时空双重离散法提升流域并行计算效率

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时空域双重离散下的流域并行特性

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王皓，王光谦，高洁，傅旭东

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基金项目：国家自然科学基金(50823005)；水利部公益性科研专项(200701008)

作者简介：王皓(1983－ )，男，博士研究生，主要研究方向：数字流域

通信联系人：王光谦，科学院院士，主要研究方向：水沙两相流、数字流域. E-mail:

dhhwgq@mail.tsinghua.edu.cn

（清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084）

摘要：计算效率的限制已成为目前阻碍分布式流域水沙模型发展的重要瓶颈之一，而并行计

算方法则是当前提高模型计算效率的一种最有效的手段。针对国内外目前在流域水沙过程并

行计算理论方面研究的不足，借助河网二叉树结构特征，提出了对流域水沙运动过程在时间

域和空间域双重层面上进行离散的并行计算方法（时空双重离散法），并对该方法进行了初

步的理论分析。分析结果表明，相对于传统单纯的空间离散法，时空双重离散法在理论上可

以显著提高并行计算效率，更有利于计算机资源的高效利用；同时发现对于任意的流域河网

结构，在确定的计算时间范围内，时空双重离散法存在极限加速比，并推导出了通用的流域

河网极限加速比公式；其中，极限加速比是流域河网的固有属性，主要取决于河网结构本身，

它反映了分布式模型对流域水沙运动过程进行并行计算的效率上限，该指标可用来估算模型

计算时间。

关键词： 数字流域；并行计算；TUD-Basin 模型；分布式流域模型；二叉树；极限加速比

中图分类号：TV214

Parallel characteristics of river basin based on

temporal-spatial-discrete approach

Wang Hao, Wang Guangqian, Gao Jie, Fu Xudong

(State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,

China)

Abstract: Restricted computational capacity has become a key factor hindering the development of

majority of distributed hydrological and soil erosion models. Parallel computing is one of the most

effective approaches for solving this problem. Based on the binary-tree structure of drainage network, a

kind of temporal-spatial-discrete approach was put forward for the parallel simulation process of river

basin, and the preliminary theoretical analysis of the approach was performed. The approach enriches

the parallel-computing theory of river basin. Comparing with the pure spatial-discrete approach at

present, the temporal-spatial-discrete approach is capable of enhancing computational speed

significantly and taking full advantage of computer resources. Moreover, with respect to an arbitrary

drainage network of river basin, there exists ultimate speedup ratio (USR) under the proposed

temporal-spatial-discrete approach, and the general formula calculating USR of river basin is given as

well. USR is an inherent property of river basin and can reflect the efficiency upper bound of parallel

computing for river basin.

Key words: digital basin；parallel computing；TUD-Basin model；distributed basin model；binary tree；

ultimate speedup ratio

0 引言

流域水文循环、土壤侵蚀等过程与人类生活密切相关，其对洪水调度、水资源规划、水

土保持和污染物控制等有重要意义。自 20 世纪 80 年代以来，随着计算机、遥感及地理信息

网址：时空双重离散法提升流域并行计算效率 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/428742

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