Hệ thống các hồ chứa trên sông Hồng là các hồ chứa đa mục tiêu lớn nhất cả nước, đóng vai trò quan trọng, chủ đạo trong đảm bảo phòng, chống lũ cho Hà Nội và các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia và cấp nước phục vụ sinh hoạt, sản xuất công nghiệp và tưới cho gần 500,000 ha lúa.
Tuy nhiên, công tác điều tiết hệ thống các hồ chứa trên sông Hồng hiện còn gặp nhiều khó khăn do thông tin dự báo dòng chảy đến các hồ còn gặp nhiều sai số, đặc biệt là dự báo trên phần lưu vực ngoài lãnh thổ (chiếm gần 50% diện tích lưu vực) do thiếu thông tin về mưa, dòng chảy và hoạt động của các hồ chứa ngoài lãnh thổ.
Bên cạnh đó, việc điều tiết liên hồ chứa hiện nay chưa thực sự tối ưu, chưa cân bằng được các mục tiêu phòng lũ, phát điện và cấp nước cho hạ du. Trước thực tế đó, Viện Khoa học Tài nguyên nước đã nghiên cứu và phát triển thành công một hệ thống điều tiết liên hồ chứa thông minh, ứng dụng nền tảng số kết hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và các công nghệ tiên tiến.
Sơ đồ và giao diện hệ thống điều tiết liên hồ chứa thông minh trên lưu vực sông HồngHệ thống điều tiết liên hồ chứa thông minh trên nền tảng số
Hệ thống điều tiết liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng được xây dựng trên nền tảng số, tích hợp nhiều công nghệ hiện đại, bao gồm: Tự động thu nhận và xử lý số liệu từ các nguồn khác nhau (trạm đo tự động, viễn thám, cộng đồng); Ứng dụng mô hình toán HEC-HMS kết hợp trí tuệ nhân tạo (mạng nơ-ron nhân tạo) và công nghệ viễn thám để dự báo dòng chảy ngoài lãnh thổ; Tối ưu hóa đa mục tiêu để điều tiết liên hồ chứa hài hòa các nhiệm vụ phòng lũ, phát điện và cấp nước cho hạ du, cụ thể:
Dự báo dòng chảy ngoài lãnh thổ: Hệ thống sử dụng mô hình HEC-HMS để mô phỏng dòng chảy đến các hồ chứa. Mạng nơ-ron nhân tạo được huấn luyện với các dữ liệu đầu vào gồm dòng chảy đến hồ và dung tích hồ chứa để dự báo lưu lượng xả ra. Bên cạnh đó, công nghệ viễn thám giúp giám sát biến động dung tích hồ chứa thượng nguồn, hỗ trợ hiệu quả cho bài toán dự báo.
Điều tiết liên hồ chứa: Hệ thống ứng dụng tối ưu hóa đa mục tiêu để điều tiết, đảm bảo cân bằng giữa phòng lũ, phát điện và cấp nước.
Giám sát ngập lụt bằng thị giác máy tính: Mạng nơ-ron tích chập (U-Net) được sử dụng để phân đoạn ảnh chụp (camera hoặc viễn thám) nhằm nhận diện vùng nước ngập. Công nghệ xử lý ảnh tiếp tục xác định diện tích ngập lụt và độ sâu ngập lụt từ các ảnh thu thập được.
Tự động xây dựng bản đồ ngập lụt: Hệ thống tích hợp ảnh viễn thám đa nguồn (Sentinel-1, MODIS) để tự động xác định số người, diện tích đất nông nghiệp và đô thị bị ảnh hưởng bởi lũ lụt.
Sơ đồ và kết quả dự báo dòng chảy ngoài lãnh thổ vào Việt Nam kết hợp công nghệ học máy và viễn thám
Sơ đồ và kết quả giám sát hoạt động các hồ chứa ngoài lãnh thổ từ ảnh viễn thámỨng dụng thực tiễn và hiệu quả thử nghiệm
Để kiểm chứng hiệu quả của hệ thống, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm vận hành hệ thống điều tiết liên hồ chứa cho trận lũ lớn xảy ra vào tháng 9/2024 do hoàn lưu bão số 3 (Yagi) gây ra. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống giúp điều tiết mực nước lớn nhất tại hồ Thác Bà chỉ đạt 58,6m, thấp hơn mực nước thực tế 1,2m. Mực nước tại trạm Hà Nội đạt 10,3m, thấp hơn mực nước thực tế 1,0m, cho thấy hiệu quả rõ rệt trong công tác phòng lũ.
Bên cạnh đó, hệ thống đã áp dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo để tự động nhận diện các vùng ngập lụt từ ảnh chụp trên các báo, mạng xã hội và ảnh viễn thám. Các bản đồ ngập lụt được xây dựng giúp xác định số người và diện tích đất nông nghiệp bị ảnh hưởng, góp phần quan trọng cho công tác ứng phó và hỗ trợ ra quyết định nhanh chóng, chính xác.
Kết quả điều tiết hệ thống hồ chứa và mực nước Hà Nội trận lũ tháng 9/2024 do bão Gagi gây ra
Ứng dụng công nghệ thị giác máy tính và thuật toán học Semantic Segmentation sâu xác định diện ngập lụt từ ảnh chụpKết luận và triển vọng áp dụng
Từ những kết quả thử nghiệm thành công, hệ thống điều tiết liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng đã chứng minh được tiềm năng ứng dụng trong thực tiễn, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho việc điều chỉnh quy trình vận hành liên hồ chứa theo hướng linh hoạt, hiệu quả hơn. Hiện nay, quy trình vận hành mới đã được Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn thông qua và trình Thủ tướng Chính phủ xem xét, phê duyệt.
Nhìn chung, việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo và các công nghệ hiện đại trong dự báo và điều tiết hệ thống liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng là một hướng đi tất yếu, phù hợp với định hướng chuyển đổi số trong quản lý tài nguyên nước. Đây chính là bước đột phá nhằm khai thác tối ưu nguồn tài nguyên nước, giảm thiểu rủi ro thiên tai và phát triển bền vững cho toàn bộ khu vực hạ lưu sông Hồng.