察爾汗鹽湖資源開發(fā)的生態(tài)環(huán)境保護對策

熊增華，張建偉，王石軍,

(1.青海師范大學地理科學學院，青海 西寧 810016；2.青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，青海 格爾木 816000；3.國家鹽湖資源綜合利用工程技術研究中心，青海 格爾木 816000；4.青海省鹽湖資源綜合利用重點實驗室，青海 格爾木 816000)

察爾汗鹽湖位于青藏高原柴達木盆地，是我國面積最大、資源儲量最豐富的鉀鎂鹽礦，具有固液并存、多組分共存、氣候環(huán)境獨特等特點[1]。察爾汗鹽湖資源開發(fā)始于1958年，經(jīng)過六十多年的探索實踐和科技創(chuàng)新，目前已經(jīng)建成了我國最大的鉀肥生產(chǎn)基地，正在建設世界級鎂鹽和鋰鹽產(chǎn)業(yè)基地。當前，在資源承載力與環(huán)境容量的共同約束下，如何提高鹽湖資源利用水平，協(xié)調(diào)資源產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護的關系，實現(xiàn)綠色、有序、可持續(xù)開發(fā)，是察爾汗鹽湖面臨和亟待解決的首要問題[2]。

1 察爾汗鹽湖資源環(huán)境稟賦

察爾汗鹽湖位于柴達木盆地的中東部，南依昆侖山(海拔約6 000 m)，北接祁連山系的錫鐵山(海拔約4 000 m)，西鄰阿爾泰山(海拔約3 000 m)。鹽湖礦區(qū)東西長204 km，南北寬20～40 km，總面積達5 856 km2。察爾汗鹽湖大部分為干鹽灘，地形平坦、開闊，鹽湖展布和地層走向均與主要構造線方向一致，呈NWW-SEE向延伸。鹽湖區(qū)北部自西向東為澀北、鹽湖、啞叭爾等第四系背斜構造組成的丘陵和第四系砂丘，比高20～60 m；東、南、西三面為發(fā)源于昆侖山諸河流所形成的洪積戈壁和沖積平原。地層為第四系湖相沉積，以鹽類沉積為主，賦存有豐富的鹽類礦藏[3]。

1.1 氣候特征

察爾汗鹽湖地處青藏高原腹地，來自南亞的濕熱空氣被喜馬拉雅山阻擋無法與西伯利亞冷空氣會合，因此降水很少，屬典型的干旱荒漠大陸性高原氣候，表現(xiàn)為干燥多風、降水量小、蒸發(fā)量大、紫外線強、低壓缺氧等特征[4]。據(jù)察爾汗氣象臺1960年以來的觀測數(shù)據(jù)顯示：察爾汗鹽湖地區(qū)的年平均氣溫5.2 ℃，最低氣溫-29.7 ℃，最高氣溫35.5 ℃；平均相對濕度26%；主導風向為西北、西南，平均風速4.3 m/s；平均降水量23.7 mm，平均蒸發(fā)量3 527.9 mm，每年4～9月的月均蒸發(fā)量達300 mm以上；年平均氣壓735.2 kPa；年平均日照時數(shù)3 183 h。

1.2 水文條件

察爾汗鹽湖為內(nèi)陸閉流盆地，周邊河流呈放射狀匯入鹽湖。常年有水的5條河流分別為格爾木西河、格爾木東河、清水河、躍進河、烏圖美仁河，其中補給鹽湖最大的兩條河流是格爾木西河和烏圖美仁河。這些河流有的為山前地下水(以泉)溢出匯集而成，多年流量相對穩(wěn)定，如清水河、烏圖美仁河；有的受山區(qū)降水和冰雪融水的補給，流量變化較大，如格爾木西河，因流途較長，大部分河流在山前強烈滲漏。

受河流補給的影響，察爾汗鹽湖四周的邊緣部位分布著10個鹵水湖泊(圖1)，是世界上罕見的湖中湖，其中多數(shù)湖泊分別承受著某一河流的補給。常年有水湖泊為南霍布遜湖、北霍布遜湖、達布遜湖及澀聶湖；季節(jié)性湖泊為協(xié)作湖、團結湖、大別勒湖、小別勒湖及東陵湖。

圖1 察爾汗鹽湖地理分布示意圖

鹽湖水體補給來源包括大氣降水和兩側山區(qū)的地表與地下徑流。由于鹽層滲透性好，潛水型晶間鹵水埋藏很淺，因此可以得到大氣降水的補給；山區(qū)降水融雪形成地表徑流，在山前戈壁滲漏形成地下徑流，以地下水或溢出地表水的形式補給鹽湖[5-7]。

