River mapping using the shallow-water equations on GPU clusters: Costa Rica as a case study

Authors

DOI:

https://doi.org/10.29375/25392115.5103

Keywords:

River mapping, Shallow water equations, GPU computing

Abstract

Costa Rica’s River systems play a pivotal role in providing valuable resources for society. Given that the country is exposed to a water-dense, tropical climate, it is crucial to assess flooding risk and plan for extreme events. In this paper, the first step towards a river simulation pipeline is established using the Reventazón River as a case study. To achieve this, a High-Performance Computing – HPC  portable shallow water equation solver was implemented. Boundary and initial conditions were set using QGIS and Python, and a simple Manning model was considered for friction. No rainfall, infiltration, or subsurface modeling was implemented in this work. The simulation yielded good qualitative results for water flow for the whole Reventazón River. More complex simulations are enabled with these results, given that an initial condition for water flow in the river was established.

Author Biographies

Daniel Caviedes-Voullième, Jülich Supercomputing Centre

Institute for Bio- and Geosciences: Agrosphere, Forschungszentrum Jülich

Esteban Meneses, Centro Nacional de Alta Tecnología

School of Computing, Costa Rica Institute of Technology

References

Bladé, E., Cea, L., Corestein, G., Escolano, E., Puertas, J., Vázquez-Cendón, E., Dolz, J., & Coll, A. (2014). Iber: herramienta de simulación numérica del flujo en ríos. Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, 30(1), 1-11. https://doi.org/10.1016/j.rimni.2012.07.004

Caviedes Voullième, D., Morales-Hernández, M., & Özgen-Xian, I. (2023). SERGHEI. https://doi.org/10.5281/ZENODO.8159947

Caviedes-Voullième, D., Morales-Hernández, M., Norman, M., & Özgen-Xian, I. (2023). SERGHEI (SERGHEI-SWE) v1.0: a performance-portable high-performance parallel-computing shallow-water solver for hydrology and environmental hydraulics. Geoscientific Model Development, 16(3), 977-1008. https://doi.org/10.5194/gmd-16-977-2023

Fernández Arce, M., Méndez Ocampo, I., & Muñoz Jiménez, R. (2019). Exposición a inundaciones en Moravia, San José, Costa Rica. Revista Reflexiones, 98(1), 7-21. https://doi.org/10.15517/rr.v98i1.32492

Forschungszentrum Jülich. (2024). JUWELS. https://www.fz-juelich.de/en/jsc/systems/supercomputers/juwels

Guzmán Arias, I., Watson Hernández, F., Villagra Mendoza, K., & Casasola Ramírez, R. (2017). Modelación hidrodinámica y morfológica del Río La Estrella, Limón. Escuela de ingeniería agrícola. Instituto Tecnológico de Costa Rica. https://hdl.handle.net/2238/9154

Intergovernmental Panel on Climate Change. (2023). Climate Change 2023: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. (H. Lee, & J. Romero, Eds.) Geneva, Switzerland. https://doi.org/10.59327/IPCC/AR6-9789291691647

Li, G., Liu, J., & Shao, W. (2022). Flood risk assessment using TELEMAC-2D models integrated with multi-index analysis in Shenzhen River Basin, China. Water, 14(16), 1-21, 2513. https://doi.org/10.3390/w14162513

Mo, C., Cen, W., Lei, X., Ban , H., Ruan, Y., Lai, S., Shen, Y., & Xing, Z. (2023). Simulation of dam-break flood and risk assessment: a case study of Chengbi River Dam in Baise, China. Journal of Hydroinformatics, 25(4), 1276–1294. https://doi.org/10.2166/hydro.2023.193

Presidencia de la República de Costa Rica. (2021). Diques, pasos de carretera y alcantarillados son los primeros impactos que atenderá CNE. Presidencia de la República de Costa Rica Website. https://presidencia.gobiernocarlosalvarado.cr/comunicados/2021/07/diques-pasos-de-carretera-y-alcantarillados-son-los-primeros-impactos-que-atendera-cne/

ProDUS - UCR. (2014). Evaluación de la vulnerabilidad y adaptación de infraestructura ante el cambio climático. PNUD, Escuela de Ingeniería Civil. San José: Programa de las Naciones Unidas para el Desarrollo (PNUD). https://www.undp.org/sites/g/files/zskgke326/files/migration/cr/undp_cr_infraestructuracc_2014.pdf

Rojas González, A. M. (2020). Informe Final: Estudio de zonas de amenazas por inundación usando sensores remotos, análisis hidrológico e hidráulico para mejorar la cuantificación y gestión del riesgo en la Cuenca del Río Zapote. Universidad de Costa Rica, Escuela de ingeniería de biosistemas. San José: Universidad de Costa Rica. https://www.cne.go.cr/reduccion_riesgo/biblioteca/informes/Informe%20HH%20Zapote-Upala.pdf

Rojas González, A. M., & Coto Fonseca, A. F. (2020). Informe Estudio de zonas de amenazas por inundación usando sensores remotos, análisis hidrológico e hidráulico para mejorar la cuantificación y gestión del riesgo en la cuenca de Aguas Claras. Universidad de Costa Rica, Escuela de Ingeniería de Biosistemas, San José. https://www.kerwa.ucr.ac.cr/bitstreams/258986da-bba9-41c5-ba00-e62b281365ca/download

Saborío, J. (2012). Estudio Integral de la Cuenca de los ríos Pirrís, Parrita, Candelaria, cantón de Parrita y zona de los Santos. Comisión Nacional de Prevención de Riesgos y Atención de Emergencias. San José: Comisión Nacional de Prevención de Riesgos y Atención de Emergencias (CNE). https://www.cne.go.cr/reduccion_riesgo/biblioteca/informes/Estudio%20rios%20Pirris-Parrita-Candelaria%20-%20Parrita%20y%20Zona%20de%20los%20Santos.pdf

Vallis, G. K. (2019). Essentials of atmospheric and oceanic dynamics. Cambridge, United Kingdom: Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/9781107588431

How to Cite

Villalobos, J., Caviedes-Voullième, D., & Meneses, E. (2024). River mapping using the shallow-water equations on GPU clusters: Costa Rica as a case study. Revista Colombiana De Computación, 25(2), 59–68. https://doi.org/10.29375/25392115.5103

Downloads

Download data is not yet available.

Downloads

Published

2024-12-31

Issue

Section

Article of scientific and technological research
Crossref Cited-by logo

Altmetric

Scan to share
QR code to open and share this publication
Article metrics
Abstract views414
Galley views3
PDF Views3
HTML views0
Other views0