Mô hình toán trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước
Chuyên mục: Chuyên đề nghiên cứu
Excerpt gợi ý: Một số suy nghĩ về vai trò của mô hình toán trong quy hoạch, quản lý tài nguyên nước, thủy lợi, kiểm soát lũ, hạn hán, xâm nhập mặn và hỗ trợ ra quyết định.
Trong lĩnh vực tài nguyên nước và thủy lợi, có nhiều vấn đề không thể quan sát trực tiếp bằng mắt thường, cũng không thể giải quyết chỉ bằng kinh nghiệm đơn lẻ. Dòng chảy trong sông, sự lan truyền mặn, quá trình ngập lũ, khả năng cấp nước, vận hành hồ chứa, tương tác giữa triều – dòng chảy – công trình – nhu cầu sử dụng nước đều là những quá trình phức tạp, biến đổi theo không gian và thời gian.
Để hiểu, phân tích và dự báo các quá trình đó, người làm chuyên môn cần đến mô hình toán.
Mô hình toán, hiểu một cách đơn giản, là cách mô tả các hiện tượng tự nhiên và hệ thống kỹ thuật bằng các phương trình, giả thiết, số liệu và thuật toán tính toán. Trong ngành nước, mô hình toán giúp chúng ta mô phỏng những gì đã xảy ra, đánh giá hiện trạng, kiểm tra các kịch bản tương lai và so sánh các phương án quy hoạch, quản lý hoặc vận hành.
Một mô hình tốt không thay thế thực tế. Nó là công cụ giúp con người hiểu thực tế tốt hơn.
Trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước, mô hình toán có thể được sử dụng cho nhiều mục tiêu khác nhau: mô phỏng dòng chảy trên lưu vực, tính toán mực nước và lưu lượng trong hệ thống sông kênh, đánh giá khả năng cấp nước, kiểm tra tiêu thoát nước, dự báo ngập lũ, mô phỏng xâm nhập mặn, phân tích vận hành công trình và hỗ trợ lựa chọn phương án phát triển.
Đối với những vùng phức tạp như Đồng bằng sông Cửu Long, Đông Nam Bộ hoặc các lưu vực sông chịu tác động mạnh của đô thị hóa, biến đổi khí hậu, khai thác nước và thay đổi sử dụng đất, vai trò của mô hình toán càng trở nên quan trọng.
Ở những vùng này, một quyết định về công trình, vận hành hay phân bổ nguồn nước thường không chỉ ảnh hưởng đến một địa điểm riêng lẻ. Nó có thể tác động đến cả hệ thống: thượng lưu, hạ lưu, vùng ngọt, vùng lợ, vùng ven biển, vùng sản xuất nông nghiệp, khu đô thị, khu công nghiệp và hệ sinh thái.
Vì vậy, người làm quy hoạch không thể chỉ nhìn từng công trình riêng rẽ. Cần nhìn hệ thống trong mối liên hệ tổng thể. Mô hình toán chính là một trong những công cụ quan trọng giúp thực hiện cách tiếp cận đó.
Một trong những giá trị lớn nhất của mô hình toán là khả năng thử nghiệm các kịch bản.
Trong thực tế, chúng ta không thể tạo ra một trận lũ lớn để kiểm tra phương án phòng chống lũ. Không thể làm cho mặn xâm nhập sâu hơn chỉ để xem hệ thống cấp nước chịu đựng đến đâu. Không thể thử xây nhiều phương án công trình ngoài thực địa rồi mới chọn. Nhưng trên mô hình, chúng ta có thể giả lập nhiều điều kiện khác nhau để đánh giá trước.
Ví dụ, có thể tính toán kịch bản năm ít nước, năm nhiều nước, triều cao, mặn sâu, mưa lớn, lũ lớn, thay đổi vận hành hồ chứa, mở rộng đô thị, thay đổi diện tích sản xuất hoặc tác động của biến đổi khí hậu. Từ đó, người làm chuyên môn có thêm cơ sở để trả lời các câu hỏi quan trọng:
Phương án nào an toàn hơn?
Phương án nào hiệu quả hơn?
Vùng nào dễ bị tổn thương hơn?
Công trình nào có vai trò quyết định?
Kịch bản nào cần được ưu tiên xem xét?
