Cách Đo Mực Nước Tĩnh, Mực Nước Động Giếng Khoan Chuẩn NĐ 53

Theo Thông tư 17/2021/TT-BTNMT và Nghị định 53/2024/NĐ-CP, việc giám sát mực nước dưới đất nhằm đánh giá mức độ suy giảm trữ lượng tầng chứa nước và phát hiện sớm nguy cơ sụt lún địa tầng. Trong đó, hai đại lượng cốt lõi cần quan trắc là:

• Mực nước tĩnh (Static Water Level – H_tĩnh): Là khoảng cách từ cao trình miệng giếng (hoặc mặt đất tự nhiên) xuống mặt nước khi máy bơm chìm không hoạt động trong một khoảng thời gian đủ dài để mực nước hồi phục hoàn toàn trạng thái cân bằng thủy lực tự nhiên của tầng chứa nước. Thông thường, thời gian hồi phục cần từ 30 phút đến 2 giờ tùy thuộc vào hệ số dẫn nước của đất đá xung quanh giếng.
• Mực nước động (Dynamic Water Level – H_động): Là khoảng cách từ miệng giếng xuống mặt nước khi máy bơm đang khai thác ổn định. Khi bơm hoạt động, xung quanh giếng khoan sẽ hình thành một phễu hạ thấp mực nước (Cone of Depression). Chênh lệch giữa mực nước động và mực nước tĩnh chính là độ hạ thấp mực nước (Drawdown: S = H_động – H_tĩnh).

Nguyên lý đo của cảm biến áp suất thủy tĩnh thả chìm

Nhiều kỹ sư mới vào nghề thường nhầm lẫn rằng cảm biến thả xuống giếng sẽ trực tiếp xuất ra chiều sâu từ miệng giếng. Về bản chất vật lý, cảm biến đo mức thả chìm là một cảm biến đo áp suất thủy tĩnh (Hydrostatic Pressure Sensor). Khi thả đầu dò chìm dưới mặt nước một độ sâu h (cột nước đè lên màng đo), áp suất P tác dụng lên màng cảm biến được tính theo định luật thủy tĩnh:

P = ρ × g × h + P_atm

Trong đó:

• P: Áp suất tổng tác động lên mặt trước của màng cảm biến.
• ρ: Khối lượng riêng của nước (xấp xỉ 1000 kg/m³ đối với nước ngọt).
• g: Gia tốc trọng trường (xấp xỉ 9.81 m/s²).
• h: Chiều cao cột nước phía trên màng cảm biến (m H₂O).
• Patm: Áp suất khí quyển bề mặt mặt đất.

Để triệt tiêu đại lượng Patm (tránh việc áp suất thời tiết thay đổi làm trôi số đo cột nước), nhà sản xuất thiết kế một ống mao dẫn rỗng (Vent Tube) nằm ngay trong ruột cáp, đưa áp suất khí quyển từ trên mặt đất vào mặt sau của màng cảm biến. Nhờ đó, áp suất đo được là áp suất tương đối (Gauge Pressure), tỉ lệ tuyến tính tuyệt đối với cột nước: h = P / (ρ × g).

Để truyền dữ liệu về Sở Tài nguyên và Môi trường theo đúng biểu mẫu Thông tư 17, số liệu cần báo cáo không phải là cột nước h đè lên cảm biến, mà là chiều sâu mực nước tính từ miệng giếng (m). Công thức quy đổi toán học được nạp trực tiếp vào Firmware của Datalogger DL-ENV10 như sau:

Chiều sâu mực nước (m) = L_{thả cáp} – h_{cột nước đo được}

Ví dụ thực tế tại giếng khoan KCN Nội Bài (Hà Nội):

