柴達(dá)木盆地那棱格勒河流域的水資源與礦源意義

譚紅兵，陸是成，拓萬全，饒文波，郭宏業(yè)

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100； 2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，甘肅 蘭州 730000；3.青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810008)

那棱格勒河是柴達(dá)木盆地第一大河，流域內(nèi)水源補給充足，地表水和地下水資源都很豐富，水質(zhì)優(yōu)良。世界大江大河眾多，但很少有類似那棱格勒河的獨特性：流域內(nèi)地表/地下水系統(tǒng)雖然TDS很低，但其中的B、Li、K等元素質(zhì)量濃度很高，遠(yuǎn)高于一般河流，B、Li質(zhì)量濃度甚至高于海水相應(yīng)濃度，而TDS僅為海水的1%。

那棱格勒河幾乎整個流域地處高寒無人區(qū)，水資源開發(fā)利用程度低，地表水/地下水中高背景異常的礦產(chǎn)元素更是未引起世人重視。朱允濤等[1-2]曾推斷那棱格勒河源區(qū)與火山、斷裂活動有關(guān)的溫泉排泄，是尾閭鹽湖B、Li的主要物源。基于此，Tan等[3]開展了那棱格勒河水化學(xué)季節(jié)變化分析，并評估了自地史時期以來那棱格勒河輸入湖盆的B、Li資源總量，認(rèn)為僅這條河流源源不斷輸入的B、Li量就足以形成目前探明的鹽湖資源總量。后來，Yu等[4]對該流域水體B、Li富集的原因進行了綜合評述，認(rèn)為那棱格勒河高濃度的B、Li等元素為尾閭鹽湖資源提供了重要物源。面臨氣候急劇變化的大格局[5-7]，對這一源區(qū)冰雪廣布，尾閭鹽湖資源正在大規(guī)模開發(fā)的高寒流域，首先從宏觀和不同時空尺度開展戰(zhàn)略性先導(dǎo)研究十分必要。讓這條世界罕見的既具有水源意義、又富含礦產(chǎn)資源價值的大河流域得到科學(xué)開發(fā)與合理保護，才能使大自然所賜的特色資源(水、礦)實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，長久造福于人類。

1 區(qū)域概況及研究方法

1.1 區(qū)域水文地質(zhì)及鹽湖資源概況

柴達(dá)木盆地水系的分布受地形及新構(gòu)造運動制約，大體呈向心狀輻射分布。較大的河流多分布于東昆侖山北麓及其東部地區(qū)，補給水源主要是高山冰雪融水，受季節(jié)影響較大。一般河流在出山口即消失于山前砂礫巖層中，變?yōu)闈摿?；較大的河流在盆地內(nèi)部各低洼地區(qū)形成湖泊，大多數(shù)經(jīng)強烈蒸發(fā)演化為鹽湖。發(fā)源于東昆侖的大河主要有那棱格勒河(初步估算徑流量可能在10億m3以上)和格爾木河(多年徑流量為7.98億m3)[8]，它們分別是柴達(dá)木盆地第一、第二大河流。烏圖美仁河發(fā)源于烏圖美仁鄉(xiāng)附近的沼澤與泉水，由西向東延伸，中途不斷有泉水供給，多年平均徑流量為0.84億m3[8]。柴達(dá)木盆地一里坪、西臺吉乃爾、東臺吉乃爾鹽湖是那陵格勒河的尾閭湖，澀聶鹽湖是烏圖美仁河的終端湖(圖1)。位于柴達(dá)木盆地中部的一里坪湖、西臺吉乃爾湖和東臺吉乃爾湖，鹵水中的Li含量在柴達(dá)木盆地為最高，B含量也比較高，是世界上極為典型的富B、Li資源鹽湖。

