Khả năng sử dụng 3Di như một mô hình thiên tai lũ lụt

Khả năng sử dụng 3Di như một mô hình thiên tai lũ lụt

Với tình trạng biến đổi khí hậu ngày càng khó lường, nhu cầu về “mô hình ứng phó lũ khẩn cấp” cho các kịch bản bất ngờ và biện pháp xử lý ngày càng tăng cao. Đặc biệt, các cơ sở hạ tầng lỗi thời cũng mang nhiều nguy cơ tiềm ẩn gây nhiều nguy hiểm khi có thiên tai xảy ra, chẳng hạn như vỡ đê.

Waterschap Rijn en IJssel hiện đang đầu tư vào một hệ thống cập nhật thông tin kịp thời về các hậu quả có thể xảy ra khi đê sông bị vỡ. Họ đang phát triển các mô hình lũ mới trong hệ thống D-Hydro cho 5 khu vực có đê nằm trong phạm vi quản lý của mình.

Đây là những mô hình chính sách, được thiết kế để hỗ trợ người có thẩm quyền đưa ra quyết định trong các tình huống khác nhau. Vì lý do này, các mô hình được ưu tiên tính chính xác trong mô phỏng, tuy vậy chúng tôi cũng phải chấp nhận rằng tốc độ tính toán lại cần phải được xem là yếu tố thứ yếu.

Các mô hình chính sách này được sử dụng để tạo ra hàng trăm hình ảnh ngập lụt cho nhiều kịch bản khác nhau. Ví dụ, với kịch bản vỡ đê được xây dựng dọc theo sông Rhine và IJssel, chúng tôi đã đa dạng hóa các tình huống giả định bằng cách thay đổi các tham số trong phương trình, chẳng hạn như với các mực nước sông khác nhau.

Chính vì vậy kết quả thu được là một kho lưu trữ lớn về các tình huống ngập lụt tiềm năng được tạo ra. Dựa trên những thông tin này, các quyết định chính sách liên quan đến việc gia cố đê, thiết kế cảnh quan (như vị trí xây dựng nhà ở) và lập kế hoạch ứng phó khẩn cấp được đã được đề xuất. 

Tuy nhiên, dù có chuẩn bị kỹ càng thế nào, ta cũng sẽ không thể lường trước được mọi tình huống vì có rất nhiều yếu tố nằm ngoài tầm kiểm soát của người làm mô hình. Waterschap Rijn en IJssel quản lý gần 150km đê phòng lũ chính, và trên lý thuyết các sự cố vỡ đê sẽ xảy ra hầu hết trên cung đường này. Dù vậy, vấn đề lại nằm ở sự không chắc chắn về cách thức và tốc độ mà một đoạn đê có thể vỡ.

Ở mỗi vị trí, mực nước sông cũng có thể thay đổi, và ngoài mực nước gây vỡ đê, các biểu hiện tiếp theo của đợt sóng xả nước cũng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự biến thiên của dòng nước. Mặc dù không phải yếu tố nào cũng gây ra sự khác biệt lớn về mức độ ngập, những điều này đồng nghĩa rằng bất kỳ trận lụt thực tế nào cũng sẽ có một phần khác biệt so với các kịch bản đã chuẩn bị.

Chính vì vậy, ngoài việc dự đoán biểu hiện của lũ, chúng ta cần chuẩn bị và thí nghiệm các biện pháp khác nhau trong trường hợp vỡ đê. Ví dụ, ta có thể làm chậm hoặc kiểm soát sự lan rộng của nước bằng cách sử dụng các rào chắn lũ di động. Hay một sáng tạo khác như “bịt lỗ vỡ đê bằng một con tàu”. Khi đó, nhu cầu về các tính toán “thời gian thực” là rất cần thiết để hiểu được hiệu quả của các biện pháp này trong việc giảm thiểu hoặc làm chậm sự lan rộng của nước lũ.

Vì không thể dự đoán chính xác tình huống đe dọa cũng như tất cả các biện pháp có thể thực hiện cùng lúc, việc xây dựng một “mô hình ứng phó lũ khẩn cấp” là cực kì cần thiết. Với mô hình này, các mô phỏng lũ có thể được thực hiện một cách nhanh chóng.

