鹽湖資源滲透現(xiàn)狀及測(cè)量新思路

趙鳴涵，陳 可，張 蕾，杜 威，王松博，唐 娜

(天津科技大學(xué) 化工與材料學(xué)院，天津市鹵水化工與資源生態(tài)化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300457)

鹽湖資源是珍貴的礦產(chǎn)資源，我國鹽湖資源十分豐富，其富含鉀、鎂、鋰、硼等組分。特別是鋰被譽(yù)為“21世紀(jì)的新能源金屬”，被廣泛應(yīng)用于航空航天、陶瓷、醫(yī)藥產(chǎn)品等領(lǐng)域，隨著鋰離子電池的快速發(fā)展，鋰的市場需求快速增加，年增長率保持在8%～11%[1]。我國已經(jīng)探明的鋰儲(chǔ)量約800萬t[2]，80%以液體礦的形式存在于鹽湖鹵水中。因此，鹵水資源開發(fā)對(duì)于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。目前，鹽湖鹵水資源的開發(fā)利用主要通過鹵水采集、鹽田灘曬和深加工等工序。鹽田灘曬依靠太陽能，利用氣候條件使鹵水自然蒸發(fā)，并依據(jù)鹵水水鹽體系析鹽規(guī)律達(dá)到初級(jí)分離的目的。然而，在鹽田灘曬蒸發(fā)過程中，各類資源的損耗相當(dāng)嚴(yán)重，其中鋰資源的開采率僅為20%～30%，主要的損耗因素是蒸發(fā)過程中的母液夾帶、結(jié)晶損失和鹽田土壤滲透。為了研究鹵水濃縮過程中的關(guān)鍵因素，文章總結(jié)了土壤滲透的影響因素及測(cè)量方法，擬為精確測(cè)量鹽田土壤滲透提供思路。

1 各因素對(duì)鹽湖鹵水滲透的影響

1.1 鹵水粘度

為了研究鹽田鹵水滲透系數(shù)與其粘度的關(guān)系，王玉杰[3]采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-2019土工試驗(yàn)方法，通過變水頭的方法進(jìn)行鹽田土壤滲透系數(shù)的測(cè)定，得出式(1)：

k=A/η×1010

(1)

式中：k——土壤的滲透系數(shù)，cm/s；A——鹽田土壤常數(shù)；η——鹵水粘度，Pa·s。

當(dāng)A≥4.923，適用于砂土和亞砂土，當(dāng)A≤4.923，適用于粘土。可以看出，鹽田土壤滲透系數(shù)與鹵水粘度成反比。

1.2 土壤含水量和密實(shí)度

徐國定[4]等人通過測(cè)定不同級(jí)配土(粘土和砂土按不同比例混合)的滲透系數(shù)、含水量，發(fā)現(xiàn)隨著土壤粘粒增加滲透性減小。同一類型的土壤在未達(dá)到最佳含水量之前，含水量越大滲透性反而越小。然而當(dāng)其達(dá)到最佳含水量時(shí)，土壤密實(shí)度最大，土壤防滲能力最強(qiáng)。土壤的密實(shí)度對(duì)鹽湖鹵水滲透具有影響作用，土壤的密實(shí)度越大，土壤的孔隙就越少。東臺(tái)吉乃爾鹽湖在早期鹽田建設(shè)時(shí)對(duì)壓實(shí)后的鹽田沒有進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，導(dǎo)致鹽田滲透。

1.3 土壤質(zhì)地

鹽田土壤按質(zhì)地分為壤土類、砂土類、粘土類。壤土類土壤砂粒含量超過60%，粘粒含量在15%～40%之間，抗壓強(qiáng)度高，保鹵性能強(qiáng)。粘土類砂粒小于60%，粘粒大于40%，以粘粒為主，結(jié)構(gòu)致密，滲透性小[5]，但是長期被浸泡，池板易損壞。而砂土類土壤物理性砂粒含量在85%以上，保鹵性能弱。

1.4 曬鹵深度

鹽湖鹵水的滲透量與曬鹵深度成正比。王石軍[6]在對(duì)察爾汗鹽湖鹽田23個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)滲水試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)1 m高水柱的滲水量是0.5 m高水柱的兩倍左右。雖然增大曬鹵深度會(huì)提高太陽能輻射的吸收率，有效的鹽田蒸發(fā)面積和光鹵石粒徑，對(duì)鹽田生產(chǎn)有著積極作用，但綜合考慮認(rèn)為曬鹵深度應(yīng)不低于0.8 m，需要合理控制曬鹵深度[7]。當(dāng)然曬鹵深度也不是越高越好，要考慮隨著曬鹵深度增加所帶來的滲漏問題，要根據(jù)不同鹽田采取不同曬鹵深度。劉順[8]在鹵水深度對(duì)鹽田生產(chǎn)的影響探析中同樣發(fā)現(xiàn)鹽田滲漏量與鹵水深度成正比，但鹽田深度過高，會(huì)產(chǎn)生較大損失，因此，鹵水深度也不宜過高。