圖1 研究區(qū)域和采樣點分布Fig.1 Study area and sampling locations

那棱格勒河源區(qū)位于東昆侖與阿爾金斷裂碰撞交匯地帶，高海拔山間盆地發(fā)育很多鹽湖，如勒斜武旦湖、西金烏蘭湖、太陽湖、可可西里湖、庫塞湖等。這些湖的B、Li質(zhì)量濃度都很高(>50 mg/L)[9]，湖區(qū)及外圍有許多正在活動的地?zé)崛?，如新青峰[9]、布喀達(dá)坂[1]、太陽湖都有高溫地?zé)峄顒踊蛘哂写罅抗呕鹕交顒舆z跡，許多溫泉B、Li質(zhì)量濃度也很高。前期研究表明，這些高海拔區(qū)的鹽湖外泄或地?zé)崴判梗蛊涓缓腂、Li等被源源不斷帶入尾閭鹽湖，最終在那棱格勒河尾閭形成罕見的B、Li等礦產(chǎn)資源鹽湖[3]。這些鹽湖礦產(chǎn)資源成為支撐地方經(jīng)濟發(fā)展的主要和極具特色的礦種，創(chuàng)造了十分可觀的社會經(jīng)濟效益。

1.2 研究方法

筆者于2019年4月對基流條件下的那棱格勒河開展了一次系統(tǒng)野外考察取樣，同時以格爾木河流域作為對比也采集了樣品。地下水主要集中于兩大流域洪積扇帶大厚度含水層，鉆孔深度以150～250 m為主，也包括洪積扇前緣一些自流井或泉水。那棱格勒河地下水樣品多為潛水，格爾木河流域則既有潛水也有洪積扇前緣深層承壓水。除了承壓自流井，所有鉆孔地下水樣品采樣前均抽水1～2 h，盡可能采取新鮮水體。每個樣品采集500 mL，現(xiàn)場測定電導(dǎo)率、pH、溶解氧、滴定堿度等基本參數(shù)并做好記錄后過濾，然后封裝于2個小瓶分別作為基本陰離子及陽離子測定樣品，其中陽離子酸化至pH小于2。水動態(tài)監(jiān)測除對重點鉆孔安裝自動水位計，每12 h自動記錄一次并儲存于自帶儲存卡外，從2019年4月開始逐月實測一次并檢查導(dǎo)出自動水位計數(shù)據(jù)，確保不被外界擾動。

2 流域地表水/地下水循環(huán)與水化學(xué)典型特征

2.1 流域水循環(huán)基本特征

圖2 那棱格勒河流域沖洪積扇帶地下水位月平均動態(tài)Fig.2 Monthly average changes of groundwater levels in the alluvial-diluvial fan of Nalenggele River Catchment

大量監(jiān)測資料表明，那棱格勒河徑流四季變化大，春汛期間以冰雪融水為主，6—9月雨季期間則既有冰雪融水又有實時降水[10]。2019年多次野外考察發(fā)現(xiàn)，夏季7—8月那棱格勒河洪水頻發(fā)，幾乎每天下午山區(qū)都有降水事件，徑流時空變化非常大，但由于沒有水文監(jiān)測站，很難準(zhǔn)確獲取徑流信息。無人機配合地面監(jiān)測流量顯示，那棱格勒河上游兩大支流(洪水河與楚拉克阿拉干河)4月枯水期時流量相當(dāng)，但7月豐水期時楚拉克阿拉干河流量明顯大于洪水河。出山口后，河流徑流量的70%以上滲漏地下，河水四處漫溢，河道寬淺散亂，枯水期無固定河道。沖洪積扇前緣溢出帶有大量泉水溢出，甚至集流成河，如烏圖美仁河完全由地下水泄出成河，流量較大，最終河流全部匯入鹽湖而消失。那棱格勒河總體屬于地表水與地下水存在頻繁轉(zhuǎn)化關(guān)系的河流，但出山口處以地下水補給河水為主，山區(qū)則是河水滲漏補給地下水為主。近期筆者調(diào)研發(fā)現(xiàn)那棱格勒河上游新構(gòu)造運動強烈，發(fā)育很多深大斷裂，地表水垂直入滲參與深部循環(huán)也是該流域一種特殊的水循環(huán)方式。

