察爾汗鹽湖地下鹵水動態規律研究進展*

劉鯉君, 冶曉慧, 趙 云

(1 青海省測試計算中心,青海 西寧 810008；2 青海大學，青海 西寧 810016)

察爾汗鹽湖位于中國柴達木盆地東南部，是柴達木盆地地表最大的一個干鹽湖[1]，是一個富含鉀鹽的大型鹽湖。鉀鹽以固相鉀鹽與液相晶間鹵水形式存在，固液相鉀鹽并存其中。鹽層中的晶間鹵水是我國目前鉀肥生產的主要原料。由于察爾汗鹽湖在地下鹵水的利用和開采量逐步增加，地下鹵水水位持續下降，鹵水中所包括的各類離子含量也相應地有所改變。鹵水補給的速率比鹵水抽取的速率慢，地下鹵水的水位下降，形成漏斗區[2]。研究持續追蹤在鹽湖采鹵過程中的水動態以及其水化學變化，總結其變化規律，對合理開發和利用鹽湖鹵水資源和盡可能多限度地利用其他礦產資源具有重要意義。

1 察爾汗鹵水資源動態監測方法

1.1 有限元數值迭代法

在1987年中國科學院青海鹽湖研究對達布遜湖東側地區以及包括首采區在內擴展范圍的每月一次地下鹵水資源和水位長期觀察以及青海鉀肥廠開采的基礎上，李海龍等[3]建立了對地下鹵水資源開采過程中地下鹵水動態變化狀況分析的數學模型。為了使數學模型能夠很好地適用于抽鹵水流量的變化劇烈，且溝渠中的鹵水水位變化較快的條件下，適合其他多種開采方式又比較簡單的模擬，選用了具有潛水運動的Boussinesq方程。薛禹群等[4]使用了井群方法計算得出了采鹵時各個抽鹵井點總的抽鹵數量，根據首采區域內水文地質實際情況，設定初值條件等用六個模型有限元素法求解迭代計算，再用等值線比較法修正反求得K和h。最后利用K和h求得模擬水位，同時模擬水位與實測插值水位相比較誤差，得出相對比較吻合得結果。也證實了此方法的有效性，可以很好得模擬出地下鹵水水位變化得情況。但是這個方法只能離散地得到鉆孔區域處地下水位動態變化信息。

1.2 水化學模擬及特征研究法

安蓮英等[5]建立了用水動力學模型和溶質彌散運移模型，再用由達西定律確定水動力學和溶質彌散動力學模型的耦合關系。同時考慮到地下鹵水的固液相轉化，為考慮鹵水中各組成元素的的化學平衡，假定在鹽層中固相易溶鹽自始至終能夠充分供給的情況下修正了溶質彌散動力學模型。基于偏微分數據解析方法，采用隱式差分分解方法對邊界條件進行數值求解。以一個月為時間間隔，根據此方法和條件執行模擬計算，將模擬設計值與觀測值進行比較，調整水化學參數和地質參數，使用測得的水文地質參數數據并對數據進行分析以預測地下鹵水的成分變化[6]。

Shu-ya Hu等[7]在瑪海鹽湖鹵水水化學特征研究中，分析了從柴達木盆地東北部的瑪海鹽湖收集的109個地下鹽水樣品中的鹽水離子含量。通過水化學表征和因子分析，確定了瑪海鹽湖海底鹽水的演化階段。因子分析主要是用相關性因子潛在為了觀察到的變量，來描述所有被觀察到的變量之間的相互變異性,分解出最初的變量,將其中相關度更高的指標歸類為一組，Shu-ya Hu等[7]在此次研究中用相關性因子分析將麻海鹽湖中同一個演化過程階段的鹽水進行歸類。對數據標準化，消除不同度量單位的影響，用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)測試和Bartle測試來檢查采樣的充分性和球形度。使用SPSS 18.0統計軟件(IBM品牌)進行因子分析。樣品分析方法用原子吸收光譜法測定和滴定法。這個方法可以分析鹽湖湖區的蒸發情況、鹽水深度最高的蒸發度和最高的鹽水逸出速率，還可以分析出該湖處于哪種類型的沉淀。

