小流量、低水頭觀測泉脫-集氣裝置改造實驗研究
——以延慶松山泉氣氡為例

高玲 周永剛 呂毅夫 喬永軍

1)北京市地震局，北京 100080 2)延慶區地震局，北京 102100

0 引言

“九五”“十五”期間，中國地震局監測預報司對全國地震水化學泉、井進行數字化改造，主要開展了對氣氡等測項的觀測。其中脫-集氣裝置是數字化水化學觀測系統中不可或缺的關鍵技術環節，其基本原理是將泉、井水引用固定容積的脫-集氣裝置，將其逸出氣體或溶解氣體以定量的方式脫析收集起來并傳入傳感器，通過數據采集系統及轉換信號識別出化學量(劉耀煒，2006；中國地震局監測預報司，2007)。

一般來說，無論采用什么樣的脫氣裝置，其根本目的是將液相氣體盡可能地脫析出來，并能真實地反映單位氣體濃度變化。因此脫-集氣裝置關系到產出數據的穩定性和可靠性。目前全國水化泉、井使用的脫-集氣裝置主要為常規滴濺式脫-集氣裝置，其基本原理是利用水位落差，產生勢能，使其能夠脫析出氣體。但是從觀測效果看，其未達到脫氣要求，主要表現為該脫-集氣裝置系統穩定性差，難以獲得對背景基線值實際動態變化的認知(夏偉奔等，2013)。特別是對低水頭、小流量泉而言，氣體脫析率低，對觀測泉脫-集氣裝置觀測要求更高。

有關水化學脫-集氣裝置的研究已有報道(陳華靜等，2002；孔令昌等，2011；李志鵬等，2013；褚金學等，2015；李慧峰等，2019)，但是其中適用于低流量、小水頭泉脫-集氣裝置方面鮮有研究。本研究以北京延慶松山泉氣氡觀測為例，針對該泉流量小、水頭低的特點，結合臺站觀測條件，利用流體濺落式氣體脫析方法，對現有脫-集氣裝置進行更新改造與實驗觀測，重點對裝置系統流量容器、泄流系統進行了改進，恒定流量參數，以期達到解決脫-集氣裝置脫氣率不穩定的問題，并為全國低流量、小水頭化學泉氡等測項數字化觀測脫-集氣裝置的改造提供范例。

1 延慶松山泉基本情況

松山泉位于北京市延慶縣西北張山營鎮松山國家級自然保護區內的大海坨山溝谷，海拔高度800m。構造上位于延懷盆地北緣，大海坨壙子廟-胡家營斷裂帶上(徐錫偉等，2002)。該斷裂帶長l0余千米，其中松山泉出露于大海坨山花崗巖體(圖1)。該巖體裂隙發育，地下水深循環通道良好(吳璐蘋等，1996)。松山泉歷史悠久，目前水溫37℃，流量0.07L/s。研究顯示，利用相關地球化學溫標等方法(汪集旸，1993)計算得到松山泉地下熱儲循環深度為1.77km左右，溫度為112℃左右。松山泉為典型的高溫熱水循環系統，其熱水連續不斷地逸出，為深部信息的識別提供了條件(高玲等，2015)。

圖1 延慶松山泉觀測點示意

松山泉水化學離子測試顯示，該泉近年來水化學性質穩定，人為影響因素不明顯(表1)。Rn是一種不與任何元素發生化學反應的惰性氣體，半衰期為3.82d。松山泉水氡背景值為30Bq/L左右(表1)，研究顯示該泉具備開展Rn等化學測項觀測的良好條件(任宏微等，2010；高玲等，2015)。

