寧夏數(shù)字化氣氡觀測脫氣裝置改造分析

賀嘉偉，李學(xué)波

（寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

數(shù)字化氣體觀測的脫氣-集氣裝置是數(shù)字化觀測中的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，其關(guān)鍵是穩(wěn)定地將地下水中的氣體通過特定裝置自動脫出，并及時有效地將脫出和收集的新鮮氣體傳送到觀測儀器。因此，使觀測儀器所檢測到的物理量就是當(dāng)時觀測井中的新鮮氣體是非常重要的。脫氣裝置也直接影響測量的靈敏度和觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

寧夏石嘴山簡泉和海原紅羊井氣氡觀測自“十五”項目數(shù)字化改造之后，長時間使用濺落式脫氣-集氣裝置。經(jīng)過幾年的觀測實踐表明，該裝置存在一些缺點，無法保障觀測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。以簡泉為例，2013年11月由“九五”項目使用的脫氣筒更換為濺落式脫氣-集氣裝置后，氡值不僅不再出現(xiàn)之前冬高夏低的明顯年變化規(guī)律，而且在2014年11月—2015年3月出現(xiàn)突升的高值變化，并在2015年同期出現(xiàn)類似變化。2016年1月29日更換了一種新研制的玻璃脫氣瓶后，突升的高值現(xiàn)象暫時消失。但在2016年4月下旬—7月下旬又重新出現(xiàn)。7月28日又更換回濺落式脫氣-集氣裝置。經(jīng)過上述過程可以看出，前后使用的三種脫氣裝置對氡值變化影響非常大。

在新疆地震局許秋龍老師的指導(dǎo)和幫助下，我們對寧夏石嘴山簡泉等5個氣氡觀測點進行了脫氣裝置改造。改造后使用的脫氣裝置是許秋龍老師研發(fā)的自吸氣鼓泡脫氣裝置。經(jīng)過一年的實驗與運行，認為使用改進后的裝置比原脫氣裝置效果好，達到了改造的預(yù)期目標(biāo)。

1 觀測井泉及儀器

1.1 觀測井泉條件

石嘴山簡泉位于石嘴山市惠農(nóng)區(qū)燕子墩鄉(xiāng)簡泉村，標(biāo)高海拔1145 m。地質(zhì)條件為古生界地層，地貌為低山溝谷地形，泉為自流泉，泉水為沿斷層帶流出的基巖裂隙水，出露于一逆掩斷層上，出露巖層為石英沙巖夾薄層炭質(zhì)頁巖。構(gòu)造發(fā)育，有褶曲倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象。含水層為石英巖及炭質(zhì)巖。在泉水出露處深挖約1 m，用細沙石和水泥封閉建有儲水室，通過引水管將泉水引入觀測室進行氣氡觀測。

海原紅羊井位于海原縣紅羊鄉(xiāng)紅羊村，標(biāo)高海拔2065 m。該井為自流井，位于海原斷裂帶南側(cè)，月亮山北麓，場區(qū)地貌類型以黃土丘陵及土石山區(qū)為主。場區(qū)所屬海原—六盤山弧形構(gòu)造帶內(nèi)，區(qū)內(nèi)地震活動強烈，如1920年海原8.5級特大地震就發(fā)生在測點以北的海原斷裂帶上。

1.2 觀測儀器

自“十五”項目數(shù)字化改造至今，簡泉和紅羊井的氣氡觀測一直選用SD-3A型自動測氡儀。該儀器集成了鍵盤、LCD顯示、打印和傳輸?shù)裙δ?，實現(xiàn)了氡觀測的自動化與智能化。

SD-3A型自動測氡儀的閃爍室采用創(chuàng)新技術(shù)，徹底攻克了ZnS（Ag）屏探測器不能在高溫、高濕、高腐蝕環(huán)境下長期穩(wěn)定測量的技術(shù)難題，從而可對溶解氡（自流井、泉）、逸出氡（非自流井）和土壤斷層逸出氡進行定時定量、穩(wěn)定連續(xù)的長期自動監(jiān)測。

