劉 麗，劉 爽，劉建光，鮮述東，韓 艷，楊 昆

（1．盤錦地震臺(tái)，遼寧 盤錦 124010；2.防災(zāi)科技學(xué)院，河北 三河 101601）

0 引言

“九五”期間根據(jù)中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司的要求，地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域研制出了數(shù)字化、高靈敏度、性能穩(wěn)定、能適用多種環(huán)境的SD-3A自動(dòng)測(cè)氡儀，并在全國進(jìn)行了數(shù)字化改造［1］。地下流體數(shù)字化改造后，數(shù)字化氣體觀測(cè)的脫氣集氣裝置是數(shù)字化觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng)中一項(xiàng)非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它關(guān)系到被測(cè)量的穩(wěn)定性和產(chǎn)出數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性［2］。

盤一井?dāng)?shù)字化氣氡是中國地震局“九五”期間增加的前兆觀測(cè)項(xiàng)目，該測(cè)項(xiàng)自2001年3月21日開始投入觀測(cè)以來，數(shù)據(jù)受脫氣裝置影響明顯［3］。脫氣裝置經(jīng)過兩次改進(jìn)，發(fā)現(xiàn)裝置容積、恒溫措施、人為清洗等是影響數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的主要干擾因素。為了解決脫氣裝置存在的上述干擾因素，提高氣氡觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，借鑒國內(nèi)同行業(yè)脫氣裝置制作經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)氣氡脫氣裝置進(jìn)行改進(jìn)研究，研制出了新型噴射負(fù)壓式脫氣裝置。該裝置加裝過濾裝置，壓縮裝置容積（盡量減少平衡氣體積），增加恒溫、通針清堵等設(shè)計(jì)，使集氣-脫氣裝置在特定條件下，穩(wěn)定地將地下水中的溶解氣脫出，并及時(shí)、有效地送到觀測(cè)儀器。通過改進(jìn)試驗(yàn)研究，達(dá)到新型脫氣裝置最佳使用效果，解決氣氡觀測(cè)脫氣裝置穩(wěn)定性難題，進(jìn)一步提高氣氡觀測(cè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在質(zhì)量，為國內(nèi)地震臺(tái)站觀測(cè)（水質(zhì)礦化度較高的觀測(cè)井口）提供脫氣裝置制作、觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)，使其達(dá)到一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 觀測(cè)井概況

盤錦地震臺(tái)是水化綜合臺(tái)，盤一井是該臺(tái)主要地震前兆觀測(cè)專用井，井深955.08 m，含水層為上三系管陶組承壓水［4］，該井海拔標(biāo)高為4.08 m，井口流量為0.5L/S，水溫為22.5℃，水化學(xué)類型HCO3-Na型。構(gòu)造上該井位于郯廬斷裂帶的北延段，下遼河斷陷盆地西部凹陷張家街?jǐn)嗔押团_(tái)安斷裂之間。2000年盤一井進(jìn)行數(shù)字化改造，變定時(shí)定量抽水取樣為24小時(shí)連續(xù)抽水，實(shí)現(xiàn)“自流”，開展數(shù)字化氣氡觀測(cè)。

2 氣氡脫氣裝置存在的問題

2.1 “九五”初期濺落式脫氣裝置

“九五”初期濺落式脫氣裝置是根據(jù)中國地震局分析預(yù)報(bào)中心提供的脫氣裝置的示意圖和參考尺寸、材質(zhì)等資料制作。脫氣筒采用白鋼材質(zhì)制作，設(shè)計(jì)閃水漏斗和匯水漏斗，水自由濺落后依靠增加水的表面積和側(cè)壓力使氣體脫出。

在實(shí)際觀測(cè)過程中，“九五”初期濺落式脫氣裝置主要存在以下幾方面的問題（圖1）：（1） 脫氣裝置容積偏大：地下水中能夠脫析出的氣體長(zhǎng)時(shí)間累積在大容積中，新鮮氣體很少，進(jìn)入傳感器的氣體是原來滯留在集氣容器中的平衡氣，觀測(cè)氡值一直偏高；（2） 氣管路經(jīng)常堵塞：停電或脫氣-集氣裝置進(jìn)水口流量過大，會(huì)導(dǎo)致脫氣裝置及下水道堵塞，從而降低了氡濃度，經(jīng)常出現(xiàn)低值現(xiàn)象；（3） 無恒溫裝置：氣氡數(shù)據(jù)變化受氣壓、氣溫的干擾很大，尤其是氣溫影響直接導(dǎo)致氡值的突跳。

圖1 “九五”脫氣裝置氣氡日值曲線圖Fig.1 Gas radon daily value curve of the degasification device during the period of Ninth-five-year plan

