Nhà khoa học dùng phần mềm 'chẩn bệnh' cho bờ sông

Ở Đồng bằng sông Cửu Long hiện tượng xói lở bờ sông là vấn đề bức xúc của người dân nhiều năm nay. Nghiên cứu dự báo sạt lở vẫn là bài toán khó, dù đã có nhiều công nghệ ứng dụng như phân tích tài liệu thực đo, mô hình vật lý, công nghệ viễn thám, GIS và mô hình toán. Từ thực tế này, Chương trình khoa học và công nghệ quốc gia phê duyệt 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" do GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng, Viện Khoa học và Công nghệ Tính toán và PGS TS Nguyễn Thị Bảy - Đại học Bách khoa TP HCM thực hiện. Phần mềm được xây dựng có tên HYDIST-GPUs. Công nghệ GPUs cho phép tốc độ tính toán có thể nhanh hơn 30 lần so với tốc độ tính toán bình thường.

GS Phùng chọn đoạn sông Tiền ngang qua thị trấn Tân Châu (An Giang) và đoạn qua thành phố Sa Đéc (Đồng Tháp) để nghiên cứu. Ông dành suốt ba năm (từ 2017 đến 2019), để điều tra, phân tích và tổng hợp số liệu về lưu lượng, mực nước và phù sa, mẫu địa chất để làm đầu vào cho tính toán. Các dữ liệu về ảnh viễn thám và GIS cũng được tác giả phân tích để tính toán diễn biến đường bờ qua các thời kỳ tại từng khu vực.

Các dữ liệu về lưu lượng, mực nước, phù sa, số liệu bình đồ lòng sông, đặc trưng địa hình, địa mạo, độ kết kính, ma sát, tải trọng bờ... được tính toán đưa vào mô hình HYDIST. Theo tác giả, các tính toán này giúp dự báo nguy cơ sạt lở, các diễn biến có thể xảy ra với bờ sông.

Tính toán mô hình ảnh viễn thám cho hai đoạn sông chọn nghiên cứu theo ba giai đoạn (1989-1999; 1999-2009 và 2009-2019) cho thấy, đoạn Tân Châu có sự biến động đường bờ biến thiên có xu hướng giảm dần từ giai đoạn một đến giai đoạn ba. Đoạn Sa Đéc, giai đoạn một và hai đường bờ biến động khá nhiều, giai đoạn ba kể từ khi có kè An Hiệp (Sa Đéc), đường bờ đã ít biến động hơn. Các kết quả tính toán bằng ảnh viễn thám được xuất và vẽ thành một bộ gồm 12 bản đồ số.

Dựa trên dữ liệu đầu vào, tác giả cũng mô phỏng diễn biến lòng dẫn và sạt bờ qua các giai đoạn để thấy tốc độ ảnh hưởng của khai thác cát và những biến động tự nhiên.

Với kinh nghiệm 15 năm nghiên cứu về sạt lở, GS Phùng cho biết, điểm mới mà mô hình đã phát triển được là đưa vào hàm khai thác cát biến động theo thời gian để tính toán diễn biến đáy phù hợp với thục tế hơn. Hiện nay trong tất cả các mô hình, kể cả mô hình thương mại trên thế giới vẫn chưa có hàm nguồn này.

Phần mềm tính toán tương tác động lực sông và bờ sông dựa trên công nghệ tính toán hiệu năng cao sử dụng GPUs được tác giả chuyển giao cho Trung tâm Công nghệ Thông tin Tài nguyên và Môi trường, Sở Tài nguyên và Môi trường TP HCM kiểm tra, chạy thử.

Hệ thống các chương trình tính toán và dự báo xói lở bờ sông được sử dụng như một 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. 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 GS Nguyễn Kỳ Phùng, mô hình không chỉ ứng dụng trên 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. Chỉ cần đưa các thông số dữ liệu, phần mềm sẽ phân tích, xác định được nguy cơ sạt lở bờ. Tuy nhiên, ông Phùng cho biết, các thông số trong mô hình cần phải hiệu chỉnh để phù hợp với từng vùng tính. Kết quả tính toán phụ thuộc rất nhiều vào độ tin cậy của số liệu đầu vào.

"Các yếu tố về dòng chảy, sự xói sâu vùng sát bờ, kết hợp tải trọng bờ, vùng địa chất yếu... là những thông số quan trọng gây nên độ mất ổn định của mái bờ, khiến bờ bị sạt lở. Bên cạnh đó, yếu tố áp lực nước ngầm, áp lực nước ngoài sông... cũng là những dữ liệu cần có để tính toán nguy cơ sạt lở bờ", GS Phùng nói.

GS Phùng hy vọng có thể áp dụng mô hình HYDIST cho nhiều đoạn sông khác, tìm nhiều công thức thực nghiệm khác nhau phù hợp với nhiều vùng có nguy cơ sạt lở. Phần mềm tính toán tương tác động lực sông và bờ sông dựa trên công nghệ tính toán hiệu năng cao sử dụng GPUs đã được đăng ký bản quyền tại cục Bản quyền tác giả, Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch tháng 5/2021.

Tô Hội