1.3 資源儲量

察爾汗鹽湖擁有鹽類資源總量超過600億t(表1)，是我國最大的可溶性鉀鎂鹽礦床。其中，固體、液體KCl資源儲量達5億多t，MgCl2資源儲量超過40億t，LiCl資源儲量達1 200萬t，均居全國首位，礦產(chǎn)資源潛在總價值超過12萬億元[8]。

固體鉀資源近3億t，主要以浸染狀光鹵石、鉀石鹽形式存在，該類固體資源經(jīng)溶解，轉(zhuǎn)化為液體資源才有可能實現(xiàn)工業(yè)化利用，因此，鉀資源的固液相轉(zhuǎn)化是鹽湖可持續(xù)開發(fā)的關鍵環(huán)節(jié)[9]。而保持足夠的補給水量，維持鹽湖水量相對均衡，是在滿足生態(tài)環(huán)境保護前提下，能夠有效促進固液相轉(zhuǎn)化和資源開采的重要方法[10]。

表1 察爾汗鹽湖鹽類資源量

2 資源開發(fā)的生態(tài)風險

2.1 鹽湖生態(tài)環(huán)境

察爾汗鹽湖受特殊的荒漠氣候和含鹽母質(zhì)影響，地表被一層質(zhì)地堅硬、厚約幾十厘米的鹽殼覆蓋，幾乎寸草不生，自然景觀單調(diào)，土壤生物作用極其微弱，鹽湖范圍內(nèi)無農(nóng)牧業(yè)，生態(tài)環(huán)境比較脆弱。因此，既要發(fā)展經(jīng)濟，又要保護環(huán)境，存在一定難度。

察爾汗鹽湖屬于柴達木盆地的最低洼地帶，海拔較南部昆侖山低322～2 322 m，是發(fā)源于山地諸河流的匯集地，湖區(qū)干鹽湖與鹵水湖共存。在干燥少雨、蒸發(fā)量大的氣候環(huán)境下，鹵水湖水體面積變化(補給)主要受上游河流發(fā)育情況及河水流量大小控制。如達布遜湖在30年間(1987—2017年)，湖泊面積年際變化劇烈，面積最大時452.560 km2(2011年)，面積最小時177.957 km2(2002年)，湖泊面積與入湖的唯一地表河流格爾木河年徑流量呈現(xiàn)明顯的正相關(相關系數(shù)R2=0.82)，說明格爾木河徑流量是導致湖泊面積變化的重要因素之一；達布遜湖所在的位置多年平均降水量僅為38 mm，對湖泊補給可忽略不計，但達布遜湖年蒸發(fā)強度達3 550 mm，蒸發(fā)量隨著湖泊面積的增大而減小，兩者呈線性相關(相關系數(shù)R2=0.93)，說明蒸發(fā)是導致達布遜湖湖泊面積波動變化的重要因素之一。

在天然狀態(tài)下，湖泊損耗幾乎全部為蒸發(fā)損失，維系湖泊最小面積(2002年177.957 km2)的入湖流量為入湖流量的閾值2.81×108m3/a，也是地下水科學開采的依據(jù)。鹽湖的鉀資源是以液體礦地下鹵水的形式賦存，即地下水就是礦產(chǎn)，無水時鉀資源將轉(zhuǎn)化為固體礦。當鹵水湖水位低于晶間鹵水水位時，晶間鹵水補給湖水，鹵水湖就成為鉀鹽資源沉積的良好場所(如20世紀60年代達布遜湖東北岸光鹵石帶沉積)；當鹵水湖水位高于晶間鹵水水位時，湖水補給晶間鹵水，并溶解徑流途中的鹽類礦物。2010年之后，人類工程活動加劇成為鹽湖面積減少的重要因素，對鹽田的大規(guī)模采鹵，造成地下水位下降，使湖泊周圍地下水埋深低于湖面1 m以上，湖水和河流大量補給地下水，導致河流水量減少，湖泊面積萎縮，蒸發(fā)量下降，綠地、濕地的面積減小，嚴重影響了鹽湖區(qū)域的生態(tài)環(huán)境。

2.2 潛在生態(tài)風險

鹽湖資源開發(fā)存在潛在的生態(tài)風險主要有上游農(nóng)牧業(yè)粗放式用水導致入湖水量減少、晶間鹵水開采量增加導致水鹽失衡和鹽湖萎縮，影響了鹽湖資源的可持續(xù)利用，主要表現(xiàn)如下所述。

1) 達布遜鹽湖周邊晶間鹵水開采量增加，致使達布遜湖水位下降，湖面面積減小甚至消亡，造成湖水補給地下晶間鹵水量減少，不利于資源高效開發(fā)。

2) 鹽湖資源開發(fā)利用過程中“固轉(zhuǎn)液”所需用水，增加了周邊水資源的供給，影響了鹽湖周邊生態(tài)。

3) 鹽湖資源開發(fā)的重點區(qū)域也是生態(tài)服務功能重要的調(diào)洪泄水、尾閭湖泊和防風固沙的關鍵區(qū)域，與生態(tài)安全關系密切。

