基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法技术

本发明专利技术公开了基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法，包括：步骤1，采用结构网格对流域的地形数据进行离散，依据边界条件给结构网格的水文水动力水质参数赋值，搭建数值模型；步骤2，将结构网格计算所需的水文及水动力水质参数数据传至GPU；步骤3，在GPU中计算水文及水动力水质输移过程；步骤4，水文及水动力水质输移过程中采用水质重构方法将结构网格在每个计算时刻的水文、水动力和水质进行实时耦合计算；步骤5，水动力水质输移过程中的结构网格界面上的质量和动量通量计算。本发明专利技术加深了对城市非点源机理过程的理解，为非点源污染的精准防治提供有效的技术支撑。撑。撑。

【技术实现步骤摘要】
基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法


[0001]本专利技术属于地表水环境数值模拟方法
，具体涉及一种基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法。

技术介绍

[0002]基于详细物理过程的城市非点源污染输移过程数值模型能够精确获得污染物的时空分布规律，全面了解污染物在城市区域的整个迁移路径。能够为城市非点源污染精准溯源及其治理工作和海绵设施建设等提供了有效的技术支撑。
[0003]高效高精度的模拟结果是保证预测预警及精确高效管理的前提，为了提高模型的模拟精度，则需要高分辨的地形来表征实际的本底特征，但高分辨率地形严重制约模型的计算效率，同时基于网格的城市非点源数值模型需要适用于二维模型的模拟计算方法。目前模拟计算城市非点源过程的模型以半分布式为主，然而这类模型无法精确表征非点源污染物的时空分布规律，且未同时考虑详细地表水动力过程和本底特征对污染物累积冲刷过程的影响，如流速等，以往研究中一般将其概化为径流量来考虑，这对于非点源的精细化模拟研究是不足的。因此，亟需开发一套用于城市污染物累积冲刷及输移全过程高效模拟的综合考虑实时降雨强度、流速等因素的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法。为城市非点源污染机理研究、污染控制及海绵规划提供技术支撑。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法，加深了对城市非点源机理过程的理解，为非点源污染的精准防治提供有效的技术支撑。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法，具体按照以下步骤实施：
[0006]步骤1，采用结构网格对流域的地形数据进行离散，依据边界条件给结构网格的水文水动力水质参数赋值，搭建数值模型；
[0007]步骤2，将结构网格计算所需的水文及水动力水质参数数据传至GPU；
[0008]步骤3，在GPU中计算水文及水动力水质输移过程；
[0009]步骤4，水文及水动力水质输移过程中采用水质重构方法将结构网格在每个计算时刻的水文、水动力和水质进行实时耦合计算；
[0010]步骤5，水动力水质输移过程中的结构网格界面上的质量和动量通量计算；
[0011]步骤6，水动力水质输移过程中的结构网格界面上的源项计算；
[0012]步骤7，数值模型计算水文及水动力水质输移过程的计算时间推进，通过时间步长和空间步长满足稳定性条件，进行下一时间步长的模型计算；
[0013]步骤8，输出步骤4
‑
8的计算结果，计算完成后将GPU计算结果传入CPU并输出结果；
至此，基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法完成。
[0014]作为本专利技术的一种优选的技术方案，在所述步骤2中，采用CUDA语言自主编程实现GPU并行计算技术。
[0015]作为本专利技术的一种优选的技术方案，在所述步骤3中，计算水文及水动力水质输移过程具体为：采用中心格式的有限体积法空间离散二维浅水方程和对流扩散方程；采用幂函数方程描述旱天污染物沉积过程；采用首次提出的考虑流速影响的指数冲刷方程描述降雨事件对污染物的冲刷过程。
[0016]作为本专利技术的一种优选的技术方案，在所述步骤3中，
[0017]二维浅水方程和对流扩散方程耦合形式表示如下：
[0018][0019][0020][0021]式中：t表示时间步长，单位为s；x表示水平横向坐标，y表示纵向坐标；q表示守恒变量，q
x
表示x方向的单宽流量，单位为m2/s，q
x
＝uh；q
y
表示y方向上的单宽流量，单位为m2/s，q
y
＝vh；h表示水深，单位为m；u表示x方向上的平均流速，单位为m/s；v表示y方向上的平均流速，单位为m/s；f表示x方向的通量矢量；g表示y方向的通量矢量；s表示源项矢量；s
b
表示底坡源项；s
f
表示摩阻源项；z
b
表示河床高程，单位为m；C
f
表示床面糙率系数，C
f
＝gn2/h
1/3
；n表示曼宁系数，单位为s/m
‑
1/3
，η表示水位，单位为m；η＝h+z
b
；i表示静降雨量，单位为mm/h，i＝i
r
‑
i
i
；i
r
表示降雨强度，单位为mm/h；i
i
表示入渗率，单位为mm/h；C为污染物垂线平均浓度，mg/L；Dx和D
