鹽源干海井脫氣裝置應(yīng)用效果對(duì)比及改進(jìn)建議

蔣 川 楊志鵬 趙 晶 文 朗

（中國(guó)四川 615022 四川省地震局西昌地震監(jiān)測(cè)中心站）

0 引言

在地震孕育與發(fā)生過(guò)程中，巖石應(yīng)力與熱力狀態(tài)的變化及深部物質(zhì)運(yùn)移可能會(huì)導(dǎo)致巖石氡射氣系數(shù)改變、氡溶解度變化（中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司，2020）。使用數(shù)字化測(cè)氡儀可觀測(cè)水中溶解氡濃度的變化，長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)中可能發(fā)現(xiàn)溶解氡濃度變化可能攜帶的地震異常信息。目前，利用數(shù)字化測(cè)氡儀已實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)觀測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，但與之配套的脫氣裝置的研制和應(yīng)用則相對(duì)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(wú)法使用統(tǒng)一的普適技術(shù)來(lái)達(dá)到最優(yōu)的脫氣—集氣效能（高小其等，2021）。

脫氣裝置作為氣氡濃度觀測(cè)最核心的前端處理設(shè)備，其功能是使水中氣體脫離水體，再通過(guò)引氣管將分離出的氣體引入測(cè)氡儀完成分析。脫氣裝置與觀測(cè)井（泉）的適配性、脫氣裝置長(zhǎng)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(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。傳統(tǒng)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(tái)站工作人員因地制宜根據(jù)井（泉）的特點(diǎn)在傳統(tǒng)脫氣裝置基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行了設(shè)計(jì)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(cè)資料多次在各級(jí)質(zhì)量評(píng)比中獲獎(jiǎng)（四川省地震局，2004），且曾在地震前出現(xiàn)異常（湯秀山等，1987；江在雄等，2000），具有較好的觀測(cè)質(zhì)量和靈敏的地震前兆響應(yīng)。但目前各種干擾對(duì)干海井各測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)的影響日益明顯，尤其是干海井中大量懸浮狀的固體雜質(zhì)對(duì)氣氡濃度的影響較大，氣氡濃度數(shù)據(jù)時(shí)常因此產(chǎn)生臺(tái)階和突跳，嚴(yán)重時(shí)氣路完全堵塞還會(huì)引起觀測(cè)數(shù)據(jù)中斷。本文從氣氡濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性及干擾、故障的統(tǒng)計(jì)特征等方面，對(duì)比3 種不同類型脫氣裝置在鹽源干海井的應(yīng)用效果，選出較適合鹽源干海井使用的脫氣裝置，分析雜質(zhì)來(lái)源并提出對(duì)脫氣裝置進(jìn)行改進(jìn)的建議，以期為其他類似條件的觀測(cè)點(diǎn)脫氣裝置設(shè)計(jì)改造提供一定的參考。

1 概況

干海井氣氡濃度觀測(cè)點(diǎn)位于四川省涼山州鹽源縣縣城以北約10 km 鹽井街道轄區(qū)，地處川滇菱形塊體內(nèi)（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?guī)r、泥灰?guī)r。區(qū)域內(nèi)主要發(fā)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(zhǎng)360 km，以NE—SW 走向貫穿該區(qū)域，是在龍門(mén)山—錦屏山—玉龍雪山中新生代推覆構(gòu)造帶西南段基礎(chǔ)上形成的一條活動(dòng)斷裂帶（向宏發(fā)等，2002；鄧起東等，2002），從全新世至今一直具有較強(qiáng)的活動(dòng)性（徐錫偉等，2003；季靈運(yùn)等，2015）。

圖1 干海井位置及區(qū)域構(gòu)造分布Fig.1 Location and regional structure distribution diagram of ganhai Well

干海井為有人值守觀測(cè)井，1980 年9 月以來(lái)，每日采取水樣進(jìn)行水氡濃度模擬觀測(cè)。2006 年4 月進(jìn)行數(shù)字化改造，新增水位、水溫、氣氡及氣象三要素?cái)?shù)字化測(cè)項(xiàng)，所有用電觀測(cè)設(shè)備均配備UPS 備用電源，停電時(shí)可自動(dòng)切換至備用電源供電，其他基礎(chǔ)信息見(jiàn)表1。

