Измерение и мониторинг уровня воды в скважине: выбор оборудования, нормативные требования и технические решения

Автор: Дмитрий Слесарев Время прочтения: 20 минут

Контроль уровня воды в скважинах требуется при решении сразу нескольких задач. В первую очередь для защиты насосного оборудования от работы «всухую», что напрямую влияет на срок службы и надежность системы водоснабжения. Кроме того, замер уровня воды в скважине используется для расчета дебита* и оценки допустимых объемов водоотбора.

При контроле уровня воды в скважине важно соблюдать требования законодательства и действующие нормативы в области недропользования. Наблюдательные скважины позволяют отслеживать изменения уровня, температуры и состояния водоносных горизонтов во времени.

Правильный выбор метода и оборудования измерения уровня воды определяет точность получаемых данных, надежность работы насосов и корректность принятия инженерных решений. В условиях эксплуатации скважин универсального решения не существует – каждый тип задачи требует своего подхода.

* Дебит – это объем жидкости, стабильно поступающий из естественного или искусственного источника за единицу времени. В случае водозаборных скважин дебит является одной из ключевых характеристик источника и напрямую зависит от динамического уровня воды.

Основные цели измерения уровня воды в скважине

• Защита погружного насоса от «сухого хода». При снижении уровня воды ниже допустимого значения насос может работать без жидкости, что приводит к перегреву и выходу из строя. Установка уровнемеров и систем сигнализации минимального уровня позволяет исключить этот режим.
• Непрерывный мониторинг для расчета дебита и планирования водозабора. Измерение динамического уровня воды в скважине позволяет определить фактическую производительность источника и оптимизировать режимы работы насосного оборудования.
• Соблюдение требований законодательства. Закон РФ «О недрах», Водный кодекс РФ, строительные нормы и правила (СНиП), приказ Министерства природных ресурсов и экологии РФ от 30.07.2020 №530 «Об утверждении Правил разработки месторождений подземных вод» и многие другие правовые акты требуют регулярного контроля уровня и других параметров подземных вод для лицензированных водозаборов.
• Гидрогеологические и экологические исследования. Мониторинг воды – это систематическое наблюдение за изменением уровня и температуры подземных вод, используемое для анализа состояния водоносных горизонтов и оценки экологической обстановки.

Типы уровнемеров и их применение: как определить уровень воды в скважине

Гидростатические погружные уровнемеры

Погружные гидростатические уровнемеры применяются, когда требуется непрерывное измерение в скважине в режиме онлайн. Такое решение используется для мониторинга дебита, расчета производительности скважины, определения допустимых объемов водоотбора, а также при контроле уровня подземных вод в наблюдательных скважинах для мониторинга подземных вод.

Принцип работы основан на измерении давления водяного столба. Датчик необходимо установить на заданной глубине для регистрации воздействия всей высоты водяного столба на чувствительный элемент. Зная плотность воды, значение давления измеряемой среды преобразуется в уровень или высоту водяного столба. Гидростатический метод обеспечивает высокую стабильность и точность определения уровня при длительной эксплуатации.

В качестве примера рассмотрим погружной датчик уровня MPM489W. Датчик опускается в скважину или колодец с обсадной трубой и может устанавливаться выше или ниже насоса в зависимости от задачи контроля. Диаметр корпуса составляет 26 мм, что позволяет использовать прибор в скважинах малого диаметра. Диапазон измерения подбирается при настройке оборудования.

Связь между давлением и уровнем воды описывается выражением: P=p·h·g,
где P – гидростатическое давление, ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения, h – высота водяного столба

Уровнемер MPM489W обеспечивает точные измерения до 0,25% и формирует стандартный выходной сигнал 4–20 мА или цифровой с использованием HART-протокола, что позволяет интегрировать датчик в системы автоматики, телеметрии и АСУ ТП. Максимальная глубина погружения составляет до 200 метров водяного столба.

Гидростатический измеритель уровня воды в скважине устанавливаются один раз и не требует периодического опускания или подъема рабочей части. Это обеспечивает постоянное получение данных об уровне воды и возможность электронного протоколирования результатов измерений, включая дистанционную передачу данных.