不同于一般干旱盆地，那棱格勒河流域沖洪積扇為大厚度含水層，地下水位不僅存在較大的年際變化，且由2019年實測的不同月份地下水位數(shù)據(jù)可知，大部分鉆孔水位存在較大的月變化甚至日變化(圖2，圖中2019年數(shù)據(jù)為筆者實測數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)來自青海省水文地質(zhì)工程地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院搜集資料整理，灰色條塊表示水位上升月份)。每年6月水位開始上升，9—10月水位最高，然后開始下降，亦即豐水期存在顯著的補給。另外，在年際尺度上，近年來水位也表現(xiàn)出顯著的上升趨勢，如ZK01鉆孔2019年6月水位相對2010—2013年6月上升幅度超過10 m，其他鉆孔也總體表現(xiàn)為數(shù)米幅度的上升趨勢，表明2019年相對于2013年及其之前流域地下水儲水量有顯著增加。這與Grace重力衛(wèi)星數(shù)據(jù)揭示柴達(dá)木盆地地下水儲量增加顯著的結(jié)論一致[6]。那棱格勒河流域目前地下水開發(fā)程度比較低，水位變化主要受控于自然補給與排泄。即使對于井深超過150 m、水位埋深大于10 m，甚至20 m以上的含水層，豐水期也可以監(jiān)測到明顯的季節(jié)性補給，表明水循環(huán)條件良好，更新周期快，從水資源開發(fā)角度而言具有重大意義。

2.2 流域水化學(xué)典型特征

3月底至4月初為那棱格勒河流域最枯水季，冰雪融化尚未大規(guī)模開始，山區(qū)降水也很稀少。為討論基流狀態(tài)下那棱格勒河流域的水化學(xué)特征，筆者采集了上游兩大支流至中下游地區(qū)的河水、地下水樣品進行水化學(xué)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表1)，與鄰區(qū)格爾木河相比，雖然都源于東昆侖北坡，以冰雪融水及夏季降水為源，但兩河流域不論地表水還是地下水，具有完全不同的水化學(xué)特征。最典型特征：那棱格勒河流域地表水、地下水的B、Li、K等元素顯著富集，比格爾木河流域的水體高一個數(shù)量級，特別是Li的富集程度更為顯著，B、Li質(zhì)量濃度甚至比自然界最大的儲庫海水高數(shù)倍。這些元素的顯著富集并非蒸發(fā)濃縮作用所致，因為兩大流域水體電導(dǎo)率或TDS都不高，且與富集的元素濃度之間沒有顯著相關(guān)性。洪水河匯入前，那棱格勒河源自西北支流(又名楚拉克阿拉干河)，此時這些元素質(zhì)量濃度與格爾木河基本接近，但當(dāng)來自正南的洪水河匯入后，干流向下約10 km段水樣的B、Li、K濃度突增了近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)高近一個數(shù)量級。那棱格勒河流域沖洪積扇帶地下水雖然TDS低于河水，但具有比那棱格勒河更高的Li、B、K質(zhì)量濃度，而且?guī)缀跛械叵滤畼悠范硷@示這一特征。相比之下，格爾木河流域除個別井水(寶庫村居民飲水井)的B質(zhì)量濃度較高外，其他地下水B、Li、K質(zhì)量濃度與河水基本接近。在自然界，一般天然淡水很難出現(xiàn)如那棱格勒河流域這樣B、Li等元素的異常富集現(xiàn)象。世界大江大河B、Li質(zhì)量濃度都很低，B質(zhì)量濃度一般變化范圍為0.007～0.5 mg/L，Li質(zhì)量濃度范圍為0.002～0.023 mg/L[11]。即使同樣發(fā)源于青藏高原的長江，Li質(zhì)量濃度(0.004 mg/L)僅為那棱格勒河的1/100[12]。由此可見，那棱格勒河流域水體B、Li等元素異常富集是不爭的事實，作為淡水資源的大河或地下水系統(tǒng)，出現(xiàn)這類元素的超常富集在世界上也很罕見，雖然目前尚未查明富集成因機制，但肯定與深源流體活動密切相關(guān)。

