察爾汗鹽湖地下鹵水動(dòng)態(tài)規(guī)律研究進(jìn)展*

劉鯉君, 冶曉慧, 趙 云

(1 青海省測(cè)試計(jì)算中心,青海 西寧 810008；2 青海大學(xué)，青海 西寧 810016)

察爾汗鹽湖位于中國(guó)柴達(dá)木盆地東南部，是柴達(dá)木盆地地表最大的一個(gè)干鹽湖[1]，是一個(gè)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(guó)目前鉀肥生產(chǎn)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(xù)下降，鹵水中所包括的各類離子含量也相應(yīng)地有所改變。鹵水補(bǔ)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(qū)[2]。研究持續(xù)追蹤在鹽湖采鹵過程中的水動(dòng)態(tài)以及其水化學(xué)變化，總結(jié)其變化規(guī)律，對(duì)合理開發(fā)和利用鹽湖鹵水資源和盡可能多限度地利用其他礦產(chǎn)資源具有重要意義。

1 察爾汗鹵水資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方法

1.1 有限元數(shù)值迭代法

在1987年中國(guó)科學(xué)院青海鹽湖研究對(duì)達(dá)布遜湖東側(cè)地區(qū)以及包括首采區(qū)在內(nèi)擴(kuò)展范圍的每月一次地下鹵水資源和水位長(zhǎng)期觀察以及青海鉀肥廠開采的基礎(chǔ)上，李海龍等[3]建立了對(duì)地下鹵水資源開采過程中地下鹵水動(dòng)態(tài)變化狀況分析的數(shù)學(xué)模型。為了使數(shù)學(xué)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(jiǎn)單的模擬，選用了具有潛水運(yùn)動(dòng)的Boussinesq方程。薛禹群等[4]使用了井群方法計(jì)算得出了采鹵時(shí)各個(gè)抽鹵井點(diǎn)總的抽鹵數(shù)量，根據(jù)首采區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)實(shí)際情況，設(shè)定初值條件等用六個(gè)模型有限元素法求解迭代計(jì)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(shí)模擬水位與實(shí)測(cè)插值水位相比較誤差，得出相對(duì)比較吻合得結(jié)果。也證實(shí)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(gè)方法只能離散地得到鉆孔區(qū)域處地下水位動(dòng)態(tài)變化信息。

1.2 水化學(xué)模擬及特征研究法

安蓮英等[5]建立了用水動(dòng)力學(xué)模型和溶質(zhì)彌散運(yùn)移模型，再用由達(dá)西定律確定水動(dòng)力學(xué)和溶質(zhì)彌散動(dòng)力學(xué)模型的耦合關(guān)系。同時(shí)考慮到地下鹵水的固液相轉(zhuǎn)化，為考慮鹵水中各組成元素的的化學(xué)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(zhì)彌散動(dòng)力學(xué)模型?；谄⒎?jǐn)?shù)據(jù)解析方法，采用隱式差分分解方法對(duì)邊界條件進(jìn)行數(shù)值求解。以一個(gè)月為時(shí)間間隔，根據(jù)此方法和條件執(zhí)行模擬計(jì)算，將模擬設(shè)計(jì)值與觀測(cè)值進(jìn)行比較，調(diào)整水化學(xué)參數(shù)和地質(zhì)參數(shù)，使用測(cè)得的水文地質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以預(yù)測(cè)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(xué)特征研究中，分析了從柴達(dá)木盆地東北部的瑪海鹽湖收集的109個(gè)地下鹽水樣品中的鹽水離子含量。通過水化學(xué)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(guān)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(guān)度更高的指標(biāo)歸類為一組，Shu-ya Hu等[7]在此次研究中用相關(guān)性因子分析將麻海鹽湖中同一個(gè)演化過程階段的鹽水進(jìn)行歸類。對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，消除不同度量單位的影響，用Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)測(cè)試和Bartle測(cè)試來檢查采樣的充分性和球形度。使用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件(IBM品牌)進(jìn)行因子分析。樣品分析方法用原子吸收光譜法測(cè)定和滴定法。這個(gè)方法可以分析鹽湖湖區(qū)的蒸發(fā)情況、鹽水深度最高的蒸發(fā)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(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取法

