鹽源干海井脫氣裝置應用效果對比及改進建議

蔣 川 楊志鵬 趙 晶 文 朗

（中國四川 615022 四川省地震局西昌地震監測中心站）

0 引言

在地震孕育與發生過程中，巖石應力與熱力狀態的變化及深部物質運移可能會導致巖石氡射氣系數改變、氡溶解度變化（中國地震局監測預報司，2020）。使用數字化測氡儀可觀測水中溶解氡濃度的變化，長期連續觀測中可能發現溶解氡濃度變化可能攜帶的地震異常信息。目前，利用數字化測氡儀已實現無人值守自動觀測和數據傳輸，但與之配套的脫氣裝置的研制和應用則相對落后。不同井（泉）的水流量、水溫、礦化度、逸出氣體成分等均存在較大差異，因此無法使用統一的普適技術來達到最優的脫氣—集氣效能（高小其等，2021）。

脫氣裝置作為氣氡濃度觀測最核心的前端處理設備，其功能是使水中氣體脫離水體，再通過引氣管將分離出的氣體引入測氡儀完成分析。脫氣裝置與觀測井（泉）的適配性、脫氣裝置長期工作的可靠性、氣水分離效率等可直接影響氣氡濃度觀測的數據質量。傳統的脫氣裝置主要有濺落式、臥管式、鼓泡式等類型，一些地震臺站工作人員因地制宜根據井（泉）的特點在傳統脫氣裝置基礎上對其進行了設計改造，并取得了較好效果（蘇永剛等，2005；王燕等，2013；文勇等，2014；趙冬等，2018；劉麗等，2019）。

鹽源干海井觀測資料多次在各級質量評比中獲獎（四川省地震局，2004），且曾在地震前出現異常（湯秀山等，1987；江在雄等，2000），具有較好的觀測質量和靈敏的地震前兆響應。但目前各種干擾對干海井各測項數據的影響日益明顯，尤其是干海井中大量懸浮狀的固體雜質對氣氡濃度的影響較大，氣氡濃度數據時常因此產生臺階和突跳，嚴重時氣路完全堵塞還會引起觀測數據中斷。本文從氣氡濃度觀測數據穩定性及干擾、故障的統計特征等方面，對比3 種不同類型脫氣裝置在鹽源干海井的應用效果，選出較適合鹽源干海井使用的脫氣裝置，分析雜質來源并提出對脫氣裝置進行改進的建議，以期為其他類似條件的觀測點脫氣裝置設計改造提供一定的參考。

1 概況

干海井氣氡濃度觀測點位于四川省涼山州鹽源縣縣城以北約10 km 鹽井街道轄區，地處川滇菱形塊體內（圖1）。井下38.0—55.7 m砂巖層為主要含水層，所在地被第四系（Q）沖、洪積物覆蓋，下伏地層為三疊系白山組（T2b），巖性為灰巖、泥灰巖。區域內主要發育有麗江—小金河斷裂、鹽源—棉埡斷裂、甲米斷裂、寧蒗斷裂。其中，麗江—小金河斷裂為主要斷裂，全長360 km，以NE—SW 走向貫穿該區域，是在龍門山—錦屏山—玉龍雪山中新生代推覆構造帶西南段基礎上形成的一條活動斷裂帶（向宏發等，2002；鄧起東等，2002），從全新世至今一直具有較強的活動性（徐錫偉等，2003；季靈運等，2015）。

圖1 干海井位置及區域構造分布Fig.1 Location and regional structure distribution diagram of ganhai Well

干海井為有人值守觀測井，1980 年9 月以來，每日采取水樣進行水氡濃度模擬觀測。2006 年4 月進行數字化改造，新增水位、水溫、氣氡及氣象三要素數字化測項，所有用電觀測設備均配備UPS 備用電源，停電時可自動切換至備用電源供電，其他基礎信息見表1。

2 水化學特征

地下水的化學組分和穩定同位素組成可用于判定其水化類型、水—巖平衡反應特征及其組分來源。如Piper 圖可用于判定地下水的類型、混合作用；氫氧穩定同位素濃度數據與大氣降水線之間的關系可用于研究地下水的運動過程；Na-K-Mg 三角圖可用于判定地下水的水—巖平衡狀態，進一步揭示含水層的深淺部補給關系和地下水系統的開放、封閉程度。2017 年4 月采取干海井井水樣品，進行化學組分和氫氧同位素分析（表2）。

表2 干海井水化學及氫氧同位素分析結果（據楊耀等，2019）Table 2 Results of chemical and hydrogen and oxygen isotope analysis of ganhai well (Yang et al，2019)

由表2 可見，干海井井水陰離子以HCO3-、Cl-為主，陽離子以 Na+為主，依據舒卡列夫分類法，干海井地下水水化類型為 HCO3·Cl-Na 類型［圖2（a）］。該區域內發育有巖溶漏斗、地下暗河等，表明有地下巖溶系統①綜合水文地質圖（鹽源幅G-47-6）.中國人民解放軍00 九三一部隊四中隊，1977.。分析認為，井水中Ca2+、HCO3-來源于地下水對巖溶系統灰巖的溶解。較高濃度的Na+、Cl-是由地下水流動過程中溶解鹽類形成的，SO42-來源于下伏地層鹽塘組（T2y）中透鏡狀石膏的溶解。

