宁夏数字化气氡观测脱气装置改造分析

贺嘉伟，李学波

（宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001）

0 引言

数字化气体观测的脱气-集气装置是数字化观测中的重要技术环节，其关键是稳定地将地下水中的气体通过特定装置自动脱出，并及时有效地将脱出和收集的新鲜气体传送到观测仪器。因此，使观测仪器所检测到的物理量就是当时观测井中的新鲜气体是非常重要的。脱气装置也直接影响测量的灵敏度和观测数据的稳定性。

宁夏石嘴山简泉和海原红羊井气氡观测自“十五”项目数字化改造之后，长时间使用溅落式脱气-集气装置。经过几年的观测实践表明，该装置存在一些缺点，无法保障观测数据的稳定性和可靠性。以简泉为例，2013年11月由“九五”项目使用的脱气筒更换为溅落式脱气-集气装置后，氡值不仅不再出现之前冬高夏低的明显年变化规律，而且在2014年11月—2015年3月出现突升的高值变化，并在2015年同期出现类似变化。2016年1月29日更换了一种新研制的玻璃脱气瓶后，突升的高值现象暂时消失。但在2016年4月下旬—7月下旬又重新出现。7月28日又更换回溅落式脱气-集气装置。经过上述过程可以看出，前后使用的三种脱气装置对氡值变化影响非常大。

在新疆地震局许秋龙老师的指导和帮助下，我们对宁夏石嘴山简泉等5个气氡观测点进行了脱气装置改造。改造后使用的脱气装置是许秋龙老师研发的自吸气鼓泡脱气装置。经过一年的实验与运行，认为使用改进后的装置比原脱气装置效果好，达到了改造的预期目标。

1 观测井泉及仪器

1.1 观测井泉条件

石嘴山简泉位于石嘴山市惠农区燕子墩乡简泉村，标高海拔1145 m。地质条件为古生界地层，地貌为低山沟谷地形，泉为自流泉，泉水为沿断层带流出的基岩裂隙水，出露于一逆掩断层上，出露岩层为石英沙岩夹薄层炭质页岩。构造发育，有褶曲倒转现象。含水层为石英岩及炭质岩。在泉水出露处深挖约1 m，用细沙石和水泥封闭建有储水室，通过引水管将泉水引入观测室进行气氡观测。

海原红羊井位于海原县红羊乡红羊村，标高海拔2065 m。该井为自流井，位于海原断裂带南侧，月亮山北麓，场区地貌类型以黄土丘陵及土石山区为主。场区所属海原—六盘山弧形构造带内，区内地震活动强烈，如1920年海原8.5级特大地震就发生在测点以北的海原断裂带上。

1.2 观测仪器

自“十五”项目数字化改造至今，简泉和红羊井的气氡观测一直选用SD-3A型自动测氡仪。该仪器集成了键盘、LCD显示、打印和传输等功能，实现了氡观测的自动化与智能化。

SD-3A型自动测氡仪的闪烁室采用创新技术，彻底攻克了ZnS（Ag）屏探测器不能在高温、高湿、高腐蚀环境下长期稳定测量的技术难题，从而可对溶解氡（自流井、泉）、逸出氡（非自流井）和土壤断层逸出氡进行定时定量、稳定连续的长期自动监测。

2 脱气-集气装置原理

2.1 溅落式脱气-集气装置

图1是简泉和红羊井以前使用的溅落式脱气-集气装置的原理示意图。原装置用铝合金作为材料，制作成上半部分高约50 cm、直径约10 cm的脱气-集气室和下半部分的渗水装置。脱气装置为图中所示圆盘状装置，直径比下端的连接柱稍大。当水流从进水口流入脱气装置后，落到圆盘上向四周溅射成小水珠，从而增大水流与空气的接触面积，并从井水中脱出观测所需的气体。集气室内的气体从上方出气口进入到观测仪器中，井水从下方的渗水孔渗入空心底座，从出水口排出。

图1 简泉和红羊井的原脱气—集气装置Fig.1 The original degassing device of the Jian spring and Hongyang well

经过几年的观测实践，发现溅落式脱气-集气装置有以下几个缺点：

（1） 经测量和计算，简泉和红羊井以前使用的溅落式脱气-集气装置的集气室容积约为2.75 L，而自吸气鼓泡脱气装置集气室容积约为0.99 L。

由于溅落式脱气-集气装置的集气室容积较大，所以经脱气后的气体需在集气室内积累一段时间，也就是说进入观测仪器的气体是原来滞留在集气室内的旧气体与即时脱出的新鲜气体的混合气体。观测的气体如果出现异常，就会被原来的气体混合稀释，导致异常信息被掩盖，不能快速如实地反映泉水、井水中真实气体的变化。

