寧夏數(shù)字化氣氡觀測(cè)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(cè)的脫氣-集氣裝置是數(shù)字化觀測(cè)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(guò)特定裝置自動(dòng)脫出，并及時(shí)有效地將脫出和收集的新鮮氣體傳送到觀測(cè)儀器。因此，使觀測(cè)儀器所檢測(cè)到的物理量就是當(dāng)時(shí)觀測(cè)井中的新鮮氣體是非常重要的。脫氣裝置也直接影響測(cè)量的靈敏度和觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

寧夏石嘴山簡(jiǎn)泉和海原紅羊井氣氡觀測(cè)自“十五”項(xiàng)目數(shù)字化改造之后，長(zhǎng)時(shí)間使用濺落式脫氣-集氣裝置。經(jīng)過(guò)幾年的觀測(cè)實(shí)踐表明，該裝置存在一些缺點(diǎn)，無(wú)法保障觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。以簡(jiǎn)泉為例，2013年11月由“九五”項(xiàng)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(lèi)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(shí)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(guò)上述過(guò)程可以看出，前后使用的三種脫氣裝置對(duì)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(duì)寧夏石嘴山簡(jiǎn)泉等5個(gè)氣氡觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)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(guò)一年的實(shí)驗(yàn)與運(yùn)行，認(rèn)為使用改進(jìn)后的裝置比原脫氣裝置效果好，達(dá)到了改造的預(yù)期目標(biāo)。

1 觀測(cè)井泉及儀器

1.1 觀測(cè)井泉條件

石嘴山簡(jiǎn)泉位于石嘴山市惠農(nóng)區(qū)燕子墩鄉(xiāng)簡(jiǎn)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?cái)鄬訋Я鞒龅幕鶐r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(yè)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(xì)沙石和水泥封閉建有儲(chǔ)水室，通過(guò)引水管將泉水引入觀測(cè)室進(jìn)行氣氡觀測(cè)。

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(chǎng)區(qū)地貌類(lèi)型以黃土丘陵及土石山區(qū)為主。場(chǎng)區(qū)所屬海原—六盤(pán)山弧形構(gòu)造帶內(nèi)，區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)強(qiáng)烈，如1920年海原8.5級(jí)特大地震就發(fā)生在測(cè)點(diǎn)以北的海原斷裂帶上。

1.2 觀測(cè)儀器

自“十五”項(xiàng)目數(shù)字化改造至今，簡(jiǎn)泉和紅羊井的氣氡觀測(cè)一直選用SD-3A型自動(dòng)測(cè)氡儀。該儀器集成了鍵盤(pán)、LCD顯示、打印和傳輸?shù)裙δ埽瑢?shí)現(xiàn)了氡觀測(cè)的自動(dòng)化與智能化。

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

2 脫氣-集氣裝置原理

2.1 濺落式脫氣-集氣裝置

圖1是簡(jiǎn)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(pán)狀裝置，直徑比下端的連接柱稍大。當(dāng)水流從進(jìn)水口流入脫氣裝置后，落到圓盤(pán)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(cè)所需的氣體。集氣室內(nèi)的氣體從上方出氣口進(jìn)入到觀測(cè)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(jiǎn)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(guò)幾年的觀測(cè)實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)濺落式脫氣-集氣裝置有以下幾個(gè)缺點(diǎn)：

（1） 經(jīng)測(cè)量和計(jì)算，簡(jiǎn)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(shí)間，也就是說(shuō)進(jìn)入觀測(cè)儀器的氣體是原來(lái)滯留在集氣室內(nèi)的舊氣體與即時(shí)脫出的新鮮氣體的混合氣體。觀測(cè)的氣體如果出現(xiàn)異常，就會(huì)被原來(lái)的氣體混合稀釋?zhuān)瑢?dǎo)致異常信息被掩蓋，不能快速如實(shí)地反映泉水、井水中真實(shí)氣體的變化。

（2）脫氣效率不穩(wěn)定，測(cè)值上下波動(dòng)較大。觀測(cè)曲線(xiàn)出現(xiàn)大幅度的尖峰，可能會(huì)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(shí)，無(wú)法了解內(nèi)部堵塞情況，對(duì)查找原因造成困難；也不利于清洗和維護(hù)。

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(shí)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(shí)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(wú)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(huì)形成一個(gè)立軸渦體，渦體的中心會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，使大量空氣被自動(dòng)吸入而形成摻氣水流。“鼓泡”是參考了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬氡觀測(cè)的鼓泡脫氣原理。摻氣水流到達(dá)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(dòng)力學(xué)原理，可以有效地脫出水中的溶解氣體，無(wú)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(dòng)化脫氣使用。

對(duì)比濺落式脫氣-集氣裝置和自吸氣鼓泡脫氣裝置，前者沒(méi)有利用實(shí)驗(yàn)室模擬氡觀測(cè)的鼓泡脫氣原理，僅依靠水流自身重力下落到圓盤(pán)上濺射成小水珠來(lái)脫氣，脫氣效率較低，且集氣室較大導(dǎo)致集氣時(shí)間太長(zhǎng)，所以進(jìn)入觀測(cè)儀器的氣體并不是實(shí)時(shí)脫出的氣體，而是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)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(jìn)入觀測(cè)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(shí)情況的待觀測(cè)氣體。