圖2 干海井水化學及氫氧同位素分析Fig.2 Chemical and hydroxide isotope analysis diagram of ganhai well

由圖2（b）可見，干海井氫氧同位素濃度位于中國西南地區大氣降水線（δD=7.54δ18O+4.84）下方附近；Na-K-Mg三角圖［圖2（c）］顯示，干海井落在靠近Mg端元部分平衡區域，表明干海井受循環相對較快、來源于大氣降水的淺層冷水補給，水—巖之間尚未達到離子平衡狀態，發生了部分平衡的水—巖反應使得干海井氫氧同位素濃度向下輕微偏離中國西南地區大氣降水線。

3 應用效果對比

3.1 脫氣裝置簡介

自吸式脫氣裝置［圖3（a）］適用于礦化度低、大流量冷水觀測井 (泉) 。該裝置利用水在管路中高速流動所產生的負壓，將水從脫氣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水流，由于有一定落差，會形成一個立軸渦體，渦體中心會產生負壓，吸入空氣形成摻氣水流，水流到達鼓泡室后，水中的空氣便從水中逸出，逸出時把水中溶解的氣體帶出（趙冬等，2018）。自吸式脫氣裝置直接與干海井出水口相連，氣氡濃度觀測數據的及時性較好，但存在內部易結垢、數據受井水流量影響較大的問題。

圖3 自吸式（a）、電動濺落式（b）脫氣裝置（據高小其等，2021）Fig.3 Self-priming (a) and electric splash (b) degassing device (Gao et al，2021)

電動濺落式脫氣裝置［圖3（b）］適用于高礦化度水點觀測。工作原理是通過高頻機械震蕩波注入液體，引發小范圍的高速流動及振動，液體中的溶解氣體在振動作用下形成空洞，這些空洞會相互吸引，形成小氣泡，小氣泡在負壓區形成、生長，最終從液體中排出。該裝置可通過超聲震蕩形成濺落、超聲雙重脫氣提高水中逸出氣的氣量，裝置工作時超聲也同時清潔裝置內部，以防止沾黏造成裝置內部結垢堵塞，延長維護周期。觀測中發現，電動濺落式脫氣裝置較好地解決了脫氣裝置內部結垢問題，且有較高的脫氣效率，正常觀測期間氣氡濃度均值為46.83 Bq·L-1，在3 種脫氣裝置中最高。但由于進水口的轉彎處極易發生堵塞，進行維護時須中斷觀測、拆卸脫氣裝置進行內部疏通清洗，拆卸安裝工作較復雜，對正常觀測影響較大。

干海井現用電動鼓泡式脫氣裝置，適用于高礦化度、大流量觀測井觀測，由脫集氣裝置和恒流箱2 部分組成（圖4）。工作時電動氣泵將空氣鼓入至水面以下，空氣在恒流箱中與井水接觸攜帶出溶解氣，經半面式集氣罩收集進入測氡儀完成觀測。電動鼓泡式脫氣裝置氣泵流量大小可以調節，鼓氣情況易于觀察，在恒流箱內完成脫氣，結構簡單易于維護，能在脫氣裝置保持密閉狀態下完成對鼓氣口的簡單清洗，對正常觀測影響較小，但由于鼓氣口易被雜質附著而引起氣路流量改變，因此需要工作人員頻繁維護清洗（2021 年清洗維護37 次）。

圖4 電動鼓泡式脫氣裝置Fig.4 Figure of electric bubble degassing device

3.2 數據質量分析

自吸式脫氣裝置干擾較多（圖5），數據臺階、突跳頻繁，變化幅度較大；電動濺落式脫氣裝置干擾相對較少，但整體變化幅度仍然較大，沒有觀測到明顯的氣氡濃度年變形態；電動鼓泡式脫氣裝置干擾最少，氣氡濃度整體變化幅度最小，在使用該脫氣裝置進行觀測的2 年時間內，氣氡濃度大致呈現夏高冬低的特征，與水氡觀測年變特征基本一致。分析認為使用電動鼓泡式脫氣裝置觀測質量較高。

標準差、變異系數是衡量數據離散程度的常用指標。標準差越大表示該組數據越偏離平均值；變異系數沒有量綱，可用于單位不同、平均數不同的2 組或多組數據離散程度的比較，數值越大表示數據離散程度越高。表3 為不同脫氣裝置在對應時間段內的氣氡濃度標準差、變異系數。由表3 可見，分析時間段內數據穩定性排序為電動鼓泡式＞電動濺落式＞自吸式。