2 脫氣-集氣裝置原理

2.1 濺落式脫氣-集氣裝置

圖1是簡泉和紅羊井以前使用的濺落式脫氣-集氣裝置的原理示意圖。原裝置用鋁合金作為材料，制作成上半部分高約50 cm、直徑約10 cm的脫氣-集氣室和下半部分的滲水裝置。脫氣裝置為圖中所示圓盤狀裝置，直徑比下端的連接柱稍大。當(dāng)水流從進水口流入脫氣裝置后，落到圓盤上向四周濺射成小水珠，從而增大水流與空氣的接觸面積，并從井水中脫出觀測所需的氣體。集氣室內(nèi)的氣體從上方出氣口進入到觀測儀器中，井水從下方的滲水孔滲入空心底座，從出水口排出。

圖1 簡泉和紅羊井的原脫氣—集氣裝置Fig.1 The original degassing device of the Jian spring and Hongyang well

經(jīng)過幾年的觀測實踐，發(fā)現(xiàn)濺落式脫氣-集氣裝置有以下幾個缺點：

（1） 經(jīng)測量和計算，簡泉和紅羊井以前使用的濺落式脫氣-集氣裝置的集氣室容積約為2.75 L，而自吸氣鼓泡脫氣裝置集氣室容積約為0.99 L。

由于濺落式脫氣-集氣裝置的集氣室容積較大，所以經(jīng)脫氣后的氣體需在集氣室內(nèi)積累一段時間，也就是說進入觀測儀器的氣體是原來滯留在集氣室內(nèi)的舊氣體與即時脫出的新鮮氣體的混合氣體。觀測的氣體如果出現(xiàn)異常，就會被原來的氣體混合稀釋，導(dǎo)致異常信息被掩蓋，不能快速如實地反映泉水、井水中真實氣體的變化。

（2）脫氣效率不穩(wěn)定，測值上下波動較大。觀測曲線出現(xiàn)大幅度的尖峰，可能會導(dǎo)致一些異常信息被掩蓋。

（3） 由于裝置不透明，水質(zhì)差的井水在堵塞出水孔等內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，無法了解內(nèi)部堵塞情況，對查找原因造成困難；也不利于清洗和維護。

2.2 自吸氣鼓泡脫氣裝置

圖2是新疆局許秋龍老師研發(fā)的自吸氣鼓泡脫氣裝置的原理示意圖，圖3是實物照片。

圖2 自吸氣鼓泡脫氣裝置原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of self inspiratory bubble degassing device

圖3 自吸氣鼓泡脫氣裝置實物圖Fig.3 Physical map of self inspiratory bubble degassing device

自吸氣鼓泡脫氣裝置利用了水力學(xué)原理。“自吸氣”是指在有一定壓力的水流作用下，水從裝置的上部射流到管徑較大的氣水混合管內(nèi)，形成無壓管路的高速水流。由于有一定的落差，在氣水混合管內(nèi)會形成一個立軸渦體，渦體的中心會產(chǎn)生負壓，使大量空氣被自動吸入而形成摻氣水流?！肮呐荨笔菂⒖剂藢嶒炇覂?nèi)模擬氡觀測的鼓泡脫氣原理。摻氣水流到達鼓泡室后，水中的空氣逸出，并把水中溶解的氣體帶出，在鼓泡室的散泡頭附近可觀察到大量氣泡產(chǎn)生。該裝置完全靠自然動力學(xué)原理，可以有效地脫出水中的溶解氣體，無須任何人為操作等干擾。裝置采用亞克力材料，透明、防腐蝕，非常適合野外水中溶解氣的自動化脫氣使用。

對比濺落式脫氣-集氣裝置和自吸氣鼓泡脫氣裝置，前者沒有利用實驗室模擬氡觀測的鼓泡脫氣原理，僅依靠水流自身重力下落到圓盤上濺射成小水珠來脫氣，脫氣效率較低，且集氣室較大導(dǎo)致集氣時間太長，所以進入觀測儀器的氣體并不是實時脫出的氣體，而是經(jīng)過長期累積的混合氣體。后者利用鼓泡脫氣原理大大提高了脫氣效率，集氣室容積小使得脫出的氣體能更快地進入觀測儀器。因此，使用自吸氣鼓泡脫氣裝置，得到的是更新鮮的，更能反映真實情況的待觀測氣體。

