流域大尺度水环境模型的高效能集群计算方法研究及其在三峡库区的应用
发布时间：2020-03-19 21:01
【摘要】：随着《水污染防治行动计划》和《生态环境监测网络建设方案》等环境保护和环境监测方案的出台,我国已进入“水陆耦合、河海兼顾”的流域环境管理新时代；在流域性环境分析技术与模型方法上亟需尺度大、准确性好、精度可靠和效率高的突破性和创新性的科技成果。针对我国水环境管理的科技需求,基于分布式环境模型,采用并行技术和集群技术,本文实现了大尺度流域环境模型的高精度与高效能集群计算。主要研究内容与取得的成果如下：(1)针对流域大尺度模拟计算面对的数据量大、类型复杂等特点,根据高效能计算“化整为零、以量取胜”的原则,基于MPI+OPENMP的混合并行技术和区域分解法,创造性的提出了流域水环境模型“模型间-节点内-模型内”的三级耦合并行技术,研发了精度可靠、效度可达、尺度可调、成本较低的流域水环境高效能计算模型。(2)针对环境大数据产生的实时性、复杂性和海量性特征,以面向环境大数据分析和服务于业务化管理的理念,构建了流域环境模型集群管理体系,包含数据中心、模型中心、管理中心以及业务中心。在管理中心的调度下,数据中心为模型中心提供数据,模型中心面向业务中心的需求和数据特点提供模型服务。(3)突破了海量网格构建技术和基于重叠区数据交换的流域水环境模型区域分块技术,提出了大尺度环境模拟的分-总-分海量网格绘制、重编与分块技术,解决了无法一次性完成大尺度高精度海量网格绘制的问题,形成了可拼接、可扩展、可裁剪、可分离的灵活规则网格体系,为实现大尺度水环境模型的并行计算提供基础数据支撑。(4)从三峡库区分割出符合大尺度复杂流域特点的长江干流河段72km,竺溪河江段8km和澎溪河江段21km的水域与汇流面积为6639.79km2的区域为示范区,划分为385个子流域、850个水文响应单元和719141个水域网格,分为14个节点进行集群模型的应用和验证计算。结果表明陆地模型线性回归系数R2和纳西效率Ens检验值均在0.75以上,水动力模型模拟相对误差在10%以内,水质模型模拟值与实测值吻合较好,相对误差在20%以内。本文所构建的大尺度环境模型集群能开展大尺度的环境模拟,具有较高的模拟精度。(5)通过设置不同集群计算方案,对流域水环境模型高效能集群计算体系的性能进行了评估。结果表明区域分块数与计算时间符合指数关系,数据交换和网络延迟会降低整体集群的效率；对同一范围进行集群并行和串行计算,集群计算的平均并行加速比为7.92,平均并行效率为36.01%；将研究区划分为200个集群计算节点,模拟2天仅需lh54min,相比于14个集群计算节点效率提升了98%,说明所构建的模型集群能较大的提高模型模拟的速度,满足大尺度环境业务化管理的时效性需要。
【图文】：
２．２．１模型坐标体系逡逑0坐标体系相对于直角坐标系的ｘ，ｙ，ｚ关系，在水平方向上，ａ坐标系仍然保持其Ｘ，逡逑ｙ之间的相互关系，但垂直方向上通过ａ的一系列变换替代Ｚ值。图２－３所示分别表示逡逑直角坐标系与ａ坐标系。逡逑．Ｍｆ逦Ｍ邋ｌ逦等ｆ＝ｌｏ日ｄ巧３的ｎ逡逑Ｚ唯邋ｙ’。逦屰心邋Ｚ＝。逦…三心逡逑二二Ｔ—．…柋逦气号二－二－厂蜘。坤）逡逑＇逦二‘、、逦Ｔ邋Ｄｒｙ邋ｓｅａｓｏｎ逡逑＼逦—邋二二逡逑Ｖ逦邮Ｈ（ＸＷ逡逑４］逦＾＾逦—ＢＴＬ逦逦成逦ＢＴＬ（ｔｉ＝＾１）逡逑ＸNBＺ里标系逦０韭标系逡逑图２－３直角坐标系与Ｃ坐标系逡逑Ｆｉｇ．