2 水化學(xué)特征

地下水的化學(xué)組分和穩(wěn)定同位素組成可用于判定其水化類型、水—巖平衡反應(yīng)特征及其組分來(lái)源。如Piper 圖可用于判定地下水的類型、混合作用；氫氧穩(wěn)定同位素濃度數(shù)據(jù)與大氣降水線之間的關(guān)系可用于研究地下水的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；Na-K-Mg 三角圖可用于判定地下水的水—巖平衡狀態(tài)，進(jìn)一步揭示含水層的深淺部補(bǔ)給關(guān)系和地下水系統(tǒng)的開(kāi)放、封閉程度。2017 年4 月采取干海井井水樣品，進(jìn)行化學(xué)組分和氫氧同位素分析（表2）。

表2 干海井水化學(xué)及氫氧同位素分析結(jié)果（據(jù)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(jiàn)，干海井井水陰離子以HCO3-、Cl-為主，陽(yáng)離子以 Na+為主，依據(jù)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(qū)域內(nèi)發(fā)育有巖溶漏斗、地下暗河等，表明有地下巖溶系統(tǒng)①綜合水文地質(zhì)圖（鹽源幅G-47-6）.中國(guó)人民解放軍00 九三一部隊(duì)四中隊(duì)，1977.。分析認(rèn)為，井水中Ca2+、HCO3-來(lái)源于地下水對(duì)巖溶系統(tǒng)灰?guī)r的溶解。較高濃度的Na+、Cl-是由地下水流動(dòng)過(guò)程中溶解鹽類形成的，SO42-來(lái)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(xué)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(jiàn)，干海井氫氧同位素濃度位于中國(guó)西南地區(qū)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(qū)域，表明干海井受循環(huán)相對(duì)較快、來(lái)源于大氣降水的淺層冷水補(bǔ)給，水—巖之間尚未達(dá)到離子平衡狀態(tài)，發(fā)生了部分平衡的水—巖反應(yīng)使得干海井氫氧同位素濃度向下輕微偏離中國(guó)西南地區(qū)大氣降水線。

3 應(yīng)用效果對(duì)比

3.1 脫氣裝置簡(jiǎn)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(cè)井 (泉) 。該裝置利用水在管路中高速流動(dòng)所產(chǎn)生的負(fù)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(nèi)形成無(wú)壓管路水流，由于有一定落差，會(huì)形成一個(gè)立軸渦體，渦體中心會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，吸入空氣形成摻氣水流，水流到達(dá)鼓泡室后，水中的空氣便從水中逸出，逸出時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)性較好，但存在內(nèi)部易結(jié)垢、數(shù)據(jù)受井水流量影響較大的問(wèn)題。

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

電動(dòng)濺落式脫氣裝置［圖3（b）］適用于高礦化度水點(diǎn)觀測(cè)。工作原理是通過(guò)高頻機(jī)械震蕩波注入液體，引發(fā)小范圍的高速流動(dòng)及振動(dòng)，液體中的溶解氣體在振動(dòng)作用下形成空洞，這些空洞會(huì)相互吸引，形成小氣泡，小氣泡在負(fù)壓區(qū)形成、生長(zhǎng)，最終從液體中排出。該裝置可通過(guò)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(shí)超聲也同時(shí)清潔裝置內(nèi)部，以防止沾黏造成裝置內(nèi)部結(jié)垢堵塞，延長(zhǎng)維護(hù)周期。觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)，電動(dòng)濺落式脫氣裝置較好地解決了脫氣裝置內(nèi)部結(jié)垢問(wèn)題，且有較高的脫氣效率，正常觀測(cè)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(jìn)水口的轉(zhuǎn)彎處極易發(fā)生堵塞，進(jìn)行維護(hù)時(shí)須中斷觀測(cè)、拆卸脫氣裝置進(jìn)行內(nèi)部疏通清洗，拆卸安裝工作較復(fù)雜，對(duì)正常觀測(cè)影響較大。