Phần mềm 3Di đã được các chuyên gia độc lập nghiên cứu nhiều lần, chẳng hạn như trong Báo cáo Đánh giá So sánh Mô hình Ngập lụt (STOWA, 2017). Tuy nhiên, chúng tôi vẫn đang cải tiến nó với nhiều tính năng mới đang được phát triển. Điều này đặt ra một bài toán mới để đánh giá hiệu suất và tính năng của 3Di trong ứng dụng này.

Mô hình ứng phó cần có khả năng cung cấp thông tin ngập lụt mới dưới áp lực thời gian. Trên thực tế, quá trình này có thể chia thành ba giai đoạn:

  1. Chuyển đổi các thông tin thành một kịch bản mô hình và xây dựng sơ đồ hóa trong phần mềm.
  2. Bắt đầu và vận hành mô phỏng.
  3. Xử lý kết quả và phân phối thông tin phù hợp đến các đơn vị xử lý khủng hoảng.

Để hiểu rõ hơn về việc sử dụng 3Di trong ba giai đoạn này, chúng tôi đặt ra 3 câu hỏi nghiên cứu chính để giải quyết vấn đề: 

  1. Việc cấu hình một kịch bản nhanh chóng có dễ dàng không?
  2. Tốc độ tính toán có đủ nhanh mà không làm giảm độ chính xác không?
  3. Liệu có thể chuyển đổi kết quả và chia sẻ thông tin nhanh chóng không?

Những câu hỏi nghiên cứu này đã được trả lời trong một nghiên cứu cho vòng đê 49. Vòng đê 49 “IJsselland” nằm ở phía đông sông IJssel và bao gồm một số thành phố nội địa, trong đó có Doetinchem và Doesburg. Diện tích của khu vực này khoảng 10 x 10 km.

 

Báo cáo Đánh giá So sánh Mô hình Ngập lụt (STOWA, 2017)
Báo cáo Đánh giá So sánh Mô hình Ngập lụt (STOWA, 2017)

Công tác chuẩn bị: cấu hình kịch bản lũ lụt

Trong quy trình công việc của Waterschap Rijn en IJssel, mọi yêu cầu về việc xử lí thông tin được thực hiện với một trong các chuyên gia thủy văn. Họ là những người chuyên về mô hình hóa, chịu trách nhiệm chuyển các yêu cầu này thành kịch bản lũ lụt, hay còn gọi là sơ đồ mô hình.

3Di cung cấp một ứng dụng mã nguồn mở trên máy tính để bàn để xây dựng sơ đồ kịch bản lũ lụt, gọi là “Giao diện 3Di Modeller”. Đây là phiên bản chỉnh sửa của QGIS, phần mềm GIS mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới. Ý tưởng đằng sau điều này là mô hình thủy động lực thường đã được thực hiện trong một chương trình GIS, sau đó được chuyển đổi thành các tệp mô hình yêu cầu. 3Di bỏ qua bước này bằng cách cho phép người dùng tạo mô hình trực tiếp trong môi trường GIS.

Khi tạo mô hình ứng phó lũ cho vòng đê 49, việc mô hình hóa trong GIS mang lại nhiều lợi ích. Mô hình độ cao có thể được tải lên dưới định dạng raster (GeoTiff). 3Di có thể xử lý độ phân giải gốc của AHN: 0,5 x 0,5 m. Thông qua công nghệ subgrid, các biến động chi tiết về độ cao (và dòng chảy nước) đều được thể hiện rõ ràng trong mô hình, mặc dù lưới tính toán có độ phân giải thô hơn (dao động từ 20 đến 80 mét).

Một ứng dụng thực tế khác của GIS khi tạo mô hình lũ là chỉ định các yếu tố đường cao. Giống như trong D-Hydro, các “đường chướng ngại vật” có thể được sử dụng trong 3Di để chỉ rõ nơi các yếu tố tầm cao nằm ở đâu trong cảnh quan.

Điều này giúp tăng độ chính xác của mô phỏng lũ mà không yêu cầu thêm các ô tính toán (và do đó, không làm tăng thời gian tính toán). Những đường này có thể được sao chép từ các tệp GIS khác, chẳng hạn như tệp đường bộ và đường đỉnh của đê. Các chức năng của QGIS cơ bản giúp việc sao chép từ tệp nguồn vào mô hình trở nên dễ dàng.