• Chiều sâu giếng khoan: 90 mét. Chiều sâu đặt họng hút bơm chìm: 65 mét.
• Kỹ sư lắp đặt thả đầu dò cảm biến xuống độ sâu cách miệng giếng: Lthả cáp = 60.0 mét (cao hơn bơm 5m).
• Khi bơm ngừng chạy lâu, cảm biến đo được cột nước đè lên nó là: h = 38.5 mét. Datalogger tính ra Mực nước tĩnh: Htĩnh = 60.0 - 38.5 = 21.5 mét tính từ miệng giếng.
• Khi bật máy bơm công suất 45 m³/h, nước bị rút xuống, cột nước đè lên màng cảm biến chỉ còn h = 18.2 mét. Datalogger tính ra Mực nước động: Hđộng = 60.0 - 18.2 = 41.8 mét.
• Độ hạ thấp mực nước khi khai thác: S = 41.8 - 21.5 = 20.3 mét.

Thuật toán tự động phân tách Mực nước tĩnh và Mực nước động trên DL-ENV10

Trong quá trình vận hành liên tục 24/7, không thể bắt kỹ sư phải trực canh bật tắt công tắc để ghi nhận mực nước tĩnh. Datalogger DL-ENV10 giải quyết bài toán này hoàn toàn tự động thông qua hai phương thức xử lý thông minh:

1. Phương thức qua ngõ vào số DI (Digital Input): Đấu nối tiếp điểm phụ (Auxiliary Contact) báo trạng thái Khởi động từ (Contactor Run/Stop) của tủ điện máy bơm vào cổng DI của DL-ENV10. Khi DI báo bơm DỪNG liên tục vượt quá bộ đếm thời gian trễ ổn định (cấu hình từ 30–90 phút), DL-ENV10 xác nhận mực nước đã hồi phục và tự động chốt giá trị Mực nước tĩnh ghi vào file báo cáo. Khi DI báo bơm CHẠY, số đo liên tục được ghi nhận là Mực nước động.
2. Phương thức qua lưu lượng kế RS485 (Modbus RTU): DL-ENV10 liên tục quét lưu lượng tức thời từ đồng hồ lưu lượng điện từ RS485. Nếu Q = 0.00 m³/h liên tục trên 60 phút, Datalogger tự động ghi nhận Mực nước tĩnh. Nếu Q > 0.50 m³/h, thiết bị tự động chuyển sang chế độ ghi Mực nước động.

Thực tế hiện trường giếng khoan tiềm ẩn nhiều rủi ro cơ học và điện từ. Dưới đây là 4 quy tắc bắt buộc kỹ sư công trình phải tuân thủ để tránh thiệt hại thiết bị:

3.1. Bắt buộc lắp ống dẫn hướng PVC D27 – D34 trong lòng giếng

Tuyệt đối không thả trần sợi cáp cảm biến tự do trong lòng giếng chung với đường ống đẩy thép và cáp động lực 3 pha 380V của máy bơm hỏa tiễn. Khi máy bơm khởi động, dòng xoáy nước cực mạnh kết hợp với mô-men xoắn giật của động cơ sẽ làm cáp cảm biến xoắn chặt vào ống dẫn, gây đứt lõi đồng hoặc làm kẹt cứng không thể rút cảm biến lên khi bảo dưỡng. Giải pháp chuẩn là lắp 1 tuyến ống nhựa uPVC D27 hoặc D34 dày dọc theo thành giếng từ miệng giếng xuống sâu hơn vị trí treo cảm biến 2m, đáy ống bịt kín nắp và khoan nhiều lỗ nhỏ D5–D8 cách nhau 10cm để nước thông lưu tự do.

