Sau khi tiếp nhận từ Viện Cơ học chất lỏng Toulouse từ đầu những năm 2000, Viện Cơ học đã phát triển mô hình thuỷ văn thông số phân bố Marine với nhiều kỹ thuật: tự động hiệu chỉnh các tham số bằng 06 phương pháp ước lượng tối ưu; thay thế phân bố mưa theo đa giác Thiessen bằng nội suy 2D Kriging; nâng 4 hướng dòng chảy thành 8 hướng; tự động xử lý GIS không dùng phần mềm thứ 3 như ArcView (Fill DEM - thuật toán Planchon và Darboux, Flow Direction, Flow Accumulation); tính toán song song CPUs - GPUs giảm thời gian tính khi chia mịn ô lưới,... Đặc biệt là hướng xử lý sử dụng phương pháp khối hữu hạn giải phương trình nước nông Saint Venant 2 chiều đầy đủ (mô hình Marine chỉ sử dụng giả thiết đơn giản vận tốc ô lưới là hàm của mực nước) - thay đổi toàn bộ hệ phương trình xuất phát. Sau đó đã được áp dụng tính dự báo cho toàn bộ gần 20 lưu vực lớn trên toàn Việt Nam, kể cả áp dụng tính theo quy trình liên hồ chứa.
Tuy nhiên, với nhu cầu tính dự báo theo thời gian thực (10 phút / bản tin), việc áp dụng mô hình thuỷ văn thông số phân bố là bất khả thi với năng lực tính toán của hệ thống máy tính hiệu năng cao hiện có của nhóm đề tài (04 GPUs 1080). Do đó, cần xây dựng và phát triển mô hình thuỷ văn thông số tập trung đáp ứng được các tiêu chí cần có.
Nghiên cứu này thử nghiệm 06 phương pháp (Phương pháp ô vuông, Phương pháp Rosenbrock, Phương pháp Nelder-Mead, Phương pháp Hooke-Jeeves, Giải thuật di truyền, Phương pháp SCE) giải bài toán ước tính thông số tối ưu cho mô hình thủy văn Nielsen-Hansen, kết hợp xử lý song song trên GPUs để tăng tốc độ tính toán, áp dụng tính cho 12 lưu vực cụ thể, tìm ra bộ thông số phù hợp nhất cho từng lưu vực. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra ưu nhược điểm của từng phương pháp đối với từng lưu vực.
1. Tính cấp thiết của đề tài
Dự báo thuỷ văn, thủy lực là công việc dự báo trước cho tương lai một cách có khoa học về trạng thái biến đổi các yếu tố thuỷ văn, tuy nhiên sự biến đổi này là một quá trình tự nhiên phức tạp, chịu tác động của rất nhiều yếu tố. Tính biến động của các yếu tố này phụ thuộc vào cả không gian và thời gian nên gây khó khăn rất lớn cho quá trình dự báo. Thêm vào đó, do thiếu các trạm quan trắc cần thiết và thiếu sự kết hợp giữa các ngành liên quan cho nên dữ liệu quan trắc thực tế thường là không đầy đủ, không mang tính chất đại diện.
Dự báo thủy văn có ý nghĩa lớn trong điều tiết dòng chảy, khai thác nguồn nước cho phát điện, giao thông thủy, tưới (nhất là ở vùng khô hạn), cấp nước, quản lý nguồn nước, chất lượng nước. Dự báo thủy văn đặc biệt quan trọng trong đối phó với các hiện tượng nguy hiểm trên sông như lũ, lụt, hạn hán,... cũng như rất quan trọng đối với thiết kế và thi công, vận hành các công trình thủy lợi, các công trình thủy nói chung.
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp dự báo đã được đưa ra dựa trên mô hình vật lý và toán học, kết quả của các mô hình nói trên đã đạt được một số thành công đáng ghi nhận. Tuy nhiên, các mô hình đều có những ưu và nhược điểm nhất định, vấn đề tìm kiếm phương pháp đủ tốt, đáp ứng các yêu cầu thực tế giải quyết bài toán dự báo thuỷ văn, thủy lực vẫn là nội dung nghiên cứu thời sự hiện nay.
Tìm kiếm phương pháp giải bài toán ước tính thông số tối ưu trong mô hình thủy văn giúp giải quyết được bài toán hiệu quả, tìm ra bộ thông số phù hợp nhất cho từng vùng phục vụ cho quá trình tác nghiệp dự báo thủy văn một cách chính xác hơn. Trong đề tài này, tác giả chọn lựa hướng đề xuất “Nghiên cứu phát triển mô hình thủy văn thông số tập trung trong dự báo lũ cho các lưu vực sông ở Việt Nam”.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và xây dựng mô hình thủy văn thông số tập trung sử dụng phương pháp số giải bài toán ước tính thông số tối ưu.
3. Phương pháp nghiên cứu
• Phân tích, Tổng hợp và So sánh.
• Mô phỏng.
4. Nội dung chính
Chương 1: Tổng quan về mô hình thủy văn
Giới thiệu và phân loại các mô hình thủy văn phổ biến. Giới thiệu chung về mô hình thủy văn Nielsen-Hansen.
Chương 2: Phương pháp số giải bài toán ước tính thông số tối ưu cho mô hình thủy văn thông số tập trung
Tổng quan về các phương pháp giải bài toán ước tính thông số tối ưu bao gồm: Phương pháp ô vuông, Phương pháp Rosenbrock, Phương pháp Nelder-Mead, Phương pháp Hooke-Jeeves, Giải thuật di truyền, Phương pháp SCE.
Chương 3: Xây dựng phần mềm dự báo lũ bằng mô hình thủy văn thông số tập trung có sử dụng phương pháp ước tính thông số tối ưu
Giới thiệu sơ đồ khối mô hình thủy văn Nielsen-Hansen và sơ đồ khối các phương pháp giải bài toán ước tính thông số tối ưu: Phương pháp ô vuông, Phương pháp Rosenbrock, Phương pháp Nelder-Mead, Phương pháp Hooke-Jeeves, Giải thuật di truyền, Phương pháp SCE.
Chương 4: Thử nghiệm công nghệ trong tính toán dự báo lũ trên một số lưu vực sông
Trong nghiên cứu này, chúng tôi thử nghiệm trên 12 lưu vực thủy văn bao gồm: Bản Chát, Huội Quảng, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang, Hàm Yên, Yên Bái, Cầu, Thương, Lục Nam, Lâm Sơn. Trong 12 lưu vực trên, ngoài Lâm Sơn, thì 11 lưu vực này đều là các lưu vực chính trong hệ thống các lưu vực sông Hồng – Thái Bình, và được hiệu chỉnh dò tìm các thông số với bộ số liệu năm 2016 đến 2019 và lấy bộ thông số tốt nhất kiểm định lại với bộ số liệu năm 2020.