2.3 改造過程

基于濺落式脫氣-集氣裝置的缺點，為保障氣氡觀測資料的穩(wěn)定性、連續(xù)性和可靠性，我們決定對寧夏境內(nèi)的5個氣氡觀測點進行脫氣裝置改造。整個改造過程于2016年12月16日開始，19日結(jié)束。12月17日石嘴山簡泉完成改造并恢復(fù)正常觀測，12月19日海原紅羊井完成改造并恢復(fù)正常觀測。圖4是整套脫氣裝置的連接示意圖。

圖4 脫氣裝置連接示意圖Fig.4 Connection diagram of degassing device

為保證改造前后的觀測數(shù)據(jù)具有可對比性，我們在改造前后對觀測儀器和井泉情況都做了檢查，確保沒有外界因素干擾。按照上圖順序依次將脫氣裝置、氣水分離器、冷凝裝置和流量計用乳膠管連接，最終接入SD-3A型測氡儀進氣口。各裝置之間的乳膠管盡量中間高，兩端低，這樣如果乳膠管中有水珠凝結(jié)，水珠會沿著坡度滑落到兩端的裝置內(nèi)，不至于堵塞氣路。乳膠管不能有打折，須保持氣路通暢。脫氣裝置將水中的溶解氣體脫出，氣水分離器和冷凝裝置可以防止低溫下氣路中有水汽凝結(jié)形成水珠并堵塞氣路，其中冷凝裝置中注入防凍液或者汽車玻璃水。流量計用來監(jiān)控進入測氡儀的氣體的流量。當(dāng)氣路有漏氣現(xiàn)象時，流量計也可用來逐段排查漏氣點。

3 改造前后的數(shù)據(jù)分析

圖5、圖6分別是石嘴山簡泉和海原紅羊井改造前后的觀測數(shù)據(jù)整點值曲線圖，時間從2016年10月1日到2017年5月31日，共8個月。

圖5 石嘴山簡泉氣氡整點值曲線圖（20161001-20170531）Fig.5 The escaped radon hourly value curve of Jian spring in Shizuishan（20161001-20170531）

圖6 海原紅羊井氣氡整點值曲線圖（20161001—20170531）Fig.6 The escaped radon hourly value curve of Hongyang well in Haiyuan （20161001—20170531）

從圖中可以看出，脫氣裝置改造后，簡泉和紅羊井的氣氡觀測數(shù)據(jù)均出現(xiàn)大幅下降。簡泉從 210～270 Bq/L下降到 105～120 Bq/L，紅羊從63～70 Bq/L下降到32～37 Bq/L。這是因為原脫氣裝置集氣室容積大，氣體積累使?jié)舛壬撸⒉皇撬腥芙鈿獾恼鎸嵎从?，而自吸氣鼓泡脫氣裝置體積小，氣體交換速度快，脫出的氣體能即時通過氣路進入儀器。另外，改造前觀測數(shù)據(jù)曲線較粗，波動較大，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，改造后曲線明顯變細，毛刺減少，變化趨勢平穩(wěn)。除了有小幅度的尖峰外，大幅度的尖峰已經(jīng)消失。

4 特點總結(jié)與維護方法

4.1 特點總結(jié)

通過對比分析簡泉和紅羊井在脫氣裝置改造前后的觀測數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在實際應(yīng)用中，相比于濺落式脫氣-集氣裝置，自吸氣鼓泡脫氣裝置在保障觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量和日后的運行維護等方面體現(xiàn)出更多優(yōu)勢?，F(xiàn)將其特點總結(jié)如下：