1.3 衛星遙感數據提取法

胡東生等[8]首次把NOAA衛星光譜遙感數據運用到鹽湖地物的資源和環境以及它們的動態變化研究，NOAA衛星光譜通道可以較好地識別鹽湖地物和它們的鹽湖資源以及它們的動態變化。選取在大陸盆地中建立所需要的參考體系坐標,推算出該研究區域的地理基礎要素參數。利用相同時相的參考體系統坐標，計算鹽湖地物的行星下點位置和地理特征，從而可以完成遙感數據的行星地點坐標變化和遙感圖像轉換以及信息的合成等，還能夠使得衛星運行軌道上的漂移度和重力量都能夠被校正。NOAA衛星遙感技術可以運用于監測鹽湖湖面積的變化、鹽湖共界面過渡帶的動態移動情況、分析鹽湖鹵水分異作用的動態以及鹽湖采鹵中心的動態。其中在鹽湖鹵水之間的分異作用動態影響分析中，NOAA遙感數據在湖泊與晶間鹵水之間的分異作用相帶均具有較好的透視性，可以顯示地下埋深1～2 m的鹵水之間運移情況。在湖水采鹵分異中心和在動態遙感分析中心得利用動態遙感監測數據分析可以準確地進行反映湖水直接被引入的動態遙感分析，與直接引入鹽田湖水時間之間存在著函數相互關系，利用這些遙感分析數據得出了鹵水工程采鹵水量分異深度范圍和鹽灘直接采取的鹵水量分異深度范圍的比值，即我們可以準確地直接計算和得出湖水采鹵分異中心的采取鹵水工程在相同采鹵時期采取含鹽晶間鹵水與提取湖水水量的比值，反演得出可以指示整個鹽田鹵水采鹵的方式及其采鹵的途徑。在鹽湖動態研究開發中，利用NOAA遙感觀測數據的較強綜合地質動態貫穿觀測能力及明顯的地質光譜動態響應性能特性，是一種行之有效的動態科學技術研究手段[7]。

張輝等[9]根據美國陸地資源衛星LandSa-5TM的LandSa-5TM 2、3和4波段(時間段為1990年8月19日，分辨率為30 m)的圖像數據，使用北京大學開發的地理信息系統CITYSTAR 2.5的圖像處理軟件可以合成柴達木盆地中心部分的標準假彩色合成遙感圖像，經過處理后獲得的圖像特征可以清晰反映鹽湖及其周圍環境，包括對鹽湖與鹵水補給水的位置關系、地質構造、巖石、地層、湖泊水深、地貌與水系。[8]

胡東生等[8]與Landsat MSS和TM中的遙感圖像數據進行分析對比，NOAA中的遙感圖像數據資料在準確識別處于鹽湖或為潛伏或半潛伏湖泊狀態的鹽湖動態變化上明顯地要優于前者,在識別地面鹽湖工程動態識別上則明顯落后略遜。NOAA該衛星成像具備了信息覆蓋范圍廣、觀察周期短的兩大特征,其對鹽湖中動態變異現象信息的實時采集密度高、可選擇性好。