干海井現(xiàn)用電動(dòng)鼓泡式脫氣裝置，適用于高礦化度、大流量觀測(cè)井觀測(cè)，由脫集氣裝置和恒流箱2 部分組成（圖4）。工作時(shí)電動(dòng)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(jīng)半面式集氣罩收集進(jìn)入測(cè)氡儀完成觀測(cè)。電動(dòng)鼓泡式脫氣裝置氣泵流量大小可以調(diào)節(jié)，鼓氣情況易于觀察，在恒流箱內(nèi)完成脫氣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于維護(hù)，能在脫氣裝置保持密閉狀態(tài)下完成對(duì)鼓氣口的簡(jiǎn)單清洗，對(duì)正常觀測(cè)影響較小，但由于鼓氣口易被雜質(zhì)附著而引起氣路流量改變，因此需要工作人員頻繁維護(hù)清洗（2021 年清洗維護(hù)37 次）。

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

3.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

自吸式脫氣裝置干擾較多（圖5），數(shù)據(jù)臺(tái)階、突跳頻繁，變化幅度較大；電動(dòng)濺落式脫氣裝置干擾相對(duì)較少，但整體變化幅度仍然較大，沒(méi)有觀測(cè)到明顯的氣氡濃度年變形態(tài)；電動(dòng)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(jìn)行觀測(cè)的2 年時(shí)間內(nèi)，氣氡濃度大致呈現(xiàn)夏高冬低的特征，與水氡觀測(cè)年變特征基本一致。分析認(rèn)為使用電動(dòng)鼓泡式脫氣裝置觀測(cè)質(zhì)量較高。

標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)是衡量數(shù)據(jù)離散程度的常用指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)差越大表示該組數(shù)據(jù)越偏離平均值；變異系數(shù)沒(méi)有量綱，可用于單位不同、平均數(shù)不同的2 組或多組數(shù)據(jù)離散程度的比較，數(shù)值越大表示數(shù)據(jù)離散程度越高。表3 為不同脫氣裝置在對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的氣氡濃度標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)。由表3 可見(jiàn)，分析時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性排序?yàn)殡妱?dòng)鼓泡式＞電動(dòng)濺落式＞自吸式。

表4 為不同脫氣裝置產(chǎn)生故障的次數(shù)、故障影響時(shí)間等。由表4 可見(jiàn)，電動(dòng)鼓泡式脫氣裝置故障時(shí)間占比、中斷觀測(cè)時(shí)間占比均較小，反映出電動(dòng)鼓泡式脫氣裝置抗干擾能力較強(qiáng)，工作可靠性較優(yōu)。

表4 脫氣裝置故障統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical table of degassing device

4 故障分析及改進(jìn)建議

脫氣裝置故障在氣氡濃度觀測(cè)波形上［圖6（a）、6（b）］表現(xiàn)為突跳、下降形態(tài)特征，恒流箱排水口堵塞也會(huì)影響到水位數(shù)據(jù)［圖6（c）、6（d）］。干海井使用過(guò)的幾種脫氣裝置均因氣路、水路問(wèn)題產(chǎn)生過(guò)故障，目前，還未發(fā)現(xiàn)能適用干海井長(zhǎng)期觀測(cè)的脫氣裝置。從觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，自吸式脫氣裝置存在穩(wěn)定性差、干擾頻發(fā)的問(wèn)題；電動(dòng)濺落式脫氣裝置脫氣效率高，但存在故障停測(cè)時(shí)間占比大、維護(hù)困難的問(wèn)題；電動(dòng)鼓泡式穩(wěn)定性好，易維護(hù)，故障時(shí)間占比、中斷觀測(cè)時(shí)間占比均較小，但存在清洗維護(hù)頻繁，影響正常觀測(cè)數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

圖6 2021 年 脫氣裝置出現(xiàn)典型故障時(shí)氣氡濃度、水位觀測(cè)曲線Fig.6 Typical fault observation curve in 2021