2.2 自吸氣鼓泡及電動(dòng)鼓泡脫氣裝置

2015年11月，盤一井脫氣裝置由原來的“九五”期間濺落式脫氣裝置更換為自吸氣鼓泡脫氣裝置，又由自吸氣鼓泡脫氣裝置更換為電動(dòng)鼓泡脫氣裝置，經(jīng)過近一年時(shí)間的連續(xù)觀測(cè)及實(shí)驗(yàn)分析改進(jìn)，應(yīng)用效果均不理想。

在實(shí)際觀測(cè)過程中，自吸氣鼓泡脫氣裝置和電動(dòng)鼓泡脫氣裝置這兩種裝置主要存在以下幾個(gè)方面的問題（圖2）：（1） 由于盤一井水質(zhì)礦化度高，水中的鈣化物沉淀后造成脫氣裝置頻繁堵塞；（2） 清洗脫氣裝置堵塞造成的人為干擾，致使觀測(cè)數(shù)據(jù)恢復(fù)到正常觀測(cè)值周期較長(zhǎng)，影響氣氡觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性和穩(wěn)定性；（3） 脫氣裝置各處用膠管連接，密封性能差，易造成氣路漏氣和膠管破損現(xiàn)象，影響氣氡數(shù)據(jù)的高低變化。

圖2 自吸氣和電動(dòng)鼓泡裝置氣氡日值曲線圖Fig.2 The observation curve of the self-priming electric drum degassing device

3 新型脫氣裝置應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)

3.1 新型脫氣裝置的結(jié)構(gòu)及原理

研制的新型脫氣裝置為噴射負(fù)壓式脫氣裝置（圖3）。該裝置采用有機(jī)玻璃材料，共分4個(gè)部分：進(jìn)水區(qū)、出水口、噴射脫氣和負(fù)壓脫氣區(qū)、集氣集水區(qū)和保溫區(qū)。為了便于安裝和拆卸，在部位與部位之間采用了橡膠圈密封和標(biāo)準(zhǔn)卡箍連接。

在脫氣裝置的集水器容積分成內(nèi)外兩層，中間是真空狀態(tài)，這樣對(duì)集水與集氣區(qū)可以起到保溫作用，可使得內(nèi)容積的地下水的溫度不受室溫的干擾。

當(dāng)觀測(cè)井的地下水流入到脫氣裝置后，在上部有一個(gè)漏斗形的上大下小的容積，這時(shí)其水的容積被壓縮，在漏斗形的出口處形成噴射，一部分溶解氣被脫析出。在漏斗形噴射區(qū)的外有一個(gè)容積空間，由于地下水的噴射作用，在噴射區(qū)外面的容積空間內(nèi)形成負(fù)壓區(qū)（真空區(qū)），由于這個(gè)負(fù)壓區(qū)的存在，使得地下水中的溶解氣再次被脫析。這些被2次脫析出的氣體與地下水一起再向下噴射到達(dá)噴射區(qū)最下端的一個(gè)小通道，地下水在這個(gè)小通道內(nèi)具有快速噴流作用，在到達(dá)小通道的下端突然其通道變大，地下水的容積被突然變大，溶解氣被再次脫析，這樣從觀測(cè)井流入脫氣裝置的地下水經(jīng)過了3次脫析，其脫氣效率是比較高的。

被脫析出來的溶解氣和地下水一起流入到脫氣裝置的集水和集氣容積中，這個(gè)容積一般是2L。在集水和集氣容器的上端內(nèi)側(cè)有一個(gè)“傘”形的頂蓋，其作用是便于脫析出的氣體及時(shí)匯集到容器的出氣口處，以保證脫析出的溶解氣及時(shí)進(jìn)入觀測(cè)儀器的傳感器中。

圖3 噴射負(fù)壓式脫氣裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of jet degassing device structure

3.2 新型脫氣裝置的實(shí)驗(yàn)研究

噴射負(fù)壓式脫氣裝置于2016年12月27日安裝、調(diào)試，2017年1月1日正式開始在線觀測(cè)，從連續(xù)觀測(cè)7個(gè)月的數(shù)據(jù)分析（圖4），氡值數(shù)據(jù)穩(wěn)定在70～80Bq/L之間,日變化幅度在5Bq/L之間，數(shù)據(jù)平穩(wěn)，整體穩(wěn)定性良好，連續(xù)可靠，無明顯的氣溫因素干擾。

此外在觀測(cè)期間，還做了一些觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，探討噴射負(fù)壓式脫氣裝置的應(yīng)用效果。

圖4 新脫氣裝置氣氡整點(diǎn)值曲線圖Fig.4 The point value curves of the gas radon observed by the new degassing device

3.2.1 通針清堵實(shí)驗(yàn)

盤一井的地下水中礦化度較高，水在系統(tǒng)中長(zhǎng)期流動(dòng)，形成的鈣化物沉積引起裝置的噴射嘴、射流區(qū)和噴射區(qū)下端出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，造成氣氡數(shù)據(jù)異常變化，影響氣氡數(shù)據(jù)正常趨勢(shì)動(dòng)態(tài)。