y
分别为x和y方向的扩散系数；q
in
为点源排放的流量强度，m/s；C
in
为点源的物质垂线平均浓度，mg/L；
[0022]网格n上的污染物累积公式如下：
[0023][0024]式中a
n
、b
n
为经验系数；B
n
为路面堆积物荷载，g/m2；D
n
为前期干旱天数。
[0025]网格n上的污染物冲刷公式如下：
[0026][0027]式中W
n
为dt时间内冲刷掉的污染物负荷量，g；W
0n
为当前时刻剩余固态污染物负荷量；L
n
为冲刷指数；L
1n
为流速相关指数，i
n
为降雨强度，mm/h；k为冲刷系数；k
I
为降雨强度相关系数；k
v
为流速相关系数。
[0028]作为本专利技术的一种优选的技术方案，所述步骤4具体如下进行：
[0029]步骤4.1、污染物负荷在计算时间步长内的降雨和地表水流速等因素的影响下计算污染物负荷冲刷量并将其作为源项加入当前网格单元，根据质量守恒原理，混合后的网格单元污染物浓度更新采用下式计算：
[0030][0031]式中C
n
为网格单元更新后的污染物浓度，mg/L；C0为网格单元更新前的污染物浓度，mg/L；
[0032]步骤4.2、将非点源污染物沉降部分作为当前时刻网格污染物剩余累积量的源项加入并进行更新；定义下渗拦截率λ来描述沉降损失占总损失的占比，将此损失过程统一计算，网格污染物浓度更新方程为：
[0033][0034]式中λ
n
为下渗过程中地表浅层土地对下渗损失污染物的拦截率；
[0035]步骤4.3、网格水量蒸发损失更新方程为：
[0036][0037]式中E
n
为t时刻的蒸发速率mm/h。
[0038]作为本专利技术的一种优选的技术方案，在所述步骤5中，水动力水质输移过程中的结构网格界面上的质量和动量通量计算采用HLLC近似黎曼求解器计算。
[0039]作为本专利技术的一种优选的技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1，采用结构网格对流域的地形数据进行离散，依据边界条件给结构网格的水文水动力水质参数赋值，搭建数值模型；步骤2，将结构网格计算所需的水文及水动力水质参数数据传至GPU；步骤3，在GPU中计算水文及水动力水质输移过程；步骤4，水文及水动力水质输移过程中采用水质重构方法将结构网格在每个计算时刻的水文、水动力和水质进行实时耦合计算；步骤5，水动力水质输移过程中的结构网格界面上的质量和动量通量计算；步骤6，水动力水质输移过程中的结构网格界面上的源项计算；步骤7，数值模型计算水文及水动力水质输移过程的计算时间推进，通过时间步长和空间步长满足稳定性条件，进行下一时间步长的模型计算；步骤8，输出步骤4
‑
8的计算结果，计算完成后将GPU计算结果传入CPU并输出结果。2.根据权利要求1所述的基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法，其特征在于，在所述步骤2中，采用CUDA语言自主编程实现GPU并行计算技术。3.根据权利要求2所述的基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法，其特征在于，在所述步骤3中，计算水文及水动力水质输移过程具体为：采用中心格式的有限体积法空间离散二维浅水方程和对流扩散方程；采用幂函数方程描述旱天污染物沉积过程；采用首次提出的考虑流速影响的指数冲刷方程描述降雨事件对污染物的冲刷过程。4.根据权利要求3所述的基于GPU加速技术的城市非点源污染全过程高分辨率模拟方法，其特征在于，在所述步骤3中，二维浅水方程和对流扩散方程耦合形式表示如下：二维浅水方程和对流扩散方程耦合形式表示如下：二维浅水方程和对流扩散方程耦合形式表示如下：式中：t表示时间步长，单位为s；x表示水平横向坐标，y表示纵向坐标；q表示守恒变量，q
x
表示x方向的单宽流量，单位为m2/s，q
x
＝uh；q
y
表示y方向上的单宽流量，单位为m2/s，q
y
＝vh；h表示水深，单位为m；u表示x方向上的平均流速，单位为m/s；v表示y方向上的平均流速，单位为m/s；f表示x方向的通量矢量；g表示y方向的通量矢量；s表示源项矢量；s
b
表示底坡源项；s
f
表示摩阻源项；z
b
表示河床高程，单位为m；C
f
表示床面糙率系数，C
f
＝gn2/h
1/3
；n表示
曼宁系数，单位为s/m
‑
1/3
，η表示水位，单位为m；η＝h+z
b
；i表示静降雨量，单位为mm/h，i＝i
r
‑
i
i
；i
r
表示降雨强度，单位为mm/h；i
i
表示入渗率，单位为mm/h；C为污染物垂线平均浓度，mg/L；D
x
和D
y
分别为x和y方向的扩散系数；q
in
为点源排放的流量强度，m/s；C
in
为点源的物质垂线平均浓度，mg/L；网格n上的污染物累积公式如下：式中a
n
、b
n
为经验系数；B
n
为路面堆积物荷载，g/m2；D
n
为前期干旱天数；网格n上的污染物冲刷公式如下：式中W
n
为dt时间内冲刷掉的污染物负荷量，g；W
0n
为当前时刻剩余固态污染物负荷量...

【专利技术属性】
技术研发人员：栾广学，侯精明，王添，周庆诗，潘占鹏，张荣斌，李东来，高徐军，刘园，王晨，樊超，孙学良，陆品品，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：