Page 34 - 2023年第54卷第6期

计算的计算效率。由于 ＧＰＵ线程一般是顺序访问内存，因此，ＳｏＡ排列相对 ＡｏＳ排列在并行化研究中
具有更大的优势，可提高 ＧＰＵ读取内存数据的效率。同时采用网格重排序方法可以提高非结构网格
的内存合并访问性能，有助于非结构网格的 ＧＰＵ加速研究。Ｌａｃａｓｔａ等 ［５３］ 利用重排序、ＳｏＡ数组排列
等方式对非结构网格进行优化，提高了非结构网格的可并行性，取得了良好的效果。
而关于一维河道?管网模型的加速研究较少。宋利祥等 ［５４］ 基于有限体积法和汊点水位预测 － 校正
法，建立了一维河网水动力模型，应用 ＯｐｅｎＭＰ和 ＯｐｅｎＡＣＣ技术分别实现了 ＣＰＵ、ＧＰＵ并行计算，
通过珠三角洪水案例模拟得出结论，该模型可以实现 １．５１的 ＣＰＵ加速比和 ２．６３的 ＧＰＵ加速比。总体
而言，目前洪涝模型 ＧＰＵ加速研究主要集中在通过 ＣＵＤＡ等编程模式实现二维地表模型的并行化，
利用 ＧＰＵ加速技术完成一维河道?管网模型的加速求解研究相对比较匮乏。国内外学者一般通过增加
下渗或扣除降雨的方式对管网的排水能力进行概化处理，但该方式不能反映管网的真实情况；与此同
时，二维地表洪水演进并行计算研究往往基于结构网格，在面对复杂的边界时存在着拟合困难的问
题，尤其是城市边界地形复杂，结构网格的应用受到很大的限制，针对非结构网格和 ＧＰＵ结构特点
进行相应优化和并行研究工作还比较少，仍需进一步探讨。

５ 总结与展望

在全球气候变暖和城市化背景下，城市暴雨的发生概率、强度和影响范围均有所增加，城市水安
全问题日益突出。因此，为减少城市洪涝灾害造成的损失，提升对突发性强暴雨洪水事件的应急处理
水平，实现不同洪涝治理方案的优化比选和应急预案、防洪排涝规划的合理编制，系统深入探讨城市
洪涝数值模拟技术，建立一套稳定、高效的数值模型，对模拟城市暴雨洪涝过程、了解城市洪涝特性
的演变特征、评估城市洪涝风险、以及完善城市洪涝灾情实时预警预报机制具有越来越重要的意义。
鉴于此，近十几年来国内外学者为了推动城市洪涝模型的发展做出了大量的研究和不懈的努力，在城
市洪涝模拟关键过程、模型的精度、计算效率和适用性方面的研究都有了长足的发展。然而城市洪涝
数值模拟是一个极为复杂的科学问题，在目前的研究进展下，仍然存在着一些尚未攻克的难点。
（ １）城市洪涝模型全物理机制模拟。目前城市洪涝数值模拟研究还是以水文水动力城市洪涝模型
为主，这类模型将地形的影响进行了一定程度的概化，忽略了雨水进入城市排水管网之前在汇水区内
的运动过程，无法模拟距离检查井较远处的低洼区淹没，在物理机制上存在一定的不足。而物理机制
明确的全水动力城市洪涝模型研究尚少，对其中一些关键技术的实现、模型适用性、模拟精度以及计
算效率等方面还缺乏科学系统的研究与分析。
（ ２）城市洪涝精细化模拟以及全水动力城市洪涝模型都给数值模拟的计算效率带来了极大压力，
如何实现城市洪涝模型高精度－ 高效率的数值模拟一直是学术界尚未攻克的难题。随着 ＧＰＵ并行计算
技术的发展，城市洪涝快速预警预报技术已逐渐成为可能。但是目前的 ＧＰＵ异构并行技术仅被应用
于二维地表的水动力学模拟，通过增加下渗或扣除降雨的方式概化管网的排水能力，不能反映管网的
真实情况；且为实现城市洪涝模型的高速计算，目前的研究往往基于结构网格，存在着对城市复杂边
界拟合困难等问题。在日益增长的模拟精度需求下，一维河道?管网模拟和二维地表模拟均有可能成为
制约模型计算效率的关键过程，城市洪涝模型的 ＧＰＵ并行计算技术的实现不仅需要二维地表水动力
学 ＧＰＵ技术的加持，也需要一维管网和一二维模型耦合部分 ＧＰＵ并行计算技术的跟进。因此，亟需建
立一种基于非结构网格异构并行计算且考虑管网的模型，为城市暴雨内涝精细化与高效模拟奠定基础。

参 考 文 献：

［ １］ 国家统计局．中华人民共和国 ２０２１年国民经济和社会发展统计公报［Ｊ］．中国统计，２０２２，４８３（３）：９ － ２６．
［ ２］ 张建云，王银堂，贺瑞敏，等．中国城市洪涝问题及成因分析［Ｊ］．水科学进展，２０１６，２７（４）：４８５ － ４９１．
［ ３］ ＣＨＥＮＧＸＴ．ＵｒｂａｎＦｌｏｏｄＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄＩｔｓＲｉｓｋＡｎａｌｙｓｉｓｉｎＴｈｅＣｏａｓｔａｌＡｒｅａｓｏｆＣｈｉｎａ［Ｍ］．北京：中国水利

２
— ６ ６ —