Trong ứng dụng mô hình hóa ứng phó thảm họa cho Waterschap Rijn en IJssel, có thể cần thiết phải xây dựng sơ đồ các biện pháp khẩn cấp để hình dung tác dụng của chúng. Một ví dụ thực tế là đóng các hầm vượt hoặc nâng cao các con đường nằm ngoài bán kính 5 km tính từ vị trí đê vỡ. Những điều chỉnh không gian này có thể dễ dàng thực hiện với các chức năng GIS tiêu chuẩn trong Giao diện 3Di Modeller.

Mặc dù các khả năng rộng lớn mà mô hình hóa trong GIS mang lại, nhưng cũng có nhược điểm là tính phức tạp. Do có nhiều khả năng, đôi khi rất khó để tìm ra các chức năng cần thiết. Vì vậy, người mô hình hóa cần thời gian để làm quen với phần mềm. Quá trình học hỏi có thể đầy thử thách và đòi hỏi nhiều nỗ lực, mặc dù trong nghiên cứu nó cũng không khó hơn so với các phần mềm mô phỏng mô hình khác. 

Ở một số khía cạnh, việc xây dựng mô hình (schematization) trong 3Di được thực hiện chi tiết hơn so với các phần mềm mô hình hóa khác. Lấy cách mô hình hóa một đập tràn (weir) làm ví dụ. Trong 3Di, đập tràn được mô hình hóa dưới dạng kết nối giữa hai điểm tính toán (một điểm trước đập và một điểm sau đập).

Trong khi đó, ở các phần mềm tính toán khác, đập tràn thường được biểu diễn đơn giản hơn dưới dạng một điểm duy nhất trên dòng nước. Việc xây dựng mô hình chi tiết trong 3Di mang lại lợi thế là người lập mô hình có thể kiểm soát tốt hơn hành vi của mô hình trong tình huống lũ lụt. Tuy nhiên, cách tiếp cận chi tiết này cũng làm cho việc nhập liệu trở nên phức tạp hơn. Điều này có thể gây khó khăn cho những người lập mô hình thiếu kinh nghiệm trong việc chọn phương pháp mô hình hóa chính xác, dẫn đến nguy cơ xảy ra lỗi.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi nhận thấy cách tốt nhất để ứng phó thảm họa là hạn chế tối đa việc phải chỉnh sửa mô hình ngay tại thời điểm xảy ra sự cố. Vì vậy, cần chuẩn bị sẵn một “mô hình cơ bản,” trong đó đã bao gồm các thông tin quan trọng như vị trí vỡ đê tiềm năng. Khi thảm họa xảy ra, chỉ cần mở vị trí vỡ và thêm dữ liệu về mực nước bên ngoài là đủ. Một chuyên gia có kinh nghiệm có thể thực hiện các điều chỉnh này chỉ trong vài phút.

Tính toán: Thời gian tính toán ngắn với độ chính xác đủ

Để sử dụng mô hình ứng phó lũ lụt 3Di cho khu vực đê bao số 49 trong tình huống khẩn cấp, yêu cầu đặt ra là toàn bộ quá trình từ xây dựng kịch bản, thực hiện tính toán đến cung cấp thông tin lũ lụt phải được hoàn thành trong vòng tối đa 1 giờ. Điều này đòi hỏi mô hình phải có khả năng tính toán rất nhanh.

Tuy nhiên, với mô hình chính sách, thời gian không phải là vấn đề quan trọng vì mục tiêu chính là đảm bảo độ chính xác cao nhất. Thời gian tính toán của mô hình chính sách cho khu vực đê bao số 49 có thể kéo dài từ 2 đến 4 giờ (với khoảng thời gian mô phỏng là 31 ngày). Đối với những khu vực đê bao lớn hơn, thời gian này có thể lên đến vài ngày.

