分布式水文模型时空离散化并行计算方法研究

时空离散化并行计算是一种效率较高的并行计算方法,但以往的研究主要基于MPI框架和多树编码规则。为了使应用广泛的Pfafstetter编码的分布式水文模型实现时空并行计算,采用OpenMP编程模型,为WEP-L分布式水文模型汇流过程设计了基于Pfafstetter编码的分层模拟单元方法和时空离散化方法。首先分层模拟单元方法根据Pfafstetter编码规则建立子流域拓扑表,使子流域按照从上游到下游的顺序进行分层,然后在此基础上考虑时间因素重新分层实现时空离散化,最后将同一层中时间及空间上互不影响的子流域模拟任务分配给不同的线程实现并行计算。选取黄河流域作为研究区域,在不同线程条件下对并行效果进行了测试,结果表明,汇流并行化提高了模型模拟效率。基于20核的CPU,仅考虑分层模拟单元方法时,加速比最大为4.14,而采用时空离散化方法时,加速比能够达到8.17。     

白洋淀流域分布式水文模型开发与验证

针对白洋淀流域水资源保护工作开发了分布式水文模型WEP-L模型。WEP-L模型是对流域水循环过程与能量循环过程的综合模拟,具有较高的模拟精度。对白洋淀流域1956 } 2000年的径流模拟计算表明:主要水文站的相对误差在5%以内,Nash-Sutcliffe效率系数在0. 8以上,可以用于白洋淀流域的水文循环分析。     

基于不同分辨率DEM提取坡度值的转换关系研究

基于DEM提取计算单元坡度是分布式水文模型构建的重要手段之一,通过研究不同分辨率DEM对WEP-L模型计算单元坡度的影响及其转换关系,为模型计算中坡度与其他运算量之间非线性关系带来的计算精度与计算效率之间的矛盾提供解决方案。以NASA发布的30 m分辨率DEM数据为基础,以不同尺度流域(南小河沟流域,面积36.3 km~2;泾河流域,面积4.5万km~2)为研究对象,利用分形结合半方差函数的方法分析低分辨率DEM提取的计算单元坡度向高分辨率DEM提取的坡度信息转换的规律。研究发现以30 m分辨率DEM为基础提取的子流域套等高带结构能够很好地反映南小河沟流域地形"坡度等高分布"的特点;利用分形结合半方差函数的形式能够有效地实现基于低分辨率DEM提取的流域基本计算单元坡度向"真实"地形坡度值转换。根据模型计算需求,给出了不同分辨率DEM数据提取坡度值的转换关系。本研究可为分布式水文模型搭建面临的计算精度与计算效率矛盾问题提供借鉴和参考。     

基于多 GPU 数值框架的流域地表径流过程数值模拟

与传统概念性水文模型相比,二维水动力模型可提供更丰富的流域地表水力要素信息,但是计算耗时太长的问题限制其推广应用,提升二维水动力模型的计算效率成为当前数字孪生流域建设工作中的关键技术难题之一。采用基于Godunov格式的有限体积法离散完整二维浅水方程组建立模型,通过消息传递接口(message passing interface, MPI)与统一计算设备架构(compute unified device architecture, CUDA)相结合的技术实现了基于多图形处理器(graphics processing unit, GPU)的高性能加速计算,采用理想算例和真实流域算例验证模型具有较好的数值计算精度,其中,理想算例中洪峰的相对误差为0.011%,真实流域算例中洪峰的相对误差为2.98%。选取宝盖寺流域为研究对象,分析不同单元分辨率下模型的加速效果,结果表明：在5、2、1 m分辨率下,使用8张GPU卡计算获得的加速比分别为1.58、3.92、5.77,单元分辨率越高,即单元数越多,多GPU卡的加速效果越明显。基于多GPU的水动力模型加速潜力巨大,可为数字孪生流域建设提供有力技术支撑。     

面向分布式水文模型的汉江流域空间离散化方法

深入分析了分布式与半分布式水文模型的空间离散化方法,结合多种方法的优点对汉江流域下垫面信息进行离散化处理,既综合了子流域和地貌单元反映地形特征的优势,又引入"马赛克地块"面积分布函数,简单有效反映了不同植被覆盖影响.同时,为每个计算单元都进行了含有拓扑信息的编码,高效组织了众多空间数据,便于计算机自动处理,缩短计算时间.为构建分布式水文模型时尽可能全面反映下垫面空间异质性同时又尽可能少的引入参数打下了坚实基础.     

