Parallel modeling of sediment and radionuclide transport in rivers on multiprocessor systems and graphics processors
The study aims to develop and implement parallel algorithms for modeling sediment and pollutant transport in rivers within the COASTOX-UN modeling system, utilizing multiprocessor systems and graphics processing units (GPUs). The modeling system includes a hydrodynamic module (COASTOX-HD), a sedimen...
Gespeichert in:
| Datum: | 2025 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainian |
| Veröffentlicht: |
Kyiv National University of Construction and Architecture
2025
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://es-journal.in.ua/article/view/343565 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Environmental safety and natural resources |
Institution
Environmental safety and natural resources| id |
es-journalinua-article-343565 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Environmental safety and natural resources |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2025-11-17T08:22:59Z |
| collection |
OJS |
| language |
Ukrainian |
| topic |
river contamination modeling shallow water equations finite volume method parallel computing GPU computing MPI OpenACC |
| spellingShingle |
river contamination modeling shallow water equations finite volume method parallel computing GPU computing MPI OpenACC Sorokin, Maksym Zheleznyak, Mark Kivva, Sergii Pylypenko, Oleksandr Parallel modeling of sediment and radionuclide transport in rivers on multiprocessor systems and graphics processors |
| topic_facet |
моделювання річкових систем рівняння мілкої води метод скінченних об’ємів паралельні обчислення обчислення на GPU MPI OpenACC river contamination modeling shallow water equations finite volume method parallel computing GPU computing MPI OpenACC |
| format |
Article |
| author |
Sorokin, Maksym Zheleznyak, Mark Kivva, Sergii Pylypenko, Oleksandr |
| author_facet |
Sorokin, Maksym Zheleznyak, Mark Kivva, Sergii Pylypenko, Oleksandr |
| author_sort |
Sorokin, Maksym |
| title |
Parallel modeling of sediment and radionuclide transport in rivers on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_short |
Parallel modeling of sediment and radionuclide transport in rivers on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_full |
Parallel modeling of sediment and radionuclide transport in rivers on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_fullStr |
Parallel modeling of sediment and radionuclide transport in rivers on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_full_unstemmed |
Parallel modeling of sediment and radionuclide transport in rivers on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_sort |
parallel modeling of sediment and radionuclide transport in rivers on multiprocessor systems and graphics processors |
| title_alt |
Паралельне двовимірне моделювання транспорту наносів і забруднюючих речовин в річках на багатопроцесорних системах і графічних процесорах |
| description |
The study aims to develop and implement parallel algorithms for modeling sediment and pollutant transport in rivers within the COASTOX-UN modeling system, utilizing multiprocessor systems and graphics processing units (GPUs). The modeling system includes a hydrodynamic module (COASTOX-HD), a sediment transport module (COASTOX-SED), and a radionuclide transport module (COASTOX-RN), which can also be adapted for other pollutants. The methodology is based on numerical solutions of two-dimensional shallow water equations and advection-diffusion transport equations using the finite volume method on unstructured grids. Parallel computing is implemented through MPI (for distributed-memory systems) and OpenACC (for GPUs). The system was tested for simulating radionuclide transport in the Kyiv Reservoir during the 1999 spring flood and assessing organic pollutant concentrations in the Dnipro River near Kyiv following transboundary contamination of the Desna River in autumn 2024. Results demonstrate high computational efficiency of the developed algorithms. The combination of MPI and OpenACC technologies in the parallelized COASTOX-UN model enables simulations of sediment and pollutant transport on detailed grids for large water bodies, running efficiently on workstations, servers, and even gaming PCs/laptops with powerful GPUs. GPU-based computations outperform professional workstations in efficiency. The study highlights COASTOX-UN's potential for operational pollution forecasting during emergencies. The key innovation lies in adapting parallel computing algorithms for both CPUs and GPUs, significantly reducing computational costs without compromising accuracy. Future research will expand COASTOX-UN's functionality for additional pollutant types and further assess risks of anthropogenic impacts on aquatic ecosystems. |
| publisher |
Kyiv National University of Construction and Architecture |
| publishDate |
2025 |
| url |
https://es-journal.in.ua/article/view/343565 |
| work_keys_str_mv |
AT sorokinmaksym parallelmodelingofsedimentandradionuclidetransportinriversonmultiprocessorsystemsandgraphicsprocessors AT zheleznyakmark parallelmodelingofsedimentandradionuclidetransportinriversonmultiprocessorsystemsandgraphicsprocessors AT kivvasergii parallelmodelingofsedimentandradionuclidetransportinriversonmultiprocessorsystemsandgraphicsprocessors AT pylypenkooleksandr parallelmodelingofsedimentandradionuclidetransportinriversonmultiprocessorsystemsandgraphicsprocessors AT sorokinmaksym paralelʹnedvovimírnemodelûvannâtransportunanosívízabrudnûûčihrečovinvríčkahnabagatoprocesornihsistemahígrafíčnihprocesorah AT zheleznyakmark paralelʹnedvovimírnemodelûvannâtransportunanosívízabrudnûûčihrečovinvríčkahnabagatoprocesornihsistemahígrafíčnihprocesorah AT kivvasergii paralelʹnedvovimírnemodelûvannâtransportunanosívízabrudnûûčihrečovinvríčkahnabagatoprocesornihsistemahígrafíčnihprocesorah AT pylypenkooleksandr paralelʹnedvovimírnemodelûvannâtransportunanosívízabrudnûûčihrečovinvríčkahnabagatoprocesornihsistemahígrafíčnihprocesorah |
