[发明专利]基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法，属于洪涝模拟领域。包括以下步骤：收集水库及其下游的基础数据；对地形与土地利用数据进行预处理；选定工况和其对应参数；使用并行GPU计算的WCA2D模型版本进行模拟；分析计算结果可靠性和合理性；输出并处理WCA2D模型模拟的结果。与传统洪涝数值模拟模型相比，本发明应用的基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法的WCA2D模型是一种基于权重转换的元胞自动机模型，模拟效率很高，且支持并行GPU计算，可实现溃坝洪水演进的快速模拟。

技术领域

本发明属于数据处理及洪涝预测领域，具体公开了一种基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法。

背景技术

水库大坝具有防洪、灌溉、发电等功能，对推动社会经济发展起着重要的作用。随着城镇化进程的不断加快与扩张，一些原在郊区的水库逐渐或已进入城区，这些位于生命财产集中度更高的城区内的水库大坝，更是重点警惕的对象。溃坝虽然是一种低频率、高风险的灾害，但是大坝一旦发生溃决，将对下游地区带来灾难性影响，因此必须高度重视并采取相应的预防和处理措施。大坝因设计或施工不当，存在危险隐患，在隐患发展到一定程度后就可能产生溃坝。大坝除了质量问题导致溃坝外，地震、战争、恐怖袭击等不可抗力因素以及人为破坏也有可能导致大坝溃决。在这样的背景下，对溃坝后洪水下泄可能造成的破坏性影响和淹没情况进行模拟和预测，对下游可能被淹的地区制订适当的防护措施和紧急撤离预案是非常重要的。

自上世纪50年代以来，随着计算机运算能力不断提高以及数值计算技术进一步发展，数值模拟逐渐成为研究溃坝洪水演进的主要手段。数值模拟包括一维、二维以及三维三种方式，现今，一二维模拟的方式比较成熟，而二维模拟克服了一维模拟只能模拟几个点的缺陷，具有可以模拟较为真实地形、能计算平面参数特征、边界处理方便、结合GIS等技术可视化效果较好、方便直观显示模拟结果、计算结果精确等优点而被大量应用。水库溃坝洪水的演进可以采取数值模拟方法进行预测，相对一维模拟，二维模拟能提供更丰富的淹没效果分析；相对三维模拟，二维模拟所需的计算时间更少，研究范围更广。因此二维模拟是当前溃坝洪水演进的一种常用的数值模拟方法。实施二维模拟的工具包括MIKE21、InfoWorksICM、LISFLOOD-FP模型、SWM模型、FloodMap、二阶 MUSCL 模型等，它们一般通过求解完整或者简化的浅水方程模拟洪水的演进过程，但直接计算需要消耗大量时间，难以满足溃坝洪水预测和模拟的时效性,且商业化性质限制了像是MIKE21和InfoWorks ICM的推广以及二次开发潜力。与传统二维水动力模型不同，WCA2D（Weighted Cellular Automata 2DInundation Model）模型是由Michele Guidolin与Albert S. Chen等人开发，是一种基于权重转换规则的元胞自动机模型，尽管没有考虑惯性项和动量守恒，但具备模拟二维水动力过程的能力，并且模拟效率很高；该模型能够用来处理多种网格( 例如矩形网格、六边形网格或三角形网格) 以及不同的元胞邻域类型( 例如四元胞的冯-诺依曼邻域或八元胞的摩尔邻域) ，而模型的GPU并行加速技术目前也已经取得突破。在水库溃决这类突发性的灾难面前，时间就是生命，数值模拟的计算效率是影响灾害防御决策的关键因素。

鉴于此，采取全开源的WCA2D模型对水库溃坝洪水的演进开展数值模拟理论上是可行的，是能满足其时效性与推广要求的。然而，目前应用WCA2D模型对水库溃坝洪水演进实施快速模拟的相关技术尚未见报到，因此在该模型基础上发明一种基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法显得十分迫切。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可实现水库溃坝洪水演进二维快速模拟方法的方法，为城区溃坝洪水演进模拟提供一种操作简单、计算精度高、计算效率高、可视化效果好的工具。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法，包括以下步骤：

S1、收集水库及其下游的基础数据，