[发明专利]基于流向的分布式水文模型并行计算方法

说明书

本发明公开一种基于流向的分布式水文模型并行计算方法，包括提出基于NetCDF(Network Common Data Format)的参数描述方法；实现对分布式水文模型的标准化构建；实现流域离散化与网格构建；根据河道关系、汇流关系，提取并行演算次序序列，实现分布式水文模型并行计算；本发明改变了分布式水文模型传统串行计算的方式，基于网格流向划分(GFD)实现模型计算效率的提升。

技术领域

本发明属于水文模型预测技术，具体涉及一种基于流向的分布式水文模型并行计算方法。

背景技术

水文模型是对洪水进行预报与水文机理研究的重要工具，用数学的方法描述模拟重现水文循环过程，在流域尺度范围内对降雨径流形成过程进行模拟从而达到确定流域水文响应的目的。水文模型为洪水预报及防汛调度等工作提供了重要的决策支持。

根据对水文过程的描述，结合流域的特征，水文模型可分为集总式水文模型和分布式水文模型。集总式水文模型由普通微分方程进行表达，在流域上采用平均的、单一化的参数来描述整个流域的水文特征，没有考虑水文过程、输入、边界条件及流域几何特征的空间变化，因此对于下垫面变化大、空间分布广的流域模拟效果并不好。

基于数字高程模型(DEM)提取的分布式水文模型是近年来水文领域研究的重点。随着 DEM提取技术的飞速发展，分布式水文模型的应用也逐渐变得广泛。分布式水文模型考虑了模型计算过程、输入、流域边界条件和几何特征的空间变性，根据高分辨率的流域下垫面特征把流域划分为满足精度的网格。

分布式水文模型是进行洪水预报和水文过程模拟的有效工具。模型的计算过程包括每个单元网格或子流域的蒸散发、产流、分水源以及汇流等。由于计算过程高度耦合，时间与空间上都依赖于前一结果，目前大部分分布式水文模型都采用串行计算的方式。但是，复杂的计算导致了在预热期长、分辨率高的大流域存在计算量大，计算密集的情况，需要耗费大量时间产生预报结果，也导致了资源的浪费。因此，传统的串行计算方式，已经无法满足分布式水文模型在上述情况中的实时模拟和预报需求。如何提高分布式水文模型的计算效率，是在水文预报领域实用化过程中迫切需要解决的问题。

本发明提出一种基于流向的分布式水文模型并行计算方法，实现基于网格流向划分的算法(GFD)解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于流向的分布式水文模型并行计算方法，通过网格流向划分(GFD)算法，实现对分布式水文模型进行拆分和并行化计算。

技术方案：本发明的一种基于流向的分布式水文模型并行计算方法，包括以下步骤。

步骤S1、分布式水文模型其特征是考虑了过程、输入、边界条件及流域几何特征的空间变性。在空间划分上将流域划分为很多模拟单元，须保证模型输入及计算过程的统一化。针对分布式水文模型普遍存在的问题，提出基于NetCDF(Network Common DataFormat)的参数描述方法，根据水文过程机理对模型构件、计算过程进行定义，预测可并行模块，实现对分布式水文模型的标准化构建；

步骤S2、实现流域离散化与网格构建，将分布式水文模型的最小计算单位定义为模拟单元，根据汇流关系找出单元间依赖特征，提出一种依赖于网格流向划分的离散化与网格构建方法。首先根据DEM对流域特征进行提取，基于D8法确定网格边界与流量参数。其次对流域进行建模，构建网格化任务追踪树，即模拟单元间依赖关系可视化，形成流域并行化网格的组合；

步骤S3、构建网格流向矩阵，累积汇水面积矩阵，水系矩阵的三维关系矩阵。提出网格流向划分算法(GFD)，根据河道关系、汇流关系，提取并行演算次序序列，实现分布式水文模型并行计算。

本发明还公开了一种基于流向的分布式水文模型并行计算方法的模型构建方法，依次包括以下步骤。