表1 水化學分析結果

松山泉自開展水化學觀測以來，積累了大量資料，至2020年的觀測結果顯示，其氣體化學觀測可能具有前兆響應能力，如圖2 所示(楊明波等，2001)。

圖2 北京延慶松山泉水汞1997—2000年觀測地震響應震中分布

2 延慶松山泉氣氡測項觀測現狀與影響因素

延慶松山泉氣氡觀測始于1986年9月，2000年后先后經歷了數字化及升級改造。目前的數字化觀測結果顯示，該儀器觀測狀態極不穩定，觀測效果較差。主要表現為其年動態背景觀測基線極值變化差異過大，經常表現為在高值運行一段時間后，突然出現斷崖式下降，偶爾出現斷崖式上升；或者表現為高頻振蕩式曲線變化，導致其多年動態變化規律無法識別。以2010年觀測曲線為例(圖3)，2010年6月8日對觀測儀器進行標定后，依據標定結果，重新設置了參數，并對水路脫氣裝置進行了檢查。結果顯示，氣氡觀測值平均達到200Bq/L左右，在平穩運行3個月之后，觀測值突然從200Bq/L左右降至4Bq/L左右(圖3)，說明不穩定的氣量是脫氣率驟變的主因。其中，2010年10月29日觀測基線值突然出現急速上升，持續10多個小時之后，又急速下降，依次往復，最大值與最小值相差325Bq/L左右，這可能與脫-集氣裝置水流排速不均勻有關。當脫氣裝置流體容積過量，流體壓力大于大氣壓時，裝置內流體快速排出，并再次蓄積，當裝置內流體壓力超過臨界值時，流體又迅速排出，依次往復。上述變化使得脫-集裝置流體脫氣率隨著流量的變化而變化，動態曲線表現為高頻式振蕩，如圖3 所示。

圖3 延慶松山泉氣氡2010年動態曲線

需要指出的是，2015年5月26日至6月30日對原有水路進行了改造，更換了泉引水管和與脫氣裝置相連的各類接頭，2015年7月1日開始恢復正常觀測，基線值達到90Bq/L左右，但從7月13開始基線值突然降至1Bq/L左右，之后出現短暫間歇性小幅上升，大部分時段低于5Bq/L左右，如圖4 所示?，F場檢查儀器，主機系統正常，周圍觀測環境無明顯變化。其基線動態變化曲線進一步反映了脫-集氣裝置系統不穩定是造成觀測值忽高忽低的主因。

圖4 延慶松山泉氣氡2015年動態曲線

3 延慶松山泉氣氡觀測脫-集氣裝置改造與實驗觀測

3.1 松山泉氣氡觀測脫-集氣裝置系統不穩定成因與改進思路

如圖3、圖4 所示，松山泉脫-集氣裝置與觀測泉條件不匹配是影響氣氡觀測的主要因素。這一方面是由于現有的脫-集氣裝置流量容器未對流量進行有效的約束，進而影響了氣量的穩定集??；另一方面還與松山泉類型有關。松山泉流量小，其溶解氣體脫析率低，抗干擾性低，易造成氣量的脫失，且松山泉水頭低，易造成該泉脫-集氣裝置內部流量的迅速改變，從而影響脫析氣量。因此，對小流量、低水頭化學泉而言，保證流量線性穩定是進行脫-集氣裝置改造的首要考慮因素。

3.2 松山泉氣氡觀測脫-集氣裝置改造實施

采用流體濺落式氣體脫析方法，利用容量恒定原理，選取厚度≥0.3cm不銹鋼板材，制作了脫-集氣裝置，如圖5 所示。其中固定容積脫-集氣倉A部分被固定置于相對密閉的容器B中，基于容器B內流量線性穩定，將該套裝置置于更大體積的容器C中。當泉水流量出現驟然增加時，如果B容器流量滿溢，泉水就會流入C容器，當超過固定容量，泉水就會迅速排出，從而使得該脫-集氣裝置流量始終處于線性平衡狀態。