胡東生等[8]首次把NOAA衛(wèi)星光譜遙感數(shù)據(jù)運(yùn)用到鹽湖地物的資源和環(huán)境以及它們的動(dòng)態(tài)變化研究，NOAA衛(wèi)星光譜通道可以較好地識(shí)別鹽湖地物和它們的鹽湖資源以及它們的動(dòng)態(tài)變化。選取在大陸盆地中建立所需要的參考體系坐標(biāo),推算出該研究區(qū)域的地理基礎(chǔ)要素參數(shù)。利用相同時(shí)相的參考體系統(tǒng)坐標(biāo)，計(jì)算鹽湖地物的行星下點(diǎn)位置和地理特征，從而可以完成遙感數(shù)據(jù)的行星地點(diǎn)坐標(biāo)變化和遙感圖像轉(zhuǎn)換以及信息的合成等，還能夠使得衛(wèi)星運(yùn)行軌道上的漂移度和重力量都能夠被校正。NOAA衛(wèi)星遙感技術(shù)可以運(yùn)用于監(jiān)測(cè)鹽湖湖面積的變化、鹽湖共界面過渡帶的動(dòng)態(tài)移動(dòng)情況、分析鹽湖鹵水分異作用的動(dòng)態(tài)以及鹽湖采鹵中心的動(dòng)態(tài)。其中在鹽湖鹵水之間的分異作用動(dòng)態(tài)影響分析中，NOAA遙感數(shù)據(jù)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(yùn)移情況。在湖水采鹵分異中心和在動(dòng)態(tài)遙感分析中心得利用動(dòng)態(tài)遙感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可以準(zhǔn)確地進(jìn)行反映湖水直接被引入的動(dòng)態(tài)遙感分析，與直接引入鹽田湖水時(shí)間之間存在著函數(shù)相互關(guān)系，利用這些遙感分析數(shù)據(jù)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(zhǔn)確地直接計(jì)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(shí)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(gè)鹽田鹵水采鹵的方式及其采鹵的途徑。在鹽湖動(dòng)態(tài)研究開發(fā)中，利用NOAA遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)的較強(qiáng)綜合地質(zhì)動(dòng)態(tài)貫穿觀測(cè)能力及明顯的地質(zhì)光譜動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能特性，是一種行之有效的動(dòng)態(tài)科學(xué)技術(shù)研究手段[7]。

張輝等[9]根據(jù)美國(guó)陸地資源衛(wèi)星LandSa-5TM的LandSa-5TM 2、3和4波段(時(shí)間段為1990年8月19日，分辨率為30 m)的圖像數(shù)據(jù)，使用北京大學(xué)開發(fā)的地理信息系統(tǒng)CITYSTAR 2.5的圖像處理軟件可以合成柴達(dá)木盆地中心部分的標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成遙感圖像，經(jīng)過處理后獲得的圖像特征可以清晰反映鹽湖及其周圍環(huán)境，包括對(duì)鹽湖與鹵水補(bǔ)給水的位置關(guān)系、地質(zhì)構(gòu)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，NOAA中的遙感圖像數(shù)據(jù)資料在準(zhǔn)確識(shí)別處于鹽湖或?yàn)闈摲虬霛摲礌顟B(tài)的鹽湖動(dòng)態(tài)變化上明顯地要優(yōu)于前者,在識(shí)別地面鹽湖工程動(dòng)態(tài)識(shí)別上則明顯落后略遜。NOAA該衛(wèi)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(duì)鹽湖中動(dòng)態(tài)變異現(xiàn)象信息的實(shí)時(shí)采集密度高、可選擇性好。

1.4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)法

趙俊沛等[10]此前在察爾汗鹽湖的首采區(qū)進(jìn)行了地下鹵水自動(dòng)檢測(cè)的試驗(yàn)，但是由于鹽湖環(huán)境的特殊，不能達(dá)到長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)的要求，沒有在這方面取得顯著的成功。在此基礎(chǔ)上，王超等[11]研究出了適用于鹽湖特殊環(huán)境的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)過為期10個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，此自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能很好的運(yùn)用于鹽湖地下鹵水的監(jiān)測(cè)。這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠有效的探測(cè)出地下鹵水的水位和水溫，能有效的反應(yīng)、地下鹵水的動(dòng)態(tài)變化情況，這一進(jìn)展大大減少了人工監(jiān)測(cè)誤差，提高了鹵水動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)的精確度，并且可以連續(xù)又及時(shí)的反應(yīng)地下鹵水動(dòng)態(tài)變化。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在黃操軍等[12]的地下鹵水檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，此檢測(cè)系統(tǒng)有四個(gè)部分組成：第一部分是：信息監(jiān)控中心，它主要是用前置機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)通信，接收數(shù)據(jù)，然后用計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)管理軟件對(duì)通訊模塊用短信無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行管理、分析制作圖表、查詢。第二部分是：通訊系統(tǒng)，由于鹽湖的環(huán)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(shù)據(jù)，其中無線傳輸采用中國(guó)移動(dòng)公司的GPRS網(wǎng)絡(luò)，使用無線傳輸模塊與信息監(jiān)測(cè)中心電腦連接成通訊網(wǎng)絡(luò)[13]。而有線傳輸利用458通訊設(shè)備，可直觀讀取某一時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)。第三部分是：微功耗測(cè)控終端，它由水位水溫監(jiān)測(cè)記錄儀和鋰電池組組成，水位水溫監(jiān)測(cè)儀是利用低功耗單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器觀測(cè)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存且傳輸給監(jiān)測(cè)中心，為保持一個(gè)最低耗電狀態(tài)，采用單片機(jī)待機(jī)工作和掉電工作特點(diǎn)[14]。第四部分是：水位水溫一體化傳感器，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)、記錄地下鹵水的溫度和水位，將其懸掛于監(jiān)測(cè)孔內(nèi)，并與監(jiān)測(cè)記錄儀連接，再用單片機(jī)內(nèi)設(shè)定的公式計(jì)算程序?qū)⑺?、水溫?cái)?shù)值讀出。同時(shí)，王超等[11]也考慮到了鹽湖環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的腐蝕性和地下水質(zhì)的可變性等，為了使這個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)地下監(jiān)測(cè)孔的動(dòng)態(tài)變化情況，對(duì)所有監(jiān)測(cè)的野外的設(shè)備配置了鋼制材質(zhì)的地面保護(hù)罩裝置。因受鹵水壓力而傳感器探頭膜片產(chǎn)生的形變，利用壓力變頻器轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的電阻頻率值，結(jié)合線性關(guān)系計(jì)算鹵水水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的變化。這些措施基本上能夠克服鹽湖的惡劣環(huán)境。但是這一方法對(duì)鹽湖資源動(dòng)態(tài)變化研究仍由局限性，不能全面的反應(yīng)鹽湖資源的特征。

