Người dùng lựa chọn lưu vực sơng theo danh sách 19 lưu vực sơng có sẵn được tác giả phân chia. Việc lựa chọn lưu vực sông chỉ cần click chuột vào dịng “Lựa chọn lưu vực” bên góc phải cửa sổ sẽ hiển thị các lưu vực sông để người dùng chọn lựa bằng cách click chuột vào tên lưu vực cần. Các lưu vực sông được chọn sẽ hiển thị ra ngồi màn hình làm việc phục vụ nhu cầu tính tốn cho người dùng.
Hình 2.12: Danh sách các lưu vực sơng trên hệ thống thông tin địa lý
Ứng với các lưu vực sơng được chọn, các trạm khí tượng và trạm thủy văn sẽ được hiển thị tương ứng. Người dùng có thể chọn click chuột để lựa các trạm để xem thêm một vài thông tin cơ bản của trạm. Với đồng bằng châu thổ sông Hồng, khi người dùng
chọn trạm thủy văn Hà Nội thì các trạm thủy văn như Hịa Bình, n Bái, Hàm n, Na Hang …. sẽ được tô màu vàng thể hiện mối tương quan giữa các trạm trong cùng một lưu vực. Mối quan hệ này được thiết lập thành một bảng trong cơ sở dữ liệu.
Hình 2.13: Các trạm có sự tác động đến trạm thủy văn Hà Nội
2.4 Xây dựng hệ thống dự báo
2.4.1 Cấu trúc của hệ thống dự báo
Tuân theo kiến trúc 3 tầng của WebGIS đã trình bày ở trên, tác giả đã xây dựng hệ thống dự báo trực tuyến có sơ đồ như hình 2.14. Tuy nhiên, ngồi các lớp tiêu chuẩn, mơ hình được xây dựng thêm lõi tính tốn là mơđun mạng thần kinh nhân tạo hồi tiếp. Các giao tiếp dữ liệu điều phối theo từng nhu cầu cụ thể khi tính tốn hoặc truy vấn dữ liệu hoặc hiển thị bản đồ GIS.
Hình 2.14: Sơ đồ hoạt động hệ thống dự báo trực tuyến
Quá trình hoạt động của hệ thống dự báo trực tuyến được mô tả như sau: - Người dùng sử dụng trình duyệt web ở phía client (khách).
- Client (khách) gửi yêu cầu của người sử dụng đến WebServer (máy chủ Web). WebServer nhận yêu cầu của người dùng và chuyển yêu cầu đến các ứng dụng Server tương ứng.
- Các hệ thống WebServer, DataServer và MapServer có thể hoạt động tách biệt hoặc tương tác lẫn nhau, tương ứng với mỗi yêu cầu sử dụng của người dùng.
+ Khi người dùng yêu cầu truy cập bản đồ, WebServer gửi yêu cầu đến MapServer và MapServer sẽ chuyển dữ liệu và hiển thị kết quả tại WebServer.
+ Khi người dùng muốn truy cập dữ liệu, WebServer gửi yêu cầu đến DataServer bằng cách click chuột vào những vị trí muốn hiển thị thơng tin và dữ liệu sẽ được DataServer chuyển đến WebServer hiển thị thông tin dữ liệu cho người dùng.
+ Khi người dùng u cầu về tính tốn thì WebServer sẽ chuyển yêu cầu đến ứng dụng Mạng thần kinh nhân tạo, tại đây dữ liệu sẽ được DataServer Client
Data Server
Mạng thần kinh nhân tạo hồi tiếp Web
Server
Map Server
chuyển đến và thực hiện tính tốn tại phần lõi tính là Mạng thần kinh nhân tạo, sau đó kết quả sẽ được hiển thị trên Mapserver.
- Kết quả sẽ được gửi về người dùng và hiển thị trên trình duyệt.
2.4.2 Giao diện của hệ thống dự báo
Hệ thống dự báo trực tuyến này sẽ được được đưa vào khai thác và sử dụng trên mạng Internet thơng qua các trình duyệt web nên nó sẽ có một số thuộc tính tương tự như một trang web thông thường. Hệ thống dự báo gồm nhiều lớp khác nhau, nên giao diện của hệ thống sẽ được thiết kế sao cho phù hợp với việc tương tác với các lớp thông tin bản đồ các lưu vực và khai thác hiệu quả dữ liệu của các lớp thông tin trong từng lưu vực.
Hệ thống dự báo trực tuyến được sử dụng trên các trình duyệt web tại địa chỉ
https://dubao.imech.info. Dưới đây là giao diện trang web khi mở đường link bằng trình
duyệt Google Chrome.
