Dự báo chính xác
GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng.
GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng, Viện Khoa học và Công nghệ Tính toán cho biết, xói lở là vấn đề bức xúc của người dân tại Đồng bằng sông Cửu Long nhiều năm nay mà vẫn chưa có lời giải. Việc tính toán và dự báo sạt lở là yêu cầu bức thiết trong bối cảnh biến đổi khí hậu và khai thác cát lậu ngày càng trầm trọng.
Để nghiên cứu sát lở, người ta thường sử dụng một số phương pháp bổ trợ như phân tích tài liệu thực đo, mô hình vật lý, công nghệ viễn thám, GIS và mô hình toán. Phương pháp mô hình toán, đặc biệt là mô hình toán 2D gần đây được ứng dụng rộng rãi. Nhưng mô hình vẫn chỉ dừng lại ở dự báo tốt diễn biến lòng dẫn qua việc giải các phương trình thủy lực, vận chuyển bùn cát và diễn biến đáy.
Việc tính toán diễn biến bờ thì sử dụng các công thức thực nghiệm. Câu hỏi đặt ra, với các diễn biến (xói, bồi) lòng sông, liệu rằng khả năng bờ sông có mất ổn định không, có khả năng bị sạt lở bờ hay không, mô hình 2D không trả lời được.
Trong khi đó, nếu cho biết hình dạng mặt cắt trong quá trình diễn biến lòng sông, địa chất cấu tạo bờ sông và chế độ thủy văn… thì phần mềm Geo-Slope của Canada lại có thể tính toán, trả lời được sự ổn định, khả năng sạt lở bờ sông. Tuy nhiên, sử dụng phần mềm này, người ta chỉ đánh giá được mức độ sạt lở của một mái bờ mà không tính liên tục diễn biến bờ theo không gian và thời gian.
GS Nguyễn Kỳ Phùng cho biết, khi ứng dụng các phần mềm này, người ta không thể tính toán ảnh hưởng của việc khai thác cát đến diễn biến lòng dẫn. Nếu sử dụng các phần mềm có bản quyền thì kinh phí mua phần mềm rất lớn, không làm chủ công nghệ được. Các phần mềm này đều chạy trên máy tính đơn, do đó tốc độ chạy không thể nhanh và nhiều lúc không đáp ứng cho nhu cầu dự báo với thời gian thực.
Từ thực tế này, GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng bắt tay thực hiện đề tài “Xây dựng mô hình dự báo sạt lở bờ sông dựa trên công nghệ tính toán hiệu năng cao sử dụng GPUs kết hợp thực hiện dựa trên mô hình thực nghiệm và ứng dụng cho một số đoạn sông Đồng bằng sông Cửu Long”.
GS Phùng sử dụng các phương trình, thuật giải các bài toán thủy động lực, diễn biến đáy cũng như sạt lở bờ, ứng dụng các thuật toán trên hệ thống tính toán hiệu năng cao để giải quyết bài toán xói lở. Ông chọn đoạn sông Tiền ngang qua thị trấn Tân Châu (An Giang) và đoạn sông Tiền đoạn ngang qua thành phố Sa Đéc (Đồng Tháp) để thực hiện nghiên cứu của mình.
Mô hình dự báo sạt lở bờ sông dựa trên mô hình tính toán hiệu năng cao dùng GPUs (Graphical Processing Units) kết hợp thực hiện dựa trên mô hình thực nghiệm được ứng dụng trên hai đoạn sông này.
Ông thực hiện đo đạc mực nước, tốc độ, lưu lượng dòng chảy, mẫu phù sa, bùn cát lơ lửng, mẫu địa chất nhằm tìm được bộ thông số thích hợp tạo các điều kiện đầu vào cho tính toán. Ngoài ra, GS Phùng kết hợp phân tích ảnh viễn thám và GIS để tính toán diễn biến đường bờ qua các thời kỳ tại từng khu vực. Các ảnh viễn thám được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau và có mức độ phân giải cao.