1.5 數(shù)據(jù)庫模型法

數(shù)據(jù)庫模型法[15]，是將鹽湖地下水位的水平變化，水化學(xué)的動(dòng)態(tài)空間變化以及KCl含量的垂直空間變化(地下水)的信息數(shù)字化，并將數(shù)據(jù)信息與圖形和文本結(jié)合在一起。它可以更全面地反映察爾汗鹽湖的資源動(dòng)態(tài)。該模型分為三個(gè)部分：勘探數(shù)據(jù)庫模型(包括地層的三維模型，液態(tài)鹵水礦的三維模型，固態(tài)鉀鹽礦的三維模型)，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、監(jiān)管數(shù)據(jù)庫模型。它用于監(jiān)測(cè)和分析地下水位的水平空間變化，動(dòng)態(tài)水化學(xué)空間變化，地下水位和KCl含量的垂直空間變化，與勘測(cè)期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并總結(jié)每個(gè)部分的變化。為鹽湖資源開發(fā)的動(dòng)態(tài)監(jiān)督提供更系統(tǒng)，更可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果信息。

1.6 系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法

Rui Kong等[16]采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論研究鹽湖礦產(chǎn)與環(huán)境，為了了解鹽湖開發(fā)和生態(tài)環(huán)境的關(guān)系，先前也有很多學(xué)者也從諸多角度對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和鹽湖進(jìn)行研究，但是對(duì)于工業(yè)與鹽湖環(huán)境的研究較少，而且大部分的研究具有局限性且是靜態(tài)的。而對(duì)于鹽湖礦產(chǎn)開發(fā)-經(jīng)濟(jì)-環(huán)境系統(tǒng)所建立的環(huán)境動(dòng)力學(xué)模型研究就是先確定所有的環(huán)境變量,利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬數(shù)據(jù)來定義環(huán)境系統(tǒng)的邊界，用因果反饋回路說明了系統(tǒng)各個(gè)環(huán)境變量之間的相互關(guān)系，繪制SD流程圖，建立了一個(gè)定量仿真模型進(jìn)行仿真，運(yùn)行中調(diào)整參數(shù)來進(jìn)行仿真，仿真的實(shí)驗(yàn)結(jié)果主要是以PLE VENSIM軟件為基礎(chǔ)生成,分析每一個(gè)子體系的相互影響以及其演化趨勢(shì),找出受到影響的因素，為政府和企業(yè)提供鹽湖礦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展解決辦法。SD模型可以預(yù)測(cè)未來的環(huán)境投資、鹽湖資源產(chǎn)量的增長(zhǎng)趨勢(shì),以及鹽礦資源經(jīng)濟(jì)價(jià)值。SD模型對(duì)于鹽湖資源的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

2 結(jié) 語

鹽湖鹵水的動(dòng)態(tài)規(guī)律的探查有諸多方法，能較好反映鹽湖地下鹵水資源動(dòng)態(tài)變化數(shù)據(jù)的方法有衛(wèi)星遙感法、自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫模型。目前，相比前兩個(gè)監(jiān)測(cè)方法，開發(fā)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫模型，可以提供更系統(tǒng)化的可靠的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)反映地下鹵水資源動(dòng)態(tài)變化情況。

隨著科技的發(fā)展，以及越來越多的研究人員對(duì)鹽湖資源的研究，將會(huì)出現(xiàn)更加系統(tǒng)、全面的分析方法，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫模型能根據(jù)建立模型和輸入公式能較系統(tǒng)、連續(xù)、可信的結(jié)果，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬以及數(shù)據(jù)庫模型將會(huì)是鹽湖資源探查的一個(gè)重要趨勢(shì)。還有衛(wèi)星監(jiān)測(cè)鹽湖資源動(dòng)態(tài)變化值得研究。