Hình 2.15: Giao diện hiển thị các hệ thống sơng Việt Nam
Dựa trên độ lớn diện tích > 10.000 km2 thì trên tồn lãnh thổ Việt Nam được chia làm 16 lưu vực sơng. Ngồi ra, nhóm thực hiện đề tài đã sử dụng số liệu đã thu thập được từ những đề tài nghiên cứu khoa học trước đây của tập thể cán bộ phòng Thủy động lực và giảm nhẹ thiên tai của Viện Cơ học, sử dụng thêm một số tiểu lưu vực con
để tính tốn thử nghiệm mơ hình dự báo, bổ sung thêm các lưu vực sơng như là: vùng đồng bằng châu thổ sơng Hồng, lưu vực sơng Tích – Bùi, lưu vực sông Tam Kỳ.
Dưới đây là bản đồ WebGIS của một số lưu vực sơng sẽ được sử dụng để tính tốn thử nghiệm mơ hình dự báo trực tuyến.
Hình 2.17: Bản đồ WebGIS lưu vực sơng Tích – Bùi
2.4.3 Kỹ thuật hỗ trợ
a) Giải pháp về thiết kế giao diện
Hệ thống dự báo trực tuyến được xây dựng dựa trên nền công nghệ Web và thiết kế theo nguyên tắc thống nhất, dễ sử dụng và hướng tới người dùng. Các trang Web sẽ tuân theo chuẩn HTML 5.0, CSS và các tiêu chuẩn được quy định bởi Tổ chức mạng toàn cầu.
Giao diện trang web sử dụng giao diện hiển thị Responsive, tương thích với mọi trình duyệt và màn hình hiển thị của máy tính để bàn, máy tính bảng cũng như các thiết bị di dộng. Trang web có thể truy cập dễ dàng bằng tất cả các thiết bị nên đáp ứng được nhu cầu của nhiều đối tượng sử dụng. Do có thể quản lí nhiều hiển thị chỉ với một lần chỉnh sửa nên giảm chi phí và thời gian thiết kế cho nhiều loại màn hình, tối ưu hố với các bộ máy tìm kiếm (cải thiện SEO) cho website.
b) Giải pháp an tồn, bảo mật
Dù với kinh phí hạn chế, khi thiết lập hệ thống trực tuyến cũng cần đảm bảo các yếu tố an toàn và bảo mật. Ngoài việc sử dụng máy chủ riêng được ảo hoá trên nền điện tốn đám mây (hiện nay với chi phí rất rẻ) đảm bảo độ mở rộng theo nhu cầu cũng như đảm bảo sao lưu tốt. Ngoài ra, để đảm bảo yếu tố bảo mật, hệ thống sử dụng miễn phí dịch vụ DNS của Cloudflare miễn phí có chức năng phân giải tên miền nhanh, hỗ trợ CDN, tường lửa hạn chế tấn công từ chối dịch vụ DDoS và Spam, cũng như mã hoá dữ liệu truyền tải SSL. Ngoài ra, máy chủ web cũng được thiết lập hệ thống tường lửa và cài đặt các chương trình diệt virus riêng.
CHƯƠNG III
THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG DỰ BÁO CHO MỘT SỐ LƯU VỰC
3.1 Kết quả dự báo mực nước đồng bằng châu thổ sông Hồng
Đồng bằng châu thổ sông Hồng trải rộng từ vĩ độ 21°34´B (huyện Lập Thạch) tới vùng bãi bồi khoảng 19°5´B (huyện Kim Sơn), từ 105°17´Đ (huyện Ba Vì) đến 107°7´Đ (trên đảo Cát Bà).
Tồn vùng có diện tích trên 14.860 km², tỷ lệ khoảng 4,5% tổng diện tích cả nước. Khu vực này bao gồm 10 tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hải Phòng, Vĩnh Phúc, Hà Nam, Hưng Yên, Hải Dương, Bắc Ninh, Thái Bình, Nam Định và Ninh Bình.
- Phía Bắc, Đơng Bắc giáp Trung du và miền núi Bắc Bộ. - Phía Tây giáp Tây Bắc.
- Phía Nam giáp Bắc Trung Bộ. - Phía Đơng giáp Vịnh Bắc Bộ.
Đồng bằng sơng Hồng có một mạng lưới sơng ngịi dày đặc vừa bao gồm hạ lưu các sông lớn với các chi lưu dày đặc, vừa là hệ thống kênh đào, có sơng đổ ra biển, nhưng cũng có sơng chỉ chảy trong phạm vi một ơ trũng, gọi là sông nội địa. Đồng bằng sơng Hồng tuy có nhiều sơng nhưng quan trọng nhất là hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình. Hai hệ thống sơng này cung cấp một lượng nước ngọt lớn và lượng phù sa cao cho đồng bằng. Tuy vậy, chế độ thủy văn và hải văn của đồng bằng sông Hồng khiến cho vấn đề chống lũ lụt, chống úng và chống mặn là những mối quan tâm hàng đầu của cư dân nơi đây mà biện pháp an tồn nhất là đắp đê. Vì thế tuy đắp đê, giữ đê là một cơng trình rất vất vả, tốn kém, cư dân đồng bằng sông Hồng từ xa xưa đến nay vẫn phải tự tổ chức sao cho có thể tiến hành việc đắp đê được vững chắc.
