Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
366
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH TỰ ĐỘNG ĐA
MỤC TIÊU TRONG XÂY DỰNG MÔ HÌNH DÒNG CHẢY 1D
Ở ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG
Nguyễn Nghĩa Hùng1, Nguyễn Việt Dũng1,2, Nguyễn Văn Mạnh3
1Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam, email: hungsiwrr@gmail.com
2Trung tâm nghiên cứu Địa lý Trái đất, CHLB Đức, email: dung-gfz@potsdam.de
3Viện Quy hoạch Thủy lợi, email: donmanh@yahoo.com
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Nghiên cứu về mô hình toán đầu tiên ở
ĐBSCL đã được nghiên cứu với sự kết hợp
giữa UNESCO và SOGREAH vào những
năm 1965÷1970 [1]. Đến nay có rất nhiều mô
hình đã được nhiều đơn vị và các nhân xây
dựng, ứng dụng cho tính toán mô hình như
VSAP [3], KOD [4], HYDROGIS [5] và sau
năm 2000 là bộ phần mềm MIKE 11 do Viện
KHTL miền Nam kết hợp với các chuyên gia
của Đan Mạch thiết lập, ISIS của Ủy hội
sông Mê Kông Quốc tế.
Hiện nay công nghệ máy tính đã phát triển
các máy chủ có khả năng chạy nhiều hơn 1
mô hình trong một lần chạy, do đó chúng tôi
đã áp dụng thuật toán chạy song song [2], để
có thể chạy nhiều mô hình cùng lúc (12÷14
mô hình). Thuật toán này được tích hợp vào
trong quá trình hiệu chỉnh tự động và sử dụng
12÷14/16 bộ vi xử lý của máy chủ. Chính vì
những ưu việt trên mà mô hình toán mô
phỏng dòng chảy cho hạ du sông Mê Kông
đã được tính toán với 3.000 bộ thông số khác
nhau, mỗi lượt nếu chạy riêng rẽ thì cần
khoảng thời gian là 2,5h, như vậy theo
phương pháp thông thường thì cần đến
7.500h (312 ngày), để tìm ra được bộ thông
số tối ưu phục vụ cho việc hiệu chỉnh mô
hình, trong khi nếu dùng kỹ thuật hiện đại,
thời gian tính toán trong mô hình là 22 ngày.
Trước những ưu việt nổi trội về công nghệ
tính toán, số lần mô phỏng để phục vụ cho
việc cân chỉnh được thực hiện nhiều hơn, qua
đó cơ hội để tìm ra bộ thông số tối ưu cho mô
hình được nâng lên đáng kể.
2. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Phạm vi xây dựng mô hình thủy động lực
1 chiều (1) mô phỏng được chế độ dòng chảy
trên hệ thông sông và các bãi ngập lũ vùng
đồng bằng sông Mê Kông bao gồm đồng
bằng sông Cửu Long, (2) mô hình phải có
tính mở để xây dựng được mô hình vận
chuyển bùn cát lơ lửng dựa trên nền mô hình
thủy động lực.
Mạng sông tính toán được xác định là toàn
bộ vùng đồng bằng sông Mê Kông, từ Kratie
trở ra biển Đông bao gồm hệ thống Hồ Tonle
Sap, các vùng ngập trên lãnh thổ Campuchia
và toàn bộ Đồng bằng sông Cửu Long – Việt
Nam, hệ thống kênh rạch chi tiết đến các kênh
nội đồng và có sự tham gia của các hệ thống
công trình kiểm soát lũ, mặn trên toàn ĐBSCL.
Hình 1: Vùng nghiên cứu
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
367
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Phương pháp nghiên cứu
Xây dựng mô hình toán: dựa trên phương
trình hệ phương trình Saint Venant để diễn
toán dòng chảy trong sông và trong các kênh
dẫn, tại vị trí các công trình thủy lực, dòng
chảy qua công trình được mô tả bằng phương
trình năng lượng hoặc công thức kinh
nghiệm. Các phương pháp này, thể hiện trong
phần mềm MIKE 11 HD. Xây dựng phương
pháp kiểm định tự động đa mục tiêu: trong đó
các hàm mục tiêu là các biến số dòng chảy
trong hệ thống và kiểm định tự động là quá
trình giải bài toán tối ưu đa mục tiêu.
3.2. Kỹ thuật sử dụng
Sử dụng công cụ ArcGIS để xây dựng các
bãi ngập lũ “giả 2 chiều” dựa trên số liệu
DEM 30x30m.
Thông qua ảnh Viễn thám (MODIS), để
giải đoán ảnh và xác định vùng đê bao 3 vụ
và đê bao 2 vụ, làm cơ sở cho việc mô phỏng
lũ trên đồng ruộng tốt hơn.
Dựa trên các tiêu chí hiệu chỉnh để xây
dựng các hàm mục tiêu cho từng thông số
thủy lực: hàm mục tiêu mực nước, lưu lượng
và mức độ ngập. Từ đó giải bài toán tối ưu 3
mục tiêu – bài toán Pareto.
Để tăng nhanh khả năng tính toán, sử dụng
kỹ thuật kết nối các máy chủ có tốc độ cao,
để chạy mô hình song song (parrallel
computation), trong nghiên cứu này, chúng
tôi tính toán 14 mô hình song song.
Xây dựng bản đồ ngập lụt từ mô hình thủy
động lực 1 chiều.