（1） 容積小，脫氣效率高，脫出的氣體能被快速送入觀測儀器，真實反映地下水中氣體的異常信息。

（2） 脫氣效率穩(wěn)定，觀測數(shù)據(jù)變化幅度較之前減小，穩(wěn)定性明顯改善。

（3） 采用亞克力材料，攜帶、安裝方便。裝置內(nèi)部透明可見，是否堵塞、脫出的氣泡如何一目了然。

（4） 在保證密封性的前提下，采用可拆卸結(jié)構(gòu)，便于清洗和維護。

（5） 利用氣水分離器、冷凝裝置、流量計等輔助裝置，監(jiān)控氣路狀態(tài)，避免出現(xiàn)因水珠凝結(jié)等堵塞氣路的情況。

4.2 維護方法

在今后的長期觀測中，隨著裝置連接處的松動和老化，水垢和雜質(zhì)的累積等原因，脫氣裝置會發(fā)生漏氣或者堵塞。在設(shè)計自吸氣鼓泡脫氣裝置的時候選用透明材料和可拆卸結(jié)構(gòu)，充分考慮了日后進行維護的便捷性。

（1） 流量計讀數(shù)為零，先確認流量計內(nèi)的玻璃珠是否被水汽粘到底部。是則取下流量計并烘干；否則用流量計逐段進行漏氣排查，查出漏氣點后判斷漏氣原因并采取措施。

（2） 脫氣裝置檢漏方法：正常情況下，脫氣裝置脫出的氣體應(yīng)該在水面附近，且向上從出氣口進入氣路。用手堵死出氣口，觀察氣泡變化。若氣泡向下從排水口排出，說明裝置密封性良好，沒有漏氣現(xiàn)象；若氣泡沒有明顯變化，說明裝置某處有漏氣現(xiàn)象，須在裝置各處涂抹肥皂水確定漏氣點。確認后在漏氣點用亞克力膠粘好即可。

（3） 水質(zhì)不好的井水容易形成水垢堵塞裝置。含鐵離子高的井水，氧化后易形成磚紅色的氧化二鐵沉淀，可用草酸清洗；有的井水易形成白色沉淀水垢，可用潔廁精或稀酸清洗。清洗時，將上下部分拆卸開，用草酸或潔廁精浸泡一到兩天，然后用長柄毛刷進行清洗。為保障正常觀測不受影響，建議配備備用裝置，堵塞后及時更換。

（4） 連接脫氣裝置、氣水分離器等裝置以及觀測儀器的管路應(yīng)盡量短，以保證脫出的氣體能快速進入觀測儀器。

5 結(jié)論

（1）自吸氣鼓泡脫氣裝置設(shè)計簡單、合理，使用和維護清洗都很方便。

（2）通過對比這次改造前后的觀測數(shù)據(jù)，我們對原脫氣裝置的缺陷有了清醒的認識。而自吸氣鼓泡脫氣裝置脫氣效率高且穩(wěn)定，對氣氡觀測質(zhì)量有顯著提高，保證了觀測資料的穩(wěn)定性、可靠性和連續(xù)性。

（3） 改造完成后，簡泉和紅羊井的資料一直沒有記錄到地震信息，映震能力有待觀察。

（4） 氣氡脫氣裝置沒有統(tǒng)一模式，每個井都要考慮自身特點和實際情況，如流量大小、水溫高低、水質(zhì)好壞等條件，選取最適合自身的脫氣裝置。

（5）自改造完成后正常觀測一年多以來，出現(xiàn)幾點問題，總結(jié)如下：

①在易產(chǎn)生磚紅色沉淀的觀測井，沉淀會將散泡頭堵塞，導(dǎo)致脫氣效率降低，氡值降低。定期清洗脫氣裝置或更換為大孔徑脫氣裝置可解決問題。

②該脫氣裝置吸入空氣后會在裝置內(nèi)產(chǎn)生氣壓，若水流壓力較小時，觀測井內(nèi)水位會逐漸升高。當(dāng)水流壓力上升至高于裝置內(nèi)氣壓時，井水會被壓入脫氣裝置，水位也會隨之突然下降。在脫氣裝置上方安裝三通，釋放裝置內(nèi)的氣壓，上述現(xiàn)象得以解決。

③個別觀測井在冬天易形成水汽，雖然脫氣裝置前端設(shè)置了氣水分離器，但仍有少量水汽會到達流量計，導(dǎo)致流量計轉(zhuǎn)子黏在底部，堵塞氣路。在氣水分離器中放置干燥劑（如生石灰等），即可明顯改善該現(xiàn)象。