產(chǎn)生這些問(wèn)題的根本原因：①井水雜質(zhì)粘黏性強(qiáng)，井水雜質(zhì)含量太多。雜質(zhì)附著或堵塞在脫氣裝置鼓氣口，造成進(jìn)出口流量改變［圖7（b）］。②雜質(zhì)附著在整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)內(nèi)壁［圖7（a）］、恒流箱底部排水口附近等［圖7（c）］，對(duì)水位、氣氡濃度等測(cè)項(xiàng)產(chǎn)生長(zhǎng)期干擾。分析認(rèn)為，雜質(zhì)有以下可能來(lái)源：①下伏地層白山組（T2b）泥灰?guī)r中的粘土礦物被流動(dòng)的井水帶出；②2021 年工作人員每周測(cè)試了1 次干海井井水總?cè)芙夤腆w，52 次測(cè)試平均值為442 mg/L，井水礦化度較高，原處在深部還原環(huán)境中的井水流出地表后遇空氣，井水部分組分被氧化，產(chǎn)生了粘黏性極強(qiáng)的雜質(zhì)；③干海井觀測(cè)環(huán)境濕度較大，內(nèi)部井壁極易氧化脫落，在流動(dòng)井水的長(zhǎng)期作用下形成顆粒極細(xì)的淺灰色雜質(zhì)，當(dāng)補(bǔ)給流量突然增大或人為擾動(dòng)干海井時(shí)，井水中雜質(zhì)含量會(huì)突然增加，引起嚴(yán)重故障。

圖7 干海井觀測(cè)故障（a）恒流箱中的懸浮雜質(zhì)；（b）鼓氣口被雜質(zhì)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(dòng)濺落式、電動(dòng)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(cè)，但干海井雜質(zhì)量多且來(lái)源復(fù)雜，雜質(zhì)問(wèn)題難以通過(guò)現(xiàn)有脫氣裝置徹底解決，因此設(shè)計(jì)一套維護(hù)簡(jiǎn)單且能在干海井大量雜質(zhì)環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定觀測(cè)的脫氣裝置尤為必要?；谝陨闲枨?，在現(xiàn)用電動(dòng)鼓泡式脫氣裝置的基礎(chǔ)上增加2 項(xiàng)改進(jìn)措施（圖8）：①將恒流箱底部變更為漏斗型，內(nèi)壁選用抗污能力強(qiáng)的表面材料，使清理工作更加容易，雜質(zhì)更易自然排出；②增設(shè)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(gè)脫氣裝置密閉性的狀態(tài)下即可完成拆卸更換，主用—備用氣路可根據(jù)需要隨時(shí)相互切換，以避免單一鼓氣口長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生堵塞。

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

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）干海井井水類型為HCO3·Cl-Na，井水受大氣降水補(bǔ)給，水—巖反應(yīng)仍在進(jìn)行，未達(dá)到平衡狀態(tài)。

（2）對(duì)比幾種已在鹽源干海井使用的脫氣裝置發(fā)現(xiàn)，使用電動(dòng)鼓泡式脫氣裝置，氣氡濃度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較高，抗干擾能力較強(qiáng)，電動(dòng)鼓泡式脫氣裝置在3 種脫氣裝置中應(yīng)用效果最優(yōu)。

5.2 建議

（1）2022 年更換水溫探頭時(shí)對(duì)干海井內(nèi)部造成了擾動(dòng)，恒流箱中出現(xiàn)大量雜質(zhì)，表明干海井內(nèi)部井壁、井底已被大量存量雜質(zhì)粘黏或沉淀，建議徹底清洗干海井，減少因雜質(zhì)產(chǎn)生的問(wèn)題。

（2）恒流箱中井水更新速度過(guò)慢會(huì)影響觀測(cè)氣氡濃度數(shù)據(jù)的及時(shí)性，建議繼續(xù)探索更加適合觀測(cè)的恒流箱體積，以加快存水的更新速度。

（3）恒流箱開(kāi)放性設(shè)置會(huì)使井水中的部分溶解氡自然逸出，使氣氡濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)小于實(shí)際數(shù)據(jù)，進(jìn)而弱化了氣氡濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)的映震能力，建議在滿足維護(hù)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(dòng)鼓泡式脫氣裝置的改進(jìn)建議，適用于高礦化度、井水中含大量雜質(zhì)的觀測(cè)井，四川省內(nèi)江油川10 井、德陽(yáng)川08 井、浦江川11 井、南溪川12 井、鹽源干海機(jī)井礦化度較高，在新增或改造脫氣裝置時(shí)可考慮采用本文提出的改進(jìn)建議。