Nghiên cứu ứng dụng mô hình mạng nơ ron thần kinh bộ nhớ dài hạn - ngắn hạn dự báo mực nước dưới đất vùng ven biển tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu

Trong những năm gần đây, Viện Môi trường và Tài nguyên đã thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu khoa học về nước dưới đất trên địa bàn tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu. Một trong những đề tài nghiên cứu nổi bật phải kể đến là “Ứng dụng mô hình mạng nơ ron thần kinh bộ nhớ dài hạn - ngắn hạn (LSTM-NN) dự báo diễn biến mực nước dưới đất vùng ảnh hưởng triều - Nghiên cứu điển hình vùng ven biển tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu”.

Nước dưới đất chiếm khoảng 30% trữ lượng nước ngọt toàn cầu, đóng vai trò đặc biệt quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội. Tuy nhiên, tại vùng ven biển, tài nguyên này chịu tác động mạnh từ biến đổi khí hậu, khai thác quá mức và xâm nhập mặn. Việc dự báo mực nước dưới đất là cơ sở khoa học để ngăn ngừa sụt lún, hỗ trợ quy hoạch và quản lý bền vững. Nghiên cứu về nước dưới đất ở tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu không chỉ mang lại thông tin chi tiết về tình trạng tài nguyên nước trong khu vực mà còn mở ra cơ hội cho việc áp dụng các giải pháp khoa học và công nghệ để bảo vệ và quản lý tài nguyên nước dưới đất một cách bền vững. Các phương pháp truyền thống như thống kê hoặc mô hình vật lý thường gặp hạn chế khi xử lý dữ liệu phi tuyến, biến động phức tạp theo mùa và khó bao quát đầy đủ yếu tố môi trường. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn áp dụng các mô hình học sâu hiện đại LSTM và GRU với khả năng nắm bắt quan hệ dài hạn trong chuỗi thời gian, qua đó nâng cao độ chính xác dự báo.

Hình 1. Công tác thu thập dữ liệu quan trắc tự ghi

Đề tài đã sử dụng bộ dữ liệu quan trắc tự ghi mực nước dưới đất kết hợp dữ liệu mưa, triều trong giai đoạn 2020–2024 để huấn luyện và kiểm định mô hình. Bốn mô hình con cho mỗi loại (LSTM, GRU) được xây dựng tương ứng với các thang thời gian: theo giờ, theo ngày, theo chu kỳ 10 ngày và theo tháng. Kết quả cho thấy các mô hình đều đạt hiệu suất dự báo tốt, trong đó mô hình theo ngày có hệ số R² lần lượt 69,87% (LSTM) và 71,34% (GRU). 

Hình 2. Hiệu suất của mô hình LSTM 2 và GRU 2 trong việc dự đoán mực nước dưới đất tại các khoảng thời gian 1 ngày, 10 ngày, 30 ngày

Các mô hình cũng chứng minh khả năng dự báo trước một tháng với độ tin cậy cao, đồng thời cho phép bổ khuyết dữ liệu thiếu và phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng – hải văn đến biến động mực nước.

Hình 3. Hiệu suất của mô hình LSTM 4 và GRU 4 trong việc dự đoán mực nước dưới đất tại khoảng thời gian 30 ngày

Ý nghĩa khoa học của nghiên cứu nằm ở việc khẳng định tiềm năng áp dụng các kiến trúc học sâu tiên tiến trong dự báo thủy văn – địa chất, mở rộng hướng tiếp cận cho các nghiên cứu quản lý nước ngầm. Về mặt thực tiễn, kết quả là cơ sở khoa học cho các cơ quan quản lý tại Bà Rịa – Vũng Tàu xây dựng kế hoạch khai thác, sử dụng và bảo vệ nguồn tài nguyên nước dưới đất một cách bền vững, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu và áp lực khai thác gia tăng. Kết quả nghiên cứu là minh chứng rõ nét cho khả năng ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào quản lý tài nguyên nước, mở ra hướng đi mới trong thích ứng với biến đổi khí hậu và phát triển bền vững ở khu vực ven biển Việt Nam.