表1 那棱格勒河及周邊不同水樣的B、Li、K質(zhì)量濃度，TDS變化與資源量估算

3 水資源意義

那棱格勒河是柴達(dá)木盆地第一大河，監(jiān)測資料顯示，那棱格勒河流域水循環(huán)規(guī)律及水資源現(xiàn)狀與格爾木河流域差異顯著，前者流域面積大(21 898 km2)，河長435 km。在建水利樞紐前，流域水動態(tài)基本表現(xiàn)為自然狀態(tài)，地表水-地下水轉(zhuǎn)換頻繁，特別是地下水以潛水為主，埋深淺，雨季水位顯著上升暗示循環(huán)更新速率快，具有良好的開發(fā)利用潛力。作為那棱格勒河的鄰區(qū)，格爾木河流域今后面臨的不是繼續(xù)開發(fā)而是重點保護[14]，其中那棱格勒河調(diào)水解決察爾汗及格爾木水資源問題經(jīng)過多年論證認(rèn)為是可行、且已經(jīng)付諸實施的方案。另外，那棱格勒河源區(qū)分布大規(guī)模冰川凍土，隨著柴達(dá)木盆地及其周圍山區(qū)成為青藏高原氣候變暖幅度最大的地區(qū)之一[5-6]，2013年以來大多數(shù)鉆孔地下水位持續(xù)上升，初步預(yù)測氣候變暖背景下地下水儲量將大幅度增加。地下水以出山口前山區(qū)補給為主，季節(jié)補給效應(yīng)顯著，出山口前的那棱格勒河水利樞紐建成蓄水之后，必然引起地下水位大幅度上升。綜上，無論是地表水還是地下水，那棱格勒河流域均具有比格爾木河流域更豐富的水資源可供開發(fā)利用。出山口的徑流可以考慮外調(diào)格爾木河流域或者北上調(diào)往更為缺水的茫崖、冷湖等地的油田和礦區(qū)。雖然尚需慎重論證，但據(jù)筆者正在進行的監(jiān)測表明，出山口附近河水外調(diào)對地下水的補給可能影響不大。相反，不論氣候變暖、山區(qū)降水增加還是中上游蓄水，都會引起洪積扇帶地下水位上升，對于干旱沙漠地帶，開發(fā)利用地下水也是防止水位過度上漲、發(fā)生鹽堿化等災(zāi)害的措施之一。

那棱格勒河出山口的水外調(diào)之后，可以考慮從上游洪水河源區(qū)實施跨流域調(diào)水方案補充外調(diào)的水量。最近為保護青藏線的安全，中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所提出從庫塞河調(diào)水到洪水河，然后補給那棱格勒河的方案，有實際意義?？煽晌骼稃}湖面積持續(xù)性擴大，嚴(yán)重威脅青藏公路和青藏鐵路運營安全。如果在庫塞河中游掘開庫塞河與洪水河連通，或者直接與正在擴張的鹽湖連通，可以起到一石多鳥的效果：(a)可以把高海拔山區(qū)難以開發(fā)利用的鹽湖礦質(zhì)元素通過調(diào)水輸入那棱格勒河下游鹽湖作為礦源補充；(b)防止一些鹽湖水位持續(xù)上漲,以至潰堤淹沒青藏線；(c)補充那棱格勒河出山口后外調(diào)走的水量，實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)平衡。當(dāng)然，這一調(diào)水方案需要充分考慮可能對可可西里等地區(qū)生態(tài)環(huán)境的及對那棱格勒河水質(zhì)的影響，雖然富含B、Li等礦產(chǎn)元素，但那棱格勒河第一任務(wù)仍然應(yīng)是承當(dāng)水資源功能。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為背景，洪水河匯合之后的那棱格勒河干流TDS為參照，庫塞湖作為高TDS(28.54 g/L)[15]的另一混合端元，只要保證輸入洪水河的水量不超過洪水河現(xiàn)今流量的17.2%，到出山口因多條支流匯合稀釋后的那棱格勒河干流TDS就不會超過1g/L，而且在出山口后TDS更低的地下淡水排泄會進一步稀釋河水，所以可以保證干旱盆地淡水資源的要求。

