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耦合高效高精度水动力模型的多组分污染物输移及衰减反应模型

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水资源保护 2022年第6期38卷 131-137,161页

作者：栾广学侯精明杨露李丙尧郭敏鹏杜颖恩马鑫西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048

为更好地模拟水污染事件中多组分污染物输移及衰减反应过程,全面耦合了基于图形处理器(GPU)加速技术的二维水动力模型与多组分污染物输移及衰减反应模型,通过改进模型源代码并在污染物输移控制方程中嵌入衰减项与反应项,建立了一个可应... 详细信息

为更好地模拟水污染事件中多组分污染物输移及衰减反应过程,全面耦合了基于图形处理器(GPU)加速技术的二维水动力模型与多组分污染物输移及衰减反应模型,通过改进模型源代码并在污染物输移控制方程中嵌入衰减项与反应项,建立了一个可应用于大区域复杂地形河道洪水演进全过程及多组分污染物输移和衰减反应的高性能耦合模型,同时引入GPU技术提升计算效率。将耦合模型应用于理想地形静水和两个复杂地形河道入流与溃坝算例的水质模拟,结果表明:多组分污染物输移及衰减反应过程在理想算例中的数值解与解析解基本吻合,在入流与溃坝算例中的模拟结果符合实际物理过程,模型运行速度快且计算效率高,可高效地模拟各类突发水污染事件并进行预警和评估。

关键词：多组分污染物衰减反应输移过程 GPU并行计算技术二维水动力模型

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基于非均匀网格的高效高精度洪涝过程模拟

工程科学与技术 2021年第4期53卷 53-62页

作者：侯精明王俊珲同玉张兆安郭敏鹏苏锋高徐军西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安710065

随着计算机技术的发展,网格划分技术日趋成熟。针对变化环境下洪涝灾害频发以及实际地形范围广泛,且通常存在狭长沟道与广阔泛洪区等问题,本文建立了一套具有层次拓扑关系的结构化非均匀网格划分模型,并与基于GPU加速的高分辨率数值模... 详细信息

随着计算机技术的发展,网格划分技术日趋成熟。针对变化环境下洪涝灾害频发以及实际地形范围广泛,且通常存在狭长沟道与广阔泛洪区等问题,本文建立了一套具有层次拓扑关系的结构化非均匀网格划分模型,并与基于GPU加速的高分辨率数值模型相结合模拟地表水流动过程。高质量网格影响着模型计算精度与计算效率,非均匀网格划分技术以地形高程的梯度变化为基础设计网格划分原则,在需要高分辨率网格的计算域中检测关键地形特征以可靠地求解浅水方程,并对局部区域网格静态加密,从而在较准确捕获水位计算敏感区的同时减少计算网格数量,降低计算成本。数值模型采用Godunov格式有限体积法进行空间离散,利用TVD–MUSCL格式将模型时间与空间精度提高至2阶,通过GPU并行技术在不降低计算精度基础上大幅提高模型运行速度。使用理想和实际案例来演示基于GPU加速的高分辨率模型在非均匀网格上的流量模拟性能,以较为准确获取洪水淹没时间及淹没面积等信息。结果表明,基于非均匀网格的高分辨率数值模型具有良好的稳定性,与均匀网格相比,在保证模拟精度的前提下,其运行速度约为均匀网格的2~3倍,计算效率在GPU加速基础上进一步提高。新模型适用于模拟复杂区域的大规模洪水演进及城市内涝过程,在实际大尺度洪水模拟中具有一定潜力。

关键词：浅水方程非均匀网格洪水模拟 Godunov型 TVD-MUSCL GPU并行技术

基于复杂高密度管网结构优化技术的银川城区排水过程高效模拟方法

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水资源保护 2023年第3期39卷 205-212页

作者：栾广学侯精明王添李欣怡郭敏鹏李东来樊超沈健西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048 中规院(北京)规划设计有限公司北京100044

为高效高精度模拟大尺度城区的排水过程,掌握城市地表径流机制和管网排水规律,以银川市约310 km^(2)的城区为研究区域,应用耦合地表径流及城市地下管网排水过程的GAST模型,结合当地污水处理厂、管网、地形和土地利用等特征,基于普适性... 详细信息

