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水 利 学 报

２０２５年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５６卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２５）０６ － ０７７１ － ０９

基于国产 ＣＰＵ?ＧＰＵ平台的水动力模型异构并行计算

南统超 １，２，３ ，施 睿 １，４ ，于春水 ５
（１．水灾害防御全国重点实验室，江苏 南京 ２１００２４；２．河海大学 长江保护与绿色发展研究院，江苏 南京 ２１００２４；
３．河海大学 水利部水循环与水动力系统重点实验室，江苏 南京 ２１００２４；４．南京水利科学研究院，江苏 南京 ２１００２９；
５．北京云庐科技，北京 １００１６１）

摘要：水动力模型具有物理意义明确、可靠性高等优点，但其计算量大、算力要求高。鉴于先进计算芯片进口遇
阻，国外 ＣＵＤＡ软件平台也被禁用，有必要基于国产 ＣＰＵ?ＧＰＵ产业现状发展 “多节点 － 多 ＧＰＵ” 异构并行计算
方案。本研究基于国产硬件平台研发 “多节点－ 多 ＧＰＵ” 大规模分布式异构并行计算水动力模型，用于流域尺度
二维浅水方程高效并行求解。通过三个算例检验了该模型的准确性、并行效率以及对亿级大模型的模拟能力。结
果表明，该模型计算准确，并行加速效果显著，可模拟溃坝、大尺度复杂地形等条件下水动力过程，实现了对亿
级网格洪水过程分钟级模拟。有望为我国洪水预报预警提供自主可靠的技术支撑，为流域大模型、区域地下水模
型等其他大型水动力模型的异构并行计算提供借鉴。
关键词：偏微分方程求解；水动力模型；并行计算；异构计算；国产处理器；洪水模拟
中图分类号：ＴＶ１３１．２
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２４０３２６

１ 研究背景

水动力模型通常使用有限差分、有限元或有限体积法等数值方法对控制方程（如 ＳａｉｎｔＶｅｎａｎｔ方
程、Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程等）进行离散求解，从而模拟水流运动的水动力状态。相较于传统水文模型、数据
驱动的统计模型等非水动力模型，水动力模型以控制方程和内在物理规律为依据，具有物理意义明
确、精确度与可靠性高等突出优点，广泛应用于地下水模拟 ［１ － ２］ 、地表水 － 地下水耦合 ［３］ 、复杂裂隙
介质渗流模拟 ［４］ 、水文气象耦合模拟与实时洪水预测等领域 ［５ － ６］ 。然而，这种模型计算量大，对计算
技术和硬件平台要求较高，当网格较多时，面临着计算消耗增加、效率下降甚至无法计算的问题。随
着社会经济的发展，水资源问题复杂度不断提高，水资源管理与水灾害防御向着流域化、综合化、精
细化、实时化方向发展 ［７ － ８］ ，使用水动力模型时不可避免地面临模型尺度、分辨率、时效性、耦合过
程（如环境、生态、社会、经济等）造成的计算量增长问题 ［９ － １１］ 。在实际应用中，水动力模型计算效率
问题日益突出，逐渐成为水动力模型应用的瓶颈。以洪水预报预警为例，水动力模型需要快速、高精
度的数值模拟来有效支持防洪减灾决策、救援疏散措施制定，并提供整个区域风险点的完整水力要素
信息及其变化过程，详细反映区域地形、地貌特征，这对于缺乏水文资料的流域以及地形复杂的城市
区域尤为重要。此外，水动力模型具有较强的扩展性，易与泥沙模型、水质模型等耦合，应用潜力
巨大。
二维浅水方程的求解目前通常采用基于 Ｒｉｅｍａｎｎ近似解的 Ｇｏｄｕｎｏｖ有限体积法。这种方法对连续
和不连续水流条件都适用并保证求解的准确性和稳定性，具有广泛的实用价值。但在模拟大尺度、高

收稿日期：２０２４ － ０６ － ０１；网络首发日期：２０２５ － ０１ － ０３
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２５０１０３．１１５５．００１
基金项目：国家自然科学基金面上项目（４２４７２３０７）；中央高校基本科研业务费项目（Ｂ２４０２０１０５８）；光合基金 Ａ类项目（２０２２０２０４９０４８）
作者简介：南统超（ １９８６ － ），教授，博士生导师，主要从事地下水动力学、数值模拟研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｔｃｎａｎ＠ｈｈｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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