基于數(shù)學(xué)模型的水力仿真計(jì)算平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

吳 昊，夏中華

（天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061）

隨著城市發(fā)展，水利在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的影響越來越大。合理分配水資源、積極改善水質(zhì)和水環(huán)境、科學(xué)運(yùn)用城市管網(wǎng)等將產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。目前，水利面臨的多數(shù)問題在科學(xué)研究上都會(huì)借助于水力學(xué)模型，包括物理和數(shù)學(xué)模型。水力數(shù)學(xué)模型技術(shù)先進(jìn)，在大多數(shù)情況下能夠代替物理模型，且建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)成本低，近年發(fā)展迅速并應(yīng)用到基礎(chǔ)民生行業(yè)，是今后水利信息化的發(fā)展趨勢(shì)。

國外水力數(shù)學(xué)模型研究[1–2]起步早，一些成品專業(yè)軟件已經(jīng)取得科研政府機(jī)構(gòu)認(rèn)可，應(yīng)用到實(shí)際項(xiàng)目中。以美國國家水科學(xué)與工程計(jì)算中心研究開發(fā)的 CCHE[3–4]數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)系列軟件為例，其作為水利工程和水資源的重要研究工具，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界各種水科學(xué)與工程實(shí)際問題的研究，包括：分析解決和地表水相關(guān)的水流泥沙運(yùn)動(dòng)，河流侵蝕保護(hù)與控制，污染物輸移，洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)管理，水質(zhì)、生態(tài)與環(huán)境評(píng)估，水工建筑物設(shè)計(jì)與建設(shè)，風(fēng)暴潮與海浪的災(zāi)害影響等。

國內(nèi)高校、科研院所和流域機(jī)構(gòu)越來越多地將水力數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到實(shí)際工程中。以成品專業(yè)水利軟件 MIKE[5–9]系列軟件為例，在國內(nèi)的應(yīng)用案例眾多，包括長江 1998 年洪水預(yù)報(bào)、三峽水庫水流條件及沖淤積研究、太湖流域環(huán)境治理、黃河、烏江梯級(jí)水庫建設(shè)、松花江洪水預(yù)警平臺(tái)、奧林匹克場(chǎng)館洪水及景觀水體研究，以及中國渤、黃、東、南海域水動(dòng)力和水環(huán)境的數(shù)值模擬研究等。

為了更好地解決水利發(fā)展與改革中存在的各種技術(shù)問題，以天津市水務(wù)工作為基礎(chǔ)，利用先進(jìn)的水力數(shù)學(xué)模型軟件和分布式存儲(chǔ)技術(shù)[10]建立水力仿真計(jì)算平臺(tái)，為水利科研、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理提供數(shù)字化的模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

水力仿真計(jì)算平臺(tái)的搭建以水力專業(yè)軟件與計(jì)算服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)集成為基礎(chǔ)，提供數(shù)學(xué)模型搭建、運(yùn)行計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、成果數(shù)據(jù)分析的系統(tǒng)平臺(tái)，總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 1 所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

水力仿真平臺(tái)集成 MIKE 2016 系列和 3E WATER等專業(yè)水力數(shù)學(xué)模型軟件，可進(jìn)行水資源、水環(huán)境、城市管網(wǎng)、地下水、洪水、水利工程、泥沙等各專業(yè)領(lǐng)域的建模和計(jì)算。

2.1 一維水模擬軟件

主要建模功能模塊包括 MIKE HYDRO River 的一維水動(dòng)力、水工建筑物操作、潰壩、降雨徑流、對(duì)流擴(kuò)散和水質(zhì)生態(tài)，主要應(yīng)用于河網(wǎng)水系水動(dòng)力學(xué)模擬、河流水系的生態(tài)及水質(zhì)評(píng)價(jià)、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和洪泛圖繪制，水工建筑物和調(diào)蓄池的設(shè)計(jì)、排水和灌溉研究、河流和水庫優(yōu)化運(yùn)作、潰壩分析、洪水預(yù)報(bào)、水質(zhì)預(yù)報(bào)、地下水和地表水綜合分析。