为高效高精度模拟大尺度城区的排水过程,掌握城市地表径流机制和管网排水规律,以银川市约310 km^(2)的城区为研究区域,应用耦合地表径流及城市地下管网排水过程的GAST模型,结合当地污水处理厂、管网、地形和土地利用等特征,基于普适性的数字地形高程DEM数据处理、土地利用类型划分、合流制排水管网和污水处理厂概化等技术,提出了一种基于复杂高密度管网结构优化技术的城区排水过程高效模拟方法。采用理想地形和实际地形对该方法模拟的精度和效率进行了验证,结果表明:对一级支管做删除概化处理对实际的管网排水过程模拟结果影响较小,20.46 km^(2)区域内一二维耦合节点数可削减27.8%,模型计算效率提高12.18%,且研究区域越大,计算效率提升越明显;模拟结果与实测值误差在6%以内,在保证模拟精度的同时大幅提高了计算效率。

关键词：城区排水管网结构优化一二维耦合模型银川市

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基于SWMM的市政管网清淤方案优化研究

给水排水 2021年第S1期47卷 399-406页

作者：郭敏鹏侯精明李继成康永德王俊珲石宝山杨霄西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室西安710048 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司西安710065

城市管网系统常会出现淤堵致使管网排水能力降低,且管网清淤工作难度高,效率低。为此,采用SWMM模拟技术提出一套快速恢复管网排水能力的清淤方案,分析清淤前工况的管网溢流节点位置确定重点清淤管道,通过清理重点清淤管道快速恢复管网... 详细信息

城市管网系统常会出现淤堵致使管网排水能力降低,且管网清淤工作难度高,效率低。为此,采用SWMM模拟技术提出一套快速恢复管网排水能力的清淤方案,分析清淤前工况的管网溢流节点位置确定重点清淤管道,通过清理重点清淤管道快速恢复管网排水能力。以陕西省沣西新城天福和园小区的管网系统为例,按照全局管网淤积系数(GSC)将清淤前工况划分为7种情况;在不同设计降雨条件下分别进行模拟,并对管网排口流量过程和管网总溢流量进行统计分析,该管网系统共有31根排水管道,通过模拟分析确定了11根重点清淤管道,建立清淤后工况模型。模拟结果显示:清淤后,7种情况的管网排口流量过程线恢复至与无淤积工况几乎完全重合;管网总溢流量较清淤前工况大大降低,降低百分比最小的情况也达到91.2%。

关键词：管网清淤清淤方案全局管网淤积系数 SWMM模型

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面源污染输移过程高性能数值模拟方法

环境工程 2020年第8期38卷 160-166,173页

作者：郭敏鹏侯精明付德宇康永德石宝山李昌镐西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室西安710048 北京首创股份有限公司北京100028

高效高精度模拟面源污染输移过程,掌握面源污染的输移规律,是研究面源污染最直接有效的途径之一,也是管理和控制面源污染的有效手段。基于此,提出了一种全面耦合二维水文水动力及污染物输移过程的数值模型,采用二阶Godunov格式的有限体... 详细信息

高效高精度模拟面源污染输移过程,掌握面源污染的输移规律,是研究面源污染最直接有效的途径之一,也是管理和控制面源污染的有效手段。基于此,提出了一种全面耦合二维水文水动力及污染物输移过程的数值模型,采用二阶Godunov格式的有限体积法进行求解,利用GPU加速技术提高计算效率。结果表明:在理想条件下,数值解与解析解间的平均相对误差为2.5%。对不同面积和精度的城市地表面源污染和农业面源污染输移过程的模拟结果显示,二者的输移规律符合实际的物理过程,模拟总时长为7200 s,城市地表面源污染模拟结果只需186 s;农业面源污染模拟结果只需1169 s,计算效率有显著提升。综上所述,GAST模型对不同下垫面面源污染可实现高精度模拟,且模拟效率有显著提升,为今后面源污染的治理和防控提供参考。

关键词：面源污染 GPU加速高效高精度

基于GAST模型的突发水污染事故中污染物输移模拟

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武汉大学学报（工学版） 2022年第11期55卷 1112-1119页

作者：石宝山侯精明王俊珲康永德孙亚联郭敏鹏张兆安西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室陕西西安710048 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安710065

突发水污染事故后,高效准确模拟预测是快速采取有效防控措施和制定应急预案的基础。采用基于非均匀网格的图形处理器(graphics processing unit,GPU)加速的水动力及污染物输移数值模型(GPU accelerated surface water flow and associat... 详细信息