Для измерения уровня воды с примесями датчики могут комплектоваться защитными насадками и элементами фильтра. Установка в скважины с чистой водой возможна при диаметре обсадной трубы от 25 мм, для загрязненной среды – от 50 мм и более.

Для защиты погружного насоса от «сухого хода» гидростатический уровнемер используется совместно с пороговым реле уровня. При достижении минимального значения последнее отключает насос и предотвращает его неконтролируемые включения. При необходимости используется цифровой индикатор для отображения текущего значения уровня непосредственно на объекте.

Датчики MPM489W имеют герметичный корпус со степенью защиты IP68. Для монтажа применяются стандартные аксессуары: крепления для кабеля, клеммные коробки и блоки грозозащиты.

Если описанная технология не подходит, и у вас сохраняется вопрос о том, как проверить: сколько в скважине воды, можете обратить внимание на автономные регистраторы. Для наглядности разберем принцип его работы на примере MPM4710.

В отличие от классических погружных датчиков с выходным сигналом данный прибор предназначен для автономного мониторинга уровня и температуры воды с последующей регистрацией результатов во встроенной памяти.

Регистратор уровня MPM4710 выполняет измерение и хранение значений уровня, температуры воды в скважине и временных событий, формируя полную картину изменений параметров на глубинах до 100 метров.

Такое решение применяется на водозаборах, не оборудованных электропитанием, а также на удаленных скважинах и объектах с высокой интенсивностью замеров.

MPM4710 не требует присутствия персонала для выполнения измерений. Прибор устанавливается в скважину один раз и далее работает в автоматическом режиме в соответствии с заданным расписанием. Все результаты измерений фиксируются во внутреннем журнале и соответствуют методическим рекомендациям Министерства природных ресурсов Российской Федерации по мониторингу подземных вод.

Особенности автономного регистратора MPM4710:

• автоматическая регистрация уровня воды и температуры в скважине;
• настраиваемое расписание замеров;
• автономное питание от встроенной батареи сроком службы до 7 лет;
• память на 50 000 измерений;
• отсутствие необходимости во внешнем питании и линиях связи;
• возможность выгрузки архива данных на ноутбук для последующего анализа.

Автономные регистраторы уровня MPM4710 применяются в системах мониторинга подземных вод, в наблюдательных скважинах и при выполнении регламентных измерений, когда требуется длительное накопление данных без постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала.

Линейка устройств обладает необходимой для длительного погружения под воду степенью защиты IP68, о чем говорит вторая цифра. Если сомневаетесь в необходимости высокой влагозащиты или не уверены в том, что этого класса достаточно, поможет статья «Код IP. Степени защиты».

Тросовые (ручные) уровнемеры на катушке

Тросовые скважинные уровнемеры применяются для разового или периодического измерения уровня воды в скважинах, колодцах и других объектах небольшого диаметра. Такие приборы используются в случаях, когда не требуется постоянный онлайн-мониторинг, либо отсутствует электропитание на объекте. Этот способ – один из самых наглядных и простых ответов на вопрос о том, как замерить уровень воды в скважине, в том числе при инженерных изысканиях и буровых работах.

Принцип работы тросового уровнемера основан на контактном методе. Чувствительный зонд опускается в скважину на гибкой измерительной ленте или кабеле. В момент касания поверхности воды срабатывает электроконтактный датчик, подающий звуковой и/или световой сигнал. Глубина уровня воды определяется по разметке на ленте.

Конструктивно тросовый уровнемер состоит из следующих элементов:

• катушка, на которую намотан измерительный кабель и размещены элементы индикации;
• измерительная лента или кабель с нанесенной шкалой;
• контактный зонд, срабатывающий при соприкосновении с водой.

Приборы данного типа имеют автономное питание, как правило, от батареи, что позволяет использовать их в полевых работах и проверить уровень воды в скважине самостоятельно даже на личном участке без подключения к электросети.

Процесс измерения не требует специальной подготовки. Зонд опускается в скважину вручную или под собственным весом, по мере разматывания ленты. При достижении поверхности воды срабатывает сигнал, после чего значение фиксируется по шкале на ленте. Время срабатывания сенсора составляет доли миллисекунды, что обеспечивает высокую точность определения уровня.