圖5 延慶松山泉氣氡恒流式脫-集氣裝置示意

2016年4月13日安裝了新制作的恒流濺散式脫-集氣裝置，觀測原理如圖5 所示；并開始進行連續實驗觀測，觀測結果如圖6 所示。其背景值由1Bq/L左右上升至35Bq/L左右。2016年6月10日至8月23日，由于夏季降雨效應影響(圖7)，該裝置出現水流溢出現象，排水不暢，并多次出現較大幅度高頻振蕩曲線，雨季過后，恢復原有狀態(圖7)。針對第一次改造實驗觀測中出現的極端流量溢水問題，判定為系泄流量限幅所致。因此我們對B、C容器泄流口參數重新進行了設定與改進，擴容了相應參數(圖5)。2018年5月15日安裝恒流濺散式脫-集氣裝置并開始連續觀測(圖8)，集氣倉脫氣量保持在0.45ml/m左右。2次改造脫-集氣裝置原理相同。其觀測效果較改造前穩定性明顯增強。

圖6 延慶松山泉氣氡2016—2017年動態曲線

圖7 北京市延慶區2016年1—12月降雨量

圖8 延慶松山泉氣氡2018年動態曲線

4 改造后觀測結果與討論

2016年4月13日制作安裝了恒流濺散式脫-集氣裝置，并進行了連續觀測。如圖7 所示，改造前后觀測結果對比顯示，基線背景值由1Bq/L左右升高至30Bq/L左右。持續運行近2個月，觀測期間從2016年5月12日至17日出現明顯的持續降低，之后又升高至42Bq/L左右。從2016年6月10日開始至8月25日觀測數據出現連續的高頻振蕩，持續近2個月。最高值與最低值相差近48Bq/L左右?，F場調查顯示，該泉脫-集氣裝置觀測室地面出現溢水，需人工排水，之后恢復至正常背景值40Bq/L左右。判斷認為，該階段高強度持續降雨導致水流量增加，引起裝置系統內部排水口流速產生壓力差，且C容器排水流速低于B容器排水流速，引起觀測值出現高頻振蕩。之后恢復正常背景值。第一次改造連續觀測期間，產出數據較完整。2017年觀測數據顯示(圖7)，氣氡變化基本具有季節效應，總體上表現出冬底夏高特征。冬季時段，觀測值平均為30Bq/L左右。夏季觀測值波動明顯較冬季頻繁。觀測值最高為184Bq/L，最低為10Bq/L，大部分時段為42Bq/L左右。上述變化推測可能是由于夏季溫度升高，土壤松動，壓力降低，地殼氡沿裂隙迅速上升并強烈釋放的響應。該觀測結果顯示松山泉脫-集氣裝置系統在流量范圍內，其氣量變化能夠反映地下通道氣流量的單位濃度變化。同時也說明，該脫-集氣裝置在應對極端環境變化時，有可能出現脫-集氣裝置流量限幅現象。例如2017年3月24日至4月6日觀測基線出現短暫明顯的凹型階變，即與此有關。氣氡觀測值降低至0.9Bq/L左右，持續12天，之后恢復正常背景值。由于該觀測時間段內受春夏季節交替影響，氣溫快速回升，覆蓋在山體的冰雪含水層加速融化，流入地下水循環系統，使得地下水流量驟然增加，上述變化引起脫-集氣裝置內水流量急劇增加，排水流速降低，導致該裝置脫氣率降低。

