Mô hình 3D giúp các nhà khoa học đánh giá các tác động của lũ lụt

 

Lượng mưa lớn có thể khiến các dòng sông và hệ thống thoát nước đổ tràn, vỡ đập, dẫn đến các sự kiện lụt gây thiệt hại về người và tài sản là một trong những thiên tai nguy hiểm đang xảy ra liên tục trên thế giới hiện nay.
 

Lũ lụt lớn vào năm 2008 đã gây thiệt hại cho toàn bang Iowa (Hoa Kỳ) khoảng 10 tỷ USD. Sau trận lụt, Trung tâm Lũ lụt Iowa (IFC) thuộc Đại học Iowa đã thành lập trung tâm đầu tiên của Hoa Kỳ nghiên cứu và giáo dục về lũ lụt.
 

Ngày nay, các mô hình lũ đơn giản 2-D là công cụ nghiên cứu phỏng đoán để dự báo sự lan truyền của lũ lụt, hoặc cơ chế lũ lụt lan rộng trên một khu vực cụ thể.  Một nhóm nghiên cứu tại IFC do Giáo sư UI George Constantinescu làm nhóm trưởng đã nghiên cứu mô hình lũ lụt không thủy tĩnh 3 chiều có thể mô phỏng chính xác sự lan truyền của luồng lạch trên sông và tính toán sự tương tác giữa làn sóng lũ và những trở ngại lớn như đập hoặc các bức tường lũ. Các mô hình 3-D này cũng có thể được sử dụng để đánh giá và cải tiến khả năng tiên đoán của các mô hình 2 chiều mà các cơ quan chính phủ và các công ty tư vấn đã sử dụng để dự đoán sự lan rộng lũ lụt như thế nào và các nguy cơ, đồng thời dự đoán được các nguy cơ tiềm tàng có thể xảy ra.


Hình 1: Đập Coralville trên Hồ Coralville nước đã bị tràn đập  trong trận lũ năm 2008 của bang Iowa. 
 

Nhóm nghiên cứu của Constantinescu đã sử dụng một trong những siêu máy tính mạnh nhất thế giới - Titan, chiếc Cray XK7 27-petaflop tại cơ sở máy tính của Oak Ridge (OLCF) có độ phân giải cao, 3-D giúp cho việc mô phỏng khối lượng của chất lỏng của một con đập bị vỡ trong môi trường tự nhiên. Mô phỏng cho phép nhóm nghiên cứu lập bản đồ mực nước chính xác cho các hiện tượng lũ lụt theo thời gian thực tế. RANS là một phương pháp đã được thành lập để mô hình hóa các dòng chảy hỗn độn, phức tạp. 
 

Constantinescu cho biết, các vấn đề như ngập nước, giống như những sự cố xảy ra do sự phá vỡ đập, rất tốn kém để tính toán và mô phỏng. Trước đây, không có loại máy tính nào đủ dung lượng và độ phân giải cao để thực hiện các mô phỏng thời gian chính xác này do một lượng điện toán rất lớn nhưng với sức mạnh của máy tính hiệu suất cao [HPC] và Titan, nhóm nghiên cứu của Constantinescu đã đạt được kết quả nhiều hơn những gì đã tính toán và mong đợi. 
 

Mô phỏng 3-D của nhóm cho thấy, các mô hình 2-D thường sử dụng có thể dự đoán chưa chính xác về một số yếu tố của lũ lụt như thời gian lũ lụt cũng như thời gian nguy hiểm tại các vị trí nhất định và diện tích bề mặt bị ngập lụt. Kết quả mô phỏng cũng chứng minh rằng các mô hình 2-D đã đánh giá thấp tốc độ lũ lụt lan rộng và đánh giá quá cao thời gian mà ở đó lũ lụt đạt đến điểm cao nhất. 

Khi các nguồn nước chảy vào sông cùng một lúc, chúng có thể kích hoạt một hoặc nhiều đợt lũ tiếp theo. Độ chính xác của các mô hình lũ lụt 1-D, 2-D, hoặc 3-D để theo dõi các sóng này di chuyển như thế nào là rất quan trọng để dự đoán mức độ tối đa của lũ lụt, điều kiện nguy hiểm và các biến khác.
 