3 資源開發(fā)的生態(tài)環(huán)境保護對策

3.1 產(chǎn)業(yè)發(fā)展對策

根據(jù)察爾汗鹽湖資源稟賦和環(huán)境條件，對鹽湖資源開發(fā)利用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展實施生態(tài)保護優(yōu)先和綜合利用節(jié)約資源的戰(zhàn)略，優(yōu)化鹽湖資源開發(fā)利用產(chǎn)業(yè)布局，以鉀資源為龍頭，加快中高端鹽湖資源產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，構建多產(chǎn)業(yè)集群的綠色經(jīng)濟發(fā)展模式。

1) 鉀資源產(chǎn)業(yè)受淡水資源和礦固液并存約束，察爾汗地區(qū)目前高品質(zhì)氯化鉀產(chǎn)量約500萬t/a。如果未來市場擴大或國際氯化鉀供需形勢發(fā)生變化，可開采深層富鉀鹵水，適量適當擴大鉀鹽生產(chǎn)規(guī)模，保障國家糧食安全。同時，大力發(fā)展中高端鉀鹽類產(chǎn)品，如青海硝酸鹽業(yè)公司的硝酸鉀產(chǎn)量自2016年起呈現(xiàn)逐年提升趨勢，2018年產(chǎn)量達93 859.6 t，提高了鉀資源產(chǎn)品的附加值。

2) 察爾汗鹽湖有1 000多萬t的鋰資源，以碳酸鋰工業(yè)級價格4.5萬元/t、電池級7萬元/t、高純級10萬元/t以上，經(jīng)濟價值非?？捎^，鹵水提鋰將是未來鋰產(chǎn)品的重要方向。但鋰產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到生產(chǎn)工藝的制約，鎂鋰比影響提鋰方法的選擇，鎂鋰比越小越好，我國大多數(shù)鹽湖都是高鎂低鋰型，工藝技術難度大。察爾汗鹽湖的鋰資源品位低，原鹵鎂鋰比達1 800，老鹵鎂鋰比達500，采用的提鋰方法有煅燒法(青海中信國安)、離子選擇膜法(青海鋰業(yè))、離子吸附交換法(青海藍科鋰業(yè))等。離子吸附交換法生產(chǎn)效率高，但水耗較大，生產(chǎn)1 t碳酸鋰約消耗600 t淡水，每噸成本約1.5萬元。因此，要提升、創(chuàng)新高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰工藝，推動中高值鋰產(chǎn)品開發(fā)，提高經(jīng)濟效益。

3) 氯化鎂作為提鉀后的副產(chǎn)物，每生產(chǎn)1 t鉀肥，就能產(chǎn)12 t氯化鎂。 以察爾汗鹽湖已建的氯化鉀規(guī)模計算，年產(chǎn)氯化鎂達6 000萬t，數(shù)量巨大，這些資源除少量用于生產(chǎn)氯化鎂、氫氧化鎂、金屬鎂外，全部作為溶解固體鉀礦的溶劑返回到礦區(qū)地層中，未來固體鉀礦開采完畢后，應大力支持氯化鎂工業(yè)生產(chǎn)，并深入推進鎂合金、鎂鹽精細化工等高效利用。

可見，發(fā)展中高端鉀鹽產(chǎn)品、提升鹵水提鋰工藝、支持鎂的高效利用，延長產(chǎn)業(yè)鏈、提高附加值，在相同耗水量下提高水資源效益，同樣產(chǎn)品價值所需耗水量相對降低，有利于鹽湖礦區(qū)的水位穩(wěn)定和生態(tài)保護。

3.2 綠色節(jié)能對策

當前，察爾汗鹽湖地區(qū)有200 km2的鹽田、300 km2的湖泊及100 km2的水景線，在強烈蒸發(fā)作用下，每年大量的水進入大氣，可為格爾木生態(tài)環(huán)境及區(qū)域氣候的改善做出貢獻。在生產(chǎn)過程中，按照綠色開發(fā)的理念，利用太陽能和風能，采取大面積灘曬成鹽的方式。同時，生產(chǎn)廢水返回鹽田循環(huán)蒸曬，大力提高綜合回收率(圖2)。另外，結合地方生態(tài)與經(jīng)濟發(fā)展需求，專門研究鹽湖生產(chǎn)各環(huán)節(jié)水量的變化，進而對開采與生產(chǎn)過程中水的循環(huán)量化研究，以更好地指導生產(chǎn)規(guī)劃和生態(tài)保護。

