Khí tượng thủy văn cho các hồ chứa: Giải bài toán dự báo và cảnh báo

Những bản tin mà hệ thống dự báo và cảnh báo khí tượng thủy văn của Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường (CEFD) cung cấp sẽ góp phần giúp các hồ chứa khai thác tài nguyên nước hiệu quả, tối ưu hóa các mục tiêu và đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành.

Thiếu thông tin dự báo cho các hồ chứa vừa và nhỏ

Chỉ cần nhìn lại cơn khủng hoảng thiếu điện vào mùa hè năm 2023 ở miền Bắc, chúng ta sẽ phần nào hiểu được tầm quan trọng của thông tin dự báo khí tượng thủy văn trong vận hành hồ chứa. Giữa lúc các hồ chứa thủy điện đang dần cạn kiệt, nhu cầu sử dụng vẫn tăng cao, các đơn vị vận hành nên xả nước như thế nào để “cứu nguy” kịp thời? Câu trả lời sẽ phụ thuộc rất nhiều vào thông tin dự báo. “Những đơn vị vận hành hồ chứa như chúng tôi luôn mong muốn có được bản tin dự báo khí tượng thủy văn để đưa ra các kịch bản, cũng như cách ứng xử phù hợp với tình hình”, ông Nguyễn Hồng Thạch, Quyền Trưởng ban An toàn và Môi trường, Tổng Công ty Phát điện 1 cho biết. Với hạn dự báo ngắn (dưới 48h), thông tin dự báo sẽ giúp cho các hồ chứa vận hành đảm bảo an toàn công trình, góp phần giảm lũ, đảm bảo an toàn hạ du. Với các hạn dự báo dài (trên 10 ngày), thông tin dự báo giúp chủ hồ vận hành hiệu quả cấp nước/phát điện, lên kế hoạch phòng chống thiếu hụt nước…

Thông tin dự báo cũng là một yêu cầu bắt buộc đối với các đơn vị vận hành hồ chứa. Theo Nghị định số 114/2018/NĐ-CP về Quản lý an toàn đập, hồ chứa nước, các hồ chứa nước có cửa van điều tiết lũ) cần thực hiện các hoạt động về quan trắc (lượng mưa, mực nước thượng hạ lưu, mực nước tại đập tràn), tính toán (lưu lượng đến, lưu lượng xả), dự báo (lưu lượng đến hồ, khả năng gia tăng mực nước hồ chứa). “Với khoảng 7000 hồ chứa trải dài từ Bắc vào Nam, các hồ chứa thủy lợi, thủy điện ở Việt Nam đã cung cấp hàng tỷ m3 nước phục vụ tưới tiêu, nuôi trồng thủy sản, khai thác thủy điện và góp phần điều tiết lũ lụt. Như vậy, nhu cầu về dự báo khí tượng thủy văn cho các hồ chứa hiện nay rất lớn”, ông Phạm Hoàng Hùng, Phó Vụ trưởng Vụ Quản lý dự báo, Tổng Cục Khí tượng thủy văn nhận định.

