察尔汗盐湖地下卤水动态规律研究进展*

2021-04-09刘鲤君冶晓慧

广州化工 2021年17期

刘鲤君, 冶晓慧, 赵云

(1 青海省测试计算中心,青海西宁 810008；2 青海大学，青海西宁 810016)

察尔汗盐湖位于中国柴达木盆地东南部，是柴达木盆地地表最大的一个干盐湖[1]，是一个富含钾盐的大型盐湖。钾盐以固相钾盐与液相晶间卤水形式存在，固液相钾盐并存其中。盐层中的晶间卤水是我国目前钾肥生产的主要原料。由于察尔汗盐湖在地下卤水的利用和开采量逐步增加，地下卤水水位持续下降，卤水中所包括的各类离子含量也相应地有所改变。卤水补给的速率比卤水抽取的速率慢，地下卤水的水位下降，形成漏斗区[2]。研究持续追踪在盐湖采卤过程中的水动态以及其水化学变化，总结其变化规律，对合理开发和利用盐湖卤水资源和尽可能多限度地利用其他矿产资源具有重要意义。

1 察尔汗卤水资源动态监测方法

1.1 有限元数值迭代法

在1987年中国科学院青海盐湖研究对达布逊湖东侧地区以及包括首采区在内扩展范围的每月一次地下卤水资源和水位长期观察以及青海钾肥厂开采的基础上，李海龙等[3]建立了对地下卤水资源开采过程中地下卤水动态变化状况分析的数学模型。为了使数学模型能够很好地适用于抽卤水流量的变化剧烈，且沟渠中的卤水水位变化较快的条件下，适合其他多种开采方式又比较简单的模拟，选用了具有潜水运动的Boussinesq方程。薛禹群等[4]使用了井群方法计算得出了采卤时各个抽卤井点总的抽卤数量，根据首采区域内水文地质实际情况，设定初值条件等用六个模型有限元素法求解迭代计算，再用等值线比较法修正反求得K和h。最后利用K和h求得模拟水位，同时模拟水位与实测插值水位相比较误差，得出相对比较吻合得结果。也证实了此方法的有效性，可以很好得模拟出地下卤水水位变化得情况。但是这个方法只能离散地得到钻孔区域处地下水位动态变化信息。

1.2 水化学模拟及特征研究法

安莲英等[5]建立了用水动力学模型和溶质弥散运移模型，再用由达西定律确定水动力学和溶质弥散动力学模型的耦合关系。同时考虑到地下卤水的固液相转化，为考虑卤水中各组成元素的的化学平衡，假定在盐层中固相易溶盐自始至终能够充分供给的情况下修正了溶质弥散动力学模型。基于偏微分数据解析方法，采用隐式差分分解方法对边界条件进行数值求解。以一个月为时间间隔，根据此方法和条件执行模拟计算，将模拟设计值与观测值进行比较，调整水化学参数和地质参数，使用测得的水文地质参数数据并对数据进行分析以预测地下卤水的成分变化[6]。

Shu-ya Hu等[7]在玛海盐湖卤水水化学特征研究中，分析了从柴达木盆地东北部的玛海盐湖收集的109个地下盐水样品中的盐水离子含量。通过水化学表征和因子分析，确定了玛海盐湖海底盐水的演化阶段。因子分析主要是用相关性因子潜在为了观察到的变量，来描述所有被观察到的变量之间的相互变异性,分解出最初的变量,将其中相关度更高的指标归类为一组，Shu-ya Hu等[7]在此次研究中用相关性因子分析将麻海盐湖中同一个演化过程阶段的盐水进行归类。对数据标准化，消除不同度量单位的影响，用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)测试和Bartle测试来检查采样的充分性和球形度。使用SPSS 18.0统计软件(IBM品牌)进行因子分析。样品分析方法用原子吸收光谱法测定和滴定法。这个方法可以分析盐湖湖区的蒸发情况、盐水深度最高的蒸发度和最高的盐水逸出速率，还可以分析出该湖处于哪种类型的沉淀。

1.3 卫星遥感数据提取法

胡东生等[8]首次把NOAA卫星光谱遥感数据运用到盐湖地物的资源和环境以及它们的动态变化研究，NOAA卫星光谱通道可以较好地识别盐湖地物和它们的盐湖资源以及它们的动态变化。选取在大陆盆地中建立所需要的参考体系坐标,推算出该研究区域的地理基础要素参数。利用相同时相的参考体系统坐标，计算盐湖地物的行星下点位置和地理特征，从而可以完成遥感数据的行星地点坐标变化和遥感图像转换以及信息的合成等，还能够使得卫星运行轨道上的漂移度和重力量都能够被校正。NOAA卫星遥感技术可以运用于监测盐湖湖面积的变化、盐湖共界面过渡带的动态移动情况、分析盐湖卤水分异作用的动态以及盐湖采卤中心的动态。其中在盐湖卤水之间的分异作用动态影响分析中，NOAA遥感数据在湖泊与晶间卤水之间的分异作用相带均具有较好的透视性，可以显示地下埋深1～2 m的卤水之间运移情况。在湖水采卤分异中心和在动态遥感分析中心得利用动态遥感监测数据分析可以准确地进行反映湖水直接被引入的动态遥感分析，与直接引入盐田湖水时间之间存在着函数相互关系，利用这些遥感分析数据得出了卤水工程采卤水量分异深度范围和盐滩直接采取的卤水量分异深度范围的比值，即我们可以准确地直接计算和得出湖水采卤分异中心的采取卤水工程在相同采卤时期采取含盐晶间卤水与提取湖水水量的比值，反演得出可以指示整个盐田卤水采卤的方式及其采卤的途径。在盐湖动态研究开发中，利用NOAA遥感观测数据的较强综合地质动态贯穿观测能力及明显的地质光谱动态响应性能特性，是一种行之有效的动态科学技术研究手段[7]。

