【摘要】：隨著《水污染防治行動計劃》和《生態(tài)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案》等環(huán)境保護(hù)和環(huán)境監(jiān)測方案的出臺,我國已進(jìn)入“水陸耦合、河海兼顧”的流域環(huán)境管理新時代；在流域性環(huán)境分析技術(shù)與模型方法上亟需尺度大、準(zhǔn)確性好、精度可靠和效率高的突破性和創(chuàng)新性的科技成果。針對我國水環(huán)境管理的科技需求,基于分布式環(huán)境模型,采用并行技術(shù)和集群技術(shù),本文實現(xiàn)了大尺度流域環(huán)境模型的高精度與高效能集群計算。主要研究內(nèi)容與取得的成果如下：(1)針對流域大尺度模擬計算面對的數(shù)據(jù)量大、類型復(fù)雜等特點,根據(jù)高效能計算“化整為零、以量取勝”的原則,基于MPI+OPENMP的混合并行技術(shù)和區(qū)域分解法,創(chuàng)造性的提出了流域水環(huán)境模型“模型間-節(jié)點內(nèi)-模型內(nèi)”的三級耦合并行技術(shù),研發(fā)了精度可靠、效度可達(dá)、尺度可調(diào)、成本較低的流域水環(huán)境高效能計算模型。(2)針對環(huán)境大數(shù)據(jù)產(chǎn)生的實時性、復(fù)雜性和海量性特征,以面向環(huán)境大數(shù)據(jù)分析和服務(wù)于業(yè)務(wù)化管理的理念,構(gòu)建了流域環(huán)境模型集群管理體系,包含數(shù)據(jù)中心、模型中心、管理中心以及業(yè)務(wù)中心。在管理中心的調(diào)度下,數(shù)據(jù)中心為模型中心提供數(shù)據(jù),模型中心面向業(yè)務(wù)中心的需求和數(shù)據(jù)特點提供模型服務(wù)。(3)突破了海量網(wǎng)格構(gòu)建技術(shù)和基于重疊區(qū)數(shù)據(jù)交換的流域水環(huán)境模型區(qū)域分塊技術(shù),提出了大尺度環(huán)境模擬的分-總-分海量網(wǎng)格繪制、重編與分塊技術(shù),解決了無法一次性完成大尺度高精度海量網(wǎng)格繪制的問題,形成了可拼接、可擴(kuò)展、可裁剪、可分離的靈活規(guī)則網(wǎng)格體系,為實現(xiàn)大尺度水環(huán)境模型的并行計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。(4)從三峽庫區(qū)分割出符合大尺度復(fù)雜流域特點的長江干流河段72km,竺溪河江段8km和澎溪河江段21km的水域與匯流面積為6639.79km2的區(qū)域為示范區(qū),劃分為385個子流域、850個水文響應(yīng)單元和719141個水域網(wǎng)格,分為14個節(jié)點進(jìn)行集群模型的應(yīng)用和驗證計算。結(jié)果表明陸地模型線性回歸系數(shù)R2和納西效率Ens檢驗值均在0.75以上,水動力模型模擬相對誤差在10%以內(nèi),水質(zhì)模型模擬值與實測值吻合較好,相對誤差在20%以內(nèi)。本文所構(gòu)建的大尺度環(huán)境模型集群能開展大尺度的環(huán)境模擬,具有較高的模擬精度。(5)通過設(shè)置不同集群計算方案,對流域水環(huán)境模型高效能集群計算體系的性能進(jìn)行了評估。結(jié)果表明區(qū)域分塊數(shù)與計算時間符合指數(shù)關(guān)系,數(shù)據(jù)交換和網(wǎng)絡(luò)延遲會降低整體集群的效率；對同一范圍進(jìn)行集群并行和串行計算,集群計算的平均并行加速比為7.92,平均并行效率為36.01%；將研究區(qū)劃分為200個集群計算節(jié)點,模擬2天僅需lh54min,相比于14個集群計算節(jié)點效率提升了98%,說明所構(gòu)建的模型集群能較大的提高模型模擬的速度,滿足大尺度環(huán)境業(yè)務(wù)化管理的時效性需要。
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２．２．１模型坐標(biāo)體系逡逑0坐標(biāo)體系相對于直角坐標(biāo)系的ｘ，ｙ，ｚ關(guān)系，在水平方向上，ａ坐標(biāo)系仍然保持其Ｘ，逡逑ｙ之間的相互關(guān)系，但垂直方向上通過ａ的一系列變換替代Ｚ值。圖２－３所示分別表示逡逑直角坐標(biāo)系與ａ坐標(biāo)系。逡逑．Ｍｆ邐Ｍ邋ｌ邐等ｆ＝ｌｏ日ｄ巧３的ｎ逡逑Ｚ唯邋ｙ’。邐屰心邋Ｚ＝。邐…三心逡逑二二Ｔ—．…柋邐氣號二－二－廠蜘。坤）逡逑＇邐二‘、、邐Ｔ邋Ｄｒｙ邋ｓｅａｓｏｎ逡逑＼邐—邋二二逡逑Ｖ邐郵Ｈ（ＸＷ逡逑４］邐＾＾邐—ＢＴＬ邐邐成邐ＢＴＬ（ｔｉ＝＾１）逡逑ＸNBＺ里標(biāo)系邐０韭標(biāo)系逡逑圖２－３直角坐標(biāo)系與Ｃ坐標(biāo)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逡逑在圖３－２中，左固ｘ，ｙ，ｚ坐標(biāo)系中，Ｘ方向表示正東方向、ｙ方向表示正北方向，而ｚ逡逑方向表示垂直地表方向，值從原點向Ｘ、ｙ、Ｚ方向分別遞增。假定ＭＬＷ為自由水平面、逡逑ＢＴＬ為水體底部高程，則Ｈ（ｘ，ｙ）為沿著Ｚ方向的自由水平面線ＭＬＷ到ＢＴＬ的深度值。逡逑另ＭＬＷ處的高程為０，則在ＢＴＬ處，高程為－Ｈ（ｘ，ｙ），，對應(yīng)的自由水表面Ｔ１在不同時間逡逑的水位可Ｗ表示為ｚ＝Ｔ｜（ｘ，：ｙ，ｔ）。對直角坐標(biāo)系進(jìn)行置換，如圖２－３的ａ坐標(biāo)系中，Ｘ、ｙ、逡逑Ｂ化、ＭＬＷ邋Ｗ及ｎ仍然保持在直角坐標(biāo)系中的相同含義，在�。烫幐叱虨椋龋ǎ�，用逡逑ａ的值替代Ｚ值，滿足ｃ邋＝邋（Ｚ－口）／（／／＋口），則有在ＭＬＷ處的0＝０，邋ＢＴＬ處0＝－１，從ＢＴＬ逡逑２

其過程中涉及到溶解氧變化、氮循環(huán)、a愌貳⑻佳泛蛃暄返確⑸謁義咸�、ｔＲ汽絾剧处�(zhǔn)暗啄嗪偷啄嗨褰喚绱Φ木嚀宓奈鎦恃飯獺８霉萄房蚣莧玨義賢跡玻端盡ｅ義希常沖義

本文編號：2590708