盐湖资源利用水平，协调资源产业发展与生态环境保护的关系，实现绿色、有序、可持续开发，是察尔汗盐湖面临和亟待解决的首要问题[2]。

1 察尔汗盐湖资源环境禀赋

察尔汗盐湖位于柴达木盆地的中东部，南依昆仑山(海拔约6 000 m)，北接祁连山系的锡铁山(海拔约4 000 m)，西邻阿尔泰山(海拔约3 000 m)。盐湖矿区东西长204 km，南北宽20～40 km，总面积达5 856 km2。察尔汗盐湖大部分为干盐滩，地形平坦、开阔，盐湖展布和地层走向均与主要构造线方向一致，呈NWW-SEE向延伸。盐湖区北部自西向东为涩北、盐湖、哑叭尔等第四系背斜构造组成的丘陵和第四系砂丘，比高20～60 m；东、南、西三面为发源于昆仑山诸河流所形成的洪积戈壁和冲积平原。地层为第四系湖相沉积，以盐类沉积为主，赋存有丰富的盐类矿藏[3]。

1.1 气候特征

察尔汗盐湖地处青藏高原腹地，来自南亚的湿热空气被喜马拉雅山阻挡无法与西伯利亚冷空气会合，因此降水很少，属典型的干旱荒漠大陆性高原气候，表现为干燥多风、降水量小、蒸发量大、紫外线强、低压缺氧等特征[4]。据察尔汗气象台1960年以来的观测数据显示：察尔汗盐湖地区的年平均气温5.2 ℃，最低气温-29.7 ℃，最高气温35.5 ℃；平均相对湿度26%；主导风向为西北、西南，平均风速4.3 m/s；平均降水量23.7 mm，平均蒸发量3 527.9 mm，每年4～9月的月均蒸发量达300 mm以上；年平均气压735.2 kPa；年平均日照时数3 183 h。

1.2 水文条件

察尔汗盐湖为内陆闭流盆地，周边河流呈放射状汇入盐湖。常年有水的5条河流分别为格尔木西河、格尔木东河、清水河、跃进河、乌图美仁河，其中补给盐湖最大的两条河流是格尔木西河和乌图美仁河。这些河流有的为山前地下水(以泉)溢出汇集而成，多年流量相对稳定，如清水河、乌图美仁河；有的受山区降水和冰雪融水的补给，流量变化较大，如格尔木西河，因流途较长，大部分河流在山前强烈渗漏。

受河流补给的影响，察尔汗盐湖四周的边缘部位分布着10个卤水湖泊(图1)，是世界上罕见的湖中湖，其中多数湖泊分别承受着某一河流的补给。常年有水湖泊为南霍布逊湖、北霍布逊湖、达布逊湖及涩聂湖；季节性湖泊为协作湖、团结湖、大别勒湖、小别勒湖及东陵湖。

图1 察尔汗盐湖地理分布示意图

盐湖水体补给来源包括大气降水和两侧山区的地表与地下径流。由于盐层渗透性好，潜水型晶间卤水埋藏很浅，因此可以得到大气降水的补给；山区降水融雪形成地表径流，在山前戈壁渗漏形成地下径流，以地下水或溢出地表水的形式补给盐湖[5-7]。

1.3 资源储量

察尔汗盐湖拥有盐类资源总量超过600亿t(表1)，是我国最大的可溶性钾镁盐矿床。其中，固体、液体KCl资源储量达5亿多t，MgCl2资源储量超过40亿t，LiCl资源储量达1 200万t，均居全国首位，矿产资源潜在总价值超过12万亿元[8]。

固体钾资源近3亿t，主要以浸染状光卤石、钾石盐形式存在，该类固体资源经溶解，转化为液体资源才有可能实现工业化利用，因此，钾资源的固液相转化是盐湖可持续开发的关键环节[9]。而保持足够的补给水量，维持盐湖水量相对均衡，是在满足生态环境保护前提下，能够有效促进固液相转化和资源开采的重要方法[10]。

表1 察尔汗盐湖盐类资源量

2 资源开发的生态风险

2.1 盐湖生态环境

察尔汗盐湖受特殊的荒漠气候和含盐母质影响，地表被一层质地坚硬、厚约几十厘米的盐壳覆盖，几乎寸草不生，自然景观单调，土壤生物作用极其微弱，盐湖范围内无农牧业，生态环境比较脆弱。因此，既要发展经济，又要保护环境，存在一定难度。