1.4 自動監測系統法

趙俊沛等[10]此前在察爾汗鹽湖的首采區進行了地下鹵水自動檢測的試驗，但是由于鹽湖環境的特殊，不能達到長期的監測的要求，沒有在這方面取得顯著的成功。在此基礎上，王超等[11]研究出了適用于鹽湖特殊環境的自動檢測系統，經過為期10個月的現場測試，此自動監測系統能很好的運用于鹽湖地下鹵水的監測。這個方法的優點是能夠有效的探測出地下鹵水的水位和水溫，能有效的反應、地下鹵水的動態變化情況，這一進展大大減少了人工監測誤差，提高了鹵水動態變化數據的精確度，并且可以連續又及時的反應地下鹵水動態變化。該監測系統是在黃操軍等[12]的地下鹵水檢測系統的基礎上進行的，此檢測系統有四個部分組成：第一部分是：信息監控中心，它主要是用前置機與現場監測通信，接收數據，然后用計算機監測管理軟件對通訊模塊用短信無線傳輸的數據進行管理、分析制作圖表、查詢。第二部分是：通訊系統，由于鹽湖的環境條件和通訊條件采用有線和無線的的方式傳輸采集的數據，其中無線傳輸采用中國移動公司的GPRS網絡，使用無線傳輸模塊與信息監測中心電腦連接成通訊網絡[13]。而有線傳輸利用458通訊設備，可直觀讀取某一時間點數據。第三部分是：微功耗測控終端，它由水位水溫監測記錄儀和鋰電池組組成，水位水溫監測儀是利用低功耗單片機數據采集系統將傳感器觀測的數據儲存且傳輸給監測中心，為保持一個最低耗電狀態，采用單片機待機工作和掉電工作特點[14]。第四部分是：水位水溫一體化傳感器，能夠自動監測、記錄地下鹵水的溫度和水位，將其懸掛于監測孔內，并與監測記錄儀連接，再用單片機內設定的公式計算程序將水位、水溫數值讀出。同時，王超等[11]也考慮到了鹽湖環境對監測設備的腐蝕性和地下水質的可變性等，為了使這個自動監測系統能長期監測地下監測孔的動態變化情況，對所有監測的野外的設備配置了鋼制材質的地面保護罩裝置。因受鹵水壓力而傳感器探頭膜片產生的形變，利用壓力變頻器轉化產生的電阻頻率值，結合線性關系計算鹵水水位動態數據的變化。這些措施基本上能夠克服鹽湖的惡劣環境。但是這一方法對鹽湖資源動態變化研究仍由局限性，不能全面的反應鹽湖資源的特征。

1.5 數據庫模型法

數據庫模型法[15]，是將鹽湖地下水位的水平變化，水化學的動態空間變化以及KCl含量的垂直空間變化(地下水)的信息數字化，并將數據信息與圖形和文本結合在一起。它可以更全面地反映察爾汗鹽湖的資源動態。該模型分為三個部分：勘探數據庫模型(包括地層的三維模型，液態鹵水礦的三維模型，固態鉀鹽礦的三維模型)，動態監測、監管數據庫模型。它用于監測和分析地下水位的水平空間變化，動態水化學空間變化，地下水位和KCl含量的垂直空間變化，與勘測期間的數據進行比較并總結每個部分的變化。為鹽湖資源開發的動態監督提供更系統，更可靠的數據結果信息。

1.6 系統動力學法

Rui Kong等[16]采用系統動力學理論研究鹽湖礦產與環境，為了了解鹽湖開發和生態環境的關系，先前也有很多學者也從諸多角度對社會經濟和鹽湖進行研究，但是對于工業與鹽湖環境的研究較少，而且大部分的研究具有局限性且是靜態的。而對于鹽湖礦產開發-經濟-環境系統所建立的環境動力學模型研究就是先確定所有的環境變量,利用系統動力學模擬數據來定義環境系統的邊界，用因果反饋回路說明了系統各個環境變量之間的相互關系，繪制SD流程圖，建立了一個定量仿真模型進行仿真，運行中調整參數來進行仿真，仿真的實驗結果主要是以PLE VENSIM軟件為基礎生成,分析每一個子體系的相互影響以及其演化趨勢,找出受到影響的因素，為政府和企業提供鹽湖礦產業的可持續發展解決辦法。SD模型可以預測未來的環境投資、鹽湖資源產量的增長趨勢,以及鹽礦資源經濟價值。SD模型對于鹽湖資源的開發具有指導意義。

2 結 語

鹽湖鹵水的動態規律的探查有諸多方法，能較好反映鹽湖地下鹵水資源動態變化數據的方法有衛星遙感法、自動檢測系統、數據庫模型。目前，相比前兩個監測方法，開發動態監測數據庫模型，可以提供更系統化的可靠的數據并實時反映地下鹵水資源動態變化情況。

隨著科技的發展，以及越來越多的研究人員對鹽湖資源的研究，將會出現更加系統、全面的分析方法，由于計算機數據庫模型能根據建立模型和輸入公式能較系統、連續、可信的結果，運用計算機模擬以及數據庫模型將會是鹽湖資源探查的一個重要趨勢。還有衛星監測鹽湖資源動態變化值得研究。