Mô hình ứng phó lũ lụt 3Di được đánh giá là có khả năng tính toán nhanh hơn mô hình chính sách D-HYDRO, nhờ áp dụng hai kỹ thuật: Subgrid và Quadtree. Subgrid giúp mở rộng kích thước ô tính toán, giảm số lượng ô cần xử lý, qua đó tăng tốc độ tính toán mà vẫn giữ được độ chính xác nhờ lưới phụ chi tiết nằm bên dưới. Tuy nhiên, ở những khu vực có địa hình phức tạp, như nơi đặt hệ thống thoát nước, cần sử dụng các ô tính toán nhỏ hơn để đảm bảo kết quả chính xác. 

Trong nghiên cứu này, mô phỏng của 9 ngày đã được hoàn thành trong vòng chưa đến 1 giờ hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đề ra. Để đạt được hiệu quả này, người thiết lập mô hình cần đưa ra những lựa chọn hợp lý khi thiết kế lưới tính toán. Việc áp dụng kỹ thuật kết hợp subgrid-quadtree đòi hỏi kinh nghiệm và hiểu biết chuyên sâu, vì nó phức tạp hơn so với cách sử dụng lưới tính toán truyền thống, vốn chỉ có một kích thước lưới cố định và một độ cao địa hình cho từng ô.

hời gian tính toán mô hình đê bao số 49 kéo dài 2-4 giờ cho 31 ngày mô phỏng
hời gian tính toán mô hình đê bao số 49 kéo dài 2-4 giờ cho 31 ngày mô phỏng

Không chỉ tốc độ tính toán mà cả độ chính xác của phép tính cũng được xem xét. Các nguyên lý cơ bản vẫn giống như trong mô hình chính sách. Nghiên cứu không phát hiện dấu hiệu nào cho thấy 3Di thiếu độ chính xác ở các điểm cơ bản. Tuy nhiên, việc lựa chọn sơ đồ mô hình đúng đắn để đạt được kết quả đáng tin cậy là tùy thuộc vào người mô hình hóa.

Đối với mô hình lũ, sự phát triển của vết rò rỉ và tốc độ dòng chảy qua vết rò có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả. Cách tính toán của 3Di về vấn đề này được mô tả rõ ràng trong tài liệu và có thể được kiểm tra bằng công thức phân tích. Hơn nữa, nghiên cứu này xác nhận ảnh hưởng và độ nhạy cảm của việc xây dựng sơ đồ sự phát triển vết rò và tính toán.

Ví dụ, 3Di, D-HYDRO và Tygron sử dụng cùng một công thức phát triển vết rò, cụ thể là công thức của Verheij van der Knaap. Kết quả nhìn chung là tương tự nhưng chúng tôi nhận thấy có  sự khác biệt nhỏ. Nguyên nhân là do 3Di xử lý một số điểm khác so với các phần mềm còn lại, chẳng hạn như việc sử dụng công nghệ subgrid trong ô tính toán nơi vết rò xuất hiện khiến người mô hình hóa cần chú ý đến khu vực này trong phép tính lũ.

Quá trình phát triển lũ và hình ảnh cuối cùng từ mô hình thiên tai 3Di cho vòng đê 49 tương tự như kết quả từ mô hình của D-HYDRO. Hình dưới đây cho thấy hình ảnh cuối cùng của hai mô hình cạnh nhau. Cần lưu ý rằng trong mô hình chính sách, hệ thống thủy văn đã được mô phỏng thêm theo chiều 1D.

Trong mô hình thiên tai, các dòng chảy thủy văn là một phần của subgrid. Điều này dẫn đến sự phân bố nước khác nhau một chút về phía nội địa. Những sự khác biệt khác chủ yếu được giải thích bởi sự khác biệt nhẹ trong hành trình và tổng lượng dòng chảy qua vết rò.

So sánh 2 mô hình thiên tai lũ lụt 3Di và D-HYDRO
So sánh 2 mô hình thiên tai lũ lụt 3Di và D-HYDRO

Sau khi tính toán: tạo ra và phân phối thông tin

Một ưu điểm lớn của 3Di trong mô hình thiên tai ad hoc là quá trình lũ lụt đã được hình thành ngay trong quá trình tính toán. Với nhiều phần mềm khác, người dùng có thể xem các kết quả tạm thời trong khi mô phỏng, nhưng 3Di cung cấp tính năng này ngay lập tức qua website 3Di Live. Tính năng này đã được kiểm tra trong một buổi làm việc với mô hình thảm họa cho Vòng đê 49.