1.5 鹽田生物

鹽田生物會(huì)產(chǎn)生各類代謝產(chǎn)物，如含氮化合物、有機(jī)酸等，這類有機(jī)質(zhì)不僅可以改變土壤的組成和物理化學(xué)性質(zhì)，也可以加速鹽田土壤熟化。且在鹵水下滲過程中填充土壤孔隙。有機(jī)質(zhì)本身的電荷吸附，也可使土壤顆粒之間的結(jié)合更加緊密使孔隙比降低，增加土壤密實(shí)度，有利于防滲。20世紀(jì)80年代我國引進(jìn)了鹽田生物技術(shù)，1982年，福建開展了藻墊培植技術(shù)。1994年劉保國在大清河鹽場成功引種了南方鹽區(qū)藻墊[9]。通過鹽田生物新陳代謝產(chǎn)生的物質(zhì)填充土壤空隙，使土壤更加緊密，從而降低土壤滲透量。

1.6 土壤易溶鹽含量和鹵水濃度

在鹵水條件下，鹽湖鹵水滲透性與土壤中易溶鹽含量成反比。因鈉離子具有強(qiáng)烈的吸附作用，結(jié)合水膜會(huì)增厚，過水?dāng)嗝鏁?huì)減小[6]，滲透性就會(huì)減弱。王石軍在淡水與鹵水滲透系數(shù)的測(cè)定時(shí)，發(fā)現(xiàn)淡水滲透系數(shù)是鹵水滲透系數(shù)的數(shù)倍。滲透量與鹵水濃度成反比，鹵水濃度越大，產(chǎn)生的流動(dòng)阻力就越大，滲透量減少。

2 鹽田防滲措施

在海鹽生產(chǎn)過程中因鹽田池板滲漏造成的損失高達(dá)30%～40%[10]。郭翔[11]等人在鹽田底板防滲技術(shù)研究中表明，年產(chǎn)120萬t項(xiàng)目鹽田全年鉀離子滲透損失量占34.2%。李建業(yè)[12]在東臺(tái)吉乃爾鹽田滲透與防滲措施探討中發(fā)現(xiàn)鉀鈉鹽田的滲透損失十分嚴(yán)重，高達(dá)37%。北方海鹽區(qū)鹽田土壤滲透嚴(yán)重，日滲量達(dá)到0.8 mm～1.2 mm[13]。長蘆鹽區(qū)整年平均滲透量達(dá)46.19%，與實(shí)際生產(chǎn)能力大體相等，滲透量相當(dāng)大[14]。山東昌邑鹽場，以砂質(zhì)土為主，鹵水的滲透率高達(dá)75%[11]。2000年，江蘇一些鹽場的滲漏損失高達(dá)50%。羅中區(qū)建立的鹽田從2001年灌鹵水開始，對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)，滲透量超過了1 mm/d，晝夜?jié)B透量高達(dá)22 000 m3，增加了采鹵成本[15]。因此，減少鹽田生產(chǎn)過程中的損失，加強(qiáng)、優(yōu)化鹽田防滲措施是關(guān)鍵?；谝陨嫌绊扄}田滲透的因素，需進(jìn)行一系列的防滲措施，如化學(xué)防滲、預(yù)曬池板防滲、生物防滲、粘土機(jī)械夯實(shí)防滲、塑膜防滲等。目前，粘土機(jī)械夯實(shí)防滲和塑膜防滲是國內(nèi)鹽田防滲主要方法，國外則以化學(xué)防滲為主[16]。