Là đơn vị có kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực khí tượng thủy văn, các chuyên gia ở Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường (CEFD), trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN) hiểu rõ điều này hơn ai hết. Họ nhanh chóng nhận ra “khoảng trống” giữa nhu cầu của các đơn vị vận hành hồ chứa và thực tế bản tin dự báo. “Chúng tôi từng làm việc với các nhà máy thủy điện, tất cả đều nhận thức rõ việc sử dụng bản tin dự báo trong vận hành để tăng hiệu quả phát điện là rất cần thiết. Tuy nhiên, chất lượng dự báo ở một số nơi chưa đáp ứng được nhu cầu thực tiễn của các đơn vị phát điện”, ThS. Đặng Đình Đức, Trưởng phòng Nghiên cứu và Dịch vụ (CEFD), cho biết. Đối với các hồ chứa vừa và nhỏ, các bản tin dự báo từ Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia hoặc các đài khí tượng thủy văn khu vực thường không đáp ứng được nhu cầu chi tiết của từng hồ. Nếu xây dựng phương án dự báo riêng biệt cho từng hồ sẽ rất tốn thời gian, công sức và không đảm bảo tính sẵn sàng. Do vậy, hoạt động dự báo cho các hồ chứa hiện nay vẫn còn hạn chế. “Các đơn vị quản lý hồ chứa thủy điện lớn đã có hợp tác với các đơn vị dự báo để thực hiện hoạt động dự báo, cảnh báo, chủ yếu về lưu lượng đến hồ. Nhưng nhìn chung, con số trên vẫn còn rất ít”, ông Phạm Hoàng Hùng nhận xét. Với mong muốn giải quyết bài toán cho các hồ chứa nhỏ và vừa, CEFD đã xây dựng một hệ thống dự báo và cảnh báo khí tượng thủy văn phục vụ vận hành hồ chứa thông minh. Dựa trên công nghệ lõi là các mô hình khí tượng, thủy văn tiên tiến có tích hợp các kỹ thuật mới về đồng hóa số liệu, trí tuệ nhân tạo, hệ thống này có thể cung cấp thông tin dự báo khí tượng thủy văn phục vụ vận hành hồ chứa với các hạn dự báo tùy chọn (hạn cực ngắn, hạn vừa, hạn dài) chi tiết từng giờ. “Hệ thống này là một sản phẩm của các nhà khoa học tại trường ĐH Khoa học Tự nhiên, được xây dựng và phát triển hoàn toàn trong nước, với phần lớn công cụ có mã nguồn mở. Do vậy, hệ thống sẽ có tính chủ động cao, linh hoạt, đáp ứng được nhu cầu đa dạng của khách hàng”, PGS.TS. Trần Ngọc Anh, Giám đốc CEFD, cho biết.

Tích hợp những công nghệ mới

Khi được ra mắt vào tháng năm năm nay, hệ thống của CEFD đã thu hút sự chú ý của nhiều người trong ngành. “Sản phẩm là kết quả của một quá trình nghiên cứu lâu dài và rất bài bản”, ông Phạm Hoàng Hùng nhận xét. Quá trình “thai nghén” hệ thống bắt đầu với những bước đi tuần tự nhằm bồi đắp năng lực, kinh nghiệm và cơ sở vật chất của CEFD. Xuất phát từ một tổ tư vấn tính toán vận hành hồ do CEFD thành lập vào năm 2017 để thực hiện nhiệm vụ tính toán các phương án và tư vấn điều hành liên hồ chứa thủy điện thuộc lưu vực sông Hồng trong mùa mưa lũ, phục vụ Ban chỉ đạo trung ương về phòng chống thiên tai. Đến năm 2019, CEFD được World Bank hỗ trợ hệ thống tính toán hiệu năng cao, cơ sở hạ tầng trang thiết bị, máy móc phục vụ các hoạt động dự báo, quan trắc thông qua dự án FIRST (Bộ KH&CN). Trong cùng năm, CEFD chính thức thành lập tổ nghiên cứu – dự báo, ngoài việc tiếp tục duy trì công tác dự báo phục vụ vận hành hồ chứa lưu vực sông Hồng, họ còn mở rộng sang lưu vực sông Trà Khúc và sông Ba (từ năm 2021 đến nay), đồng thời phát triển các công nghệ dự báo thời tiết, sóng biển, thủy triều, dòng chảy trên hệ thống tích hợp, cũng như phát triển các sản phẩm dự báo phục vụ các lĩnh vực năng lượng sạch… “Nhìn vào những dự án đã triển khai, có thể thấy chúng tôi đã đi được hầu hết các địa phương ở Việt Nam”, ThS. Đặng Đình Đức tự hào.