Giải pháp nào phù hợp hơn với điều kiện thực tế?
Tuy nhiên, mô hình toán không phải là một “cỗ máy cho đáp án tuyệt đối”.
Mỗi mô hình đều có giả thiết, giới hạn và phạm vi áp dụng. Kết quả mô hình phụ thuộc vào chất lượng số liệu đầu vào, cấu trúc mô hình, phương pháp tính toán, điều kiện biên, thông số hiệu chỉnh và kinh nghiệm của người sử dụng. Nếu số liệu không tốt, hiểu biết hệ thống chưa đầy đủ hoặc sử dụng mô hình một cách máy móc, kết quả tính toán có thể gây hiểu nhầm.
Do đó, điều quan trọng không chỉ là có mô hình, mà là hiểu mô hình.
Người sử dụng cần biết mô hình đang mô phỏng quá trình gì, bỏ qua điều gì, nhạy cảm với thông số nào, phù hợp với quy mô nào và kết quả cần được kiểm chứng ra sao. Một kết quả đẹp trên màn hình không có nghĩa là đúng với thực tế. Một bản đồ ngập, bản đồ mặn hay biểu đồ mực nước chỉ có giá trị khi được xây dựng trên cơ sở dữ liệu, kiểm định và hiểu biết chuyên môn đủ tin cậy.
Trong nhiều năm làm việc với các bài toán tài nguyên nước, tôi nhận thấy rằng mô hình toán có giá trị nhất khi được đặt trong một quy trình chuyên môn đầy đủ.
Quy trình đó thường bắt đầu từ việc hiểu bài toán thực tế: vấn đề cần giải quyết là gì, phạm vi không gian ở đâu, thời gian tính toán như thế nào, đối tượng chịu tác động là ai, câu hỏi quản lý cần trả lời là gì.
Sau đó là thu thập và xử lý dữ liệu: địa hình, mạng sông kênh, công trình, mưa, dòng chảy, mực nước, độ mặn, nhu cầu sử dụng nước, vận hành hồ chứa, triều, bản đồ sử dụng đất, dân sinh và các thông tin liên quan.
Tiếp theo là xây dựng sơ đồ tính, thiết lập điều kiện biên, chọn thời đoạn mô phỏng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Đây là giai đoạn rất quan trọng, đòi hỏi sự kiên nhẫn, hiểu biết hệ thống và khả năng đánh giá kết quả.
Sau khi mô hình đạt mức tin cậy phù hợp, mới tiến hành tính toán các kịch bản, so sánh phương án, phân tích kết quả và rút ra nhận định phục vụ quy hoạch, quản lý hoặc hỗ trợ ra quyết định.
Nếu thiếu bất kỳ bước nào trong quy trình đó, mô hình rất dễ trở thành một công cụ hình thức.
Một vấn đề khác cũng rất quan trọng là cách trình bày kết quả mô hình.
Kết quả mô hình thường rất nhiều: bảng số liệu, chuỗi thời gian, bản đồ, biểu đồ, mặt cắt, đường quá trình, chỉ tiêu tổng hợp. Nếu không được tổ chức tốt, người đọc sẽ khó hiểu, người quản lý khó sử dụng và giá trị của mô hình bị giảm đi đáng kể.
Vì vậy, mô hình toán ngày nay cần gắn với GIS, cơ sở dữ liệu, trực quan hóa và các công cụ hỗ trợ ra quyết định. Một kết quả mô phỏng tốt không chỉ đúng về mặt tính toán, mà còn cần được trình bày rõ ràng, dễ kiểm tra, dễ giải thích và dễ sử dụng trong thực tế.
Đây là lý do tôi rất quan tâm đến việc kết hợp mô hình toán với GIS, dữ liệu và công nghệ số.
Khi mô hình được tích hợp với bản đồ số, người dùng có thể nhìn thấy kết quả theo không gian: vùng nào ngập sâu, đoạn sông nào mặn cao, khu vực nào thiếu nước, công trình nào ảnh hưởng lớn, đường truyền lũ hoặc mặn diễn biến ra sao. Khi mô hình gắn với cơ sở dữ liệu, việc cập nhật, lưu trữ, kiểm tra và khai thác thông tin trở nên hệ thống hơn. Khi mô hình được kết nối với công cụ hỗ trợ ra quyết định, kết quả tính toán có thể phục vụ trực tiếp hơn cho quản lý và vận hành.
