盘一井气氡新型脱气装置应用实验研究

刘 丽，刘 爽，刘建光，鲜述东，韩 艳，杨 昆

（1．盘锦地震台，辽宁 盘锦 124010；2.防灾科技学院，河北 三河 101601）

0 引言

“九五”期间根据中国地震局监测预报司的要求，地震监测领域研制出了数字化、高灵敏度、性能稳定、能适用多种环境的SD-3A自动测氡仪，并在全国进行了数字化改造［1］。地下流体数字化改造后，数字化气体观测的脱气集气装置是数字化观测技术系统中一项非常重要的技术环节，它关系到被测量的稳定性和产出数据质量的可靠性［2］。

盘一井数字化气氡是中国地震局“九五”期间增加的前兆观测项目，该测项自2001年3月21日开始投入观测以来，数据受脱气装置影响明显［3］。脱气装置经过两次改进，发现装置容积、恒温措施、人为清洗等是影响数据不稳定的主要干扰因素。为了解决脱气装置存在的上述干扰因素，提高气氡观测数据质量，借鉴国内同行业脱气装置制作经验，我们对气氡脱气装置进行改进研究，研制出了新型喷射负压式脱气装置。该装置加装过滤装置，压缩装置容积（尽量减少平衡气体积），增加恒温、通针清堵等设计，使集气-脱气装置在特定条件下，稳定地将地下水中的溶解气脱出，并及时、有效地送到观测仪器。通过改进试验研究，达到新型脱气装置最佳使用效果，解决气氡观测脱气装置稳定性难题，进一步提高气氡观测数据的内在质量，为国内地震台站观测（水质矿化度较高的观测井口）提供脱气装置制作、观测经验，使其达到一定的推广应用价值。

1 观测井概况

盘锦地震台是水化综合台，盘一井是该台主要地震前兆观测专用井，井深955.08 m，含水层为上三系管陶组承压水［4］，该井海拔标高为4.08 m，井口流量为0.5L/S，水温为22.5℃，水化学类型HCO3-Na型。构造上该井位于郯庐断裂带的北延段，下辽河断陷盆地西部凹陷张家街断裂和台安断裂之间。2000年盘一井进行数字化改造，变定时定量抽水取样为24小时连续抽水，实现“自流”，开展数字化气氡观测。

2 气氡脱气装置存在的问题

2.1 “九五”初期溅落式脱气装置

“九五”初期溅落式脱气装置是根据中国地震局分析预报中心提供的脱气装置的示意图和参考尺寸、材质等资料制作。脱气筒采用白钢材质制作，设计闪水漏斗和汇水漏斗，水自由溅落后依靠增加水的表面积和侧压力使气体脱出。

在实际观测过程中，“九五”初期溅落式脱气装置主要存在以下几方面的问题（图1）：（1） 脱气装置容积偏大：地下水中能够脱析出的气体长时间累积在大容积中，新鲜气体很少，进入传感器的气体是原来滞留在集气容器中的平衡气，观测氡值一直偏高；（2） 气管路经常堵塞：停电或脱气-集气装置进水口流量过大，会导致脱气装置及下水道堵塞，从而降低了氡浓度，经常出现低值现象；（3） 无恒温装置：气氡数据变化受气压、气温的干扰很大，尤其是气温影响直接导致氡值的突跳。

图1 “九五”脱气装置气氡日值曲线图Fig.1 Gas radon daily value curve of the degasification device during the period of Ninth-five-year plan

2.2 自吸气鼓泡及电动鼓泡脱气装置

2015年11月，盘一井脱气装置由原来的“九五”期间溅落式脱气装置更换为自吸气鼓泡脱气装置，又由自吸气鼓泡脱气装置更换为电动鼓泡脱气装置，经过近一年时间的连续观测及实验分析改进，应用效果均不理想。

在实际观测过程中，自吸气鼓泡脱气装置和电动鼓泡脱气装置这两种装置主要存在以下几个方面的问题（图2）：（1） 由于盘一井水质矿化度高，水中的钙化物沉淀后造成脱气装置频繁堵塞；（2） 清洗脱气装置堵塞造成的人为干扰，致使观测数据恢复到正常观测值周期较长，影响气氡观测数据连续性和稳定性；（3） 脱气装置各处用胶管连接，密封性能差，易造成气路漏气和胶管破损现象，影响气氡数据的高低变化。

图2 自吸气和电动鼓泡装置气氡日值曲线图Fig.2 The observation curve of the self-priming electric drum degassing device

3 新型脱气装置应用及实验

3.1 新型脱气装置的结构及原理

研制的新型脱气装置为喷射负压式脱气装置（图3）。该装置采用有机玻璃材料，共分4个部分：进水区、出水口、喷射脱气和负压脱气区、集气集水区和保温区。为了便于安装和拆卸，在部位与部位之间采用了橡胶圈密封和标准卡箍连接。