表4 為不同脫氣裝置產生故障的次數、故障影響時間等。由表4 可見，電動鼓泡式脫氣裝置故障時間占比、中斷觀測時間占比均較小，反映出電動鼓泡式脫氣裝置抗干擾能力較強，工作可靠性較優。

表4 脫氣裝置故障統計Table 4 Statistical table of degassing device

4 故障分析及改進建議

脫氣裝置故障在氣氡濃度觀測波形上［圖6（a）、6（b）］表現為突跳、下降形態特征，恒流箱排水口堵塞也會影響到水位數據［圖6（c）、6（d）］。干海井使用過的幾種脫氣裝置均因氣路、水路問題產生過故障，目前，還未發現能適用干海井長期觀測的脫氣裝置。從觀測數據來看，自吸式脫氣裝置存在穩定性差、干擾頻發的問題；電動濺落式脫氣裝置脫氣效率高，但存在故障停測時間占比大、維護困難的問題；電動鼓泡式穩定性好，易維護，故障時間占比、中斷觀測時間占比均較小，但存在清洗維護頻繁，影響正常觀測數據的問題。

圖6 2021 年 脫氣裝置出現典型故障時氣氡濃度、水位觀測曲線Fig.6 Typical fault observation curve in 2021

產生這些問題的根本原因：①井水雜質粘黏性強，井水雜質含量太多。雜質附著或堵塞在脫氣裝置鼓氣口，造成進出口流量改變［圖7（b）］。②雜質附著在整個觀測系統內壁［圖7（a）］、恒流箱底部排水口附近等［圖7（c）］，對水位、氣氡濃度等測項產生長期干擾。分析認為，雜質有以下可能來源：①下伏地層白山組（T2b）泥灰巖中的粘土礦物被流動的井水帶出；②2021 年工作人員每周測試了1 次干海井井水總溶解固體，52 次測試平均值為442 mg/L，井水礦化度較高，原處在深部還原環境中的井水流出地表后遇空氣，井水部分組分被氧化，產生了粘黏性極強的雜質；③干海井觀測環境濕度較大，內部井壁極易氧化脫落，在流動井水的長期作用下形成顆粒極細的淺灰色雜質，當補給流量突然增大或人為擾動干海井時，井水中雜質含量會突然增加，引起嚴重故障。

圖7 干海井觀測故障（a）恒流箱中的懸浮雜質；（b）鼓氣口被雜質堵塞；（c）灰色沉渣堵塞底部排水口Fig.7 Observation fault diagram of ganhai well

自然脫氣式、電動濺落式、電動鼓泡式脫氣裝置適用于不同流量、礦化度的井（泉）氣氡濃度觀測，但干海井雜質量多且來源復雜，雜質問題難以通過現有脫氣裝置徹底解決，因此設計一套維護簡單且能在干海井大量雜質環境中長期穩定觀測的脫氣裝置尤為必要?；谝陨闲枨?，在現用電動鼓泡式脫氣裝置的基礎上增加2 項改進措施（圖8）：①將恒流箱底部變更為漏斗型，內壁選用抗污能力強的表面材料，使清理工作更加容易，雜質更易自然排出；②增設1 條氣路作為備用，各組成部分采用橡膠管靈活套接，在不排空恒流箱、不破壞整個脫氣裝置密閉性的狀態下即可完成拆卸更換，主用—備用氣路可根據需要隨時相互切換，以避免單一鼓氣口長時間工作產生堵塞。

圖8 干海井電動鼓泡式脫氣裝置改進建議示意圖Fig.8 Ganhai well electric bubble type degassing device improvement suggestions

5 結論與建議

5.1 結論

（1）干海井井水類型為HCO3·Cl-Na，井水受大氣降水補給，水—巖反應仍在進行，未達到平衡狀態。

（2）對比幾種已在鹽源干海井使用的脫氣裝置發現，使用電動鼓泡式脫氣裝置，氣氡濃度數據穩定性較高，抗干擾能力較強，電動鼓泡式脫氣裝置在3 種脫氣裝置中應用效果最優。

5.2 建議

（1）2022 年更換水溫探頭時對干海井內部造成了擾動，恒流箱中出現大量雜質，表明干海井內部井壁、井底已被大量存量雜質粘黏或沉淀，建議徹底清洗干海井，減少因雜質產生的問題。

（2）恒流箱中井水更新速度過慢會影響觀測氣氡濃度數據的及時性，建議繼續探索更加適合觀測的恒流箱體積，以加快存水的更新速度。

（3）恒流箱開放性設置會使井水中的部分溶解氡自然逸出，使氣氡濃度觀測數據小于實際數據，進而弱化了氣氡濃度觀測數據的映震能力，建議在滿足維護操作空間要求的前提下縮減恒流箱水體與空氣間的接觸表面積。

（4）基于電動鼓泡式脫氣裝置的改進建議，適用于高礦化度、井水中含大量雜質的觀測井，四川省內江油川10 井、德陽川08 井、浦江川11 井、南溪川12 井、鹽源干海機井礦化度較高，在新增或改造脫氣裝置時可考慮采用本文提出的改進建議。