Người mô hình hóa bắt đầu tính toán, sau đó các các thành viên khác có thể theo dõi quá trình này bằng cách xem trên website 3Di Live trên máy tính xách tay của mình. Điều này giúp người mô hình hóa phân tích hành vi của hệ thống ngay từ giai đoạn đầu và thậm chí điều chỉnh mô hình trong khi tính toán để bổ sung các biện pháp khẩn cấp. Trong các tình huống khủng hoảng khi thời gian có hạn, điều này có thể mang lại giá trị gia tăng lớn.

Website 3Di Live cũng cung cấp khả năng tính toán ‘tương tác’, có nghĩa là phép tính có thể tạm dừng, sau đó điều chỉnh và tiếp tục đây là một tính nặng cực hiệu quả để kiểm tra hiệu quả của các công trình phòng ngừa lũ tạm thời. Sau khi người mô hình hóa bắt đầu mô phỏng, các thành phần liên quan có thể theo dõi sự lan rộng của lũ lụt trên màn hình của họ.

Sau một thời gian tính toán ngắn, mô phỏng được tạm dừng và nhóm bắt đầu thảo luận về các vị trí phù hợp để đặt bao cát. Các vị trí này được vẽ lại trên sơ đồ tại những vị trí đã chọn bằng chức năng rào chắn lũ. Chức năng này cho phép người dùng vẽ một đường tại vị trí của rào chắn. Sau đó, phép tính có thể tiếp tục để mô phỏng hiệu quả của bao cát đối với sự lan truyền của nước.

Khi mô phỏng của kịch bản được hoàn tất, tất cả các kết quả có thể được lữu trữ, xử lý hậu kì, và phân phối trên hệ thống đám mây của 3Di. Toàn bộ kết quả sẽ được tổng hợp theo một cơ sở dữ liệu mô hình với cấu trúc rõ ràng và có thể được bổ sung thêm thông tin siêu dữ liệu (metadata) nếu cần thiết. Đối với các tình huống thảm họa, 3Dicó sẵn nhiều chức năng để chuyển đổi hình ảnh lũ thành các sản phẩm thông tin hữu ích khác. Các bản đồ sau đây đã được tạo ra cho các kịch bản tính toán cho Vòng đê 49:

  • Độ sâu nước tối đa
  • Vận tốc dòng chảy tối đa
  • Thời gian đến
  • Tỷ lệ gia tăng
  • Ước tính thiệt hại

Trong trường hợp này, việc xử lý hậu kỳ cực kì hiệu quả: việc tạo ra các bản đồ cần thiết hoàn toàn được tự động hóa và sẽ thông báo sẽ được gửi đến người dùng ngay khi chúng sẵn sàng. Sau đó 3Di cung cấp một cổng web trình bày toàn bộ các kịch bản lũ nơi mà người dùng có thể thuận tiện xem lại toàn bộ các phương án đã được đề xuất và thậm chí là xem lại biểu hiện của dòng nước theo thời gian.

Đối với các ứng dụng nâng cao, các sản phẩm thông tin cũng có thể được liên kết thông qua API. Một ứng dụng cụ thể của điều này là việc người dùng có thể mở khóa bản đồ trực tiếp trong LCMS.

Kết luận

Nghiên cứu này nhằm đánh giá mức độ phù hợp của 3Di như một mô hình mô phỏng lũ lụt để sử dụng trong các tình huống khẩn cấp. Kết quả cho thấy 3Di là một công cụ chuyên dụng, luôn cung cấp kết quả có thể truy vết với độ chính xác không thua kém các công cụ khác, đồng thời có thời gian tính toán nhanh hơn so với các mô hình chính sách truyền thống.

Đặc biệt, 3Di tự động xử lý hậu kỳ và trình bày thông tin dưới dạng bản đồ dễ hiểu, bao gồm tốc độ dòng chảy và thời gian nước đến, thông qua giao diện web trực quan. Điều này mang lại giá trị lớn cho các tổ chức ứng phó khủng hoảng, nơi cần xử lý và truyền đạt thông tin nhanh chóng để hỗ trợ ra quyết định.

Để lại một bình luận

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

HotlineZalo OAMessenger