Тросовые уровнемеры отличаются мобильностью и удобством транспортировки. В свернутом виде прибор легко размещается в автомобиле, а общий вес катушки зависит от длины кабеля и, как правило, не превышает 10–12 кг.

Такие устройства применяются для решения следующих задач:

• определение уровня залегания подземных вод при бурении и инженерных изысканиях;
• периодический контроль уровня воды в колодцах и скважинах;
• гидрогеологические и экологические исследования;
• контроль уровня воды в необорудованных электричеством объектах.

В качестве примера тросового решения можно рассмотреть модель XSON-DLM-M, которая поможет определиться с тем, чем измерить уровень воды в колодце или скважине при разовых и периодических замерах.

Главные технические особенности прибора:

• измерительная лента из поликарбоната, устойчивая к изгибу, разрыву и ударным нагрузкам;
• миллиметровая разметка, нанесенная внутри ленты, что исключает ее стирание при контакте с водой;
• длина кабеля – от 30 до 500 метров в зависимости от модификации;
• рабочий температурный диапазон от –20 до +60 °C;
• контактный зонд из нержавеющей стали с временем срабатывания менее 1 мс;
• металлическая катушка, обеспечивающая повышенную прочность и износостойкость;
• встроенный тормоз для фиксации момента касания воды;
• устойчивая опорная конструкция;
• гарантийный срок – 12 месяцев.

Благодаря миллиметровой шкале XSON-DLM-M позволяет выполнять измерения с высокой точностью без использования дополнительных измерительных инструментов. В сравнении с моделями, где применяется сантиметровая разметка или латунные метки на кабеле, такой подход обеспечивает более точное определение уровня воды и удобство работы в полевых условиях.

У многих тросовых уровнемеров других производителей применяется сантиметровая разметка, при этом стоимость таких приборов может быть в два раза выше. Более бюджетные решения, как правило, используют обычный изолированный кабель с латунными метками через каждый метр, что снижает удобство и точность измерений.

На этом фоне уровнемеры серии DLM представляют собой сбалансированное решение по соотношению точности, продуманности конструкции и эксплуатационных характеристик.

Кондуктометрические системы

Кондуктометрические системы применяются в тех случаях, когда требуется простая и надежная защита погружного насоса от «сухого хода» без необходимости точного измерения значения уровня воды. Такие решения используются для базового контроля наличия воды в скважине и отличаются минимальной сложностью установки и эксплуатации.

Самым простым вариантом является установка кондуктивного датчика уровня. Устройство представляет собой набор электродов, подключенных к контроллеру уровня. Электроды (как правило, три) опускаются в скважину и размещаются в следующих контрольных точках:

• ниже уровня установки насоса;
• на уровне установки насоса;
• выше насоса на 1–2 метра.

Такой способ установки позволяет определить, погружен ли насос в воду, и своевременно отключить его при снижении уровня ниже допустимого значения. Кондуктометрический метод не предназначен для измерения точной глубины уровня воды, но эффективно решает задачу аварийной защиты насосного оборудования.

В качестве примера кондуктометрического датчика можно привести ДУ-1Н. Датчик выполнен в корпусе из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и предназначен для сигнализации наличия жидкости на заданном уровне. Для подключения используется кабель необходимой длины, что позволяет применять датчик в скважинах различной глубины.

Основные технические особенности датчика ДУ-1Н:

• одноэлектродное исполнение;
• корпус из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т;
• материал изолятора – фторопласт;
• диаметр электрода – 3 мм;
• присоединительная резьба – М12×1,5.

Система контроля уровня Контур с кондуктометрическими датчиками

При использовании контроллеров Контур-М и Контур-У в измеряемую среду опускается не сам контроллер, а кондуктометрический датчик, соединенный с ним кабелем. ДУ-1Н устанавливается в резьбовое отверстие и применяется для сигнализации наличия жидкости на заданной отметке. Одноэлектродное исполнение и компактные размеры чувствительного элемента (диаметр электрода 3 мм) позволяют использовать датчик в скважинах и емкостях с ограниченным монтажным пространством, в том числе вблизи насосного оборудования.

