Giếng tự phun và mạch nước ngầm có áp: vì sao nước tự trào khỏi mặt đất

Giếng tự phun được vì nó khoan trúng một tầng chứa nước bị kẹp giữa hai lớp đất đá không thấm, mà nơi tầng ấy nhận nước lại nằm cao hơn miệng giếng. Nước trong tầng giống nước trong một ống chữ U khổng lồ: bị đè nén bởi cột nước từ chỗ cao, nên khi có lối thoát là dâng lên, có khi trào khỏi mặt đất. Người ta gọi đó là nước ngầm có áp, hay giếng phun (artesian).

Cảnh lạ: khoan giếng xong nước tự trào

Thỉnh thoảng báo chí đưa tin một gia đình khoan giếng ở vùng chân đồi, thung lũng hay đồng bằng ven núi, khoan tới một độ sâu nào đó thì nước tự phun lên khỏi ống, chảy ngày đêm không cần máy bơm. Người xem lấy làm lạ, có người gọi là "mạch nước thần". Thực ra đây là hiện tượng địa chất đã được hiểu rõ từ lâu.

Cái tên quốc tế "artesian" lấy từ vùng Artois ở miền bắc nước Pháp, nơi từ thời Trung cổ các tu sĩ đã khoan được những giếng nước tự phun. Giếng phun nổi tiếng nhất thế giới thuộc về Bồn trũng Artesian Lớn ở Úc, một trong những hệ nước ngầm có áp lớn nhất thế giới, trải dưới khoảng một phần năm diện tích lục địa này và từng nuôi sống cả vùng chăn nuôi khô hạn trong lòng nước Úc.

Nước ngầm nằm ở đâu

Trước hết, một hình dung sai rất phổ biến: dưới đất có những "dòng sông ngầm" chảy như sông trên mặt đất. Trừ vùng đá vôi có hang động, phần lớn nước ngầm nằm trong khe hở giữa các hạt cát, sỏi, hoặc trong khe nứt của đá, giống nước thấm trong miếng bọt biển. Lớp đất đá chứa được nhiều nước và cho nước chảy qua dễ dàng gọi là tầng chứa nước. Lớp sét, đá chặt gần như không cho nước đi qua gọi là tầng cách nước.

Cơ chế: ống chữ U nằm dưới đất

Hình dung một lớp cát sỏi bị kẹp giữa hai lớp sét như nhân bánh kẹp. Ở vùng núi, đồi, lớp này lộ ra trên mặt đất hoặc nằm nông, nhận nước mưa thấm xuống. Gọi đó là vùng bổ cập. Từ đó, lớp cát sỏi chúi xuống, chạy dài dưới đồng bằng hay thung lũng, bị lớp sét phía trên đậy kín.

1. Nước mưa thấm vào tầng chứa ở vùng cao, chảy chậm theo tầng xuống chỗ thấp.
2. Vì có nắp sét đậy, nước không thoát lên được. Cả cột nước từ vùng cao đè xuống, làm nước ở chỗ thấp chịu áp suất.
3. Khoan một giếng xuyên qua lớp sét đậy tới tầng chứa, nước có lối thoát và dâng lên trong ống, cố đạt tới độ cao gần bằng mực nước ở vùng bổ cập.
4. Nếu độ cao ấy cao hơn miệng giếng, nước trào ra. Nếu thấp hơn, nước chỉ dâng lên một đoạn trong ống, vẫn phải bơm nhưng dễ hơn.

Nước không dâng lên được đúng bằng vùng bổ cập, vì mất một phần năng lượng do ma sát khi chảy qua hàng kilômét cát sỏi. Đường tưởng tượng nối các mức mà nước có thể dâng tới gọi là mặt áp lực.

Cũng nguyên lý này giải thích vì sao bình tưới cây có vòi thấp hơn miệng bình vẫn chảy, và vì sao tháp nước đặt trên cao lại đẩy được nước tới vòi trong nhà.

Mạch nước tự nhiên và giếng phun ở Việt Nam

Không cần khoan, nước có áp đôi khi tự tìm đường lên qua đứt gãy, khe nứt, tạo thành mạch nước, giếng mạch chảy quanh năm ở chân núi. Nhiều giếng làng, giếng đình cổ ở miền Trung, miền Bắc được đào đúng chỗ mạch như vậy. Một số nguồn nước khoáng, suối khoáng nóng ở nước ta cũng là nước ngầm đi qua tầng sâu, nóng lên rồi theo đứt gãy trồi lên.