3.2. Bảo vệ tuyệt đối ống thở khí quyển (Atmospheric Vent Tube)

Bên trong lõi cáp cảm biến mức thủy tĩnh luôn có một ống nhựa Teflon siêu nhỏ màu trắng để thông khí quyển. Trong quá trình thi công, thợ điện thiếu kinh nghiệm thường cắt bằng đầu cáp rồi quấn chặt băng keo điện đen bít kín đầu ống này, hoặc dùng đai siết cổ dê siết quá chặt làm dẹp ống thở. Hậu quả là cảm biến biến thành cảm biến áp suất tuyệt đối (Absolute Pressure), áp suất khí quyển tăng giảm theo thời tiết sẽ làm số đo mực nước nhảy loạn xị từ 0.5m đến 2.0m dù mực nước thực tế không đổi. Đầu ống thở khi đưa vào tủ quan trắc giếng khoan bắt buộc phải gắn một bộ lọc hút ẩm chứa hạt Silicagel (Desiccant Filter) để ngăn hơi ẩm ngưng tụ lọt vào trong cảm biến làm cháy mạch khuếch đại.

3.3. Vị trí treo cảm biến so với họng hút của máy bơm

Quy tắc bất di bất dịch: Treo đầu dò cảm biến cao hơn họng hút máy bơm tối thiểu 2m đến 3m. Nếu treo quá gần họng hút hoặc thấp hơn máy bơm:

• Vùng nước xung quanh họng hút bị hiện tượng xâm thực (Cavitation) và dòng chảy rối cục bộ với áp suất giảm đột ngột, khiến màng cảm biến dao động liên tục sinh ra nhiễu gai nhọn (Spike Noise).
• Động cơ bơm hỏa tiễn khi vận hành tỏa nhiệt lượng rất lớn làm nóng vùng nước xung quanh thân bơm, dẫn đến sai số bù nhiệt của cảm biến.

3.4. Chống sét lan truyền cho đường tín hiệu cáp giếng khoan

Giếng khoan ngâm sâu hàng chục mét dưới lòng đất là môi trường truyền dẫn sét cực kỳ nguy hiểm. Khi có giông sét đánh xuống khu vực lân cận, dòng xung sét sẽ cảm ứng vào đường cáp dài hàng trăm mét và phóng điện áp cao làm nổ mạch ngõ vào của Datalogger. Cáp tín hiệu cảm biến trước khi đấu vào DL-ENV10 bắt buộc phải đi qua khối bảo vệ chống sét tín hiệu SPD (Surge Protection Device) và hệ thống tiếp địa đạt tiêu chuẩn R_đất ≤ 4Ω theo bài phân tích chống sét lan truyền trạm quan trắc giếng khoan nước ngầm.

Bộ Datalogger DL-ENV10 được thiết kế chuyên biệt cho các trạm quan trắc tài nguyên nước theo Nghị định 53, trang bị các cổng giao tiếp công nghiệp với tính năng cách ly quang vượt trội:

• Kênh đo dòng Analog 4–20mA (Kênh AI1): Cảm biến áp suất thủy tĩnh 2 dây được cấp nguồn 24VDC từ cổng Loop Power của DL-ENV10. Bộ chuyển đổi ADC 16-bit tích hợp sẵn bộ lọc số chống nhiễu 50Hz/60Hz, đảm bảo số đo ổn định ngay cả khi đặt cạnh biến tần công suất lớn.
• Cổng truyền thông Modbus RS485 (Kênh COM1): Dùng để kết nối đồng hồ đo lưu lượng nước điện từ, đọc trực tiếp lưu lượng tức thời (m³/h) và lưu lượng tích lũy (m³).
• Ngõ vào số cách ly quang (DI1): Đọc trạng thái chạy/dừng của bơm hỏa tiễn để kích hoạt thuật toán phân tách mực nước tĩnh/động.
• Bộ nhớ đệm Flash công nghiệp 32MB: Lưu trữ dữ liệu vòng tròn lên đến hơn 1 năm. Nếu mất sóng 4G hoặc đường truyền internet về Sở TN&MT bị gián đoạn, dữ liệu sẽ được lưu an toàn và tự động phát bù đầy đủ ngay khi có kết nối trở lại theo hướng dẫn tại bài viết thủ tục kết nối dữ liệu quan trắc tài nguyên nước Sở TN&MT.