對發現的技術問題進行改進后，2018年5月15日制作安裝了改進后的恒流濺散式脫-集氣裝置系統并開始進行連續觀測(圖5、圖8)。改進前后觀測結果顯示，降雨等引起脫氣干擾現象未顯現，數據產出完整。如圖8 所示，2018年觀測曲線動態變化特征與2017年相類似，呈冬高夏低特征變化。觀測值波動范圍平均保持在20～80Bq/L之間。受季節效應影響，夏季氡釋放量增強，波動頻繁，波動頻率較2017年有所降低。2018年度觀測數據顯示，總體上該氣氡基線背景值變化穩定，平均為50Bq/L左右，達10個月以上。需要特別指出的是，2018年8月8日至8月18日觀測值出現明顯的凸型階變，最高值達到113Bq/L，最低值為24Bq/L，平均為103Bq/L左右，異常高值持續10天，之后恢復至正常背景值55Bq/L左右。同樣的變化出現在10月9日至11月21日，其凸型階變幅度較前次明顯增強。觀測值最高達到186Bq/L，最低值11Bq/L，平均變化幅度111Bq/L左右，持續41天，之后恢復正常背景值60Bq/L左右。上述高值持續近2個月，之后全部恢復至正?；€值?，F場調查顯示，儀器觀測系統運行正常，脫-集氣裝置水流速正常。上述時段背景值異常升高持續多日后又恢復至正常背景值，其背景基線高值變化反映了單位氣量濃度變化。由于觀測系統運行正常，受環境干擾不明顯，未找到上述氣氡高值變化原因，暫且將其判定為疑似真正的氣氡濃度升高。同時由于該泉數字化記錄可靠資料有限，還需要持續的資料積累與進一步的驗證。

5 認識與結論

改造前后觀測背景值結果顯示，改造后該脫-集氣裝置水量、氣量和流量線性穩定，觀測背景值穩定性明顯增強，能夠反映氣量單位濃度變化，觀測質量較改造前明顯提高，保證了產出數據的可靠性。在脫-集氣裝置改造過程中，也獲得了如下認識：

(1)低水頭、小流量泉，顧名思義，即水流量小，水位低，氣體含量低。開展該類型泉化學觀測應當符合流體化學泉監測規范。該類型泉具有前兆響應效能和地震監測意義，值得開展水化觀測。松山泉位于延懷盆地，泉水自斷層裂隙流出，同時該區域無工業、農業設施開發，總體上，觀測環境較理想，具有開展化學測項觀測的條件。

(2)針對小流量、低水頭泉開展數字化觀測，依據筆者的觀測經驗，應當以保持觀測系統穩定性為首要關鍵環節，其次是觀測精度，即首先要保證脫-集氣裝置脫氣率的穩定，然后是脫氣強度。由于小流量泉氣體含量低，任何氣量的細微變化，都可能導致觀測值出現1到幾個數量級的變化，影響背景值穩定性。如果面面俱到，既保持強脫氣率，又保持脫氣率穩定，易使得產出觀測數據曲線不穩定，觀測質量未得到真正提高。前文所述松山泉改造前的氣氡觀測量變化即與此有關。本次改造根據該類型泉的特點，制作了恒流濺散式脫-集氣裝置，通過流速的控制，使得脫氣率呈線性穩定的狀態。其觀測精度以高于背景噪聲為基本要求，該項要求一方面與氡的化學性質有關，另一方面與容量平衡有關。地殼活動活躍時，地下深部氡源源不斷向上遷移，釋放入流體，隨著溶解氡含量的增加，當超過集-脫氣容積壓力，就會有大量溶解氡釋放出來，以保持平衡，相應的觀測值會出現變化。所采用的脫-集氣裝置在穩定運行狀態下，以能夠反映這一變化即單位氣量濃度變化為基本要求。

(3)研究通過利用恒流濺散式氣體脫析方法開展了松山小流量、低水頭化學泉氣氡脫-集氣裝置改造實驗與觀測研究，獲得了完整、可靠性較高的年動態變化曲線。觀測結果顯示，該脫-集氣裝置能夠較好地解決小流量、低水頭化學泉流量、氣量、水量不穩定問題，使氣氡觀測穩定性得到明顯提高，并獲得了對實際適用小流量、低水頭化學泉脫-集氣裝置的認知，為全國開展小流量、低水頭化學泉脫-集氣裝置系統技術改進提供了范例。

致謝：北京市地震局武敏捷、高翔在文章成圖方面提供了支持與幫助，在此表示感謝。