Ở đồng bằng, nước ngầm có áp nằm trong các tầng cát sỏi sâu dưới lớp sét phù sa, là nguồn nước sinh hoạt quan trọng. Các giếng khoan sâu ở đồng bằng sông Cửu Long, đồng bằng sông Hồng phần lớn khai thác tầng nước có áp, nhưng ngày nay hầu như phải dùng bơm vì mực áp lực đã hạ thấp nhiều.

Khai thác quá mức: mặt đất lún xuống

Nước có áp không phải là vô tận. Khi rất nhiều giếng cùng hút, áp lực trong tầng chứa giảm, giếng tự phun ngừng phun, mực nước trong giếng hạ dần năm này qua năm khác.

Hệ quả nghiêm trọng hơn là sụt lún đất. Áp lực nước trong tầng giúp đỡ một phần sức nặng của lớp đất phía trên. Khi áp lực giảm, các lớp sét xen kẹp bị ép nước ra, nén lại không hồi phục được, mặt đất hạ xuống. Nhiều nghiên cứu ghi nhận đồng bằng sông Cửu Long và khu vực TP.HCM đang sụt lún, có nơi vài xăng-ti-mét mỗi năm, và khai thác nước ngầm được xem là một nguyên nhân chính bên cạnh tải trọng công trình và việc thiếu phù sa bồi đắp. Đối với một đồng bằng chỉ cao hơn mực nước biển khoảng một, hai mét, vài xăng-ti-mét mỗi năm là con số đáng lo.

Khai thác quá mức ở vùng ven biển còn có thể làm nước mặn từ biển lấn vào tầng chứa nước ngọt. Vì vậy việc khoan giếng ở nhiều nơi phải xin phép và tuân theo quy hoạch của cơ quan quản lý tài nguyên nước.

Hiểu lầm thường gặp

• "Dưới đất có sông ngầm, khoan trúng là nước phun." Trừ vùng đá vôi, nước ngầm nằm trong khe hạt và khe nứt. Nước phun là do áp lực của tầng chứa bị kẹp, không phải do khoan trúng "dòng sông".
• "Giếng tự phun là nước vô tận, không dùng thì phí." Để giếng phun tự do ngày đêm làm hao áp lực chung của cả tầng, ảnh hưởng giếng xung quanh. Nhiều nơi trên thế giới đã phải bịt hoặc lắp van cho giếng tự phun.
• "Nước phun từ sâu là nước sạch, uống ngay được." Nước có áp nhiều khi chứa sắt, mangan, asen, độ khoáng cao hoặc bị nhiễm mặn. Phải xét nghiệm trước khi dùng.
• "Thầy dò mạch bằng que tìm được nước." Đó là kinh nghiệm dân gian; các thử nghiệm có kiểm soát chưa cho thấy cách dò bằng que tốt hơn đoán ngẫu nhiên. Tìm nước ngầm đáng tin cậy dựa vào bản đồ địa chất thuỷ văn, khảo sát địa vật lý và khoan thăm dò.

Tự quan sát / tự thử an toàn

1. Giếng phun trong chai. Lấy một ống nhựa mềm trong suốt dài khoảng 1 m. Uốn thành chữ U, một đầu buộc vào phễu giữ ở trên cao, đầu kia hướng lên nhưng thấp hơn phễu. Rót nước vào phễu: nước trào ra ở đầu thấp. Hạ phễu xuống thấp hơn đầu kia: nước ngừng phun. Bạn vừa mô phỏng vùng bổ cập và giếng tự phun.
2. Mô hình bánh kẹp. Trong hộp nhựa trong, xếp lớp đất sét nặn ở đáy, lớp sỏi nhỏ hoặc cát ở giữa (để nghiêng, một đầu cao), lớp đất sét nặn đậy lên trên, chừa đầu cao lộ ra. Cắm một ống hút xuyên lớp sét trên xuống tầng cát ở đầu thấp. Rót nước vào đầu cát lộ ra ở chỗ cao: nước dâng lên trong ống hút.
3. Tra bản đồ. Tìm trên mạng các bản tin về sụt lún đất ở đồng bằng sông Cửu Long, TP.HCM để xem các con số đo bằng vệ tinh và mốc đo.

An toàn: không lại gần hố khoan, giếng khoan đang thi công. Không tự ý khoan giếng: cần xin phép và có đơn vị chuyên môn. Đậy kín giếng không dùng nữa để tránh người và vật nuôi rơi xuống, và tránh nước bẩn chảy xuống làm ô nhiễm tầng nước ngầm.