流域水沙模拟的动态并行计算理论与应用研究

坡面和沟道地貌不同，其中水文和泥沙过程的形式与机理也显著不同，因此流域水沙模型有按坡面-沟道单元的实际尺度进行高分辨率模拟的需求。并行计算是为这类模型提供运算能力的必要手段。进行流域水沙模拟时，所有源头沟道可同时开始计算，具有充分的并行潜力；但是，由上游向下游的水沙演进需要逐河段串行计算，约束了并行效率。并行潜力与约束之间的关系是河网并行水沙模拟的关键科学问题，在并行计算过程中进行动态的任务分配灵活性强，是解决此问题的有效途径。本项目拟采用二叉树河网编码方法组织大规模河网，提出一种将河网动态分解为子流域的方法，用于有效控制负载平衡进行并行水沙模拟；研究流域水沙并行模拟软件架构,开发并行数字流域平台；将采用宽度函数量化河网的结构特征，结合LogP模型研究在计算前进行并行参数优化的实用方法；还将探索采用图形处理器(GPU)对并行水沙模拟进行加速的方法。

本项目的研究目标主要有：1）完成一种以河网动态分解为核心的流域水沙模型并行算法；2）将并行算法开发为软件，发布并行数字流域平台；3）实现一种根据河网的结构特征和并行平台负载性能预估和优化水沙模拟并行效率的方法，提高并行数字流域平台的实用性。通过三个年度的研究工作，主要完成了四个方面的成果。.1、河网动态分解并行算法的研究.研究开发了灵活性更强，效率更高的河网动态分解算法。将整个流域动态分解为子流域进行并行水文模拟：源头子流域可由不同计算进程同时开始模拟；计算进程每完成当前子流域的模拟，即被分配一个新的子流域继续计算；所有子流域的模拟顺序要服从于上下游依赖关系以传递数据进行汇流计算；流域出口子流域最后单独完成。.2、开发了基于并行算法的数字流域模型.数字流域模型以高分辨率结构化数字河网为核心，集成流域坡面—沟道单元上的产汇流、产沙输沙等不同子过程的动力学模型，构成完整的流域模拟系统。在数字流域平台的支撑下，流域水沙模拟具有以下特点：首先，模型基本单元是河段及其对应的坡面，河段以二叉树河网编码索引，编码本身表明了河段间的连接关系和河网结构；其次，采用自然支流的形式划分流域，标记每个子流域的级别和序号；再次，采用关系型数据库管理流域河网和模型数据；最后，采用二叉树编码进行河网分解，实现了动态并行计算，提高了模型计算效率。.3、完成了水沙模拟的并行效率预估与模型参数优化.实现了一种根据河网的结构特征和并行平台负载性能预估和优化水沙模拟并行效率的算法。采用高性能计算机作业调度系统，实现了同时进行多种情景水文模拟计算的双层并行方法。在数字流域模型特定参数下的子流域并行计算基础上（下层并行），提出了不同模型模拟方案（不同模型参数和输入等）同时并行计算（上层并行）的方法，从而能全面利用HPC的硬件资源，快速完成参数优化过程。.4、实现并行计算在水库优化调度中的应用.开发了多水库联合调度的动态并行优化算法。首先提出了适用于多水库的多维动态规划模型(DP)。其次，通过使用点对点(P2P)范式实现了DP算法的并行计算，并采用消息传递接口协议(MPI)实现。P2P范式旨在提高计算效率的同时缓解DP算法运行时的内存需求。最后将并行DP算法应用于长江流域实际的五水库系统，证明了该方法的高效率和实用性。