Ứng dụng cho các đoạn sông có nguy cơ sạt lở
Kết quả, phần mềm tính toán tương tác động lực sông và bờ sông dựa trên công nghệ tính toán hiệu năng cao sử dụng GPUs ra đời. Sản phẩm đã được chuyển giao cho TT Công nghệ Thông tin Tài nguyên và Môi trường, Sở Tài nguyên và Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh kiểm tra, chạy thử.
Ngoài ra, mô hình chuyển tải phù sa 2D, Xử lý biên, Phương pháp đường đặc trưng, Thủy lực (HYDIST) có khả năng tính dòng chảy hai chiều, chuyển tải bùn cát, diễn biến hình thái sông cũng được hoàn thiện.
Hệ thống các chương trình tính toán và dự báo xói lở bờ sông là công cụ dự báo và mô phỏng những khu vực xói lở nghiêm trọng, trọng điểm trên các tuyến sông lớn và nhỏ. Quy trình dự báo xói lở bờ sông được ban hành tại Viện Khoa học và Công nghệ tính toán. Mục đích thực hiện dự báo sạt lở bờ sông tại khu vực được phân công phụ trách.
Quy trình này được thực hiện sau mỗi quãng thời gian nhất định, qua đó đưa ra nhận định về khả năng và mức độ xói lở bờ sông tại khu vực nghiên cứu theo thời gian. Dựa trên công nghệ viễn thám đề tài đã tính toán được diễn biến đường bờ cho 2 đoạn sông nêu trên
Các kết quả tính toán được trong đề tài đã nói lên được bản chất xói lở của những đoạn sông cong điển hình, từ đó tính toán dự báo xói lở, làm cơ sở cho các giải pháp thích ứng với rủi ro thiên tai này.
Công nghệ ứng dụng GPUs trong mô hình tính toán đã làm thời gian tính toán nhanh hơn gấp nhiều lần, mang lại hiệu quả kinh tế cao so với các mô hình thương mại khác trên thế giới. Với mục tiêu xây dựng được mô hình tính toán tương tác động lực sông và bờ sông dựa trên công nghệ tính toán hiệu năng cao sử dụng GPUs và triển khai ứng dụng cho hai đoạn sông.
Mô hình không chỉ ứng dụng được để tính toán hình thái sông cho các đoạn sông thuộc Đồng bằng sông Cửu Long, mà có thể áp dụng để tính toán diễn biến hình thái lòng dẫn và sạt bờ cho bất kỳ đoạn sông khác trong lãnh thổ Việt Nam.
Tuy nhiên, các thông số trong mô hình cần phải hiệu chỉnh khá nhiều để phù hợp với từng vùng tính, kết quả tính toán phụ thuộc rất nhiều vào độ tin cậy của số liệu nhập vào, điều đó cũng đồng nghĩa với để ứng dụng thành công mô hình HYDIST trong tính toán hình thái sông thì việc quan trọng đầu tiên là khảo sát thật kỹ, thu thập dữ liệu dài (nhiều năm) và đo đạc bổ sung của vùng tính.
GS Phùng hy vọng sẽ được tạo điều kiện để áp dụng mô hình HYDIST cho nhiều đoạn sông khác nhằm tìm nhiều công thức thực nghiệm khác nhau phù hợp với nhiều vùng khác nhau. Trong mô hình sạt bờ, tải trọng bờ là một thông số rất quan trọng gây nên sạt bờ.
Bên cạnh đó, yếu tố về áp lực từ mực nước ngầm tác động xấu lên mái bờ vẫn đang được chọn cân bằng với áp lực nước ngoài sông. Điều này cũng đòi hỏi cần một khoản kinh phí rất lớn để đi điều tra đo đạc khảo sát thực tế dữ liệu cho vùng cần tính toán sạt bờ (tải trọng bờ, mực nước ngầm).
