一种基于物理模型的水文过程串并耦合动态模拟方法技术

本发明专利技术提供一种基于物理模型的水文过程串并耦合动态模拟方法，包括以下步骤：对被研究流域的DEM数据进行水文分析，提取得到多个子流域；将具有空间依赖关系的多个子流域合并，得到一个主河网子流域；对于剩余的不具有空间依赖关系的子流域，作为外层子流域；对主河网子流域和外层子流域进行状态标注；对外层子流域和主河网子流域进行串并耦合动态模拟。本发明专利技术提供一种基于物理模型的水文过程串并耦合动态模拟方法，使用多处理器的硬件并行处理能力，运用计算机的并行技术，实现顾及串联特征的水文过程的并行模拟，有效提高水文过程模拟的效率。模拟的效率。模拟的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于物理模型的水文过程串并耦合动态模拟方法


[0001]本专利技术属于水文过程模拟
，具体涉及一种基于物理模型的水文过程串并耦合动态模拟方法。

技术介绍

[0002]水文模拟，是采用物理水文模型对流域发生的水文过程进行模拟，例如，模拟一次暴雨的整个水文过程；其中，整个水文过程包括：降水过程、植被截留过程、土壤下渗过程、降水填洼过程、产流过程和汇流过程等。
[0003]物理水文模型进行水文过程模拟时，需要考虑流域的空间差异性和水文过程的时间特性。空间分布上，将流域离散为像元阵列，每个像元的水文数据各不相同，包括：降雨强度不同，下渗率不同，水深和流量等都不同。因此，在模拟流域一次暴雨过程时，从降雨开始，每个时间步长模拟流域像元阵列上每个像元位置的降雨量、截溜量、下渗量、产流量、汇流量等。
[0004]因此，物理水文模型可以模拟整个流域的详细水文过程。在物理水文模型进行水文过程模拟时，以时间步长为迭代周期，对流域的水文要素(流量、流速和水深等)进行迭代模拟，通常以秒为单位，下一个时间步长的模拟以上一个时间步长的数据为基础进行，因此存在时空上的依赖性。
[0005]现有物理水文模型进行水文过程模拟时，由于时空依赖性，多采用串行模拟方法，需要重复迭代多次，具有水文过程模拟效率低的问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种基于物理模型的水文过程串并耦合动态模拟方法，可有效解决上述问题。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]本专利技术提供一种基于物理模型的水文过程串并耦合动态模拟方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1，对被研究流域的DEM数据进行水文分析，提取得到多个子流域；根据多个子流域的汇流过程，将具有空间依赖关系的多个子流域合并，得到一个主河网子流域，表示为：W
m
；对于剩余的不具有空间依赖关系的子流域，作为外层子流域，假设共有n个外层子流域，表示为：W1,W2,
…
,W
n
；
[0010]步骤2，预估外层子流域W1,W2,
…
,W
n
的运算时间，分别为：S1,S2,
…
,S
n
,假设S1<S3<
…
<S
n
‑1<S
n
<
…
<S4<S2；
[0011]预估主河网子流域W
m
的运算时间为S
m
；
[0012]设参与模拟运算的处理器总数为p个，表示为：处理器C1,C2,
…
,C
p
；p<n；
[0013]步骤3，n个外层子流域W1,W2,
…
,W
n
以及主河网子流域W
m
均进行状态标注；其中：标注的状态包括：未分配处理器状态、某个时间步长模拟进行中状态和某个时间步长模拟完
成状态；
[0014]初始时，标注的状态均为：未分配处理器状态；
[0015]步骤4，进行第1个时间步长的水文过程模拟：
[0016]步骤4.1，根据n个外层子流域的运算时间，将n个外层子流域，按运算时间从小到大的顺序，加入外层子流域队列；按从外层子流域队列头部到尾部的顺序，依次为：W1,W3,
…
,W
n
‑1,W
n
,
…
,W4,W2；
[0017]步骤4.2，从外层子流域队列的头部，依次读取p个外层子流域，即：W1,W3,
…
,W
p
；将外层子流域W1,W3,
…
,W
p
，分别分配给处理器C1,C2,
…
,C
p
，使处理器C1,C2,
…
,C
p
，分别对读取的p个外层子流域进行第1个时间步长的并行水文过程模拟；
[0018]对于读取的p个外层子流域，当被分配处理器进行第1个时间步长的水文过程模拟时，将其状态均标注为：第1个时间步长模拟进行中状态；
[0019]步骤4.3，对于任意处理器C
i
，i＝1,2,
…
,p，当完成对步骤4.2所分配的外层子流域的第1个时间步长的水文过程模拟时，将完成第1个时间步长的水文过程模拟的外层子流域的状态标注为：第1个时间步长模拟完成状态；同时，处理器C
i
空闲；
[0020]当出现空闲的处理器C
i
时，判断外层子流域队列中是否存在状态为未分配处理器状态的外层子流域，如果有，则在当前未分配处理器状态的外层子流域中，选择运算时间最长的外层子流域，并分配给处理器C
i
