Bồi lắng, xói lở là quá trình tự nhiên liên tục xảy ra ở hầu hết các sông trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Quá trình bồi tụ - xói lở thường đan xen trong cùng một con sông và nó ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hoạt động kinh tế - xã hội của cộng đồng dân cư ven sông, nhất là tính mạng con người và tài sản của người dân.

Để nghiên cứu các vấn đề trên, trước đây và hiện tại thường sử dụng một số phương pháp bổ trợ: phân tích tài liệu thực đo, mô hình vật lý, công nghệ viễn thám, GIS và mô hình toán. Mỗi phương pháp khi áp dụng vào bài toán thực tế đều có những ưu, nhược điểm riêng, trong đó phương pháp mô hình toán – đặc biệt là mô hình toán 2D gần đây được ứng dụng rộng rãi. Có thể dẫn ra một số mô hình 2D: Mike 21, Mike 21C, Mike 21 FM, EFDC, …

Các kết quả nghiên cứu ứng dụng mô hình Mike 21C ở một số đoạn sông trên thế giới cũng như trong nước cho thấy mô hình Mike 21C 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; còn việc tính toán diễn biến bờ thì sử dụng các công thức thực nghiệm. Như vậy, câu hỏi đặt ra rằng, 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 thì Mike 21C 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, và sau đó dừng lại, mà không tính liên tục diễn biến bờ theo không gian và thời gian.

Từ những phân tích trên, 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 cùng các cộng sự tại Viện Khoa học và Công nghệ tính toán thực hiện với mục tiêu xây dựng được 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 và ứng dụng cho 2 đoạn sông thuộc đồng bằng sông Cửu Long.

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 thuộc sông Tiền của Đồng bằng sông Cửu Long (đoạn qua thị xã Tân Châu - An Giang và Sa Đéc - Đồng Tháp), đề tài đã thực hiện được một số kết quả chính như sau:

1. Đã nắm bắt và làm chủ được công nghệ dựa trên thuật toán API cho GPU clusters giải hệ phương trình của mô hình toán và xây dựng mô đun trình diễn kết quả 3D. Thuật giải song song trong CUDA giúp thực thi nhiều bước tính toán lặp đi lặp lại trong mô hình một cách đồng thời nhằm tiết kiệm thời gian tính toán và gia tăng hiệu năng xử lý tính toán của mô hình. CUDA với khả năng tính toán song song nhiều phép toán mà vẫn có sự độc lập của các biến sử dụng, hứa hẹn không chỉ giúp tiết kiệm thời gian xử lý của mô hình toán mà còn tăng hiệu năng trong việc ứng dụng tính toán vào các mô hình toán như mô hình toán thủy lực, mô hình toán vận chuyển bùn cát, bồi xói đáy cũng như các bài toán dự báo trong khí tượng, thuỷ văn.

2. Dựa trên các phương trình vi phân cơ bản thủy động lực học, đã xây dựng được phần mềm mô phỏng quá trình động lực học hình thái sông, mô đun tính toán sạt bờ theo cơ chế xói đáy trượt bờ. Trong đó, hàm số nguồn khai thác cát đã được phát triển trong mô đụn tính toán diễn biến đáy nhằm tính toán diễn biến đáy được tốt hơn.

3. Qua ứng dụng công nghệ viễn thám GIS, đề tài đã xây dựng được 12 bản đồ (6 bản đồ biến động đường bờ và 6 bản đồ tốc độ biến động cho 2 đoạn sông Tiền đi qua thị xã Tân Châu và Sa Đéc giai đoạn 1989 - 1999, 1999-2009 và 2009-2019) và đánh giá diễn biến đường bờ. Các kết quả này sẽ làm cơ sở để đánh giá các kết quả tính toán bồi xói từ phần mềm HYDIST.

4. Mô hình HYDIST được ứng dụng để tính xen kẽ giữa bài toán thủy lực và hình thái sạt® mất an toàn ® bờ dốc nhiều hơn ®lòng dẫn kết hợp với sạt bờ theo cơ chế (xói đáy bờ) - cơ chế trượt cong. Mô hình đã tính thử nghiệm cho hai đoạn sông Tiền đi qua thị xã Tân Châu - An Giang và thành phố Sa Đéc. Kết quả tính toán hình thái lòng dẫn theo các năm có xu thế diễn biến khá phù hợp với diễn biến hình thái nơi đây (từ kết quả giải đoán ảnh viễn thám và từ thực tế). Kết quả cho thấy với cấu tạo địa chất của đoạn sông Tiền khu 30 vực này thì mức độ ổn định của mái bờ tương ứng với hệ số Fs tới hạn bằng 1,119. Mô hình không chỉ ứng dụng được để tính toán hình thái sông cho các đoạn sông thuộc ĐBSCL 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.

5. Với sự giúp đỡ của nhóm nghiên cứu phía Hàn Quốc, mà đứng đầu là giáo sư WonKi Jeong, thuộc Viện Khoa học Kỹ thuật quốc gia Ulsan, phần mềm HYDIST (2D) dựa trên GPUs được xây dựng, phần mềm này đã làm cho tốc độ tính toán tăng nhanh hơn rất nhiều lần, cụ thể là khi ứng dụng tính toán vận chuyển bùn cát cho hai đoạn sông Tiền thì tốc độ tính toán đã tăng khoảng hơn 30 lần so với khi tính trên CPU. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu phía Hàn Quốc đã hỗ trợ thiết lập mô đun trình diễn kết quả 3D, giúp hiển thị tốt hơn cho người nhìn. Việc này góp phần hiệu chỉnh các thông số của vùng tính một cách nhanh chóng và trực quan hơn trong quá trình tính toán diễn biến hình thái sông theo thời gian.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 20020/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)