作为防汛减灾非工程措施的重要手段，洪水风险图编制是落实防汛工作从“控制洪水”向“洪水管理”转变的重要基础支撑，对降低洪水灾害至关重要。中国在2013-2015年度实施了全国重点地区洪水风险图编制项目。在项目实施过程中，通过分析典型洪水组合和溃口位置，确定计算方案集，并针对这些特定的方案进行洪水分析计算。这些洪水分析方案具有较强的代表性，可为防汛工作提供参考。但在实际工作中，水、雨、工情条件非常复杂且多变，实际汛情与已有的特定计算方案情景可能差别较大，极大制约了洪水风险图的实际应用效果。
自然灾害风险具有动态变化的特性，模型关键约束条件、计算结果等随时间约束变化而产生明显变化。流域洪水实时模拟可针对任意边界条件，如水文及溃口条件，进行快速、滚动计算，为防汛决策等提供动态、实时的洪水淹没信息，是洪水风险图编制项目的重要补充内容。然而，受资料条件、计算机发展水平、数学模型等方面的制约，我国目前尚未广泛建设流域洪水高速模拟系统。随着全国重点地区洪水风险图编制项目的完成，各编制区域资料齐全，为顺利开展洪水演进实时计算系统建设提供了重要保障。同时，近年来基于GPU加速器的并行计算技术快速发展，使得小型服务器或个人电脑上的高性能计算成为可能。
以大流域尺度的典型防洪保护区及其周边水系为研究对象，运用水动力学理论，建立了流域洪水演进一维-二维耦合模型，分析了二维模型数值计算的并行性，并采用OpenACC编程模式，提出了基于CPU-GPU异构并行计算平台的流域洪水高速模拟方法，相关成果已应用于重点地区洪水风险图编制项目中。本文主要研究工作和创新点包括：
（1）基于一维圣维南方程，采用传统Preissmann差分格式和分级求解法，建立了适应复杂河网的一维水动力模型。针对现有一维模型中水闸调度处理方法中存在的计算容易不稳定等问题，提出了基于闸控河段的水闸调度处理方法，使得一维模型在复杂河网模拟、水闸计算稳定性等方面的性能均有一定提升，为大流域尺度的洪水演进模拟提供了技术支撑。
（2）基于二维浅水方程，采用非结构网格Godunov型有限体积法，针对现有水动力模型中存在的干湿边界处理、水量不守恒等问题，提出了基于斜底单元的水深重构方法，采用通量限制技术保证水量守恒性。通过使用上述方法，使得本文模型在计算稳定性、水量守恒性等方面的性能得到显著提升，极大提高了模型在处理复杂边界和地形、干湿动边界等问题的适应性。
（3）基于一维、二维水动力模型，运用侧向联合求解技术，将一维、二维模型通过堤防型侧边界进行耦合，提出基于近似黎曼求解器的侧向耦合流量计算方法，有效克服了传统的基于堰流经验公式容易引起计算不稳定等难题，避免了由于侧向耦合导致计算步长显著减小等问题。
（4）在保证串行数值模型精度和稳定性的基础上，分析了二维模型数值计算的并行性，基于CPU-GPU异构并行计算平台，采用OpenACC编程模式，将二维模型数值计算程序并行化，并优化了非结构网格数据管理方法，极大提升了大流域尺度典型防洪保护区二维洪水演进模型的计算效率，实现了小型服务器或个人电脑上的洪水演进模型高性能计算，为有效解决大流域尺度和精细化网格的洪水演进问题提供重要技术支撑。
（5）以大流域尺度的典型防洪保护区为研究对象，采用面向服务架构，考虑模型-系统的松耦合性，在建立的流域洪水演进高性能计算模型为基础上，开发了基于GIS平台的洪水淹没动态分析系统。系统应用案例表明，本系统具有较好的计算稳定性和效率，在防汛应急决策支持方面具有较好的应用前景。