在脱气装置的集水器容积分成内外两层，中间是真空状态，这样对集水与集气区可以起到保温作用，可使得内容积的地下水的温度不受室温的干扰。

当观测井的地下水流入到脱气装置后，在上部有一个漏斗形的上大下小的容积，这时其水的容积被压缩，在漏斗形的出口处形成喷射，一部分溶解气被脱析出。在漏斗形喷射区的外有一个容积空间，由于地下水的喷射作用，在喷射区外面的容积空间内形成负压区（真空区），由于这个负压区的存在，使得地下水中的溶解气再次被脱析。这些被2次脱析出的气体与地下水一起再向下喷射到达喷射区最下端的一个小通道，地下水在这个小通道内具有快速喷流作用，在到达小通道的下端突然其通道变大，地下水的容积被突然变大，溶解气被再次脱析，这样从观测井流入脱气装置的地下水经过了3次脱析，其脱气效率是比较高的。

被脱析出来的溶解气和地下水一起流入到脱气装置的集水和集气容积中，这个容积一般是2L。在集水和集气容器的上端内侧有一个“伞”形的顶盖，其作用是便于脱析出的气体及时汇集到容器的出气口处，以保证脱析出的溶解气及时进入观测仪器的传感器中。

图3 喷射负压式脱气装置结构示意图Fig.3 Schematic diagram of jet degassing device structure

3.2 新型脱气装置的实验研究

喷射负压式脱气装置于2016年12月27日安装、调试，2017年1月1日正式开始在线观测，从连续观测7个月的数据分析（图4），氡值数据稳定在70～80Bq/L之间,日变化幅度在5Bq/L之间，数据平稳，整体稳定性良好，连续可靠，无明显的气温因素干扰。

此外在观测期间，还做了一些观测实验，并结合实验结果进行分析，探讨喷射负压式脱气装置的应用效果。

图4 新脱气装置气氡整点值曲线图Fig.4 The point value curves of the gas radon observed by the new degassing device

3.2.1 通针清堵实验

盘一井的地下水中矿化度较高，水在系统中长期流动，形成的钙化物沉积引起装置的喷射嘴、射流区和喷射区下端出现堵塞现象，造成气氡数据异常变化，影响气氡数据正常趋势动态。

喷射负压式脱气装置上方设计防堵塞针，当出现喷射嘴、射流区堵塞时，用堵塞针向下挤压进行清理。在实验过程中，我们最初采用每周使用通针清洗喷射嘴一次（图5），期间数据变化明显，从每天的观测数据看测值变化不大，但是当接近于周末数据时明显有下降趋势。改为每天使用通针清洗喷射嘴一次后，这样现象基本消除。用堵塞针清理方便快捷，每天通针清洗一次，有效防止喷射嘴、射流区堵塞现象对观测数据的影响。

图5 新脱气装置实验整点值曲线图Fig.5 The point value curves of the new degassing device experiment

在观测实验过程中出现2次喷射区下端堵塞现象，数据呈明显下降趋势（图4），由于该装置设计为可拆卸方式，当出现堵塞现象时，可以随时拆卸清除堵塞物。清除堵塞后数据可以在短时间内恢复到原来的观测值，不影响气氡观测数据的连续性和稳定性。

3.2.2 空气混入量实验

在脱气装置的负压区有一个让空气混入的进气口，空气的混入可加速地下水的脱气效率。空气混入量不能太大，太大了会稀释溶解气的含量，为此我们选择8号、5.5号、4号注射器针头从大到小的顺序进行空气混入量实验（图5）。

空气混入量的实验方法：在空气进入口处连接一根硅胶管，在硅胶管的入口用弹簧夹住密封，在硅胶管上插入一个注射器针头。

空气混入量的实验过程：在进气口处采用8号注射器针头，从图中可以看出，期间数据变化起伏较大，数据变化范围在65～83Bq/L之间。在进气口处采用5.5号注射器针头，从图中可以看出，期间数据变化幅度明显减小，数据变化范围在66～76Bq/L之间。进气口采用4号注射器针头，从图中可以看出，期间数据大幅度下降，数据跌落到38～45Bq/L之间。实验结果分析研究，适用于气氡日常观测中，进气口采用5.5号注射器针头脱气效果较好。

4 脱气装置应用效果讨论

（1） 脱气装置集气体积小，能够快速有效地将新鲜气体引入传感器中，脱气效率高。

（2） 脱气装置系统出现堵塞时，可用上方的防堵塞针向下挤压进行清理，且装置拆卸方便，可以随时清除堵塞物，清除堵塞物后，数据可以在短时间内恢复到正常观测值，不影响观测数据的稳定性。

（3）脱气装置保温设计容器采用双层真空隔温设计和外部的水浴保温，双重保温可使气体不受室温的干扰。

（4） 脱气装置材质使用的是有机玻璃材料，装置透明可见，有利于日常工作中数据异常情况排除与处理。在部位与部位之间采用了橡胶圈密封和标准卡箍连接，密封性好，有效防止漏气等其它因素干扰。

5 结束语

在数字化气氡观测中，脱气装置是观测系统中一个重要的技术环节，不同的脱气装置应用效果不同。通过对新研制喷射负压式脱气装置实验研究，实际应用证明新型脱气装置有效地减少了气氡日常观测中的干扰因素，实用性和可操作性较强。喷射负压式脱气装置的研制及应用可为国内地震台站观测（水质矿化度较高的观测井口）提供借鉴，使其达到一定的推广应用价值。