Những “bước chân không mỏi” như vậy đã giúp CEFD có được bộ cơ sở dữ liệu phong phú về khí tượng thủy văn, cũng như các mô hình, công cụ làm nền tảng xây dựng hệ thống dự báo với ba thành phần chính: hệ thống dự báo khí tượng, hệ thống dự báo thủy văn, công cụ hỗ trợ ra quyết định. Thành phần thứ nhất sẽ cung cấp thông tin về mưa, nhiệt độ, bốc hơi… với các hạn dự báo khác nhau. Dữ liệu cung cấp dạng lưới độ phân giải cao (3km) và trung bình các tiểu lưu vực. Thứ hai là hệ thống dự báo thủy văn phục vụ vận hành hồ chứa: cung cấp thông tin dự báo về dòng chảy đến hồ, lưu lượng xả, sự thay đổi mực nước thượng lưu. Thứ ba là công cụ hỗ trợ ra quyết định, bao gồm các công cụ cho phép khai thác số liệu nhanh chóng, hỗ trợ tương tác đa mô hình, các thuật toán AI nhận dạng hình thế và đưa ra khuyến nghị trợ giúp dự báo viên…

Việc tích hợp công nghệ AI là một trong những nỗ lực nhằm tăng cường chất lượng dự báo, giúp nhận diện hình thế thời tiết, mưa – lũ, phân tích với số liệu lịch sử để đưa ra khuyến nghị cho dự báo viên. Chất lượng dự báo hạn cực ngắn cũng được cải thiện nhờ kỹ thuật đồng hóa số liệu trong các mô hình dự báo thời tiết, mô hình thủy văn và áp dụng phương pháp lọc Kalman kép. “Tôi rất ấn tượng với những công nghệ mới như công nghệ AI mà nhóm nghiên cứu đã ứng dụng vào hệ thống dự báo. Đây là điều mà chúng tôi cũng đang rất quan tâm và rất cần”, ông Phạm Hoàng Hùng cho biết.

Một điểm đáng chú ý của hệ thống là cách tiếp cận theo lưu vực sông. “Ưu điểm của cách tiếp cận này là giúp chúng tôi tiết kiệm thời gian, từ đó triển khai các hoạt động dự báo nhanh chóng hơn”, ThS. Đặng Đình Đức cho biết. Cụ thể, hệ thống được phân thành nhiều phân hệ cho từng lưu vực trên khắp cả nước, từ đó kết xuất ra các bản tin dự báo tại mọi vị trí trên lưu vực bao gồm dòng chảy đến hồ cho các thủy điện, do vậy sẽ rút ngắn thời gian ra bản tin cho từng hồ thủy điện trên lưu vực.

Một quy trình dự báo chuẩn sẽ ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu quả của hệ thống. Do vậy, đội ngũ chuyên gia ở CEFD đã xây dựng các quy trình dự báo theo đúng các yêu cầu kỹ thuật của Bộ Tài nguyên & Môi trường, sau đó số hóa trực tiếp vào hệ thống để sử dụng trong nghiệp vụ hằng ngày. Quy trình này bao gồm tám bước: thu thập, xử lý số liệu; phân tích, đánh giá hiện trạng; thực hiện dự báo; thảo luận dự báo, quyết định trị số dự báo; xây dựng bản tin dự báo, cảnh báo và phê duyệt; phát hành bản tin; bổ sung bản tin dự báo, cảnh báo; đánh giá chất lượng bản tin dự báo. Khi triển khai trong thực tế, quy trình sẽ được tùy chỉnh phù hợp cho từng công trình hồ chứa cụ thể.

Hiện nay, hệ thống đã tích hợp và triển khai dự báo cảnh báo cho bốn lưu vực sông gồm: Sông Hồng, sông Mã, sông Trà Khúc và sông Ba. Dù nhận được nhiều phản hồi tích cực song PGS.TS. Trần Ngọc Anh cho rằng, vẫn còn rất nhiều việc cần làm để tiếp tục hoàn thiện hệ thống này, bao gồm nâng cao độ chính xác, chất lượng dự báo cũng như tăng cường tự động hóa, tiết kiệm chi phí, nhân lực khi vận hành hệ thống. Nhưng với sự nỗ lực của CEFD, kết quả có lẽ không quá xa tầm tay. “Dù sản phẩm vẫn còn những điểm cần hoàn thiện, nhưng tôi tin rằng với cách tiếp cận của CEFD, họ sẽ phát triển và tối ưu hóa hệ thống này hơn nữa để phục vụ cho các hoạt động kinh tế xã hội”, ông Phạm Hoàng Hùng nói.