噴射負(fù)壓式脫氣裝置上方設(shè)計(jì)防堵塞針，當(dāng)出現(xiàn)噴射嘴、射流區(qū)堵塞時(shí)，用堵塞針向下擠壓進(jìn)行清理。在實(shí)驗(yàn)過程中，我們最初采用每周使用通針清洗噴射嘴一次（圖5），期間數(shù)據(jù)變化明顯，從每天的觀測(cè)數(shù)據(jù)看測(cè)值變化不大，但是當(dāng)接近于周末數(shù)據(jù)時(shí)明顯有下降趨勢(shì)。改為每天使用通針清洗噴射嘴一次后，這樣現(xiàn)象基本消除。用堵塞針清理方便快捷，每天通針清洗一次，有效防止噴射嘴、射流區(qū)堵塞現(xiàn)象對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響。

圖5 新脫氣裝置實(shí)驗(yàn)整點(diǎn)值曲線圖Fig.5 The point value curves of the new degassing device experiment

在觀測(cè)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)2次噴射區(qū)下端堵塞現(xiàn)象，數(shù)據(jù)呈明顯下降趨勢(shì)（圖4），由于該裝置設(shè)計(jì)為可拆卸方式，當(dāng)出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象時(shí)，可以隨時(shí)拆卸清除堵塞物。清除堵塞后數(shù)據(jù)可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到原來的觀測(cè)值，不影響氣氡觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

3.2.2 空氣混入量實(shí)驗(yàn)

在脫氣裝置的負(fù)壓區(qū)有一個(gè)讓空氣混入的進(jìn)氣口，空氣的混入可加速地下水的脫氣效率?？諝饣烊肓坎荒芴螅罅藭?huì)稀釋溶解氣的含量，為此我們選擇8號(hào)、5.5號(hào)、4號(hào)注射器針頭從大到小的順序進(jìn)行空氣混入量實(shí)驗(yàn)（圖5）。

空氣混入量的實(shí)驗(yàn)方法：在空氣進(jìn)入口處連接一根硅膠管，在硅膠管的入口用彈簧夾住密封，在硅膠管上插入一個(gè)注射器針頭。

空氣混入量的實(shí)驗(yàn)過程：在進(jìn)氣口處采用8號(hào)注射器針頭，從圖中可以看出，期間數(shù)據(jù)變化起伏較大，數(shù)據(jù)變化范圍在65～83Bq/L之間。在進(jìn)氣口處采用5.5號(hào)注射器針頭，從圖中可以看出，期間數(shù)據(jù)變化幅度明顯減小，數(shù)據(jù)變化范圍在66～76Bq/L之間。進(jìn)氣口采用4號(hào)注射器針頭，從圖中可以看出，期間數(shù)據(jù)大幅度下降，數(shù)據(jù)跌落到38～45Bq/L之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析研究，適用于氣氡日常觀測(cè)中，進(jìn)氣口采用5.5號(hào)注射器針頭脫氣效果較好。

4 脫氣裝置應(yīng)用效果討論

（1） 脫氣裝置集氣體積小，能夠快速有效地將新鮮氣體引入傳感器中，脫氣效率高。

（2） 脫氣裝置系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞時(shí)，可用上方的防堵塞針向下擠壓進(jìn)行清理，且裝置拆卸方便，可以隨時(shí)清除堵塞物，清除堵塞物后，數(shù)據(jù)可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到正常觀測(cè)值，不影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

（3）脫氣裝置保溫設(shè)計(jì)容器采用雙層真空隔溫設(shè)計(jì)和外部的水浴保溫，雙重保溫可使氣體不受室溫的干擾。

（4） 脫氣裝置材質(zhì)使用的是有機(jī)玻璃材料，裝置透明可見，有利于日常工作中數(shù)據(jù)異常情況排除與處理。在部位與部位之間采用了橡膠圈密封和標(biāo)準(zhǔn)卡箍連接，密封性好，有效防止漏氣等其它因素干擾。

5 結(jié)束語

在數(shù)字化氣氡觀測(cè)中，脫氣裝置是觀測(cè)系統(tǒng)中一個(gè)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，不同的脫氣裝置應(yīng)用效果不同。通過對(duì)新研制噴射負(fù)壓式脫氣裝置實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)際應(yīng)用證明新型脫氣裝置有效地減少了氣氡日常觀測(cè)中的干擾因素，實(shí)用性和可操作性較強(qiáng)。噴射負(fù)壓式脫氣裝置的研制及應(yīng)用可為國內(nèi)地震臺(tái)站觀測(cè)（水質(zhì)礦化度較高的觀測(cè)井口）提供借鑒，使其達(dá)到一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。