Сравнительная таблица типов уровнемеров

Для наглядного сопоставления возможностей различных решений ниже приведена сравнительная таблица типов устройств для скважин. Сравнение выполнено по ключевым параметрам, влияющим на выбор оборудования: точность, автономность, сложность монтажа и область применения.

* – Цены, приведенные в данной статье, предназначены исключительно для относительного сравнения стоимости и не являются публичной офертой.

Нормативные требования к мониторингу подземных вод

Контролируемые параметры:

• уровень воды;
• температура;
• дебит;
• химический состав;
• нагрузка на конкретную эксплуатационную скважину;
• тип контрольно-измерительного оборудования, рекомендуемого в использовании при эксплуатации водозабора.

Качество воды из скважин регулируется как с целью охраны месторождения подземных вод от загрязнения и истощения, так и для проверки безвредности для здоровья человека. Закрепляется необходимость «Правилами разработки месторождений подземных вод», СанПиН 1.2.3685-21 и СанПиН 2.1.4.1175-02. О том, какие параметры жидкости можно измерить и с помощью каких типов приборов, рассказываем в статье «Топ-8 датчиков для контроля параметров жидкости».

Периодичность замеров:

• ежемесячно – для постоянно работающих скважин;
• до и после остановки – для периодических.

Документирование:

• ведение журналов замеров;
• двойные измерения подряд;
• анализ проб в аккредитованных лабораториях.

Практические рекомендации по выбору оборудования

Выбор типа уровнемера в зависимости от задачи

• Непрерывный мониторинг уровня и дебита. Для автоматизированных систем водоснабжения и постоянного контроля рекомендуется использовать погружные гидростатические уровнемеры. Они обеспечивают высокую точность измерений, возможность передачи данных и интеграцию в АСУ ТП.
• Автономный мониторинг без электропитания. Для удаленных и необорудованных электричеством скважин оптимальным решением являются автономные регистраторы уровня и температуры, обеспечивающие длительную работу без участия персонала и автоматическое ведение журнала замеров.
• Разовые и периодические замеры. При проведении буровых работ, инженерных изысканий или инспекционных проверок применяются тросовые (ручные) уровнемеры на катушке. Это простой и наглядный способ определить уровень воды в скважине без сложного монтажа.
• Защита насоса от «сухого хода». Для базовой сигнализации минимального уровня воды используются кондуктометрические системы. Они не измеряют точное значение уровня, но эффективно предотвращают работу насоса без воды.

Ключевые критерии выбора оборудования

При подборе уровнемера нужно учитывать:

• требуемую точность измерений;
• глубину скважины и диапазон измерения;
• наличие или отсутствие электропитания на объекте;
• необходимость регистрации и хранения данных;
• условия эксплуатации (температура, загрязненность воды, диаметр обсадной трубы);
• требования к автоматизации и интеграции в системы управления.

Масштабирование и развитие системы

При проектировании систем мониторинга важно учитывать возможность дальнейшего расширения. Современные уровнемеры позволяют:

• объединять несколько скважин в единую систему мониторинга;
• организовывать проводную или беспроводную передачу данных;
• интегрировать измерительные приборы в АСУ ТП и системы диспетчеризации;
• автоматизировать управление насосным оборудованием на основе данных уровня воды.

Больше о возможностях расширения систем мониторинга читайте в статье «Система автоматизации и телеметрии водозаборных скважин» и смотрите видео  

Смотрите все видео, где вам удобно  

Заключение

Замер уровня воды в скважине выполняется для защиты насосного оборудования, расчета дебита, соблюдения требований законодательства и получения информации о состоянии подземных вод.

Выбор уровнемера должен учитывать условия эксплуатации скважины, глубину водоносного горизонта, требования к автоматизации и действующие нормативные требования в области недропользования и мониторинга подземных вод. Только комплексный подход к выбору оборудования позволяет получить корректные и воспроизводимые результаты измерений.

Для подбора оптимального решения с учетом эксплуатационных и нормативных факторов рекомендуем воспользоваться помощью инженеров компании «РусАвтоматизация».