张辉等[9]根据美国陆地资源卫星LandSa-5TM的LandSa-5TM 2、3和4波段(时间段为1990年8月19日，分辨率为30 m)的图像数据，使用北京大学开发的地理信息系统CITYSTAR 2.5的图像处理软件可以合成柴达木盆地中心部分的标准假彩色合成遥感图像，经过处理后获得的图像特征可以清晰反映盐湖及其周围环境，包括对盐湖与卤水补给水的位置关系、地质构造、岩石、地层、湖泊水深、地貌与水系。[8]

胡东生等[8]与Landsat MSS和TM中的遥感图像数据进行分析对比，NOAA中的遥感图像数据资料在准确识别处于盐湖或为潜伏或半潜伏湖泊状态的盐湖动态变化上明显地要优于前者,在识别地面盐湖工程动态识别上则明显落后略逊。NOAA该卫星成像具备了信息覆盖范围广、观察周期短的两大特征,其对盐湖中动态变异现象信息的实时采集密度高、可选择性好。

1.4 自动监测系统法

赵俊沛等[10]此前在察尔汗盐湖的首采区进行了地下卤水自动检测的试验，但是由于盐湖环境的特殊，不能达到长期的监测的要求，没有在这方面取得显著的成功。在此基础上，王超等[11]研究出了适用于盐湖特殊环境的自动检测系统，经过为期10个月的现场测试，此自动监测系统能很好的运用于盐湖地下卤水的监测。这个方法的优点是能够有效的探测出地下卤水的水位和水温，能有效的反应、地下卤水的动态变化情况，这一进展大大减少了人工监测误差，提高了卤水动态变化数据的精确度，并且可以连续又及时的反应地下卤水动态变化。该监测系统是在黄操军等[12]的地下卤水检测系统的基础上进行的，此检测系统有四个部分组成：第一部分是：信息监控中心，它主要是用前置机与现场监测通信，接收数据，然后用计算机监测管理软件对通讯模块用短信无线传输的数据进行管理、分析制作图表、查询。第二部分是：通讯系统，由于盐湖的环境条件和通讯条件采用有线和无线的的方式传输采集的数据，其中无线传输采用中国移动公司的GPRS网络，使用无线传输模块与信息监测中心电脑连接成通讯网络[13]。而有线传输利用458通讯设备，可直观读取某一时间点数据。第三部分是：微功耗测控终端，它由水位水温监测记录仪和锂电池组组成，水位水温监测仪是利用低功耗单片机数据采集系统将传感器观测的数据储存且传输给监测中心，为保持一个最低耗电状态，采用单片机待机工作和掉电工作特点[14]。第四部分是：水位水温一体化传感器，能够自动监测、记录地下卤水的温度和水位，将其悬挂于监测孔内，并与监测记录仪连接，再用单片机内设定的公式计算程序将水位、水温数值读出。同时，王超等[11]也考虑到了盐湖环境对监测设备的腐蚀性和地下水质的可变性等，为了使这个自动监测系统能长期监测地下监测孔的动态变化情况，对所有监测的野外的设备配置了钢制材质的地面保护罩装置。因受卤水压力而传感器探头膜片产生的形变，利用压力变频器转化产生的电阻频率值，结合线性关系计算卤水水位动态数据的变化。这些措施基本上能够克服盐湖的恶劣环境。但是这一方法对盐湖资源动态变化研究仍由局限性，不能全面的反应盐湖资源的特征。

1.5 数据库模型法

数据库模型法[15]，是将盐湖地下水位的水平变化，水化学的动态空间变化以及KCl含量的垂直空间变化(地下水)的信息数字化，并将数据信息与图形和文本结合在一起。它可以更全面地反映察尔汗盐湖的资源动态。该模型分为三个部分：勘探数据库模型(包括地层的三维模型，液态卤水矿的三维模型，固态钾盐矿的三维模型)，动态监测、监管数据库模型。它用于监测和分析地下水位的水平空间变化，动态水化学空间变化，地下水位和KCl含量的垂直空间变化，与勘测期间的数据进行比较并总结每个部分的变化。为盐湖资源开发的动态监督提供更系统，更可靠的数据结果信息。

1.6 系统动力学法

Rui Kong等[16]采用系统动力学理论研究盐湖矿产与环境，为了了解盐湖开发和生态环境的关系，先前也有很多学者也从诸多角度对社会经济和盐湖进行研究，但是对于工业与盐湖环境的研究较少，而且大部分的研究具有局限性且是静态的。而对于盐湖矿产开发-经济-环境系统所建立的环境动力学模型研究就是先确定所有的环境变量,利用系统动力学模拟数据来定义环境系统的边界，用因果反馈回路说明了系统各个环境变量之间的相互关系，绘制SD流程图，建立了一个定量仿真模型进行仿真，运行中调整参数来进行仿真，仿真的实验结果主要是以PLE VENSIM软件为基础生成,分析每一个子体系的相互影响以及其演化趋势,找出受到影响的因素，为政府和企业提供盐湖矿产业的可持续发展解决办法。SD模型可以预测未来的环境投资、盐湖资源产量的增长趋势,以及盐矿资源经济价值。SD模型对于盐湖资源的开发具有指导意义。