| first_indexed |
2025-11-16T02:11:42Z |
| last_indexed |
2025-11-18T02:18:16Z |
| _version_ |
1849092783878438912 |
| spelling |
es-journalinua-article-3435652025-11-17T08:22:59Z Parallel modeling of sediment and radionuclide transport in rivers on multiprocessor systems and graphics processors Паралельне двовимірне моделювання транспорту наносів і забруднюючих речовин в річках на багатопроцесорних системах і графічних процесорах Sorokin, Maksym Zheleznyak, Mark Kivva, Sergii Pylypenko, Oleksandr моделювання річкових систем рівняння мілкої води метод скінченних об’ємів паралельні обчислення обчислення на GPU MPI OpenACC river contamination modeling shallow water equations finite volume method parallel computing GPU computing MPI OpenACC The study aims to develop and implement parallel algorithms for modeling sediment and pollutant transport in rivers within the COASTOX-UN modeling system, utilizing multiprocessor systems and graphics processing units (GPUs). The modeling system includes a hydrodynamic module (COASTOX-HD), a sediment transport module (COASTOX-SED), and a radionuclide transport module (COASTOX-RN), which can also be adapted for other pollutants. The methodology is based on numerical solutions of two-dimensional shallow water equations and advection-diffusion transport equations using the finite volume method on unstructured grids. Parallel computing is implemented through MPI (for distributed-memory systems) and OpenACC (for GPUs). The system was tested for simulating radionuclide transport in the Kyiv Reservoir during the 1999 spring flood and assessing organic pollutant concentrations in the Dnipro River near Kyiv following transboundary contamination of the Desna River in autumn 2024. Results demonstrate high computational efficiency of the developed algorithms. The combination of MPI and OpenACC technologies in the parallelized COASTOX-UN model enables simulations of sediment and pollutant transport on detailed grids for large water bodies, running efficiently on workstations, servers, and even gaming PCs/laptops with powerful GPUs. GPU-based computations outperform professional workstations in efficiency. The study highlights COASTOX-UN's potential for operational pollution forecasting during emergencies. The key innovation lies in adapting parallel computing algorithms for both CPUs and GPUs, significantly reducing computational costs without compromising accuracy. Future research will expand COASTOX-UN's functionality for additional pollutant types and further assess risks of anthropogenic impacts on aquatic ecosystems. Метою дослідження є розробка та впровадження в інформаційно-моделюючу систему COASTOX-UN паралельних алгоритмів для моделювання транспорту наносів і забруднюючих речовин у річках з використанням багатопроцесорних систем і графічних процесорів (GPU). Система моделювання включає гідродинамічний модуль (COASTOX-HD), модуль транспорту наносів (COASTOX-SED) та модуль переносу радіонуклідів (COASTOX-RN), що може адаптуватися для розрахунків також інших забруднюючих речовин. Методологія дослідження базується на чисельному розв’язанні двовимірних рівнянь мілкої води і адвективно-дифузійних рівнянь переносу методом скінченних об’ємів на неструктурованих сітках. Для паралелізації обчислень використовуються технології MPI (для систем з розподіленою пам’яттю) та OpenACC (для GPU). Представлено приклади тестування системи для розрахунків розповсюдження радіонуклідів у Київському водосховищі під час весняного водопілля 1999 року, а також для оцінки концентрацій органічного забруднення на р. Дніпро біля м. Києва під час транскордонного забруднення р. Десна восени 2024 року. Результати дослідження демонструють високу обчислювальну ефективність розроблених алгоритмів. Показано, що поєднання технологій MPI та OpenACC у паралельній версії моделі COASTOX-UN дозволяє моделювати транспорт наносів та забруднюючих речовин на деталізованих сітках для великих водних об’єктів і на робочих станціях, серверах і на «ігрових» ПК/ноутбуках з потужними GPU. Обчислювальна ефективність технології на графічних процесорах перевищує показники професійних робочих станцій. Продемонстровано можливість використання моделі COASTOX-UN для оперативного прогнозування забруднення водойм, зокрема під час надзвичайних ситуацій. Оригінальність дослідження в поєднанні технологій адаптації алгоритмів паралельних обчислень для CPU і GPU, що надає користувачам можливість зниження витрат часу на обчислювальні ресурси без втрати точності. Подальші дослідження будуть спрямовані на розширення функціоналу COASTOX-UN для інших типів забруднювачів і подальші оцінки ризиків антропогенних впливів на водні екосистеми. Kyiv National University of Construction and Architecture 2025-09-30 Article Article application/pdf https://es-journal.in.ua/article/view/343565 10.32347/2411-4049.2025.3.61-75 Environmental safety and natural resources; Vol. 55 No. 3 (2025): Environmental safety and natural resources; 61-75 Екологічна безпека та природокористування; Том 55 № 3 (2025): Екологічна безпека та природокористування; 61-75 2616-2121 2411-4049 10.32347/2411-4049.2025.3 uk https://es-journal.in.ua/article/view/343565/331390 Copyright (c) 2025 Maksym Sorokin, Mark Zheleznyak, Sergii Kivva, Oleksandr Pylypenko http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 |