4. KẾT QUẢ
4.1. Kết quả về các hàm mục tiêu
Năm 2011 được chọn để hiệu chỉnh mô
hình, năm 2009-2010 là các năm để kiểm
định mô hình. Mô hình được chạy từ 01/06
đến 31/12 hàng năm, bước thời gian chạy là
t=30 phút để đảm bảo điều kiện ổn định của
bài toán truyền sóng động lực, thời gian chạy
cho mỗi mô hình là khoảng 2,5h. Việc xây
dựng đồ thị Pareto cho 3 hàm mục tiêu được
thể hiện như trong hình số 5, bộ thông số
được chọn là bộ thông số tốt nhất về khoảng
cách đến điểm tối ưu (optimal).
Hình 2: Không gian Pareto của ba
hàm mục tiêu và kết quả tối ưu
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
được thể hiển như trong bảng 1 về độ nhám
và bảng 2 về các hàm mục tiêu. Trong kết
quả hiệu chỉnh mô hình cho năm 2011, trị
số NSE trung bình cho 13 trạm mực nước là
0,84 là rất tốt, NSE = 0,63 cho 10 trạm lưu
lượng là rất khá trong điều kiện mạng sông
phức tạp và ảnh hưởng triều. Kết quả hệ số
FAI = 0,46 ở mức chấp nhận được do đây là
kết quả trung bình của hơn 700 ô lũ trong
mạng sông.
Trong kết quả kiểm định trong hai năm
2009 và 2010, các giá trị NSE và FAI đều
kém hơn kết quả kiểm định nhưng ở mức
chấp nhận được. Riêng năm 2010,
NSE = 0,74 cho mục tiêu lưu lượng là rất
tốt, có thể lý giải là do năm này lũ rất thấp,
Q tràn đồng không nhiều mà chủ yếu tập
trung trên hệ thống sông nên mô hình đã
diễn toán tốt hơn.
Nhìn chung với kết quả như vậy là chấp
nhận được trong điều kiện vùng nghiên cứu
rộng lớn, đặc biệt việc hàm mục tiêu lưu
lượng cho kết quả khá tốt là bước tiến bộ
rất lớn trong việc hiệu chỉnh mô hình toán
nói chung cho vùng ĐBSCL.
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5
368
Bảng 1: Kết quả hiệu chỉnh mô hình năm 2011 và kiểm định mô hình năm 2009, 2010
Mục tiêu
Số trạm
Hiệu chỉnh (2011)
Kiểm định
(2009/2010)
NSE
FAI
FAI
H (m)
13
0,84
-
-
Q (m3.s-1)
10
0,63
-
-
Ngập
571
-
0.46
0,39/0,36
4.2. Kết quả về biến động theo thời gian
và không gian
Kết quả so sánh giữa thực đo và tính toán
tại một số trạm chính trên sông Tiền, sông
Hậu được thể hiện như hình 4, kết quả cho
thấy tham số tối ưu đã mô tả được quá trình
thủy động lực trên sông, kết quả mô phỏng
thể hiện tốt cả dạng lũ và đỉnh lũ.
Kết quả so sánh về mức độ ngập trong các
ô bao, kết quả cho thấy rằng có sự phù hợp
trong tính toán và thực đo của mức độ ngập
trong vùng ô bao, tuy nhiên mục tiêu là sự
biến động theo không gian và thời gian nên
độ phù hợp còn hạn chế (FAI = 0,46) nhưng
ở mức chấp nhận được.
Từ so sánh trực quan này có thể kết luận
rằng bộ tham số tối ưu là đáng tin cậy trong
việc sử dụng để diễn toán lũ trong vùng
nghiên cứu.
Hình 3: Kết quả so sánh mức độ ngập lụt
giữa kết quả mô hình (màu hồng nhạt)
và kết quả đo đạc qua ảnh vệ tinh ENVISAT
ASAR (màu xanh nước biển)
Hình 4: Kết quả so sánh thực đo và tính toán
Q, H tại Tân Châu, Châu Đốc và Vàm Nao
trên sông Tiền và sông Hậu
5. KẾT LUẬN
Việc ứng dụng công nghệ thông tin trong
công tác thủy lợi đã làm tăng mức độ tin cậy
và giảm được đáng kể các tính toán, đặc biệt
là ở các vùng có hệ thống thủy lợi lớn và
phức tạp như vùng ĐBSCL. Hầu hết các kết
quả đo đạc lưu lượng dòng chảy trên dòng
chính và trong các kênh chính được sử dụng
hiệu chỉnh cho vùng ĐBSCL.
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Mathematical model of the Mekong River
Delta, UNESCO-SOGREAH, Descriptive
and operating manual, 1967 pp 98.
[2] Tang, Y., Reed, P. M., and Kollat, J. B.:
Parallelization strategies for rapid and robust
evolutionary multiobjective optimization in
water resources applications, Adv. Water
Resour., 30, 335–353,
doi:10.1016/j.advwatres.2006.06.006, 2007.
[3] Nguyễn Tất Đắc (2005), Mô hình toán cho
dòng chảy và chất lượng nước trên hệ thống
sông kênh, NXB Nông Nghiệp
[4] Mô hình KOD, Nguyễn Ân Niên, Viện
KHTL miền Nam.
[5] Mô hình HydroGIS, Nguyễn Hữu Nhân
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2015. ISBN: 978-604-82-1710-5