圖2 察爾汗鹽湖太陽能鹽田蒸發(fā)流程圖(以100萬t鉀肥規(guī)模計)

3.3 固液轉(zhuǎn)化對策

在鉀鹽資源的開采中，運用先進的固體鉀礦浸泡式溶解轉(zhuǎn)化技術，即將老鹵(或湖水)與周邊河流尾閭咸水按比例混合后輸送至礦區(qū)，通過溝渠滲入地下，將固體礦中的鉀轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)鉀，再通過采鹵渠或采鹵井將液態(tài)鉀輸送至鹽田。據(jù)青海鹽湖工業(yè)股份有限公司統(tǒng)計，此前的十年時間，察爾汗鹽湖利用固液轉(zhuǎn)化技術開采了約5 000萬t固體鉀，至今，鹽湖地下鹵水水位和水質(zhì)依然與固液轉(zhuǎn)化開采前基本持平，這意味著多年消耗主要來自固體鉀的動儲量、低品位固體鉀的溶解轉(zhuǎn)化量及尾液尾礦的綜合利用，而非給水度鹵水靜儲量。固液轉(zhuǎn)化法不但利用了老鹵，改變了其直接排入周邊環(huán)境的傳統(tǒng)污染模式，同時，有效提取了低品位鉀資源，大幅度增加了可采鉀資源，提高鉀肥產(chǎn)能，實現(xiàn)生態(tài)環(huán)保與經(jīng)濟效益雙贏。

3.4 科學蓄水對策

為更好利用察爾汗地區(qū)咸水資源，實現(xiàn)鹽湖周邊水與礦產(chǎn)資源的耦合高效利用，青海鹽湖工業(yè)股份有限公司修筑了60 km的防洪堤，把原本漫灘肆流的河水積蓄起來，形成小型人造濕地，造就了咸水域鹽湖生態(tài)環(huán)境。過去“天上無飛鳥、地上不長草、風吹石頭跑”的鹽漠地，變成如今“水草茂密、魚類集聚、鳥類成群、藍天碧水”共存的生態(tài)鹽湖，提升了鹽湖自然和工業(yè)旅游價值。

察爾汗鹽湖按年產(chǎn)500萬t氯化鉀計算，資源服務年限可達50 a[15]。通過溶解轉(zhuǎn)化開采低品位固體鉀鹽，在實現(xiàn)資源有效利用的同時，去鹽化改善土壤生態(tài)環(huán)境。礦區(qū)有多年開采歷史，生產(chǎn)工藝技術取得重大進步，運行經(jīng)驗豐富，尾液全部返回鹽田或加工廠循環(huán)綜合利用。結合實際生產(chǎn)，500萬t氯化鉀所需的溶劑量約為23 020萬m3，而溶劑制備按照老鹵尾液與微咸水混合比例1∶1，則每年需用水11 510萬m3。也就是說，為促進鹽湖資源高效開采，每年需水量應不低于11 510萬m3才能實現(xiàn)生態(tài)、生產(chǎn)與經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展，同時應進一步合理疏導河流，造就出更多和更大規(guī)模的湖泊人造濕地，使脆弱的生態(tài)得到改善。

3.5 環(huán)境變化監(jiān)測

察爾汗鹽湖資源與生態(tài)是一個與周圍生態(tài)環(huán)境變化密不可分的動態(tài)資源系統(tǒng)，只有掌握生態(tài)環(huán)境變化規(guī)律，才能達到鹽湖資源開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護共贏的目的。因此，有必要進一步建設一個科學完善的鹽湖資源與環(huán)境變化監(jiān)測系統(tǒng)，對鹽湖區(qū)生態(tài)環(huán)境進行定時定量監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)應該涵蓋鹽湖資源開發(fā)與環(huán)境變化所需的指標，如蒸發(fā)水監(jiān)測、地下水監(jiān)測、周邊土壤成分監(jiān)測、鹽湖礦藏儲量監(jiān)測、植被覆蓋監(jiān)測、生物物種監(jiān)測等，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析，用以指導資源科學開發(fā)規(guī)劃和綜合利用。

4 結 論

1) 根據(jù)察爾汗鹽湖資源與環(huán)境稟賦分析，包括氣候、水文、資源儲量、生態(tài)環(huán)境等，指出水體變化對區(qū)域生態(tài)環(huán)境演化至關重要，闡述了鹽湖資源開發(fā)的潛在生態(tài)風險。

2) 從產(chǎn)業(yè)發(fā)展、綠色節(jié)能、固液轉(zhuǎn)化對策、科學蓄水對策、環(huán)境變化監(jiān)測等多個方面，提出資源產(chǎn)業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護共贏的對策。