并行预处理共轭梯度法在内蒙能源基地地下水流场模型中的应用

论文摘要

内蒙能源基地位于干旱——半干旱气候区,年蒸发量远大于年降雨量。由于近年来能源基地资源的开发利用,加速了地下水的短缺,对当地的经济和生态造成了一定的影响。因此了解地下水的赋存情况,对合理规划地下水的开采利用具有很深刻的指导意义。本研究在大量的水文地质相关资料的基础上,通过GMS软件模拟对研究区2000-2006年地下水的三维流场进行模拟。模拟结果表明研究区总补给量为465866.66*104m3/a。总排泄量535356.34*104m3/a ,含水层释放的存储量为69491.55*104m3/a。研究区主要的补给来自降雨补给,补给量为456903.71*104m3/a,占总地下水补给量的98.08%,主要的排泄通道是潜水蒸发,蒸发排泄量为428492.12*104m3/a,占总排泄量的80.04%。,次一级的排泄要素是人工开采及边界排泄,占总排泄量的11.21%。但由于研究区范围较大,利用1000m*1000m的分辨率来剖分研究区网格,所得结果较为粗糙,不能较精细的刻化地下水流场,用来矫正模拟水位的观测孔资料也就显得比较鸡肋。因此就需对研究区刻画的更精细,这就加大了处理器的计算量,对处理器的性能也更高。然而,当今单处理机由于处理器、内存以及数据通道系统上的限制已遇到了无法避免的性能瓶颈。因此本研究采用并行的方法利用多核处理机对三维流动方程求解。在利用串行版的MODFLOW2000源程序自动生成水流方程系数矩阵的基础之上,采用OpenMP应用编程接口对预处理共轭梯度（PCG）迭代法进行并行化求解水流方程。经计算串行环境下的模型模拟的模拟时间为20.705s,而同时在并行环境下模拟运算时间比之快1.05-1.11倍。显然,通过并行程序设计能够很好的解决单处理器的性能瓶颈,并能提高计算的效率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地下水模拟软件的发展现状
• 1.2.2 地下水建模中并行计算的发展历史
• 1.2.3 国内外的相关工作
• 1.3 研究内容
• 第2章 研究区概况
• 2.1 自然地理概况
• 2.1.1 地形地貌
• 2.1.2 气象
• 2.1.3 水文
• 2.2 区域地质
• 2.2.1 地层
• 2.2.2 构造
• 2.3 区域水文地质
• 2.3.1 含水层系统特征
• 2.3.2 地下水系统特征
• 第3章 均衡分析
• 3.1 降雨入渗补给量
• 3.2 农灌区灌溉入渗
• 3.3 地下水蒸发
• 3.3.1 潜水极限埋深
• 3.3.2 地表蒸发量
• 3.3.3 潜水蒸发量
• 3.4 河流基流排泄
• 3.5 边界侧向径流
• 3.5.1 侧向补给边界
• 3.5.2 侧向排泄边界
• 3.5.3 边界流量计算
• 3.6 人工开采
• 3.7 水量均衡
• 第4章 地下水数值模拟
• 4.1 水文地质概念模型
• 4.1.1 模型范围
• 4.1.2 模型边界
• 4.2 水文地质数值模型
• 4.2.1 数学模型
• 4.2.2 模型空间和时间离散
• 4.2.3 边界处理
• 4.2.4 源汇项处理
• 4.2.5 初始流场
• 4.2.6 水文地质参数
• 4.2.7 模型识别与校正
• 4.2.8 模型结果
• 第5章 并行化地下水流模拟
• 5.1 并行计算的基本知识
• 5.1.1 并行计算体系结构
• 5.1.2 Linux 机群系统
• 5.1.3 并行算法与编程模式
• 5.1.4 并行体系结构与编程模式发展趋势
• 5.1.5 两种并行编程接口MPI 和OpenMP 的比较
• 5.2 模拟结果
• 第6章 结论和建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 附录