2.1 化學(xué)防滲

化學(xué)防滲是將化學(xué)液體注入到鹽田鹵水滲漏的地區(qū)，形成防滲層，從而減少滲漏。最初，劉乃人[17]在鹽田化學(xué)防滲的研究中，采用了防滲粉與消石灰4 ∶6作為化學(xué)防滲材料，滲透量降低到0.2 mm/d～0.3 mm/d。陳繼盛[18]用硫酸鈣作為鹽田土壤的防滲材料，硫酸鈣呈片狀，堅(jiān)硬，難溶于水，與粘土混合可以起支撐作用。為解決滲漏這一難題，陳剛[19]等人進(jìn)一步對(duì)化學(xué)防滲進(jìn)行了研究，篩選出四種化學(xué)物質(zhì)氧化鎂、氯化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁作為混合防滲材料。其中，氯化鎂和氧化鎂反應(yīng)生成抗水、抗壓性較強(qiáng)的氯氧鎂，通過自然蒸發(fā)晾干后固結(jié)在鹽田表層，形成一層堅(jiān)硬的防滲層，防止?jié)B漏。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多新型防滲材料涌現(xiàn)，其中以丙烯酰胺、丙烯酸及其衍生物和共聚物為主[20]，廣泛應(yīng)用于鹽田、池塘、油田防滲中。但是，目前關(guān)于國內(nèi)鹽田化學(xué)防滲針對(duì)性研究的文獻(xiàn)比較少，對(duì)其尚未進(jìn)行深入研究。

2.2 預(yù)曬池板防滲

預(yù)曬池板防滲是首先采用機(jī)械夯實(shí)的方法壓實(shí)鹽田，使其抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.8 MPa以上，然后灌入飽和的氯化鈉溶液進(jìn)行曬制，析出一層5 cm左右的氯化鈉防滲層，從而達(dá)到防滲效果。青海鉀肥一期鹽田通過曬制鈉鹽池板，進(jìn)行防滲，鈉離子具有強(qiáng)烈吸附作用，降低了天然孔隙比，所以降低了鹽田透水性。2003年～2005年建設(shè)的東臺(tái)吉乃爾鹽田，早期采用粘土機(jī)械夯實(shí)的方法進(jìn)行防漏，但隨時(shí)間的增長，粘土層不穩(wěn)定，造成滲漏，K-1鈉鹽田滲漏損失約37 %，嚴(yán)重制約了鋰鉀硼鎂的生產(chǎn)。后期則采用了預(yù)曬池板防滲，滲透損失降低為4.87%左右[12]。

2.3 生物防滲

生物防滲是通過人工養(yǎng)殖的方法在鹽田池板上生成藻類和細(xì)菌的生物墊層，以此來形成保護(hù)層，減少鹽湖鹵水滲漏。生成的保護(hù)層起到了隔水的作用，并且藻類新陳代謝產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)和微粒會(huì)使土壤空隙填充滿，從而降低滲漏。張福在北方海鹽區(qū)鹽田生物防滲技術(shù)的研究中，采用了生物防滲技術(shù)，減少了鹽田鹵水滲透，降低了損失。采用了南北藻種混合培育的生物墊技術(shù)，鹵水濃度控制在7 °Be′～8 °Be′，深度控制在10 cm左右[13]，此條件有利于藻類光合作用，促進(jìn)藻類生長。通過不同土質(zhì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，砂土質(zhì)池板吸收太陽光多，使鹵水增溫，加速藻類生長。同時(shí)在土壤中應(yīng)該適當(dāng)加入氮、磷，例如雞糞或者復(fù)合肥，促進(jìn)藻類的生長，加速細(xì)菌繁殖，加速土壤熟化，減少藻墊起伏。

2.4 粘土機(jī)械夯實(shí)防滲

粘土機(jī)械夯實(shí)防滲是使用粘土，采用機(jī)械夯實(shí)的方法，改變土壤結(jié)構(gòu)，減小土壤之間的孔隙，增加密實(shí)度，從而起到防滲作用。粘土防滲成本低，操作簡便，但是要考慮防滲粘土的含鹽量、厚度、壓實(shí)系數(shù)等。當(dāng)粘土層厚度為0.8 m以上時(shí)較為理想，但是鹽湖粘土層構(gòu)造不均勻，在大面積碾壓時(shí)，難以保證良好的碾壓效果，會(huì)造成滲漏現(xiàn)象。并且，粘土防滲并不是適合所有鹽田，對(duì)于沒有很厚的粘土層或者粘土層雜質(zhì)過多的鹽田，此種方法不利于防滲。

2.5 塑膜防滲

塑膜防滲是在鹽田池板土壤上鋪放塑料薄膜，利用其防水性，達(dá)到防滲作用，塑膜防滲是一種物理防滲方法。在進(jìn)行塑膜防滲時(shí)，首先要清理鹽田土壤表面的鹽土顆粒狀結(jié)晶、雜物等，保持鹽土表面平整，否則微小的凸起可能使塑膜破損，造成滲漏。同時(shí)在塑膜鋪設(shè)的過程中要對(duì)塑膜接口處進(jìn)行檢查，看是否有破損。塑膜防滲成本較高，單位面積上成本比預(yù)曬池板防滲高1倍。并且鋪設(shè)時(shí)工作量大，無法進(jìn)行全鹽田鋪設(shè)。面積相對(duì)較小、生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的老鹵池防滲時(shí)，一般采用這種方法。