察尔汗盐湖属于柴达木盆地的最低洼地带，海拔较南部昆仑山低322～2 322 m，是发源于山地诸河流的汇集地，湖区干盐湖与卤水湖共存。在干燥少雨、蒸发量大的气候环境下，卤水湖水体面积变化(补给)主要受上游河流发育情况及河水流量大小控制。如达布逊湖在30年间(1987—2017年)，湖泊面积年际变化剧烈，面积最大时452.560 km2(2011年)，面积最小时177.957 km2(2002年)，湖泊面积与入湖的唯一地表河流格尔木河年径流量呈现明显的正相关(相关系数R2=0.82)，说明格尔木河径流量是导致湖泊面积变化的重要因素之一；达布逊湖所在的位置多年平均降水量仅为38 mm，对湖泊补给可忽略不计，但达布逊湖年蒸发强度达3 550 mm，蒸发量随着湖泊面积的增大而减小，两者呈线性相关(相关系数R2=0.93)，说明蒸发是导致达布逊湖湖泊面积波动变化的重要因素之一。

在天然状态下，湖泊损耗几乎全部为蒸发损失，维系湖泊最小面积(2002年177.957 km2)的入湖流量为入湖流量的阈值2.81×108m3/a，也是地下水科学开采的依据。盐湖的钾资源是以液体矿地下卤水的形式赋存，即地下水就是矿产，无水时钾资源将转化为固体矿。当卤水湖水位低于晶间卤水水位时，晶间卤水补给湖水，卤水湖就成为钾盐资源沉积的良好场所(如20世纪60年代达布逊湖东北岸光卤石带沉积)；当卤水湖水位高于晶间卤水水位时，湖水补给晶间卤水，并溶解径流途中的盐类矿物。2010年之后，人类工程活动加剧成为盐湖面积减少的重要因素，对盐田的大规模采卤，造成地下水位下降，使湖泊周围地下水埋深低于湖面1 m以上，湖水和河流大量补给地下水，导致河流水量减少，湖泊面积萎缩，蒸发量下降，绿地、湿地的面积减小，严重影响了盐湖区域的生态环境。

2.2 潜在生态风险

盐湖资源开发存在潜在的生态风险主要有上游农牧业粗放式用水导致入湖水量减少、晶间卤水开采量增加导致水盐失衡和盐湖萎缩，影响了盐湖资源的可持续利用，主要表现如下所述。

1) 达布逊盐湖周边晶间卤水开采量增加，致使达布逊湖水位下降，湖面面积减小甚至消亡，造成湖水补给地下晶间卤水量减少，不利于资源高效开发。

2) 盐湖资源开发利用过程中“固转液”所需用水，增加了周边水资源的供给，影响了盐湖周边生态。

3) 盐湖资源开发的重点区域也是生态服务功能重要的调洪泄水、尾闾湖泊和防风固沙的关键区域，与生态安全关系密切。

3 资源开发的生态环境保护对策

3.1 产业发展对策

根据察尔汗盐湖资源禀赋和环境条件，对盐湖资源开发利用和产业发展实施生态保护优先和综合利用节约资源的战略，优化盐湖资源开发利用产业布局，以钾资源为龙头，加快中高端盐湖资源产品的研发和生产，构建多产业集群的绿色经济发展模式。

1) 钾资源产业受淡水资源和矿固液并存约束，察尔汗地区目前高品质氯化钾产量约500万t/a。如果未来市场扩大或国际氯化钾供需形势发生变化，可开采深层富钾卤水，适量适当扩大钾盐生产规模，保障国家粮食安全。同时，大力发展中高端钾盐类产品，如青海硝酸盐业公司的硝酸钾产量自2016年起呈现逐年提升趋势，2018年产量达93 859.6 t，提高了钾资源产品的附加值。

2) 察尔汗盐湖有1 000多万t的锂资源，以碳酸锂工业级价格4.5万元/t、电池级7万元/t、高纯级10万元/t以上，经济价值非常可观，卤水提锂将是未来锂产品的重要方向。但锂产业发展受到生产工艺的制约，镁锂比影响提锂方法的选择，镁锂比越小越好，我国大多数盐湖都是高镁低锂型，工艺技术难度大。察尔汗盐湖的锂资源品位低，原卤镁锂比达1 800，老卤镁锂比达500，采用的提锂方法有煅烧法(青海中信国安)、离子选择膜法(青海锂业)、离子吸附交换法(青海蓝科锂业)等。离子吸附交换法生产效率高，但水耗较大，生产1 t碳酸锂约消耗600 t淡水，每吨成本约1.5万元。因此，要提升、创新高镁锂比盐湖卤水提锂工艺，推动中高值锂产品开发，提高经济效益。