Trong bối cảnh hiện nay, trí tuệ nhân tạo cũng mở ra nhiều hướng hỗ trợ mới cho mô hình toán và quản lý tài nguyên nước. AI có thể hỗ trợ xử lý dữ liệu, phát hiện bất thường, tổng hợp tài liệu, xây dựng kịch bản, viết mã, phân tích kết quả và tự động hóa một số quy trình kỹ thuật. Tuy nhiên, AI chỉ nên được xem là công cụ hỗ trợ. Quyết định chuyên môn vẫn cần dựa trên hiểu biết khoa học, kinh nghiệm thực tiễn và trách nhiệm của con người.
Đối với tôi, mô hình toán không chỉ là phần mềm. Mô hình toán là một cách tư duy.
Đó là cách tư duy hệ thống: nhìn sự vật trong mối liên hệ.
Đó là cách tư duy định lượng: biến nhận định thành con số có thể kiểm tra.
Đó là cách tư duy kịch bản: không chỉ hỏi hiện trạng ra sao, mà còn hỏi nếu điều kiện thay đổi thì hệ thống phản ứng thế nào.
Đó là cách tư duy phản biện: luôn kiểm tra giả thiết, dữ liệu và giới hạn của kết quả.
Trong ngành tài nguyên nước, cách tư duy đó rất cần thiết.
Bởi vì các bài toán của ngành nước ngày càng phức tạp hơn. Chúng ta phải đối mặt đồng thời với biến đổi khí hậu, phát triển kinh tế, gia tăng nhu cầu sử dụng nước, suy giảm chất lượng nước, xâm nhập mặn, ngập úng, hạn hán, sụt lún, thay đổi dòng chảy và yêu cầu bảo vệ môi trường. Những vấn đề đó không thể giải quyết bằng một công thức đơn giản hay một kinh nghiệm đơn lẻ.
Chúng cần cách tiếp cận tổng hợp, đa ngành và có cơ sở dữ liệu.
Mô hình toán, nếu được xây dựng và sử dụng đúng cách, có thể đóng góp rất lớn cho quá trình đó. Nó giúp người làm chuyên môn nhìn rõ hơn hệ thống, kiểm tra nhiều khả năng hơn, minh bạch hóa cơ sở tính toán hơn và hỗ trợ tốt hơn cho quá trình ra quyết định.
Tuy nhiên, người làm mô hình cũng cần giữ sự khiêm tốn. Tự nhiên luôn phức tạp hơn mô hình. Thực tế luôn có những yếu tố mà mô hình chưa thể mô tả đầy đủ. Vì vậy, kết quả mô hình cần được đọc bằng cả kiến thức kỹ thuật, kinh nghiệm thực tiễn và sự thận trọng khoa học.
Tôi mong rằng trong thời gian tới, các công cụ mô hình toán của ngành nước sẽ tiếp tục được phát triển theo hướng mở hơn, hiện đại hơn, dễ sử dụng hơn và gắn chặt hơn với thực tiễn quản lý. Những mô hình đã có giá trị trong quá khứ cần được kế thừa, chuẩn hóa, nâng cấp và tích hợp với công nghệ mới. Những mô hình mới cần được xây dựng trên cơ sở dữ liệu tốt, quy trình rõ ràng và mục tiêu phục vụ thực tế.
Đó cũng là một trong những lý do tôi dành nhiều thời gian quan tâm đến việc chuyển đổi, nâng cấp và phát triển các công cụ như VRSAP. Với tôi, đây không chỉ là câu chuyện lập trình hay chuyển đổi ngôn ngữ phần mềm. Đó là quá trình bảo tồn, phát triển và làm mới một tài sản khoa học – kỹ thuật để tiếp tục phục vụ các bài toán của ngành nước trong bối cảnh mới.
Mô hình toán sẽ không thay thế con người. Nhưng người làm nghề biết sử dụng mô hình toán một cách đúng đắn sẽ có thêm một công cụ mạnh mẽ để hiểu, phân tích, dự báo và ra quyết định tốt hơn.
Trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước, đó là một giá trị rất lớn.
Đỗ Đức Dũng