東臺(tái)吉乃爾鹽田采用鋪設(shè)HPDE雙光面土工膜的方法進(jìn)行防滲，老鹵的滲透率小于1%[12]，防滲效果顯著。雖然塑膜防滲成本高，但其對(duì)老鹵池有一定保溫作用，灘曬濃縮效率會(huì)提高，生產(chǎn)效率也將會(huì)提高。同樣天津塘沽鹽場對(duì)調(diào)節(jié)池采用塑膜防滲，滲透量從1.30 mm/d降低為0.4 mm/d～0.6 mm/d[14]，效果理想。

郭翔[11]采用四種不同的防滲膜材料對(duì)羅中小型鹽田滲漏率進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合考慮，其中HDPE膜具有很好防滲效果，相對(duì)于不鋪設(shè)薄膜的同類型鹽田滲透率降低了82.5 %。因此將HDPE膜用于羅中2個(gè)大型鹽田的防滲，相對(duì)于不鋪設(shè)薄膜的鹽田來說，滲漏率在第一輪、第二輪進(jìn)水時(shí)都下降了70%～80%，防滲效果理想。并在使用1 a后對(duì)HDPE膜進(jìn)行性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其無論抗拉伸、撕裂、穿刺性能都符合鹽田防滲要求。

3 鹽湖鹵水滲透系數(shù)的測(cè)定

目前土壤的滲透系數(shù)主要通過實(shí)驗(yàn)獲得，但進(jìn)行滲透實(shí)驗(yàn)時(shí)，往往受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，使?jié)B透系數(shù)的測(cè)定具有一定的困難性，并且耗時(shí)，如果可以建立出適合鹽田土壤滲透的預(yù)測(cè)模型，那么將會(huì)極大促進(jìn)鹽田土壤的防滲工作。并且，土壤滲透規(guī)律可為資源元素的損失及其對(duì)采收率的影響提供依據(jù)。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)鹽田土壤滲透系數(shù)測(cè)定方法主要有兩種：變水頭和恒定水頭方法。變水頭方法采用的是南55型滲透儀，采用國標(biāo)GB/T 50123-2019[21]土工試驗(yàn)方法測(cè)定，適用于粘性土壤。圖1是變水頭滲透試驗(yàn)所用裝置。

圖1 變水頭滲透裝置Fig.1 Variable head infiltration device

變水頭滲透試驗(yàn)公式見式(2)：

(2)

式中：a——變水頭管截面積，cm2；L——滲徑，等于試樣高度,cm；Hb1——開始時(shí)水頭，cm；Hb2——終止時(shí)水頭，cm；A——取土環(huán)橫截面積，cm2；t——測(cè)定時(shí)間，s；kT——鹵溫T時(shí)的滲透系數(shù)，cm/s。

而美國的入滲儀采用的恒定水頭法，用于測(cè)定現(xiàn)場原位土壤。測(cè)定土壤的深度在15 cm～75 cm，適用于砂性土壤。賀華[22]、李海寧[23]曾經(jīng)使用這種方法測(cè)定了土壤的滲透系數(shù)，效果良好。美國入滲儀測(cè)定土壤滲透系數(shù)的計(jì)算公式見式(3)：

Kwt=0.004 1×Y×R2-0.005 4×Y×R1

(3)

式中：Kwt——t溫度下淡水的滲透系數(shù)，cm/s；Y——儲(chǔ)水管常數(shù)，當(dāng)只有內(nèi)部儲(chǔ)水管被選擇使用時(shí)的管內(nèi)截面積，Y=2.18 cm2；R1、R2——當(dāng)?shù)谝换虻诙^坡建立時(shí)，儲(chǔ)水管中水下降的穩(wěn)態(tài)速率，cm/s。

