《流域水沙模擬的動態並行計算理論與套用研究》是依託清華大學，由李鐵鍵擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：流域水沙模擬的動態並行計算理論與套用研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：李鐵鍵
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
坡面和溝道地貌不同，其中水文和泥沙過程的形式與機理也顯著不同，因此流域水沙模型有按坡面-溝道單元的實際尺度進行高解析度模擬的需求。並行計算是為這類模型提供運算能力的必要手段。進行流域水沙模擬時，所有源頭溝道可同時開始計算，具有充分的並行潛力；但是，由上游向下游的水沙演進需要逐河段串列計算，約束了並行效率。並行潛力與約束之間的關係是河網並行水沙模擬的關鍵科學問題，在並行計算過程中進行動態的任務分配靈活性強，是解決此問題的有效途徑。本項目擬採用二叉樹河網編碼方法組織大規模河網，提出一種將河網動態分解為子流域的方法，用於有效控制負載平衡進行並行水沙模擬；研究流域水沙並行模擬軟體架構,開發並行數字流域平台；將採用寬度函式量化河網的結構特徵，結合LogP模型研究在計算前進行並行參數最佳化的實用方法；還將探索採用圖形處理器(GPU)對並行水沙模擬進行加速的方法。
結題摘要
本項目的研究目標主要有：1、完成一種以河網動態分解為核心的流域水沙模型並行算法；2、將並行算法開發為軟體，發布並行數字流域平台；3、實現一種根據河網的結構特徵和並行平台負載性能預估和最佳化水沙模擬並行效率的方法，提高並行數字流域平台的實用性。通過三個年度的研究工作，主要完成了四個方面的成果。 1、河網動態分解並行算法的研究 研究開發了靈活性更強，效率更高的河網動態分解算法。將整個流域動態分解為子流域進行並行水文模擬：源頭子流域可由不同計算進程同時開始模擬；計算進程每完成當前子流域的模擬，即被分配一個新的子流域繼續計算；所有子流域的模擬順序要服從於上下游依賴關係以傳遞數據進行匯流計算；流域出口子流域最後單獨完成。 2、開發了基於並行算法的數字流域模型 數字流域模型以高解析度結構化數字河網為核心，集成流域坡面—溝道單元上的產匯流、產沙輸沙等不同子過程的動力學模型，構成完整的流域模擬系統。在數字流域平台的支撐下，流域水沙模擬具有以下特點：首先，模型基本單元是河段及其對應的坡面，河段以二叉樹河網編碼索引，編碼本身表明了河段間的連線關係和河網結構；其次，採用自然支流的形式劃分流域，標記每個子流域的級別和序號；再次，採用關係型資料庫管理流域河網和模型數據；最後，採用二叉樹編碼進行河網分解，實現了動態並行計算，提高了模型計算效率。 3、完成了水沙模擬的並行效率預估與模型參數最佳化 實現了一種根據河網的結構特徵和並行平台負載性能預估和最佳化水沙模擬並行效率的算法。採用高性能計算機作業調度系統，實現了同時進行多種情景水文模擬計算的雙層並行方法。在數字流域模型特定參數下的子流域並行計算基礎上（下層並行），提出了不同模型模擬方案（不同模型參數和輸入等）同時並行計算（上層並行）的方法，從而能全面利用HPC的硬體資源，快速完成參數最佳化過程。 4、實現並行計算在水庫最佳化調度中的套用 開發了多水庫聯合調度的動態並行最佳化算法。首先提出了適用於多水庫的多維動態規劃模型(DP)。其次，通過使用點對點(P2P)範式實現了DP算法的並行計算，並採用訊息傳遞接口協定(MPI)實現。P2P範式旨在提高計算效率的同時緩解DP算法運行時的記憶體需求。最後將並行DP算法套用於長江流域實際的五水庫系統，證明了該方法的高效率和實用性。