圖 1 總體功能架構(gòu)圖

2.2 二維水模擬軟件

主要建模功能模塊包括 MIKE 21 的二維水動(dòng)力、對(duì)流擴(kuò)散、水質(zhì)生態(tài)、沙傳輸、泥傳輸，同時(shí)采用前后處理和動(dòng)畫模擬功能提升運(yùn)算效率、展示運(yùn)算結(jié)果。二維水建模軟件可用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸和海洋的水流，波浪，泥沙及水環(huán)境問題，不僅可以滿足海洋、海岸及河口等領(lǐng)域的深層次應(yīng)用，也可用于內(nèi)陸地表水相關(guān)課題的研究，比如洪水的坡面溢流現(xiàn)象、湖泊及水庫環(huán)境評(píng)價(jià)等。

2.3 三維水模擬軟件

采用 3E WATER 和 3E SERVER 軟件，其中 3E WATER 是一套基于地理信息平臺(tái)進(jìn)行地表水二/三維水動(dòng)力-水質(zhì)模擬的專業(yè)建模和分析工具軟件，3E SERVER 在同一平臺(tái)集成各種環(huán)境數(shù)值模擬計(jì)算模式，3E WATER 通過前處理工具、模型配置和后處理分析等軟件調(diào)用 3E SERVER 的計(jì)算模型，完成用戶三維水利建模計(jì)算，如風(fēng)暴潮、泥沙輸移、污染擴(kuò)散、防洪能力、水流場(chǎng)、溢油、水質(zhì)、潮流、溫排水、水利工程、洪水風(fēng)險(xiǎn)、滑坡堰塞等模擬。

2.4 城市管網(wǎng)模擬軟件

主要建模功能模塊采用 MIKE URBAN 的排水管流、降雨徑流、實(shí)時(shí)控制、污染物傳輸、水質(zhì)生態(tài)、輸配水、匯水模型，同時(shí)采用模型管理器和 3D處理工具用于數(shù)據(jù)輸入輸出處理，城市管網(wǎng)模擬軟件可用于城市排水與防洪、分流制管網(wǎng)的入流/滲流、合流制管網(wǎng)的溢流、受水影響、在線模型、管流監(jiān)控、城市水綜合管理。

2.5 水資源模擬與分析軟件

采用 MIKE HYDRO Basin 軟件，用于流域水資源綜合分析，以及水資源的規(guī)劃和管理，適用于各種尺度的水資源配置分析，也可用于水資源調(diào)查研究和輔助決策支持。

2.6 地下水模擬軟件

采用 MIKE FEFLOWR 軟件，可以模擬三維空間水流模型，二維平面、二維剖面或者軸對(duì)稱二維水流模型；可以對(duì)非穩(wěn)定流或穩(wěn)定流及多層自由表面含水層，包括潛水含水層中的上層滯水進(jìn)行模擬；可以對(duì)化學(xué)物質(zhì)遷移及熱轉(zhuǎn)遞模擬，包括溫度、鹽份遷移和可變密度流場(chǎng)模擬（鹽水或海水入侵問題）；也可以模擬非飽和帶流場(chǎng)及遷移等。

3 硬件環(huán)境設(shè)計(jì)

為了滿足水力數(shù)學(xué)模型計(jì)算的需求，需要配置數(shù)學(xué)模型計(jì)算服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)、應(yīng)用管理服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

3.1 水力數(shù)學(xué)模型計(jì)算環(huán)境

數(shù)學(xué)模型計(jì)算服務(wù)器用來安裝水力數(shù)學(xué)模型軟件以執(zhí)行運(yùn)算任務(wù)，根據(jù)需要配置 2 臺(tái) GPU 卡性能較高的計(jì)算服務(wù)器作為水力數(shù)學(xué)模型計(jì)算服務(wù)器。使用 2 臺(tái) DELL R730 型號(hào)服務(wù)器安裝水資源模擬軟件，實(shí)現(xiàn)高密度分析和計(jì)算。1 臺(tái)計(jì)算服務(wù)器配置 Windows 系統(tǒng)，安裝 MIKE 2016 用于水力數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算，1 臺(tái)計(jì)算服務(wù)器配置 Linux 系統(tǒng)安裝 3E SERVER 和 3E WATER 軟件用于三維水模擬及相關(guān)模型的運(yùn)算。

3.2 分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)