（2）脱气效率不稳定，测值上下波动较大。观测曲线出现大幅度的尖峰，可能会导致一些异常信息被掩盖。

（3） 由于装置不透明，水质差的井水在堵塞出水孔等内部结构时，无法了解内部堵塞情况，对查找原因造成困难；也不利于清洗和维护。

2.2 自吸气鼓泡脱气装置

图2是新疆局许秋龙老师研发的自吸气鼓泡脱气装置的原理示意图，图3是实物照片。

图2 自吸气鼓泡脱气装置原理示意图Fig.2 Schematic diagram of self inspiratory bubble degassing device

图3 自吸气鼓泡脱气装置实物图Fig.3 Physical map of self inspiratory bubble degassing device

自吸气鼓泡脱气装置利用了水力学原理。“自吸气”是指在有一定压力的水流作用下，水从装置的上部射流到管径较大的气水混合管内，形成无压管路的高速水流。由于有一定的落差，在气水混合管内会形成一个立轴涡体，涡体的中心会产生负压，使大量空气被自动吸入而形成掺气水流。“鼓泡”是参考了实验室内模拟氡观测的鼓泡脱气原理。掺气水流到达鼓泡室后，水中的空气逸出，并把水中溶解的气体带出，在鼓泡室的散泡头附近可观察到大量气泡产生。该装置完全靠自然动力学原理，可以有效地脱出水中的溶解气体，无须任何人为操作等干扰。装置采用亚克力材料，透明、防腐蚀，非常适合野外水中溶解气的自动化脱气使用。

对比溅落式脱气-集气装置和自吸气鼓泡脱气装置，前者没有利用实验室模拟氡观测的鼓泡脱气原理，仅依靠水流自身重力下落到圆盘上溅射成小水珠来脱气，脱气效率较低，且集气室较大导致集气时间太长，所以进入观测仪器的气体并不是实时脱出的气体，而是经过长期累积的混合气体。后者利用鼓泡脱气原理大大提高了脱气效率，集气室容积小使得脱出的气体能更快地进入观测仪器。因此，使用自吸气鼓泡脱气装置，得到的是更新鲜的，更能反映真实情况的待观测气体。

2.3 改造过程

基于溅落式脱气-集气装置的缺点，为保障气氡观测资料的稳定性、连续性和可靠性，我们决定对宁夏境内的5个气氡观测点进行脱气装置改造。整个改造过程于2016年12月16日开始，19日结束。12月17日石嘴山简泉完成改造并恢复正常观测，12月19日海原红羊井完成改造并恢复正常观测。图4是整套脱气装置的连接示意图。

图4 脱气装置连接示意图Fig.4 Connection diagram of degassing device

为保证改造前后的观测数据具有可对比性，我们在改造前后对观测仪器和井泉情况都做了检查，确保没有外界因素干扰。按照上图顺序依次将脱气装置、气水分离器、冷凝装置和流量计用乳胶管连接，最终接入SD-3A型测氡仪进气口。各装置之间的乳胶管尽量中间高，两端低，这样如果乳胶管中有水珠凝结，水珠会沿着坡度滑落到两端的装置内，不至于堵塞气路。乳胶管不能有打折，须保持气路通畅。脱气装置将水中的溶解气体脱出，气水分离器和冷凝装置可以防止低温下气路中有水汽凝结形成水珠并堵塞气路，其中冷凝装置中注入防冻液或者汽车玻璃水。流量计用来监控进入测氡仪的气体的流量。当气路有漏气现象时，流量计也可用来逐段排查漏气点。

3 改造前后的数据分析

图5、图6分别是石嘴山简泉和海原红羊井改造前后的观测数据整点值曲线图，时间从2016年10月1日到2017年5月31日，共8个月。

图5 石嘴山简泉气氡整点值曲线图（20161001-20170531）Fig.5 The escaped radon hourly value curve of Jian spring in Shizuishan（20161001-20170531）

图6 海原红羊井气氡整点值曲线图（20161001—20170531）Fig.6 The escaped radon hourly value curve of Hongyang well in Haiyuan （20161001—20170531）