Có thể thấy rằng vị trí địa lý tại đồng bằng sơng Hồng thuận lợi cho lưu thông, trao đổi với các vùng khác và thế giới. Nơi đây có nguồn đất phù sa được bồi đắp bởi sông Hồng là nguồn tài nguyên quý nhất, phù hợp cho việc canh tác, đặc biệt là trồng lúa nước của nhân dân trong vùng. Vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng đã và đang là vùng kinh tế trọng điểm, sản xuất lúa gạo lớn thứ 2 cả nước, chỉ sau đồng bằng sơng Cửu Long.
Hình 3.1: Vị trí địa lý vùng đồng bằng châu thổ sơng Hồng – Thái Bình
Hàng năm, từ 15 tháng 6 đến 15 tháng 9 cư dân vùng châu thổ sông Hồng - Thái Bình ln sống trong tình trạng bị uy hiếp bởi nạn lũ lụt. Để chủ động phòng tránh và hạn chế các tác hại, song song với việc phát triển kinh tế, chúng ta phải ln ln tìm kiếm các biện pháp hữu hiệu đối phó với lũ lụt.
Tập thể nghiên cứu lũ lụt Viện Cơ học đã xây dựng và phát triển nhiều mơ hình thủy lực nhằm mơ phỏng và dự báo các yếu tố thủy văn thủy lực, từ đó phục vụ cho việc đề xuất, đánh giá và điều hành phòng chống lụt bão. Trong nghiên cứu này sử dụng lại một phần số liệu của mơ hình thủy lực đã phát triển để tính tốn, thử “dự báo” lại mực nước tại trạm Hà Nội trong hệ thống.
Với đặc điểm tự nhiên là có nhiều con sơng lớn như sông Đà, sông Thao, sông Lô, cùng với việc phát triển thủy điện tại khu vực. Với những trận lũ lớn và đặc biệt là những trận lũ lớn lịch sử đã để lại những hậu quả nghiêm trọng cho đồng bằng châu thổ sơng
Hồng. Từ đó, nhiều khu phân phân chậm lũ, khu trữ nước đã được xây dựng với mục đích bảo vệ nội đơ thành phố Hà Nội. Do đó, việc dự báo mực nước lũ và cảnh báo nguy cơ ngập lụt của vùng là việc thiết thực nhất trong bối cảnh thời tiết có những biến chuyển bất thường, thay đổi liên tục.
Để xây dựng phần mềm dự báo và cảnh báo ngập lụt trực tuyến, vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng được chia thành các ô ruộng dựa trên đặc điểm địa hình, giao thơng của vùng. Các thơng số được mơ hình hóa, đưa vào mơ hình để có thể mơ phỏng chính xác hiện trạng của vùng. Bản đồ vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng được chia thành 310 ô ruộng với hơn 930 mặt cắt ngang cho tồn hệ thống sơng phục vụ cho các bài tính tốn thủy lực, dự báo ngập lụt như hình 2.7 đã được đề cập trong mục 2.3
Với 4 tín hiệu đầu vào là Hịa Bình, n Bái, Hàm n, Na Hang, sau khi đã sử dụng các bộ số liệu quá khứ để huấn luyện mạng, tác giả thu được bộ ma trận trọng số để dự báo lại mực nước trạm Hà Nội trong mùa lũ các năm 2015, 2016, 2017, 2018 và 2019. Một số dữ liệu khác ảnh hưởng đến mực nước Hà Nội ví dụ như mực nước biên dưới ở Hưng Yên,… do khơng có điều kiện thu thập số liệu nên bỏ qua trong nghiên cứu này.
Hình 3.2: Bản đồ vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng
Dưới đây là kết quả thực đo và dự báo lại mực nước tại trạm Hà Nội trong các năm 2015, 2016, 2017, 2018, 2019.
