Tìm hiểu về mực nước, lưu lượng dòng chảy và các phương pháp quan trắc hiện nay

Trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước và khí tượng thủy văn, các chỉ số như mực nước, lưu lượng dòng chảy, mực nước tại hồ thủy điện, sông ngòi hay thủy triều đóng vai trò quan trọng. Những thông số này có ảnh hưởng trực tiếp đến công tác vận hành hồ chứa, dự báo và cảnh báo lũ, phòng chống thiên tai, đảm bảo nguồn nước cho sản xuất, bảo vệ hệ sinh thái cũng như ứng phó với biến đổi khí hậu.

Bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ từng khái niệm, ứng dụng của chúng và các phương pháp đo đạc hiện nay.

Mực nước là gì?

Mực nước là độ cao mặt nước tại một vị trí nhất định so với một mốc chuẩn – thường là mực nước biển trung bình (MSL – Mean Sea Level).

Phân loại:

• Mực nước tuyệt đối: Là khoảng cách từ mặt nước đến mực nước biển trung bình.
• Mực nước tương đối: Là độ cao mặt nước so với mốc thủy chí tại vị trí đo (mốc cố định, do ngành đo đạc xác lập).
• Mốc thủy chí quốc gia: Là hệ thống mốc chuẩn độ cao được thiết lập và quản lý bởi Tổng cục Đo đạc và Bản đồ Việt Nam.

Ứng dụng:

Mực nước được theo dõi thường xuyên để phục vụ cảnh báo lũ, điều tiết hồ chứa, kiểm soát xâm nhập mặn, thiết kế công trình thủy lợi và cấp thoát nước.

Lưu lượng nước là gì?

Lưu lượng nước là lượng nước chảy qua mặt cắt ngang sông trong một đơn vị thời gian, Đơn vị tính lưu lượng nước thường là m3/s. Lưu lượng trung bình tháng là trị số bình quân của lưu lượng các ngày trong tháng.

Chúng ta thường gặp 2 loại lưu lượng nước đó là của dòng sông hoặc ống tròn.

Hay có thể định nghĩa lưu lượng dòng chảy là gì bằng công thức: Q = v x A (trong đó v là vận tốc dòng chảy – A là tiết diện).

Vai trò:

• Tính toán thiết kế cống, kênh, đập, nhà máy thủy điện.
• Dự báo lũ, hạn hán.
• Cân đối, phân bổ và điều tiết nguồn nước.
• Đảm bảo dòng chảy môi trường và bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh.

Mực nước hồ thủy điện

Hồ chứa thủy điện được thiết kế để tích trữ và điều tiết nước phục vụ phát điện, chống lũ và cấp nước hạ du. Khi mực nước hồ vượt ngưỡng an toàn, hồ phải xả lũ để đảm bảo an toàn cho đập và khu vực hạ du. Việc xả lũ được thực hiện qua cửa van hoặc tràn và tuân thủ nghiêm ngặt theo quy trình vận hành liên hồ chứa.​

Trong quá trình vận hành, các mức mực nước chính được quy định rõ ràng như sau:​

=> Xem thêm: Quan trắc công trình đập, hồ chứa thủy điện theo Nghị định số 114/NĐ-CP

Ví dụ:

• Hồ thủy điện Sơn La:
  • Mực nước dâng bình thường: 215,0 m​
  • Mực nước chết: 175,0 m​

(Theo Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Hồng – Thủ tướng Chính phủ)

• Hồ thủy điện Hòa Bình:
  • Mực nước dâng bình thường: 117,0 m​
  • Mực nước chết: 80,0 m​

(Theo Công ty Thủy điện Hòa Bình)

Mực nước thủy triều

Thủy triều là mức dao động của mặt nước biển do ảnh hưởng của lực hút hấp dẫn giữa Trái Đất – Mặt Trăng – Mặt Trời. Thủy triều có thể gây mực nước dâng cao (triều lên) hoặc rút xuống (triều xuống) theo chu kỳ ngày và tháng.

Các loại thủy triều phổ biến hiện nay

Ứng dụng:

• Hàng hải – Tàu lớn phải căn giờ triều cao mới vào cảng được.
• Phòng chống ngập – Kết hợp mưa lớn + triều cường => ngập nặng.
• Nuôi trồng thủy sản – Điều tiết nước trong ao đầm.
• Quy hoạch đô thị ven biển – Cần biết mực nước cực đại để tránh ngập.

Ví dụ:

Tại TP.HCM, triều cường tại trạm Phú An đạt đỉnh 1,7–1,75 m trong các tháng 9–11 âm lịch, gây ngập cục bộ.