突发水污染事故后,高效准确模拟预测是快速采取有效防控措施和制定应急预案的基础。采用基于非均匀网格的图形处理器(graphics processing unit,GPU)加速的水动力及污染物输移数值模型(GPU accelerated surface water flow and associated transport,GAST)对暴雨山洪或溃坝洪水引起的突发水污染事故中污染物输移规律进行了模拟预测。模型采用Godunov格式的有限体积法求解二维浅水方程和污染物输移方程,采用一种基于HLLC(Harten-Lax-Van Leer-contact)的近似黎曼求解器计算单元网格界面通量,采用二阶高精度格式(monotonic upstream-centred scheme for conservation laws,MUSCL)限坡线性重建和龙格-库塔时间积分法实现了二阶精度,同时采用GPU加速计算技术提高模型计算效率。算例结果表明:采用非均匀网格技术局部细化地形复杂区域生成精细网格,地势平坦区域粗化网格,大幅度减少了计算域网格数量,并且在保证模拟精度的同时,提升了模型计算效率。该模型可高效准确地模拟突发水污染事件中污染物输移过程,适用于大规模水污染事故的快速预警和评估。

关键词： GAST模型突发水污染 GPU加速非均匀网格有限体积法污染物输移

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泥石流的数值模拟及危险性评价

水利水运工程学报 2021年第4期2021卷 75-84页

作者：康永德侯精明石宝山郭敏鹏潘占鹏于国强洪增林西安理工大学陕西西安710048 中国地质调查局干旱-半干旱区地下水与生态重点实验室陕西西安710054 陕西省地质调查院陕西西安710054

泥石流具有突发性、速度快、破坏力强的特点,其运动规律研究和危险性预测,具有重要的现实意义和理论价值。基于GPU(图形处理单元)加速技术的二维水动力模型,采用二阶Godunov格式有限体积法求解方程,以确保计算精度,并使用GPU加速技术提... 详细信息

泥石流具有突发性、速度快、破坏力强的特点,其运动规律研究和危险性预测,具有重要的现实意义和理论价值。基于GPU(图形处理单元)加速技术的二维水动力模型,采用二阶Godunov格式有限体积法求解方程,以确保计算精度,并使用GPU加速技术提高了计算效率。以溃坝型水槽泥石流运动特征及贵州省普洒村滑坡泥石流危险范围预测作为模拟参照,利用所构建的GAST(GPU Accelerated Surface Water Flow and Transport Model)二维水动力模型完成泥石流理想水槽试验模拟和危险范围预测。结果表明:数值模拟与实测结果吻合度较高;GPU加速技术的应用有效解决了泥石流模拟过程中计算量大的问题,在PC机上模型运行快速高效。此模型为泥石流运动规律模拟与预测提供了新方法,为防灾减灾提供了技术支撑。

关键词：泥石流 GPU加速计算数值模拟

基于BIM+GIS的水库下游洪水模拟与可视化方法

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西北水电 2023年第3期 7-14,20页

作者：郭敏鹏王剑杨少雄孙继鑫杨波赵博西安航天天绘数据技术有限公司西安710100 航天恒星科技有限公司北京100094

为有效推进水旱灾害防御高质量发展,国家大力支持智慧水利建设。基于此,为实现水库下游洪水演进过程快速模拟及三维立体可视,基于一、二维耦合水动力模型及三维倾斜摄影、BIM、GIS技术构建水库下游洪水模拟与可视化方法,以吉林市碾子沟... 详细信息

为有效推进水旱灾害防御高质量发展,国家大力支持智慧水利建设。基于此,为实现水库下游洪水演进过程快速模拟及三维立体可视,基于一、二维耦合水动力模型及三维倾斜摄影、BIM、GIS技术构建水库下游洪水模拟与可视化方法,以吉林市碾子沟水库为例,对不同重现期设计洪水条件下水库下游洪水进行快速模拟,并在真实三维场景下对洪水演进过程及淹没区范围、淹没历时及淹没水深等洪水要素信息进行全景映射表达和交互查询分析展示。结果表明:在各重现期设计洪水条件下,洪水模型计算稳定,各方案模型计算相对误差均低于10~(-6)数量级,可知计算结果合理且满足工程要求,同时可实现洪水演进过程三维全景展示和灾害信息分析与交互查询。研究可为水库下游洪水风险决策提供支撑,提升洪水灾害防范能力,为智慧水利建设提供解决方案。

关键词：设计洪水 BIM+GIS技术数值模拟洪水演进三维可视化

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基于非均匀网格的洪涝过程数值模拟方法

基于非均匀网格的洪涝过程数值模拟方法