2.3 改造過(guò)程

基于濺落式脫氣-集氣裝置的缺點(diǎn)，為保障氣氡觀測(cè)資料的穩(wěn)定性、連續(xù)性和可靠性，我們決定對(duì)寧夏境內(nèi)的5個(gè)氣氡觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行脫氣裝置改造。整個(gè)改造過(guò)程于2016年12月16日開(kāi)始，19日結(jié)束。12月17日石嘴山簡(jiǎn)泉完成改造并恢復(fù)正常觀測(cè)，12月19日海原紅羊井完成改造并恢復(fù)正常觀測(cè)。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(cè)數(shù)據(jù)具有可對(duì)比性，我們?cè)诟脑烨昂髮?duì)觀測(cè)儀器和井泉情況都做了檢查，確保沒(méi)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(jì)用乳膠管連接，最終接入SD-3A型測(cè)氡儀進(jìn)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(huì)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(chē)玻璃水。流量計(jì)用來(lái)監(jiān)控進(jìn)入測(cè)氡儀的氣體的流量。當(dāng)氣路有漏氣現(xiàn)象時(shí)，流量計(jì)也可用來(lái)逐段排查漏氣點(diǎn)。

3 改造前后的數(shù)據(jù)分析

圖5、圖6分別是石嘴山簡(jiǎn)泉和海原紅羊井改造前后的觀測(cè)數(shù)據(jù)整點(diǎn)值曲線(xiàn)圖，時(shí)間從2016年10月1日到2017年5月31日，共8個(gè)月。

圖5 石嘴山簡(jiǎn)泉?dú)怆闭c(diǎn)值曲線(xiàn)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(diǎn)值曲線(xiàn)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(jiǎn)泉和紅羊井的氣氡觀測(cè)數(shù)據(jù)均出現(xiàn)大幅下降。簡(jiǎn)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?yàn)樵摎庋b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?shí)反映，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(shí)通過(guò)氣路進(jìn)入儀器。另外，改造前觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)較粗，波動(dòng)較大，數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，改造后曲線(xiàn)明顯變細(xì)，毛刺減少，變化趨勢(shì)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(diǎn)總結(jié)與維護(hù)方法

4.1 特點(diǎn)總結(jié)

通過(guò)對(duì)比分析簡(jiǎn)泉和紅羊井在脫氣裝置改造前后的觀測(cè)數(shù)據(jù)，我們發(fā)現(xiàn)在實(shí)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(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和日后的運(yùn)行維護(hù)等方面體現(xiàn)出更多優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)將其特點(diǎn)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(cè)儀器，真實(shí)反映地下水中氣體的異常信息。

（2） 脫氣效率穩(wěn)定，觀測(cè)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(jiàn)，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(hù)。

（5） 利用氣水分離器、冷凝裝置、流量計(jì)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(hù)方法

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

（1） 流量計(jì)讀數(shù)為零，先確認(rèn)流量計(jì)內(nèi)的玻璃珠是否被水汽粘到底部。是則取下流量計(jì)并烘干；否則用流量計(jì)逐段進(jìn)行漏氣排查，查出漏氣點(diǎn)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(jìn)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(shuō)明裝置密封性良好，沒(méi)有漏氣現(xiàn)象；若氣泡沒(méi)有明顯變化，說(shuō)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(diǎn)。確認(rèn)后在漏氣點(diǎn)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(shí)，將上下部分拆卸開(kāi)，用草酸或潔廁精浸泡一到兩天，然后用長(zhǎng)柄毛刷進(jìn)行清洗。為保障正常觀測(cè)不受影響，建議配備備用裝置，堵塞后及時(shí)更換。

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

5 結(jié)論

（1）自吸氣鼓泡脫氣裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、合理，使用和維護(hù)清洗都很方便。

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

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

（4） 氣氡脫氣裝置沒(méi)有統(tǒng)一模式，每個(gè)井都要考慮自身特點(diǎn)和實(shí)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(cè)一年多以來(lái)，出現(xiàn)幾點(diǎn)問(wèn)題，總結(jié)如下：

①在易產(chǎn)生磚紅色沉淀的觀測(cè)井，沉淀會(huì)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(wèn)題。

②該脫氣裝置吸入空氣后會(huì)在裝置內(nèi)產(chǎn)生氣壓，若水流壓力較小時(shí)，觀測(cè)井內(nèi)水位會(huì)逐漸升高。當(dāng)水流壓力上升至高于裝置內(nèi)氣壓時(shí)，井水會(huì)被壓入脫氣裝置，水位也會(huì)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(gè)別觀測(cè)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(huì)到達(dá)流量計(jì)，導(dǎo)致流量計(jì)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。