"Chúng ta cần phải biết điều gì sẽ xảy ra trong những tình huống đập bị vỡ. Đồng thời, cần biết những ai sẽ bị ảnh hưởng, cần bao nhiêu thời gian để họ sẽ phải di tản, và những gì khác có thể xảy ra với môi trường cũng như hậu quả của nó” - Constantinescu nói.
 

Do các mô hình 2 chiều tạo ra các giả định đơn giản về một số yếu tố của dòng chảy, chúng không thể giải thích được sự thay đổi của dòng chảy, ví dụ như khi sóng lũ di chuyển xung quanh các chướng ngại vật lớn, thay đổi nhanh theo hướng, hoặc hoàn toàn khi gặp cầu bắc ngang. Nhóm nghiên cứu với một siêu máy tính hàng đầu để chạy các mô phỏng 3D đã nắm bắt được chính xác những thay đổi này với mô hình của họ.
 

Siêu máy tinh Titan 
 

Siêu máy tính Titan đã tạo ra những sự thay đổi vượt bậc trong quá trình nghiên cứu sự ảnh hưởng của lũ lụt. Sử dụng một bộ hoàn chỉnh RANS 3-D không thủy tĩnh, nhóm đã thực hiện những mô phỏng đầu tiên về sự thất thủ giả định của hai đập Iowa: Đập Coralville ở Thành phố Iowa và Đập Saylorville ở Des Moines. Mỗi một lần mô phỏng họ sử dụng một mạng lưới tính toán khoảng 30-50 triệu cell và bao phủ một khu vực khoảng 20 dặm bằng 5 dặm. 
 

Ngoài ra, nhóm đã sử dụng phần mềm tính toán động lực học STOR-CCM +. Phần mềm này có thể tính toán theo khối lượng của chất lỏng để theo dõi vị trí của bề mặt nước - bề mặt nước tiếp xúc với không khí. Trong một nghiên cứu chuyên đề về quy mô mở rộng, nhóm nghiên cứu xác định hiệu suất đỉnh cho các mô phỏng phá vỡ đập. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng 2.500 bộ xử lý CPU của Titan để đạt được hiệu suất cao nhất trong mỗi mô phỏng trong quá trình nghiên cứu. 
 

Các nhà nghiên cứu cũng tính toán các trường hợp thử phá vỡ đập tương tự sử dụng một mô hình 2-D tiêu chuẩn thường được sử dụng bởi IFC. Khi so sánh kết quả 2-D với mô phỏng 3-D, họ nhận thấy mô hình 2-D đã đánh giá thấp tốc độ của đợt lũ lụt trên mặt đất và đánh giá quá cao thời gian xảy ra lũ lớn nhất. Phát hiện này rất quan trọng bởi vì các cơ quan chính phủ và các công ty tư vấn  thường chỉ sử dụng các mô hình dòng chảy 2 chiều (2D) để dự đoán tràn đập và lũ lụt cũng như ước tính mức độ nguy hiểm lũ lụt.
 

Bằng cách thực hiện các mô phỏng 3-D nhóm nghiên cứu đã cung cấp một bộ dữ liệu lớn có thể sử dụng để nâng cao độ chính xác của các mô hình lũ lụt 2-D và 1-D hiện tại. "Chúng tôi cũng có thể kiểm tra hiệu quả của việc triển khai cơ chế bảo vệ lũ lụt cho các kịch bản lũ lụt khác nhau." Nhóm nghiên cứu cuối cùng cho thấy rằng HPC có thể được sử dụng một cách thành công và chính xác hơn để trả lời các câu hỏi về kỹ thuật liên quan đến hậu quả của sự tràn đập, vỡ đập, của cấu trúc đập và các mối nguy liên quan.
 

Ông Constantinescu cũng nói rằng, khi các máy tính tốc độ cao hơn và mạnh hơn sẽ có thể mô phỏng các sự kiện ngập lụt hoàn toàn trên các vùng địa lý và vật lý lớn hơn. Nói tóm lại, siêu máy tính thế hệ tiếp theo của OLCF dự kiến ra mắt vào năm 2018, sẽ khai thác các khả năng mới và sẽ được công bố từ nhóm nghiên cứu của Constantinescu.