此公式是淡水滲透系數(shù)的測(cè)定公式，還需要進(jìn)行溫度和濃度的訂正，進(jìn)而得到鹽田土壤的滲透系數(shù)。

4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)滲透系數(shù)的測(cè)量

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是受大腦生物神經(jīng)元處理信息的啟發(fā)，提出的一種類似神經(jīng)元處理問題的方法[24]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過非線性的“黑盒”來處理輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)之間高度復(fù)雜的關(guān)系[25]，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)作為一種非線性擬合算法，由于其易于訓(xùn)練、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)和可調(diào)整的訓(xùn)練參數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，已成為最流行的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)之一。目前將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于鹽田滲透中的實(shí)例很少，但相關(guān)土壤滲透的模型可以為其提供思路。

徐文碩[26]以凍融循環(huán)次數(shù)、含水量、干密度和孔隙度作為模型的輸入因素，土壤的滲透系數(shù)作為模型的輸出因素，建立了魯西南黃泛區(qū)滲透系數(shù)模型，預(yù)測(cè)模型的均方誤差為0.031 4，均方根誤差是0.177 3，擬合優(yōu)度是1.330 5，預(yù)測(cè)效果較好，為今后鹽堿土治理方面提供了依據(jù)。

許建[27]首先通過單因素實(shí)驗(yàn)確定各因素是否對(duì)黃土的滲透性有顯著影響，通過三軸滲透試驗(yàn)得到320組數(shù)據(jù)，以此來建立BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差在10%以內(nèi)，訓(xùn)練有素，通過模型可以預(yù)測(cè)多因素對(duì)黃土滲透系數(shù)的影響。

唐曉松[28]通過庫區(qū)不同級(jí)配下的粗顆粒土的滲透實(shí)驗(yàn)得到了大量數(shù)據(jù)。以此來建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，通過不斷的訓(xùn)練，使模型的誤差達(dá)到最小。用得到的模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的誤差都在3 %以內(nèi)，模型精度較好。

Anna Markiewicz[29]以土壤類型、相對(duì)密度、孔隙度和土壤有效直徑為輸入變量，滲透系數(shù)為輸出變量，建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測(cè)土壤的滲透系數(shù)，模型的決定系數(shù)為0.97，平均相對(duì)誤差±4%，模型效果良好，可以將其應(yīng)用于更多類型的土壤中，減少實(shí)驗(yàn)室或者現(xiàn)場測(cè)定滲透系數(shù)所需的成本和時(shí)間。

由于滲透系數(shù)的確定是繁瑣、耗時(shí)且勞動(dòng)密集型的過程，所以韓國首爾三星物產(chǎn)建設(shè)技術(shù)研究所工程建設(shè)集團(tuán)在土壤滲透系數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中，通過建模的方法對(duì)379組原位滲透測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，可以預(yù)測(cè)不同土壤參數(shù)條件下的滲透系數(shù)，無需進(jìn)行復(fù)雜的原位滲透實(shí)驗(yàn)[30]。

在曬鹵制鹽的工藝操作過程中，滲透帶來了嚴(yán)重的損耗，到目前為止還沒有人系統(tǒng)地在鹽湖鹵水滲透方面做一些定量的規(guī)律性研究。特別是通過建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型模擬各因素與滲透系數(shù)的影響強(qiáng)弱關(guān)系。因此，通過建模的方法為描述和處理多因素非線性復(fù)雜問題提供了強(qiáng)有力的工具。實(shí)現(xiàn)鹽湖資源元素在不同的鹽田土壤條件下遷移行為的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)勢(shì)在必行。為后人提供了一種新的思路。可通過前期收集大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，意在提出一種鹽湖鹵水滲透系數(shù)測(cè)定的新思路，實(shí)現(xiàn)了多因素滲透系數(shù)的預(yù)測(cè)，并且可以預(yù)測(cè)現(xiàn)場的實(shí)際鹽田，解決了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無法實(shí)現(xiàn)條件下滲透系數(shù)的測(cè)定，解決了多因素交互作用的問題。以上關(guān)于土壤滲透模型大部分運(yùn)用的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可能存在一些優(yōu)化問題，可以考慮與遺傳算法、粒子群算法、退火算法相結(jié)合[31]，或后續(xù)采用其他模型，例如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而得到最優(yōu)預(yù)測(cè)模型。

5 結(jié)語

在鹽湖鹵水資源元素的開發(fā)過程中，滲透帶來的損失相當(dāng)嚴(yán)重，而目前的防滲措施需要因地制宜的采取不同的措施，后續(xù)考慮與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，以影響滲透的各個(gè)因素作為輸入變量，滲透系數(shù)作為輸出變量，建立最優(yōu)模型，定量預(yù)測(cè)不同實(shí)驗(yàn)條件下的滲透系數(shù)，減少實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間，以此采取不同的防滲方法，為今后鹽田防滲提供借鑒意義。