Mực nước sông và cảnh báo lũ

Mực nước sông là chiều cao của mặt nước tại một điểm đo cụ thể trên sông, tính từ một mốc chuẩn (thường là mực nước biển). Được đo bằng các trạm thủy văn đặt dọc theo các con sông. Mực nước thay đổi theo mùa, theo lượng mưa, và theo chế độ dòng chảy từ thượng nguồn.

Căn cứ vào mực nước, người ta phân chia thành các cấp báo động:

Đo độ cao địa hình theo mực nước biển

Đo độ cao địa hình theo mực nước biển (gọi là độ cao tuyệt đối) là việc xác định vị trí của một điểm trên bề mặt Trái Đất so với mực nước biển trung bình (mean sea level – MSL). Tại Việt Nam, mực nước biển trung bình được xác lập tại trạm Hòn Dấu (Hải Phòng) – là mốc cao độ quốc gia.

Các phương pháp đo mực nước

1. Đo mực nước bằng thước cơ học (Manual Staff Gauge)

Nguyên lý hoạt động:

Thước cơ học là một thanh dài có chia vạch độ cao (tính bằng cm hoặc m), được cố định theo phương thẳng đứng tại vị trí có mực nước cần đo. Khi nước dâng lên hay hạ xuống, người quan sát sẽ đọc trực tiếp chỉ số trên vạch tương ứng với mặt nước.

Đặc điểm nổi bật:

• Không cần điện, hoạt động hoàn toàn thủ công.
• Lắp đặt đơn giản, vật liệu phổ biến (thép, nhôm, nhựa chịu lực).
• Phù hợp với những nơi không yêu cầu giám sát tự động.

Ứng dụng:

• Trạm thủy văn sông suối
• Kênh dẫn, mương thoát nước
• Hồ chứa hoặc giếng nông
• Dự án nông nghiệp nhỏ

2. Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Level Sensor)

Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến siêu âm phát ra sóng âm tần số cao (20–200 kHz) theo hướng thẳng đứng xuống mặt chất lỏng. Khi sóng chạm mặt nước, chúng phản xạ ngược lại và cảm biến thu sóng phản hồi này. Dựa vào thời gian truyền – phản xạ, thiết bị tính toán khoảng cách từ cảm biến đến mặt nước và suy ra mực nước hiện tại.

Đặc điểm nổi bật:

• Không tiếp xúc với nước → tăng độ bền, chống ăn mòn.
• Tích hợp sẵn đầu ra kỹ thuật số (Modbus, 4-20mA).
• Có thể kết nối giám sát từ xa hoặc cảnh báo tự động.

Ứng dụng:

• Đo mực nước trong bể chứa, hồ chứa, giếng khoan
• Ứng dụng trong hệ thống xử lý nước thải
• Theo dõi mực nước mưa, sông, đập thủy lợi

3. Cảm biến radar (Radar Level Sensor)

Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến radar sử dụng sóng điện từ tần số cao (GHz) để đo khoảng cách đến mặt nước. Sóng radar không bị ảnh hưởng bởi hơi nước, bụi hoặc thay đổi nhiệt độ, giúp thiết bị hoạt động ổn định trong nhiều điều kiện khắc nghiệt.

Hai loại phổ biến:

• Radar không tiếp xúc (Non-contact): Sử dụng sóng điện từ (thường là sóng vi ba hoặc sóng mm) phát ra từ một cảm biến lắp phía trên bồn chứa. Sóng này truyền trong không khí, phản xạ lại từ bề mặt chất lỏng và quay về đầu dò.
• Radar tiếp xúc (Guided Wave Radar – GWR): Sóng radar truyền dọc theo một dây dẫn hoặc ống dẫn (probe) được nhúng chìm trong chất lỏng. Sóng phản xạ khi gặp bề mặt chất lỏng và được thu hồi về để xác định mức.

Đặc điểm nổi bật:

• Độ chính xác cực cao, ±1 mm trong điều kiện chuẩn.
• Hoạt động bền bỉ trong môi trường bụi, hơi, nhiệt độ cao.
• Cần hiệu chuẩn chính xác để đạt kết quả tối ưu.

=> Xem thêm: Cảm biến đo mực nước: Nguyên lý hoạt động, phân loại và cách lựa chọn

Ứng dụng:

• Nhà máy hóa chất, dầu khí, thực phẩm – nơi yêu cầu độ an toàn cao
• Đập thủy điện, trạm bơm công nghiệp
• Đo mực trong silo, bồn kín có áp suất cao

4. Cảm biến áp suất (Pressure Transducer)

Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến được lắp ở đáy bể chứa hoặc hạ xuống đáy giếng. Khi nước dâng cao, áp lực của cột nước tác động lên cảm biến tăng lên. Thiết bị đo áp suất này chuyển đổi áp lực thành tín hiệu điện tương ứng, từ đó suy ra độ cao của mực nước.

