寧夏數字化氣氡觀測脫氣裝置改造分析

賀嘉偉，李學波

（寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001）

0 引言

數字化氣體觀測的脫氣-集氣裝置是數字化觀測中的重要技術環節，其關鍵是穩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據的穩定性。

寧夏石嘴山簡泉和海原紅羊井氣氡觀測自“十五”項目數字化改造之后，長時間使用濺落式脫氣-集氣裝置。經過幾年的觀測實踐表明，該裝置存在一些缺點，無法保障觀測數據的穩定性和可靠性。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，氡值不僅不再出現之前冬高夏低的明顯年變化規律，而且在2014年11月—2015年3月出現突升的高值變化，并在2015年同期出現類似變化。2016年1月29日更換了一種新研制的玻璃脫氣瓶后，突升的高值現象暫時消失。但在2016年4月下旬—7月下旬又重新出現。7月28日又更換回濺落式脫氣-集氣裝置。經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的自吸氣鼓泡脫氣裝置。經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，達到了改造的預期目標。

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區燕子墩鄉簡泉村，標高海拔1145 m。地質條件為古生界地層，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頁巖。構造發育，有褶曲倒轉現象。含水層為石英巖及炭質巖。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紅羊村，標高海拔2065 m。該井為自流井，位于海原斷裂帶南側，月亮山北麓，場區地貌類型以黃土丘陵及土石山區為主。場區所屬海原—六盤山弧形構造帶內，區內地震活動強烈，如1920年海原8.5級特大地震就發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、打印和傳輸等功能，實現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新技術，徹底攻克了ZnS（Ag）屏探測器不能在高溫、高濕、高腐蝕環境下長期穩定測量的技術難題，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、穩定連續的長期自動監測。

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

經過幾年的觀測實踐，發現濺落式脫氣-集氣裝置有以下幾個缺點：

（1） 經測量和計算，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，所以經脫氣后的氣體需在集氣室內積累一段時間，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異常，就會被原來的氣體混合稀釋，導致異常信息被掩蓋，不能快速如實地反映泉水、井水中真實氣體的變化。

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

（3） 由于裝置不透明，水質差的井水在堵塞出水孔等內部結構時，無法了解內部堵塞情況，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，形成無壓管路的高速水流。由于有一定的落差，在氣水混合管內會形成一個立軸渦體，渦體的中心會產生負壓，使大量空氣被自動吸入而形成摻氣水流。“鼓泡”是參考了實驗室內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生。該裝置完全靠自然動力學原理，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定性、連續性和可靠性，我們決定對寧夏境內的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日結束。12月17日石嘴山簡泉完成改造并恢復正常觀測，12月19日海原紅羊井完成改造并恢復正常觀測。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據具有可對比性，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，水珠會沿著坡度滑落到兩端的裝置內，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。流量計用來監控進入測氡儀的氣體的流量。當氣路有漏氣現象時，流量計也可用來逐段排查漏氣點。

3 改造前后的數據分析

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據整點值曲線圖，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據均出現大幅下降。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，氣體積累使濃度升高，并不是水中溶解氣的真實反映，而自吸氣鼓泡脫氣裝置體積小，氣體交換速度快，脫出的氣體能即時通過氣路進入儀器。另外，改造前觀測數據曲線較粗，波動較大，數據不穩定，改造后曲線明顯變細，毛刺減少，變化趨勢平穩。除了有小幅度的尖峰外，大幅度的尖峰已經消失。

4 特點總結與維護方法

4.1 特點總結

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據，我們發現在實際應用中，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據質量和日后的運行維護等方面體現出更多優勢。現將其特點總結如下：

（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） 脫氣效率穩定，觀測數據變化幅度較之前減小，穩定性明顯改善。

（3） 采用亞克力材料，攜帶、安裝方便。裝置內部透明可見，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，采用可拆卸結構，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，監控氣路狀態，避免出現因水珠凝結等堵塞氣路的情況。

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，水垢和雜質的累積等原因，脫氣裝置會發生漏氣或者堵塞。在設計自吸氣鼓泡脫氣裝置的時候選用透明材料和可拆卸結構，充分考慮了日后進行維護的便捷性。

（1） 流量計讀數為零，先確認流量計內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，沒有漏氣現象；若氣泡沒有明顯變化，說明裝置某處有漏氣現象，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盡量短，以保證脫出的氣體能快速進入觀測儀器。

5 結論

（1）自吸氣鼓泡脫氣裝置設計簡單、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據，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定，對氣氡觀測質量有顯著提高，保證了觀測資料的穩定性、可靠性和連續性。

（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，出現幾點問題，總結如下：

①在易產生磚紅色沉淀的觀測井，沉淀會將散泡頭堵塞，導致脫氣效率降低，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產生氣壓，若水流壓力較小時，觀測井內水位會逐漸升高。當水流壓力上升至高于裝置內氣壓時，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，釋放裝置內的氣壓，上述現象得以解決。

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