Development of a 2D-3D coupled Catchment-Lake model for multi-core and GPU architectures

Abstract

As interações entre os fluxos de água da bacia hidrográfica e a hidrodinâmica dos lagos podem ser estudadas com modelos hidrológicos e hidrodinâmicos acoplados. Porém o acoplamento de modelos geralmente resulta no aumento da complexidade, tanto conceitual quanto computacional e a aplicação desses modelos exige uma estrutura robusta de modelagem, conhecimentos avançados de programação, maior quantidade de dados, configurações extensas e na maioria dos casos, tempo computacional significativo. O progresso das tecnologias de computação e das técnicas de modelagem indicam que a computação de alto desempenho em clusters e dispositivos massivamente paralelos como as Unidades de Processamento Gráfico (GPU) podem ajudar a amenizar o problema do tempo computacional. Por outro lado, métodos de automatização podem reduzir a complexidade na aplicação dos modelos acoplados, quando estabelecem a troca contínua (seamless) de dados entre os modelos hidrológico e hidrodinâmico. Esta tese tem como principal objetivo realizar o acoplamento entre um modelo bidimensional de fluxo de águas superficiais baseado nas equações de águas rasas (SW2D) e o modelo hidrodinâmico EFDC-MPI (versão paralelizada do Environmental Fluid Dynamic Code). Para isso, duas etapas principais foram realizadas: (i) desenvolvimento do modelo bidimensional de águas rasas acelerado por GPGPU; (ii) acoplamento do modelo resultante SW2D-GPU com o modelo EFDC-MPI e automatização da criação dos arquivos de configuração e de entrada de dados e parâmetros. O modelo SW2D-GPU simula os fluxos de água na bacia hidrográfica considerando o processo de evaporação, captação de água e de forma simplificada também considera as perdas por interceptação e infiltração. O modelo EFDC-MPI pode simular fluxos uni, bi e tridimensionais e é capaz de simular o processo de umedecimento e secagem em lagos podendo lidar com eventos transitórios e intermitentes de entradas de água vindas de rios ou encostas da bacia hidrográfica. O acoplamento destes dois modelos resultou no modelo SW2D-EFDC de alto desempenho computacional para realizar simulações da hidrodinâmica de ecossistemas lacustres. O modelo SW2D-EFDC pode ser usado em desktops, clusters com múltiplos processadores e GPUs. Desta forma, permite simulações hidrológicas e hidrodinâmicas em grandes áreas e com alta resolução espacial; simula a hidrodinâmica em ecossistemas lacustres com pouca disponibilidade de dados medidos e simula as interações entre lago e bacia hidrográfica. O modelo SW2D-EFDC foi testado em simulações da hidrodinâmica da lagoa do Peri considerando as influências das entradas de água vindas da bacia hidrográfica em diferentes cenários de vento e transporte de traçador virtual. Os testes do modelo acoplado reforçam que ele é uma ferramenta promissora para estudar os processos hidrológicos e hidrodinâmicos em corpos d?água como lagos, lagoas e reservatórios, bem como, as interações com a bacia hidrográfica.

Abstract: The interactions between the water flows of the catchment and the lake hydrodynamics can be studied with coupled hydrological and hydrodynamic models. However, coupled models are usually more complex, both conceptually and computationally. The application of these models requires a robust modeling framework, advanced programming skills, greater amount of data, extensive configurations, and in most cases, significant computational time. The progress of computing technologies and modeling techniques indicates that high-performance computing in clusters and massively parallel devices such as Graphics Processing Units (GPU) can help amend the problem of computational time. On the other hand, automation methods can reduce the complexity in the application of coupled models, when they establish the seamless exchange of data between hydrological and hydrodynamic models. In this dissertation, the coupling between a surface water model based on two-dimensional shallow water equations (SW2D-GPU) and the EFDC-MPI hydrodynamic model (parallelized version of the Environmental Fluid Dynamic Code) was performed. For this, two main steps were performed: (i) development of the two-dimensional shallow water model accelerated by GPGPU; (ii) coupling the SW2D-GPU model with the EFDC-MPI model and automating the creation of configuration files and input of data and parameters. The SW2D-GPU model simulates the water flows in the catchment considering the process of evaporation, water abstraction and, in a simplified way, it also considers the losses by interception and infiltration. The EFDC-MPI model can simulate one, two and three-dimensional flows and is capable of simulating the wetting and drying process in lakes, being able to deal with transient and intermittent events of water coming from rivers or catchment hillslopes. The coupling of these two models resulted in the SW2D-EFDC model with high computational performance for simulating the hydrodynamics of lake ecosystems. The SW2D-EFDC model can be used on desktops, multi-core clusters and GPUs. It allows hydrological and hydrodynamic simulations in large areas and with high spatial resolution; simulates hydrodynamics in lake ecosystems with little availability of gauge data and simulates catchment-lake interactions. The SW2D-EFDC model was tested in simulations of the hydrodynamics of the Peri lake, considering the influences of water inflows from the catchment in different scenarios of wind and tracer transport. The tests of the coupled model reinforce that it is a promising tool to study the hydrological and hydrodynamic processes in water bodies such as lakes, lagoons and reservoirs, as well as the interactions with the catchment.