从图中可以看出，脱气装置改造后，简泉和红羊井的气氡观测数据均出现大幅下降。简泉从 210～270 Bq/L下降到 105～120 Bq/L，红羊从63～70 Bq/L下降到32～37 Bq/L。这是因为原脱气装置集气室容积大，气体积累使浓度升高，并不是水中溶解气的真实反映，而自吸气鼓泡脱气装置体积小，气体交换速度快，脱出的气体能即时通过气路进入仪器。另外，改造前观测数据曲线较粗，波动较大，数据不稳定，改造后曲线明显变细，毛刺减少，变化趋势平稳。除了有小幅度的尖峰外，大幅度的尖峰已经消失。

4 特点总结与维护方法

4.1 特点总结

通过对比分析简泉和红羊井在脱气装置改造前后的观测数据，我们发现在实际应用中，相比于溅落式脱气-集气装置，自吸气鼓泡脱气装置在保障观测数据质量和日后的运行维护等方面体现出更多优势。现将其特点总结如下：

（1） 容积小，脱气效率高，脱出的气体能被快速送入观测仪器，真实反映地下水中气体的异常信息。

（2） 脱气效率稳定，观测数据变化幅度较之前减小，稳定性明显改善。

（3） 采用亚克力材料，携带、安装方便。装置内部透明可见，是否堵塞、脱出的气泡如何一目了然。

（4） 在保证密封性的前提下，采用可拆卸结构，便于清洗和维护。

（5） 利用气水分离器、冷凝装置、流量计等辅助装置，监控气路状态，避免出现因水珠凝结等堵塞气路的情况。

4.2 维护方法

在今后的长期观测中，随着装置连接处的松动和老化，水垢和杂质的累积等原因，脱气装置会发生漏气或者堵塞。在设计自吸气鼓泡脱气装置的时候选用透明材料和可拆卸结构，充分考虑了日后进行维护的便捷性。

（1） 流量计读数为零，先确认流量计内的玻璃珠是否被水汽粘到底部。是则取下流量计并烘干；否则用流量计逐段进行漏气排查，查出漏气点后判断漏气原因并采取措施。

（2） 脱气装置检漏方法：正常情况下，脱气装置脱出的气体应该在水面附近，且向上从出气口进入气路。用手堵死出气口，观察气泡变化。若气泡向下从排水口排出，说明装置密封性良好，没有漏气现象；若气泡没有明显变化，说明装置某处有漏气现象，须在装置各处涂抹肥皂水确定漏气点。确认后在漏气点用亚克力胶粘好即可。

（3） 水质不好的井水容易形成水垢堵塞装置。含铁离子高的井水，氧化后易形成砖红色的氧化二铁沉淀，可用草酸清洗；有的井水易形成白色沉淀水垢，可用洁厕精或稀酸清洗。清洗时，将上下部分拆卸开，用草酸或洁厕精浸泡一到两天，然后用长柄毛刷进行清洗。为保障正常观测不受影响，建议配备备用装置，堵塞后及时更换。

（4） 连接脱气装置、气水分离器等装置以及观测仪器的管路应尽量短，以保证脱出的气体能快速进入观测仪器。

5 结论

（1）自吸气鼓泡脱气装置设计简单、合理，使用和维护清洗都很方便。

（2）通过对比这次改造前后的观测数据，我们对原脱气装置的缺陷有了清醒的认识。而自吸气鼓泡脱气装置脱气效率高且稳定，对气氡观测质量有显著提高，保证了观测资料的稳定性、可靠性和连续性。

（3） 改造完成后，简泉和红羊井的资料一直没有记录到地震信息，映震能力有待观察。

（4） 气氡脱气装置没有统一模式，每个井都要考虑自身特点和实际情况，如流量大小、水温高低、水质好坏等条件，选取最适合自身的脱气装置。

（5）自改造完成后正常观测一年多以来，出现几点问题，总结如下：

①在易产生砖红色沉淀的观测井，沉淀会将散泡头堵塞，导致脱气效率降低，氡值降低。定期清洗脱气装置或更换为大孔径脱气装置可解决问题。

②该脱气装置吸入空气后会在装置内产生气压，若水流压力较小时，观测井内水位会逐渐升高。当水流压力上升至高于装置内气压时，井水会被压入脱气装置，水位也会随之突然下降。在脱气装置上方安装三通，释放装置内的气压，上述现象得以解决。

③个别观测井在冬天易形成水汽，虽然脱气装置前端设置了气水分离器，但仍有少量水汽会到达流量计，导致流量计转子黏在底部，堵塞气路。在气水分离器中放置干燥剂（如生石灰等），即可明显改善该现象。