全球尺度流域水沙模拟的基本方法和关键技术

The current situation of in-depth researches on water resources utilization and integrated watershed management demand higher requirements to improve the accuracy and efficiency of numerical modeling for hydrological and sediment processes of river basins. The overseas water conservancy construction projects also require for extending the coverage of simulation. With the development of information technologies, now it is technically feasible to establish a river basin simulation system at the global scale. This project aims to study the basic methods and key technologies for hydrological and sediment simulation of river basins at the global scale, to propose the supporting parallel computing algorithm, and to establish a demonstrative platform using cloud computing and big data technologies. The main research contents include: 1) Developing the techniques for extracting, encoding and managing the global high-resolution drainage networks, which provide the essential data for modeling; 2) Proposing the methods for automatic data download, storage, and service interface to support the data-driven model operation by using data from open sources. 3) Proposing the multi-layer parallel algorithm based on the existed sub-basin decomposition method, utilizing the HPC system to guarantee the efficiency of parameter calibration and multi-basin simulations. 4) Establishing the demonstrative system for global hydrological and sediment modeling using big data and cloud computing technologies.

水资源利用和流域综合管理的深入研究对流域水沙模拟的精度和效率提出了更高要求，境外水利项目和相关工程的大量实施也需拓展流域水沙模拟的覆盖度。随着信息技术和水沙模型的发展，构建全球尺度流域水沙模拟系统的可行性已初步具备。本项目旨在研究全球尺度流域水沙模拟的基本方法和关键技术，提出相应的并行计算方法和支撑技术，构建基于云计算和大数据的全球尺度流域水沙模拟平台。主要研究内容包括：1）全球范围内高分辨率河网的提取、编码与管理技术，为流域水沙模拟提供基础数据支持；2）针对全球范围公开来源的水沙模拟驱动数据，研究数据自动下载、存储、服务接口等技术，支撑基于数据驱动的流域水沙模型运行；3）针对高性能计算机(HPC)环境下的全球尺度流域水沙模拟，提出基于现有子流域分解并行计算的多层并行算法，保证参数优选和模拟应用的效率；4）利用云计算理论与技术，建立基于大数据的全球流域水沙模拟系统，推广全球水沙模拟成果。

流域管理的发展对流域水沙模拟的精度和效率提出了更高要求，境外水利项目和相关工程的大量实施也需拓展流域水沙模拟的覆盖度。随着信息技术和水沙模型的发展，构建全球尺度流域水沙模拟系统的可行性已经具备。.本项目的研究内容以全球范围高分辨率河网的提取、编码与管理技术为基础，以水沙模拟驱动数据的自动下载、存储、服务为支撑，针对高性能计算环境下的全球尺度流域水沙模拟，提出基于现有子流域分解并行计算的双层并行算法，利用云计算技术，建立全球流域水沙模拟的试验系统，并掌握全套相关技术。.取得的主要成果包括： .1) 河网的高精度提取方法与全球河网数据集.在项目申请期已具备的高分辨率结构化河网高效提取方法的基础上，提出了基于填洼疏导的洼地预处理方法、基于最小代价搜索的实测河流与遥感水面信息“烧录”方法、基于地形统计的沟头自动识别算法，提出了全球河网编码体系，建立了基于30米分辨率DEM的全球河网数据集Hydro 30。.2) 流域水沙模拟驱动数据的管理与精度评价.开发了基于SOA架构的全球尺度多源气象数据的自动获取与管理方法，对驱动水沙模型运行的降水等公开来源数据的精度进行评价，针对缺观测资料流域开展了参数率定方法和模型误差分析等研究工作。.3) 全球尺度流域水沙模拟的并行计算算法.在水沙模型基于子流域分解并行计算的基础上，提出了用于参数率定的水沙模拟双层并行计算方法和用于多方案云服务的双层并行计算方法。.4) 全球尺度流域水沙模拟云服务技术与成果应用.研发全球尺度水沙模拟计算模型的动态集成和模拟管理技术。基于全球河网和数字流域模型，开发了全球水情模拟试验系统GRiFFS；面向山洪预警项目需要，开发了业务化运行的超大规模洪水预报预警系统。.本项目完成了预定目标，并进行了大量技术拓展工作，形成了可用于全球尺度的流域对象数字化与流域水沙过程模拟的成套技术，构建了全球尺度流域水沙模拟的演示平台，开展了项目成果的应用工作，取得了良好的效果。