考虑湖泊范围的子流域划分和编码方法研究

现有子流域划分方法一般通过虚拟河网将湖泊划分为若干部分，每个部分分属不同的子流域，并未考虑湖泊范围的完整性和独立性，不利于湖泊水量平衡分析。为解决这一问题，提出一种考虑湖泊范围的子流域划分和编码方法，包括湖区子流域(湖泊子流域和湖滨带子流域)划分和非湖区子流域划分方法，以及根据栅格流向和河道汇流关系，确定子流域间的上下游拓扑关系并生成其拓扑关系表。黄河源区(唐乃亥以上区域)有鄂陵湖和扎陵湖两大湖泊，采用该方法对黄河源区进行子流域划分和编码，并基于流域分布式水文模型(WEP-L模型)进行模拟验证，结果表明该方法可实现研究区湖泊区域的自动识别、子流域划分及编码，水文模拟结果和湖泊水量平衡计算结果合理。     

基于分布式水文模型的GPU并行化及快速模拟技术研究

分布式水文模型往往考虑了研究流域的气候变化及降雨径流等水文特征要素,水文过程模拟的精度和范围不断提高,进而导致模型的计算量急剧增加,模型的计算速度慢、计算效率低等问题逐渐显露。GPU并行运算技术的快速发展使得普通计算机能够高效快速运行,文章基于GPU技术对水文资料的插值和研究流域的产汇流采取并行计算,利用非并行递归原理对马斯京根的河道汇流进行计算。结果表明:基于GPU和C语言相结合的降雨量插值计算效率明显高于普通CPU的计算效率,采用递归法进行马斯京根汇流演算的计算效率是利用产汇流次序表的0.6-1.38倍。     

基于GPU加速的水文模型参数率定

针对水文模型参数率定问题,为显著提升计算效率,选择SCE-UA算法和新安江模型为研究对象,围绕SCE-UA算法并行化与程序化实现、并行SCE-UA算法在图形处理器(GPU)上的加速效果这两个关键科学问题,以GPU硬件平台和通用计算设备架构(CUDA)软件平台为工具,采用时空复杂度分析、算法并行性挖掘、代码深度优化、数值模拟实验等多种手段相结合的方法,进行了水文模型参数率定提速研究。内容包括:①搭建基于CUDA和GPU的并行计算软硬件平台,进行配置与调优;②并行SCE-UA算法及其程序化实现;③并行SCE-UA算法在GPU上的加速效果。研究结果表明:所提出的方法显著提升了参数率定效率,能够促进水文模拟、最优化方法、计算机科学与技术等多学科的交叉、融合与发展,对水文模拟与预报、防洪快速应急响应具有科学意义和实用价值。     

分布式水文模型构建及在黄河区间流域的应用

选择位于黄河支流洛河中游的长水—宜阳区间流域作为研究对象,基于数字高程模型,计算栅格水流方向、集水面积和栅格演算次序,为产汇流计算打下基础。把1个栅格单元作为1个小子流域,基于栅格采用新安江模型进行产流计算,采用Muskingum-Cunge算法进行河道洪水演算。结果表明,基于DEM的分布式水文模型在洪峰误差控制和过程拟合等方面表现较好,洪水模拟具有较高的精度。     

基于流路坡度的分布式单位线应用研究

为了分析分布式或半分布式水文模型计算单元的单位线,提出了一种基于流路平均坡度的分布式单位线分析方法,该方法考虑了坡度对汇流的影响并且避免了零坡度网格的处理,可以直接应用于无资料中小流域和分布、半分布式流域水文模型中.将分析的单位线用于干江河流域HEC-HMS模型,模拟结果较好.