(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111661759.0 (22)申请日 2021.12.31 (71)申请人 华南理工大 学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人 赖成光　陈佩琪　王兆礼　 (74)专利代理 机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 代理人 周春丽 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/13(2020.01) G06F 111/10(2020.01) (54)发明名称 基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速 模拟方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于GPU并行加速的水库 溃坝洪水演进快速模拟方法， 属于洪涝模拟领 域。 包括以下步骤： 收集水库及其下游的基础数 据； 对地形与土地利用数据进行预处理； 选定工 况和其对应参数； 使用并行GP U计算的WCA2D 模型 版本进行模拟； 分析计算结果可靠性和合理性； 输出并处理WCA2D模型模拟的结果。 与传统洪涝 数值模拟模型相比， 本发明应用的基于GPU并行 加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法的WCA2D 模型是一种基于权重转换的元胞自动机模型， 模 拟效率很高， 且支持 并行GPU计算， 可 实现溃坝洪 水演进的快速模拟。 权利要求书3页 说明书10页 附图11页 CN 114004114 A 2022.02.01 CN 114004114 A 1.基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 收集水库及其下游的基础数据； S2、 对地形与土地利用数据进行 预处理， 建立数字高程模型； S3、 选定工况， 并根据该工况对应的水库库容、 溃决水深、 溃口宽度及溃决方式推求溃 口流量过程； S4、 在使用图形管理器并行计算的WCA2D模型中输入步骤S2以及步骤S3中处理好的地 形和流量过程数据文件， 并设置WCA 2D模型的模拟参数后进行模拟； S5、 将模拟结果进行水量平衡、 流态分析， 并验证、 率定、 优化数值模型， 根据水量平衡、 流态分析的结果与经验值进行对比分析计算结果可靠性和合理性； S6、 输出WCA2D模型模拟结果， 并基于地理信息系统的空间分析工具和R语言对结果进 行处理， 实现溃坝洪水演进过程的可视化。 2.根据权利要求1所述基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法， 其特征在 于， 所述预处 理包括对地形 数据进行修 正并叠加建筑和河道数据。 3.根据权利要求1所述基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法， 其特征在 于， 步骤S2包括基于地理信息系统， 并结合土地利用数据、 卫星图对建筑物、 河道、 街道、 公 路的地形， 建立包括建筑物的形状、 实际高程的数字高程模型， 以模拟建筑物对溃坝洪水的 延缓作用以及因建筑物之间的空间与间隙的涌水作用。 4.根据权利要求1所述基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法， 其特征在 于， 水库溃决方式包括大坝瞬 间溃决和逐渐溃决两种溃坝形式。 5.根据权利要求4所述基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法， 其特征在 于， 所述瞬间溃决根据溃口宽度不同， 分为瞬间全部溃决和瞬间部 分溃决， 以模拟包括因恐 怖袭击、 地震的突发事 件造成的水库溃决洪水演进过程； 逐渐溃决模拟溃口 由小到大的发育发展过程。 6.根据权利要求4所述基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法， 其特征在 于， 步骤S3包括以下步骤： S31、 根据要模拟工况， 选定对应的参数， 包括水库溃决方式、 溃口宽度、 溃决水深及对 应水库库容； S32、 计算 最大溃决流 量， 其中， 瞬 间溃决的最大溃决流 量为： 式中Qmax、g、 B 、 bm、 H0分别表示大坝溃决最大流量、 重力加速度、 坝 长、 最终溃口宽度、 溃 决水深； 逐渐溃决的大坝先渗透变形破坏再瞬 间溃塌， 渗透变形破坏流 量为： 式中：H为水库水位， 即水库计算水位高程； A为水流所流过的管道的断面面积； HP为管道 中心线高程； f 为达西摩擦系数， L 为管道沿水流方向的长度； D为管道的直径或宽度； S33、 溃口洪水流 量过程权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114004114 A 2假设大坝最大溃 决流量为 Qmax， 溃决洪量为已知的水库库容 W， 洪水历时 Tn待求， 则t 时 刻流量Q为： 。 7.根据权利要求1所述基于GPU并行加速的水库溃坝洪水演进快速模拟方法， 其特征在 于， 所述WCA2D模型用于模拟地表水流， 主 要过程包括： （1） 获取相邻元 胞水流交换的权 重： 式中：m表示与中心元胞相邻的元胞总数； 表示编号为0的中心元胞与第 i个相邻元 胞的水位差值； 表示相应的体积差值； 表示水位差值大于临界值 时才计算下 游元胞的获得 水量； 表示第i个相邻元胞的权重； 表示中心元胞的权重； 表示与中 心元胞相邻的体积差值总和； 表示与中心元 胞相邻的元 胞最小的体积差值； （2） 获取 元胞间交互水量： 式中： 表示 时刻下游第i个元胞获得的交换水量； 表示在 时刻从 中心元胞转移的水量； 表示中心元胞面积； 表示中心元胞水深； 表示权重； 表 示中心元胞与 该元胞的水位差值； 表示中心元胞中点到该元胞中点的距离； 表示 中心元胞水流转移到该元胞的最大允许流速； 表示时间步长， s； 表示该元胞与中心 元胞的交界长度； 表示t时刻从中心元胞转移的水量； n为曼宁系数； g为重力加速度； 下 标为M的变量都是针对拥有最大权 重的元胞； 所有不含上 标的变量都假定在t时刻； （3） 计算水深： 式中： 表示 时刻中心元胞的水深； 表示t时刻中心元胞水深； 表示权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114004114 A 3