Đặc điểm nổi bật:

• Hoạt động ổn định, đặc biệt với cột nước cao
• Không yêu cầu tầm nhìn bề mặt (chỉ đo từ đáy)
• Bị ảnh hưởng bởi áp suất không khí → cần bù áp hoặc lắp lỗ thông khí

Ứng dụng:

• Giếng sâu, hố thu, bể ngầm
• Ứng dụng trong hệ thống đo mực nước ngầm
• Công nghiệp xử lý nước, cấp nước sạch

=> Xem thêm: Giảm tác động của sóng và dòng chảy lên thiết bị đo mực nước tự ghi

5. Cảm biến điện dung (Capacitive Level Sensor)

Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến điện dung gồm hai bản cực (dạng thanh hoặc dây dẫn) đặt trong bể chứa. Khi mức nước thay đổi, hằng số điện môi giữa hai bản cực thay đổi, dẫn đến sự thay đổi điện dung. Thiết bị đo sự biến thiên này và chuyển thành tín hiệu điện thể hiện mực nước.

Đặc điểm nổi bật:

• Phản hồi nhanh, đo được cả chất lỏng dẫn và không dẫn điện
• Hoạt động tốt với mức thay đổi liên tục
• Cần hiệu chuẩn kỹ theo từng loại chất lỏng cụ thể

Ứng dụng:

• Đo mực trong bồn dầu, hóa chất, nước sạch
• Ngành thực phẩm – dược phẩm
• Môi trường có giới hạn tiếp xúc (chất lỏng dễ cháy nổ)

6. Đo mực nước bằng camera / thị giác máy (Vision-Based Level Detection)

Nguyên lý hoạt động:

Sử dụng camera cố định ghi hình hoặc chụp ảnh định kỳ khu vực chứa nước. Phần mềm xử lý hình ảnh (AI hoặc thuật toán thị giác máy) phân tích đường phân cách giữa không khí và mặt nước để xác định mực nước. Có thể tích hợp AI để tự động nhận biết nhiều trạng thái.

Đặc điểm nổi bật:

• Có thể đo đồng thời nhiều khu vực (multi-zone)
• Cho phép giám sát trực quan qua mạng
• Dễ tích hợp cảnh báo hình ảnh, đo chất lượng nước bằng thị giác AI
• Bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, rung lắc, nước đục hoặc phản chiếu mạnh

Ứng dụng:

• Hồ chứa lớn, kênh thủy lợi
• Nhà máy xử lý nước, quan trắc đô thị thông minh
• Kết hợp đo và giám sát chất lượng nước (màu, rác, váng dầu…)

Vai trò trong quản lý tài nguyên nước

• Phòng chống thiên tai: Mực nước và lưu lượng nước là căn cứ để dự báo và cảnh báo sớm các hiện tượng như lũ lụt, hạn hán và xâm nhập mặn, giúp chủ động ứng phó và giảm thiểu thiệt hại.

• Vận hành công trình thủy lợi và hồ chứa: Các thông số này phục vụ điều tiết nước trong mùa lũ, cấp nước mùa kiệt, đảm bảo an toàn cho đập và hồ chứa, đặc biệt là trong hệ thống vận hành liên hồ chứa.
• Phân bổ và điều tiết nguồn nước: Là cơ sở để tính toán kế hoạch cấp nước cho nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt, đồng thời hỗ trợ duy trì dòng chảy tối thiểu cho các mục tiêu môi trường.
• Bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh: Mực nước và lưu lượng được theo dõi để đảm bảo điều kiện sống ổn định cho các loài sinh vật thủy sinh, vùng đất ngập nước và các khu bảo tồn thiên nhiên liên quan đến nước.
• Quy hoạch và quản lý tài nguyên nước: Dữ liệu được tích hợp vào các chiến lược, quy hoạch tài nguyên nước cấp quốc gia và lưu vực sông, cũng như trong các mô hình dự báo nước biển dâng, biến đổi khí hậu.
• Hỗ trợ ra quyết định trong tình huống khẩn cấp: Các số liệu quan trắc thời gian thực từ trạm đo giúp chính quyền địa phương và cơ quan chức năng điều hành linh hoạt và kịp thời trong các tình huống khẩn cấp như lũ lớn, nguy cơ vỡ đập, xả lũ, v.v.

• Phục vụ nghiên cứu và ứng dụng công nghệ: Là dữ liệu đầu vào cho các mô hình thủy văn, thủy lực, hệ thống dự báo tự động, và công nghệ IoT trong ngành tài nguyên nước và khí tượng thủy văn.