Promotie: Facilitating and enabling large-scale, hyper-resolution, groundwater modeling with distributed-memory parallel computing

Wereldwijd staan waterbeheerders en beleidsmakers voor de grote uitdaging om de beschikbaarheid van zoet grondwater veilig te stellen voor overmatige grondwateronttrekkingen en klimaatverandering. Zij maken daarbij gebruik van berekeningen met computermodellen die de toekomstige situatie van het grondwater kunnen uitrekenen. Deze computermodellen moeten een voldoende hoge ruimtelijke resolutie hebben, wat voor grootschalige toepassingen vaak resulteert in het probleem van lange rekentijden en grote geheugenbehoeften.

Als oplossingsrichting voor dit probleem werd er in dit onderzoek gekeken naar gedistribueerd parallel rekenen. Daartoe is de wereldwijd veelvuldig gebruikte simulatiecode MODFLOW geparallelliseerd, waarmee op het nationale rekencluster werd gekeken hoeveel sneller berekeningen daardoor worden. Twee bestaande grondwatermodellen uit de praktijk zijn daarbij bekeken, die nog met uniforme rekenroosters rekenen, als ook twee nieuwe toepassingen met flexibelere rekenroosters.

Voor bestaande modellen werd het (kwantitatieve integrale) Landelijk Hydrologische Model beschouwd en het (kwalitatieve zoet-zout) grondwatermodel voor de Zandmotor. Voor beide modellen werden grote versnellingen behaald (factor 20 en 90) voor een vrij beperkt aantal processorkernen (60 en 250 respectievelijk). Deze grote versnellingen tonen aan dat parallellisatie de praktische toepasbaarheid van deze bestaande grondwatermodellen sterk kan vergroten.

Als eerste nieuwe toepassing werd GLOBGM ontwikkeld, het eerste tijdsafhankelijke mondiale grondwatermodel ter wereld met een resolutie van 30 boogseconden (~ 1 km). Naast parallelle simulatie vereiste de grootte van dit model ook parallelle voorbewerking van invoergegevens. Met vrij beperkte rekenkracht (tot 400 processorkernen met een versnellingsfactor van 250) kan 60 jaar in 1 nacht parallel worden doorgerekend. Daarmee is het mondiale model ook bruikbaar voor gebruikers die geen toegang hebben tot zeer grote rekenclusters.

Als tweede nieuwe toepassing werd een nieuw multi-resolutie grondwatermodel verkend om regionale grondwatermodellen in het Landelijk Hydrologisch Model op te nemen. Deze toepassing laat op landelijke schaal een regionale verfijning toe tot rekenroosters met een 12.5 m resolutie, resulterend in een model bestaande uit meer dan een miljard roostercellen. Voor dit model werd aangetoond dat met een vrij beperkte rekenkracht (tot 500 processorkernen met een versnellingsfactor van 325) 8 jaar in 2 dagen parallel kan worden doorgerekend. Dit toont aan dat deze zeer grote modellen nu al binnen handbereik liggen met de huidige computers.