水力數(shù)學(xué)模型計(jì)算會(huì)產(chǎn)生大量的中間和最終成果數(shù)據(jù)。據(jù)實(shí)際估算，一個(gè)中等精細(xì)程度的天津市于橋水庫的二維潰壩模型，網(wǎng)格精度在 10～50 m 不等，涉及計(jì)算范圍的網(wǎng)格數(shù)達(dá)到 20 萬以上，計(jì)算一次潰壩洪水的過程產(chǎn)生的最終成果數(shù)據(jù)量在 GB 級(jí)別，中間成果數(shù)據(jù)量在 100 GB 級(jí)別。近百個(gè)計(jì)算方案產(chǎn)生的數(shù)量就會(huì)達(dá)到 10 TB。而且隨著數(shù)學(xué)模型精細(xì)程度的增加，數(shù)據(jù)量也會(huì)成倍的增加。存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)至少需要 100 TB 級(jí)的存儲(chǔ)系統(tǒng)并需要具有方便的擴(kuò)容能力。

采用 Hadoop[11]分布式文件系統(tǒng)（HDFS）來實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)及其他水力數(shù)學(xué)模型方案文件的大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。HDFS 有著高容錯(cuò)性，可部署在低廉的硬件上。而且它提供高吞吐量來訪問應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，適合那些有著超大數(shù)據(jù)集的應(yīng)用程序。HDFS 放寬了 POSIX 的要求，這樣可以實(shí)現(xiàn)流的形式訪問文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。水力仿真計(jì)算平臺(tái)使用 9 臺(tái) DELL R730 型號(hào)服務(wù)器部署 HDFS，布置方案如圖 2 所示。

圖 2 HDFS 總體布置方案

1 臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器用于安裝 HDFS 客戶端，作為模型文件的處理入口。8 臺(tái)存儲(chǔ)服務(wù)器都用安裝HDFS 分布式文件系統(tǒng)，其中存儲(chǔ)服務(wù)器 2 作為主機(jī) Namenode 對(duì)外提供服務(wù)， 存儲(chǔ)服務(wù)器 1 作為備機(jī)，在存儲(chǔ)服務(wù)器 2 出現(xiàn)問題時(shí)，存儲(chǔ)服務(wù)器 1 會(huì)自動(dòng)接替，保持服務(wù)不間斷的對(duì)外提供服務(wù)。存儲(chǔ)服務(wù)器 3 作為 Resource Manager 服務(wù)器，用于資源管理。

3.3 應(yīng)用管理服務(wù)器

應(yīng)用管理服務(wù)器主要用來進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的管理，另外水力數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)室面向水務(wù)系統(tǒng)的科研、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理單位，因此需要配備必要的網(wǎng)絡(luò)用戶身份識(shí)別、授權(quán)等管理服務(wù)程序。

3.4 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

水力數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)需要建立局域網(wǎng)絡(luò)，并且可以接入水利業(yè)務(wù)網(wǎng)。服務(wù)器和臺(tái)式電腦終端之間需要聯(lián)網(wǎng)，建立一個(gè)高性能計(jì)算局域網(wǎng)絡(luò)。配置交換機(jī)和集線器，并做網(wǎng)絡(luò)布線。在局域網(wǎng)配置4 臺(tái)臺(tái)式電腦作為本地網(wǎng)絡(luò)終端操作計(jì)算機(jī)。

4 結(jié)語

水力仿真計(jì)算平臺(tái)建成后，可進(jìn)行水資源、水環(huán)境、水安全等領(lǐng)域的建模和計(jì)算，如水資源優(yōu)化配置、水資源綜合開發(fā)利用、河道及河網(wǎng)水流特性模擬、城市水環(huán)境治理與改善、水資源論證、水環(huán)境影響評(píng)價(jià)、河湖生態(tài)修復(fù)、水庫與河網(wǎng)洪水預(yù)報(bào)、防洪調(diào)度、防洪風(fēng)險(xiǎn)圖的制定、防洪影響評(píng)價(jià)、雨洪水資源化技術(shù)、水利信息化應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)等，并可以持續(xù)解決水利發(fā)展中出現(xiàn)的實(shí)際問題，為天津市水利行業(yè)各部門提供決策參考和技術(shù)支撐[12]。

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