趙鳴涵，陳 可，張 蕾，杜 威，王松博，唐 娜

(天津科技大學 化工與材料學院，天津市鹵水化工與資源生態(tài)化利用重點實驗室，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。特別是鋰被譽為“21世紀的新能源金屬”，被廣泛應用于航空航天、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)對于我國經(jīng)濟發(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)律達到初級分離的目的。然而，在鹽田灘曬蒸發(fā)過程中，各類資源的損耗相當嚴重，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量方法，擬為精確測量鹽田土壤滲透提供思路。

1 各因素對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]采用國家標準GB/T 50123-2019土工試驗方法，通過變水頭的方法進行鹽田土壤滲透系數(shù)的測定，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A≥4.923，適用于砂土和亞砂土，當A≤4.923，適用于粘土?？梢钥闯?，鹽田土壤滲透系數(shù)與鹵水粘度成反比。

1.2 土壤含水量和密實度

徐國定[4]等人通過測定不同級配土(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到最佳含水量之前，含水量越大滲透性反而越小。然而當其達到最佳含水量時，土壤密實度最大，土壤防滲能力最強。土壤的密實度對鹽湖鹵水滲透具有影響作用，土壤的密實度越大，土壤的孔隙就越少。東臺吉乃爾鹽湖在早期鹽田建設時對壓實后的鹽田沒有進行抗壓試驗，導致鹽田滲透。

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，抗壓強度高，保鹵性能強。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]在對察爾汗鹽湖鹽田23個試驗點滲水試驗研究中發(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，對鹽田生產(chǎn)有著積極作用，但綜合考慮認為曬鹵深度應不低于0.8 m，需要合理控制曬鹵深度[7]。當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

鹽田生物會產(chǎn)生各類代謝產(chǎn)物，如含氮化合物、有機酸等，這類有機質(zhì)不僅可以改變土壤的組成和物理化學性質(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，增加土壤密實度，有利于防滲。20世紀80年代我國引進了鹽田生物技術(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。因鈉離子具有強烈的吸附作用，結(jié)合水膜會增厚，過水斷面會減小[6]，滲透性就會減弱。王石軍在淡水與鹵水滲透系數(shù)的測定時，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項目鹽田全年鉀離子滲透損失量占34.2%。李建業(yè)[12]在東臺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重，高達37%。北方海鹽區(qū)鹽田土壤滲透嚴重，日滲量達到0.8 mm～1.2 mm[13]。長蘆鹽區(qū)整年平均滲透量達46.19%，與實際生產(chǎn)能力大體相等，滲透量相當大[14]。山東昌邑鹽場，以砂質(zhì)土為主，鹵水的滲透率高達75%[11]。2000年，江蘇一些鹽場的滲漏損失高達50%。羅中區(qū)建立的鹽田從2001年灌鹵水開始，對其進行觀測，滲透量超過了1 mm/d，晝夜?jié)B透量高達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、優(yōu)化鹽田防滲措施是關(guān)鍵?；谝陨嫌绊扄}田滲透的因素，需進行一系列的防滲措施，如化學防滲、預曬池板防滲、生物防滲、粘土機械夯實防滲、塑膜防滲等。目前，粘土機械夯實防滲和塑膜防滲是國內(nèi)鹽田防滲主要方法，國外則以化學防滲為主[16]。

2.1 化學防滲

化學防滲是將化學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]在鹽田化學防滲的研究中，采用了防滲粉與消石灰4 ∶6作為化學防滲材料，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]等人進一步對化學防滲進行了研究，篩選出四種化學物質(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生成抗水、抗壓性較強的氯氧鎂，通過自然蒸發(fā)晾干后固結(jié)在鹽田表層，形成一層堅硬的防滲層，防止?jié)B漏。

隨著科學技術(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)鹽田化學防滲針對性研究的文獻比較少，對其尚未進行深入研究。

2.2 預曬池板防滲

預曬池板防滲是首先采用機械夯實的方法壓實鹽田，使其抗壓強度達到0.8 MPa以上，然后灌入飽和的氯化鈉溶液進行曬制，析出一層5 cm左右的氯化鈉防滲層，從而達到防滲效果。青海鉀肥一期鹽田通過曬制鈉鹽池板，進行防滲，鈉離子具有強烈吸附作用，降低了天然孔隙比，所以降低了鹽田透水性。2003年～2005年建設的東臺吉乃爾鹽田，早期采用粘土機械夯實的方法進行防漏，但隨時間的增長，粘土層不穩(wěn)定，造成滲漏，K-1鈉鹽田滲漏損失約37 %，嚴重制約了鋰鉀硼鎂的生產(chǎn)。后期則采用了預曬池板防滲，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菌的生物墊層，以此來形成保護層，減少鹽湖鹵水滲漏。生成的保護層起到了隔水的作用，并且藻類新陳代謝產(chǎn)生的有機質(zhì)和微粒會使土壤空隙填充滿，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，促進藻類生長。通過不同土質(zhì)對比實驗發(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。同時在土壤中應該適當加入氮、磷，例如雞糞或者復合肥，促進藻類的生長，加速細菌繁殖，加速土壤熟化，減少藻墊起伏。

2.4 粘土機械夯實防滲

粘土機械夯實防滲是使用粘土，采用機械夯實的方法，改變土壤結(jié)構(gòu)，減小土壤之間的孔隙，增加密實度，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、壓實系數(shù)等。當粘土層厚度為0.8 m以上時較為理想，但是鹽湖粘土層構(gòu)造不均勻，在大面積碾壓時，難以保證良好的碾壓效果，會造成滲漏現(xiàn)象。并且，粘土防滲并不是適合所有鹽田，對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，達到防滲作用，塑膜防滲是一種物理防滲方法。在進行塑膜防滲時，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。同時在塑膜鋪設的過程中要對塑膜接口處進行檢查，看是否有破損。塑膜防滲成本較高，單位面積上成本比預曬池板防滲高1倍。并且鋪設時工作量大，無法進行全鹽田鋪設。面積相對較小、生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品的老鹵池防滲時，一般采用這種方法。