２－３邋Ｒｅｃｔａｎｇ山ａｒ邋ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ａｎｄ邋化ｅ邋ｓｉｇｍａ邋ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑在图３－２中，左固ｘ，ｙ，ｚ坐标系中，Ｘ方向表示正东方向、ｙ方向表示正北方向，而ｚ逡逑方向表示垂直地表方向，值从原点向Ｘ、ｙ、Ｚ方向分别递增。假定ＭＬＷ为自由水平面、逡逑ＢＴＬ为水体底部高程，则Ｈ（ｘ，ｙ）为沿着Ｚ方向的自由水平面线ＭＬＷ到ＢＴＬ的深度值。逡逑另ＭＬＷ处的高程为０，则在ＢＴＬ处，高程为－Ｈ（ｘ，ｙ），，对应的自由水表面Ｔ１在不同时间逡逑的水位可Ｗ表示为ｚ＝Ｔ｜（ｘ，：ｙ，ｔ）。对直角坐标系进行置换，如图２－３的ａ坐标系中，Ｘ、ｙ、逡逑Ｂ化、ＭＬＷ邋Ｗ及ｎ仍然保持在直角坐标系中的相同含义，在肌Ｌ处高程为－Ｈ（ｘ，ｙ），用逡逑ａ的值替代Ｚ值，满足ｃ邋＝邋（Ｚ－口）／（／／＋口），则有在ＭＬＷ处的0＝０，邋ＢＴＬ处0＝－１，从ＢＴＬ逡逑２
其过程中涉及到溶解氧变化、氮循环、a愌贰⑻佳泛蛃暄返确⑸谒义咸濉ⅲ簦移唤绱Γ准暗啄嗪偷啄嗨褰唤绱Φ木咛宓奈镏恃饭獭８霉萄房蚣苋珏义贤迹玻端尽ｅ义希常冲义
本文编号：2590708
【图文】：
２．２．１模型坐标体系逡逑0坐标体系相对于直角坐标系的ｘ，ｙ，ｚ关系，在水平方向上，ａ坐标系仍然保持其Ｘ，逡逑ｙ之间的相互关系，但垂直方向上通过ａ的一系列变换替代Ｚ值。图２－３所示分别表示逡逑直角坐标系与ａ坐标系。逡逑．Ｍｆ逦Ｍ邋ｌ逦等ｆ＝ｌｏ日ｄ巧３的ｎ逡逑Ｚ唯邋ｙ’。逦屰心邋Ｚ＝。逦…三心逡逑二二Ｔ—．…柋逦气号二－二－厂蜘。坤）逡逑＇逦二‘、、逦Ｔ邋Ｄｒｙ邋ｓｅａｓｏｎ逡逑＼逦—邋二二逡逑Ｖ逦邮Ｈ（ＸＷ逡逑４］逦＾＾逦—ＢＴＬ逦逦成逦ＢＴＬ（ｔｉ＝＾１）逡逑ＸNBＺ里标系逦０韭标系逡逑图２－３直角坐标系与Ｃ坐标系逡逑Ｆｉｇ．２－３邋Ｒｅｃｔａｎｇ山ａｒ邋ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋ｓｙｓｔｅｍ邋ａｎｄ邋化ｅ邋ｓｉｇｍａ邋ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑在图３－２中，左固ｘ，ｙ，ｚ坐标系中，Ｘ方向表示正东方向、ｙ方向表示正北方向，而ｚ逡逑方向表示垂直地表方向，值从原点向Ｘ、ｙ、Ｚ方向分别递增。假定ＭＬＷ为自由水平面、逡逑ＢＴＬ为水体底部高程，则Ｈ（ｘ，ｙ）为沿着Ｚ方向的自由水平面线ＭＬＷ到ＢＴＬ的深度值。逡逑另ＭＬＷ处的高程为０，则在ＢＴＬ处，高程为－Ｈ（ｘ，ｙ），，对应的自由水表面Ｔ１在不同时间逡逑的水位可Ｗ表示为ｚ＝Ｔ｜（ｘ，：ｙ，ｔ）。对直角坐标系进行置换，如图２－３的ａ坐标系中，Ｘ、ｙ、逡逑Ｂ化、ＭＬＷ邋Ｗ及ｎ仍然保持在直角坐标系中的相同含义，在肌Ｌ处高程为－Ｈ（ｘ，ｙ），用逡逑ａ的值替代Ｚ值，满足ｃ邋＝邋（Ｚ－口）／（／／＋口），则有在ＭＬＷ处的0＝０，邋ＢＴＬ处0＝－１，从ＢＴＬ逡逑２
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