3) 氯化镁作为提钾后的副产物，每生产1 t钾肥，就能产12 t氯化镁。以察尔汗盐湖已建的氯化钾规模计算，年产氯化镁达6 000万t，数量巨大，这些资源除少量用于生产氯化镁、氢氧化镁、金属镁外，全部作为溶解固体钾矿的溶剂返回到矿区地层中，未来固体钾矿开采完毕后，应大力支持氯化镁工业生产，并深入推进镁合金、镁盐精细化工等高效利用。

可见，发展中高端钾盐产品、提升卤水提锂工艺、支持镁的高效利用，延长产业链、提高附加值，在相同耗水量下提高水资源效益，同样产品价值所需耗水量相对降低，有利于盐湖矿区的水位稳定和生态保护。

3.2 绿色节能对策

当前，察尔汗盐湖地区有200 km2的盐田、300 km2的湖泊及100 km2的水景线，在强烈蒸发作用下，每年大量的水进入大气，可为格尔木生态环境及区域气候的改善做出贡献。在生产过程中，按照绿色开发的理念，利用太阳能和风能，采取大面积滩晒成盐的方式。同时，生产废水返回盐田循环蒸晒，大力提高综合回收率(图2)。另外，结合地方生态与经济发展需求，专门研究盐湖生产各环节水量的变化，进而对开采与生产过程中水的循环量化研究，以更好地指导生产规划和生态保护。

图2 察尔汗盐湖太阳能盐田蒸发流程图(以100万t钾肥规模计)

3.3 固液转化对策

在钾盐资源的开采中，运用先进的固体钾矿浸泡式溶解转化技术，即将老卤(或湖水)与周边河流尾闾咸水按比例混合后输送至矿区，通过沟渠渗入地下，将固体矿中的钾转变为液态钾，再通过采卤渠或采卤井将液态钾输送至盐田。据青海盐湖工业股份有限公司统计，此前的十年时间，察尔汗盐湖利用固液转化技术开采了约5 000万t固体钾，至今，盐湖地下卤水水位和水质依然与固液转化开采前基本持平，这意味着多年消耗主要来自固体钾的动储量、低品位固体钾的溶解转化量及尾液尾矿的综合利用，而非给水度卤水静储量。固液转化法不但利用了老卤，改变了其直接排入周边环境的传统污染模式，同时，有效提取了低品位钾资源，大幅度增加了可采钾资源，提高钾肥产能，实现生态环保与经济效益双赢。

3.4 科学蓄水对策

为更好利用察尔汗地区咸水资源，实现盐湖周边水与矿产资源的耦合高效利用，青海盐湖工业股份有限公司修筑了60 km的防洪堤，把原本漫滩肆流的河水积蓄起来，形成小型人造湿地，造就了咸水域盐湖生态环境。过去“天上无飞鸟、地上不长草、风吹石头跑”的盐漠地，变成如今“水草茂密、鱼类集聚、鸟类成群、蓝天碧水”共存的生态盐湖，提升了盐湖自然和工业旅游价值。

察尔汗盐湖按年产500万t氯化钾计算，资源服务年限可达50 a[15]。通过溶解转化开采低品位固体钾盐，在实现资源有效利用的同时，去盐化改善土壤生态环境。矿区有多年开采历史，生产工艺技术取得重大进步，运行经验丰富，尾液全部返回盐田或加工厂循环综合利用。结合实际生产，500万t氯化钾所需的溶剂量约为23 020万m3，而溶剂制备按照老卤尾液与微咸水混合比例1∶1，则每年需用水11 510万m3。也就是说，为促进盐湖资源高效开采，每年需水量应不低于11 510万m3才能实现生态、生产与经济的协调发展，同时应进一步合理疏导河流，造就出更多和更大规模的湖泊人造湿地，使脆弱的生态得到改善。

3.5 环境变化监测

察尔汗盐湖资源与生态是一个与周围生态环境变化密不可分的动态资源系统，只有掌握生态环境变化规律，才能达到盐湖资源开发和生态环境保护共赢的目的。因此，有必要进一步建设一个科学完善的盐湖资源与环境变化监测系统，对盐湖区生态环境进行定时定量监测，监测数据应该涵盖盐湖资源开发与环境变化所需的指标，如蒸发水监测、地下水监测、周边土壤成分监测、盐湖矿藏储量监测、植被覆盖监测、生物物种监测等，对监测数据进行综合分析，用以指导资源科学开发规划和综合利用。