東臺吉乃爾鹽田采用鋪設HPDE雙光面土工膜的方法進行防滲，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，但其對老鹵池有一定保溫作用，灘曬濃縮效率會提高，生產(chǎn)效率也將會提高。同樣天津塘沽鹽場對調(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羅中小型鹽田滲漏率進行評價，綜合考慮，其中HDPE膜具有很好防滲效果，相對于不鋪設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個大型鹽田的防滲，相對于不鋪設薄膜的鹽田來說，滲漏率在第一輪、第二輪進水時都下降了70%～80%，防滲效果理想。并在使用1 a后對HDPE膜進行性能測試，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)的測定

目前土壤的滲透系數(shù)主要通過實驗獲得，但進行滲透實驗時，往往受到實驗條件的限制，使?jié)B透系數(shù)的測定具有一定的困難性，并且耗時，如果可以建立出適合鹽田土壤滲透的預測模型，那么將會極大促進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采收率的影響提供依據(jù)。

實驗室內(nèi)鹽田土壤滲透系數(shù)測定方法主要有兩種：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GB/T 50123-2019[21]土工試驗方法測定，適用于粘性土壤。圖1是變水頭滲透試驗所用裝置。

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——開始時水頭，cm；Hb2——終止時水頭，cm；A——取土環(huán)橫截面積，cm2；t——測定時間，s；kT——鹵溫T時的滲透系數(shù)，cm/s。

而美國的入滲儀采用的恒定水頭法，用于測定現(xiàn)場原位土壤。測定土壤的深度在15 cm～75 cm，適用于砂性土壤。賀華[22]、李海寧[23]曾經(jīng)使用這種方法測定了土壤的滲透系數(shù)，效果良好。美國入滲儀測定土壤滲透系數(shù)的計算公式見式(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——儲水管常數(shù)，當只有內(nèi)部儲水管被選擇使用時的管內(nèi)截面積，Y=2.18 cm2；R1、R2——當?shù)谝换虻诙^坡建立時，儲水管中水下降的穩(wěn)態(tài)速率，cm/s。

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

4 人工神經(jīng)網(wǎng)絡對滲透系數(shù)的測量

人工神經(jīng)網(wǎng)絡是受大腦生物神經(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)之間高度復雜的關(guān)系[25]，廣泛應用于各個領(lǐng)域。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)作為一種非線性擬合算法，由于其易于訓練、自適應結(jié)構(gòu)和可調(diào)整的訓練參數(shù)等優(yōu)點，已成為最流行的機器學習技術(shù)之一。目前將人工神經(jīng)網(wǎng)絡應用于鹽田滲透中的實例很少，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，預測模型的均方誤差為0.031 4，均方根誤差是0.177 3，擬合優(yōu)度是1.330 5，預測效果較好，為今后鹽堿土治理方面提供了依據(jù)。

許建[27]首先通過單因素實驗確定各因素是否對黃土的滲透性有顯著影響，通過三軸滲透試驗得到320組數(shù)據(jù)，以此來建立BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡，預測數(shù)據(jù)的誤差在10%以內(nèi)，訓練有素，通過模型可以預測多因素對黃土滲透系數(shù)的影響。

唐曉松[28]通過庫區(qū)不同級配下的粗顆粒土的滲透實驗得到了大量數(shù)據(jù)。以此來建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，通過不斷的訓練，使模型的誤差達到最小。用得到的模型進行預測，實際值和預測值的誤差都在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)絡來預測土壤的滲透系數(shù)，模型的決定系數(shù)為0.97，平均相對誤差±4%，模型效果良好，可以將其應用于更多類型的土壤中，減少實驗室或者現(xiàn)場測定滲透系數(shù)所需的成本和時間。

由于滲透系數(shù)的確定是繁瑣、耗時且勞動密集型的過程，所以韓國首爾三星物產(chǎn)建設技術(shù)研究所工程建設集團在土壤滲透系數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡開發(fā)中，通過建模的方法對379組原位滲透測試數(shù)據(jù)進行模擬，可以預測不同土壤參數(shù)條件下的滲透系數(shù)，無需進行復雜的原位滲透實驗[30]。

在曬鹵制鹽的工藝操作過程中，滲透帶來了嚴重的損耗，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數(shù)學模型模擬各因素與滲透系數(shù)的影響強弱關(guān)系。因此，通過建模的方法為描述和處理多因素非線性復雜問題提供了強有力的工具。實現(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預測勢在必行。為后人提供了一種新的思路。可通過前期收集大量實驗數(shù)據(jù)，來建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡，意在提出一種鹽湖鹵水滲透系數(shù)測定的新思路，實現(xiàn)了多因素滲透系數(shù)的預測，并且可以預測現(xiàn)場的實際鹽田，解決了實驗室內(nèi)無法實現(xiàn)條件下滲透系數(shù)的測定，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用的是BP神經(jīng)網(wǎng)絡，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，從而得到最優(yōu)預測模型。

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嚴重，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)絡結(jié)合，以影響滲透的各個因素作為輸入變量，滲透系數(shù)作為輸出變量，建立最優(yōu)模型，定量預測不同實驗條件下的滲透系數(shù)，減少實驗成本和時間，以此采取不同的防滲方法，為今后鹽田防滲提供借鑒意義。