进行第1个时间步长的水文过程模拟，同时将所选择的外层子流域的状态标注为：第1个时间步长模拟进行中状态；
[0021]如果没有，执行步骤4.4；
[0022]步骤4.4，表明当前的n个外层子流域，不存在未分配处理器状态的外层子流域；
[0023]对于出现空闲的处理器C
i
，判断当前n个外层子流域中，是否存在第1个时间步长模拟进行中状态的外层子流域，如果存在，则立即执行步骤5；如果不存在，表明自身是最后一个完成对n个外层子流域进行第1个时间步长模拟的处理器，执行步骤4.5；
[0024]步骤4.5，将主河网子流域W
m
分配给处理器C
i
，由处理器C
i
对主河网子流域W
m
进行第1个时间步长的水文过程模拟，当模拟结束时，表明完成对n个外层子流域和1个主河网子流域的第1个时间步长的水文过程模拟，即：第1个时间步长的水文过程模拟全部结束；
[0025]对于处理器C
i
，转为空闲状态，执行步骤5；
[0026]步骤5，令j＝2；
[0027]步骤6，进行第j个时间步长的水文过程模拟：
[0028]步骤6.1，判断是否存在状态为第j
‑
1个时间步长模拟完成状态的外层子流域，如果有，则执行步骤6.2；如果没有，进一步判断是否存在状态为第j个时间步长模拟进行中状态的外层子流域，如果有，表明自身不是最后一个完成对n个外层子流域进行第j个时间步长模拟的处理器，则执行步骤7；否则，表明自身是最后一个完成对n个外层子流域进行第j个时间步长模拟的处理器，执行步骤6.3；
[0029]步骤6.2，更新外层子流域队列，仅将状态为第j
‑
1个时间步长模拟完成状态的外层子流域加入队列，并按运算时间进行排序；其中，按从队头到队尾方向，外层子流域的运算时间逐渐增加；
[0030]在更本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于物理模型的水文过程串并耦合动态模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，对被研究流域的DEM数据进行水文分析，提取得到多个子流域；根据多个子流域的汇流过程，将具有空间依赖关系的多个子流域合并，得到一个主河网子流域，表示为：W
m
；对于剩余的不具有空间依赖关系的子流域，作为外层子流域，假设共有n个外层子流域，表示为：W1,W2,
…
,W
n
；步骤2，预估外层子流域W1,W2,
…
,W
n
的运算时间，分别为：S1,S2,
…
,S
n
,假设S1<S3<
…
<S
n
‑1<S
n
<
…
<S4<S2；预估主河网子流域W
m
的运算时间为S
m
；设参与模拟运算的处理器总数为p个，表示为：处理器C1,C2,
…
,C
p
；p<n；步骤3，n个外层子流域W1,W2,
…
,W
n
以及主河网子流域W
m
均进行状态标注；其中：标注的状态包括：未分配处理器状态、某个时间步长模拟进行中状态和某个时间步长模拟完成状态；初始时，标注的状态均为：未分配处理器状态；步骤4，进行第1个时间步长的水文过程模拟：步骤4.1，根据n个外层子流域的运算时间，将n个外层子流域，按运算时间从小到大的顺序，加入外层子流域队列；按从外层子流域队列头部到尾部的顺序，依次为：W1,W3,
…
,W
n
‑1,W
n
,
…
,W4,W2；步骤4.2，从外层子流域队列的头部，依次读取p个外层子流域，即：W1,W3,
…
,W
p
；将外层子流域W1,W3,
…
,W
p
，分别分配给处理器C1,C2,
…
,C
p
，使处理器C1,C2,
…
,C
p
，分别对读取的p个外层子流域进行第1个时间步长的并行水文过程模拟；对于读取的p个外层子流域，当被分配处理器进行第1个时间步长的水文过程模拟时，将其状态均标注为：第1个时间步长模拟进行中状态；步骤4.3，对于任意处理器C
i
，i＝1,2,
…
,p，当完成对步骤4.2所分配的外层子流域的第1个时间步长的水文过程模拟时，将完成第1个时间步长的水文过程模拟的外层子流域的状态标注为：第1个时间步长模拟完成状态；同时，处理器C
i
空闲；当出现空闲的处理器C
i
时，判断外层子流域队列中是否存在状态为未分配处理器状态的外层子流域，如果有，则在当前未分配处理器状态的外层子流域中，选择运算时间最长的外层子流域，并分配给处理器C
i
进行第1个时间步长的水文过程模拟，同时将所选择的外层子流域的状态标注为：第1个时间步长模拟进行中状态；如果没有，执行步骤4.4；步骤4.4，表明当前的n个外层子流域，不存在未分配处理器状态的外层子流域；对于出现空闲的处理器C
i
，判断当前n个外层子流域中，是否存在第1个时间步长模拟进行中状态的外层子流域，如果存在，则立即执行步骤5；如果不存在，表明自身是最后一个完成对n个外层子流域进行第1个时间步长模拟的处理器，执行步骤4.5；步骤4.5，将主河网子流域W
m
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张传才，马艳艳，秦奋，杨康，刘亚静，
申请(专利权)人：洛阳师范学院，
类型：发明
国别省市：