Hình 3.3: Đồ thị mực nước thực đo và dự báo trạm Hà Nội từ ngày 15/6/2015 đến 15/9/2015
Hình 3.4: Đồ thị mực nước thực đo và dự báo trạm Hà Nội từ ngày 15/6/2016 đến 15/9/2016 0 1 2 3 4 5 6 7 6/1/2015 0:00 6/21/2015 0:00 7/11/2015 0:00 7/31/2015 0:00 8/20/2015 0:00 9/9/2015 0:00 9/29/2015 0:00 Mực nư ớc (m ) Thời gian Thực đo Dự báo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 6/5/2016 0:00 6/25/2016 0:00 7/15/2016 0:00 8/4/2016 0:00 8/24/2016 0:00 9/13/2016 0:00 10/3/2016 0:00 Mực nư ớc (m ) Thời gian Thực đo Dự báo
Hình 3.5: Đồ thị mực nước thực đo và dự báo trạm Hà Nội từ ngày 15/6/2017 đến 15/9/2017
Hình 3.6: Đồ thị mực nước thực đo và dự báo trạm Hà Nội từ ngày 15/6/2018 đến 15/9/2018 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 5/31/2017 0:00 6/24/2017 0:00 7/18/2017 0:00 8/11/2017 0:00 9/4/2017 0:00 9/28/2017 0:00 Mực nư ớc (m ) Thời gian Thực đo Dự báo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 6/9/2018 0:00 6/29/2018 0:00 7/19/2018 0:00 8/8/2018 0:00 8/28/2018 0:00 9/17/2018 0:00 10/7/2018 0:00 Mực nư ớc (m ) Thời gian Thực đo Dự báo
Hình 3.7: Đồ thị mực nước thực đo và dự báo trạm Hà Nội từ ngày 15/6/2019 đến 15/9/2019
Bảng 3.1: Bảng chỉ số NSE các phương án tính cho đồng bằng châu thổ sơng Hồng
Phương án tính Chỉ số NSE Đánh giá 2015 0.8623 Tốt 2016 0.8695 Tốt 2017 0.9349 Tốt 2018 0.9158 Tốt 2019 0.8523 Tốt
Nhận xét: Sử dụng chỉ số NSE để đánh giá độ chính xác của kết quả dự báo mực
nước tại trạm Hà Nội. Các kết quả dự báo đều đạt mức Tốt, nhưng qua chỉ số NSE và đồ thị mực nước các năm 2015, 2016, 2019, ta thấy kết quả kém hơn các năm 2017, 2018 khi lưu lượng từ thượng nguồn lớn, ảnh hưởng bởi thủy triều đến trạm Hà Nội ít. Do đó cần bổ sung các trạm ảnh hưởng khác hoặc thay đổi cấu trúc mạng và đưa vào mơ hình để “học lại”, cho ra bộ ma trận trọng số tốt hơn, phục vụ cho các mùa lũ sắp tới. 0 1 2 3 4 5 6 6/4/2019 0:00 6/24/2019 0:00 7/14/2019 0:00 8/3/2019 0:00 8/23/2019 0:00 9/12/2019 0:00 10/2/2019 0:00 Mực nư ớc (m ) Thời gian Thực đo Dự báo
3.2 Kết quả dự báo mực nước cho lưu vực sơng Tích – Bùi
Lưu vực sơng Tích Bùi là một lưu vực sông nhỏ thuộc hệ thống sơng Hồng – Thái Bình nhưng có vai trị quan trọng trong hoạt động sản xuất phía Tây thành phố Hà Nội. Lưu vực sơng Tích các năm gần đây liên tục có nước lũ dâng cao do chủ yếu do mưa nội vùng gây ra ngập lụt trên diện rộng.
Chính vì vậy, việc lựa chọn lưu vực sơng Tích Bùi để thử nghiệm hệ thống dự báo mực nước bằng mạng thần kinh nhân tạo hồi tiếp là hồn tồn phù hợp, nhằm tìm ra một cơng cụ mới giúp các nhà quản lý có được những kết quả một cách nhanh chóng và chính xác để có thể đưa ra những phương án kịp thời.
Hình 3.8: Phạm vi nghiên cứu thuộc lưu vực sơng Tích – Bùi
Lưu vực sơng Tích - Bùi nằm giữa các lưu vực sông sau: - Phía Tây Bắc: sơng Đà
- Phía Bắc: Sơng Hồng - Phía Đơng: sơng Đáy
- Phía Tây và Tây Nam: phân lưu sơng Đà và sơng Hồng Long
Trong vùng nghiên cứu bị ảnh hưởng bởi 8 trạm mưa Việt Trì, Trung Hà, Ba Vì, Hịa Bình, Sơn Tây KT, Sơn Tây TV, Hồi Đức, Ba Thá. Đặc điểm lũ của lưu vực sơng Tích Bùi là lũ do mưa nội đồng. Do địa hình trũng, nước tập trung nhanh mà khơng thốt đi gây ra thời gian ngập lụt kéo dài (hàng tháng). Trong vòng 3 năm gần đây (từ 2017 đến
2019), lưu vực sơng Tích Bùi liên tiếp bị ngập lụt nặng (2 năm xảy ra hiện tượng nước tràn qua đê), ảnh hưởng lớn đời sống cũng như sản xuất của nhân dân trong vùng.
Dưới đây là bản đồ sơng Tích – Bùi với đầy đủ các trạm thủy văn, trạm khí tượng và biên hạ du trong mơ hình.