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淹水模型平行運算技術介紹與測試水利規劃分署

  發刊期數:第0659期/ 發布日期:114/08/29

配合「淹水潛勢圖第三次更新計畫」之推動,並因應各縣市地區多樣且複雜的水文與地文環境特性,作業上採用 Delft3D Flexible Mesh 1D2D 模式(以下簡稱 Delft3D FM 1D2D)進行淹水模式建置與模擬作業。模式核心為解二維淺水方程式(2D Shallow Water Equations),採用交錯式非結構化網格並搭配有限體積法(Finite Volume Method),同時透過 1D 與 2D 的緊密耦合,以確保模擬過程中質量與動量守恆。在基礎圖資方面,本次建模使用與內政部合作提供之 HyDEM 1 公尺解析度高程資料,搭配三維水利圖徵,進一步強化堤防、水閘門等構造物特徵建置,以提升模式模擬精細度與實用性。

網格配置說明如下:

都市計畫區:採用 5m × 5m 網格

非都市計畫區:採用 40m × 40m 網格

交界過渡區:採用漸變網格方式銜接。

在新的淹水模式網格數量已由過去各流域約 30 至 50 萬格,提升至 100 萬至 300 萬格以上。伴隨網格數增加,計算時間亦大幅提升。為提高後續淹水潛勢圖作業之效率,使用Delft3D FM 1D2D模式內建之 MPI(Message Passing Interface)分散式記憶體平行運算機制,可將整個模型專案切分為多個子區域(subdomain),每個子區域對應一個獨立 MPI 程序(即對應一個CPU 核心)負責計算。在模式專案分割上透過 METIS 演算法,有效減少區塊間邊界連接數,以降低資料傳輸與交換頻率。每個子區域與相鄰子區塊透過重疊區(Ghost Cells)進行流量與水位交換,確保整體模式質量守恆。Delft3D FM 1D2結合彈性網格與 MPI,不僅提升運算效率,更可精細呈現複雜都市與河川區域的水理現象,增進淹水模擬成果效益。本文以二仁溪流域為例,其總網格數為 1,210,916 格。模式專案透過 METIS演算法將專案網格分割為 4 至 28 個子分區(圖 1),並搭配 24 小時 650 毫米定量降雨與實際潮位條件進行模擬;每個分區對應生成獨立的子區資料與輸出資料夾。

模式可以支援Linux及雲端運算,為了有效評估雲端運算成效,在台智雲雲端運算環境中,採用 32 核心/64 GB 記憶體之運算環境配置,分區數從 4 分區至 28分區,模擬時間由 41 小時縮減至 9.8 小時。測試過程中發現,若分區數與核心數量配置不佳如20分區,即使運算資源增加,模擬效能亦可能無明顯改善。相對而言,適當調整分區數量(如 6→8 區、10→16 區)則有助於提升運算效率(圖 2)。將模擬成果進一步疊加顯示於地理圖資上,如圖 3 與圖 4 所示,明確展示不同分區策略與高效運算配置所帶來之成果差異。後續將持續依據專案模擬範圍與網格規模,調整分區數並搭配合適之核心數與記憶體資源,建立最佳化運算專案分割配置與對應合適的預算資源配置。並且針對模式1D2D物件與對應拓樸屬性進行檢查。以持續提升模式運算效能。