4 流域地表水/地下水系統(tǒng)蘊藏的礦產(chǎn)資源潛在價值與地質(zhì)意義

除那棱格勒河除上游支流楚拉克阿拉干河外，整個流域無論地表水還是地下水都具有富集B、Li等元素的顯著特征，下游尾閭鹽湖形成舉世罕見的鋰礦資源，顯然與整個流域Li的高背景異常密切相關(guān)。目前，雖然那棱格勒河缺少水文站及長期觀測資料，準(zhǔn)確的地表徑流量難以獲得，地下水資源量也只能估算沖洪積扇帶目前鉆孔所及的150 m深度以上儲量，但按已有資料保守估算(表1)，每年那棱格勒河包括下游支流烏圖美仁河輸入湖盆的B(B2O3)、Li(LiCl)、K(KCl)資源總量，以及沖洪積扇帶初步勘查的150 m以上地下水中儲存的這些元素總量都十分可觀。這只是一種戰(zhàn)略性的總量估算，一定時期內(nèi)并不能作為礦產(chǎn)資源儲量來衡量其經(jīng)濟價值。但那棱格勒河幾乎整個流域B、Li、K元素的背景異常所蘊含的礦產(chǎn)資源潛在價值，特別是地質(zhì)科學(xué)意義值得重視和關(guān)注。由于那棱格勒河流域河水、地下水都具有良好的水循環(huán)條件，意味著有源源不斷來自深部流體的物源供給[3]。如果將來有條件從庫塞湖或其他高海拔山間盆地調(diào)水到那棱格勒河，如勒斜武旦湖等Li的質(zhì)量濃度(68.5 mg/L)[9]很高，那么這些水體中富含的B、Li、K也會自然輸入盆地，進一步增加礦產(chǎn)元素的總量，這一總量預(yù)計將遠(yuǎn)高于表1保守估算的總量。從地質(zhì)演化的理論角度講，只要進入湖盆這么多資源元素而沒有出口，最終都會演化成為鹵水資源，其總量將會十分可觀。雖然地表水/地下水中B、Li、K質(zhì)量濃度當(dāng)前遠(yuǎn)達(dá)不到工業(yè)直接開采利用的富集程度，但對無法作為水資源直接利用的洪水或溢出帶泉水完全可以考慮輸入干鹽灘蒸發(fā)濃縮，日積月累自然也會成礦或者濃縮之后補充鹽湖，礦源意義重大。

隨著戰(zhàn)略性緊缺礦產(chǎn)資源開采工藝技術(shù)的發(fā)展，世界各地都在試圖從任何富鋰水體中提取鋰。那棱格勒河輸入湖盆這么多總量的鋰元素，如果對其開展長期攻關(guān)研究，有可能在工藝技術(shù)方面實現(xiàn)直接從一定程度富集的淡水中提取鋰元素。如羊八井熱電廠廢水一直認(rèn)為沒有礦產(chǎn)資源價值，但近年來已經(jīng)建廠提取硼礦資源即是成功的先例。另外，海水提鋰也被認(rèn)為是可行的，國內(nèi)外在這一領(lǐng)域都已取得突破性進展[16]。那棱格勒河流域水體Li濃度比海水還高很多倍，如果濃縮到海水程度(約100倍)，Li濃度將比海水高數(shù)百倍，有一定開發(fā)利用的遠(yuǎn)景。只是因為這一流域人跡罕至又是極度干旱區(qū)，首先考慮的是水資源功能，至今并沒有人從宏觀戰(zhàn)略角度評估其礦產(chǎn)元素利用價值。

5 結(jié)論與建議

a. 那棱格勒河流域水循環(huán)條件優(yōu)越，水資源豐富，水質(zhì)優(yōu)良，目前基本處于自然水循環(huán)狀態(tài)，隨著源區(qū)氣候變暖及降水量增加，地表/地下水儲量也會相應(yīng)增加，開發(fā)利用潛力巨大。

b. 那棱格勒河中下游(洪水河支流匯入后)不論地表水或地下水，都含有高背景濃度的B、Li、K等元素，而且具有來自深源流體的補充，這些礦產(chǎn)元素源源不斷補給尾閭鹽湖，隨著技術(shù)日益成熟也有可能直接開發(fā)利用，潛在價值或地質(zhì)意義重大。

c. 那棱格勒河上游支流洪水河源區(qū)從庫塞河，甚至一些富B、Li礦的鹽湖調(diào)水，如果比例適當(dāng)，調(diào)水后會因另一支流的稀釋水質(zhì)不會發(fā)生大的變化，但會增加其中溶解的B、Li、K等礦產(chǎn)元素總量，既保證了青藏線的安全，又增加了那棱格勒河的水源與礦源。