用於水流分析的方法和系統的製作方法
2023-05-24 09:15:56 1
專利名稱：用於水流分析的方法和系統的製作方法
技術領域：
所描述的技術涉及對開發地點處或者水域內不同範圍的暴雨管理控制的分析。
背景技術：
土地開發通常改變一地的自然水平衡。當自然的植被和土壤被道路和建築物代替時，滲入地面的雨水變少，植被獲得的雨水變少，並且更多的雨水變為地表徑流。
為了使一地的雨水泛濫最小化，已經設計了傳統的溝渠和管道系統來從非滲透表面儘快去除暴雨徑流，並轉移到接納水體。結果，與自然條件下相比，暴雨徑流更迅速且更大量地進入接納水體。這種速度和容量導致溝道侵蝕、洪水、水生生境(aquatic habitat)損失以及水質惡化。如果不能避免這些影響，可能存在環境、法律、經濟及政策等方面的問題。
「暴雨源控制」用來收集源(例如，在建築物區上或可通行的道路內)處的雨水，並將其返回到自然的水文路徑——入滲和蒸散，或者在源處重複利用。暴雨源控制在非滲透表面與水道(例如，溪流)之間建立了水分離，由此減少了地表徑流的容量和速度。
目前，難以就暴雨源控制實現成本和利益的均衡。通常根據針對整個水域保護提供現實可行框架的水域研究，來發展水域的管理規劃，包括組合水域控制，例如最佳管理實踐和土地用途管理。然而，因為這些研究是大範圍進行的，所以不能有效地估計單獨暴雨管理源控制措施的效果。不知道這些措施的效果，就難以在水域保護、經濟增長及生活質量之間達到平衡。
希望有一種有效的方式來分析各種暴雨源控制努力對於開發的效果。
圖1是圖示了一個實施例中的高級開發設計的顯示頁面。
圖2是圖示了一個實施例中的建模系統的組件的方框圖。
圖3圖示了用於指定開發的環境條件的對話框。
圖4圖示了用於指定開發的土壤類型的對話框。
圖5圖示了總結開發的區域的構成的對話框。
圖6圖示了代表可以作為開發一部分的不同土地用途的圖標。
圖7圖示了一個實施例中新住宅開發的詳細設計的示例。
圖8是圖示了一個實施例中開發設計的屬性的對話框。
圖9圖示了針對區域的降雨的對話框。
圖10圖示了針對區域的蒸散的對話框。
圖11圖示了針對非滲透區域的屬性的對話框。
圖12圖示了針對地面漫流平面的對話框。
圖13a～13c圖示了針對土壤入滲的對話框。
圖14a～14d圖示了針對介質入滲的對話框。
圖15圖示了針對土壤類型的對話框。
圖16圖示了一個實施例中用於設置水域保護標準的顯示頁面。
圖17圖示了峰值流標準信息。
圖18圖示了標準信息的流量。
圖19a～19c是針對最優化過程的對話框。
圖20是一個實施例中創建設計組件的流程圖。
圖21是圖示了一個實施例中仿真組件的流程圖。
圖22是圖示了一個實施例中最優化組件的流程圖。
圖23是圖示了降雨對象所執行的計算的流程圖。
圖24是圖示了諸如屋頂對象之類的非滲透對象所執行的計算的流程圖。
圖25是圖示了諸如溝道之類的定向對象所執行的計算的流程圖。
圖26是圖示了一個實施例中定向對象的流平衡組件所執行的計算的流程圖。
圖27是圖示了一個實施例中土壤入滲組件所執行的計算處理的流程圖。
圖28是圖示了一個實施例中土壤入滲對象的水平衡組件所執行的計算處理的流程圖。
具體實施例方式
提供了一種用於對水域恢復項目的水流(例如，暴雨、點源和排水)建模的方法和系統。在一個實施例中，建模系統允許用戶創建開發地點設計的不同區域的圖形表示。此圖形表示示出不同區域之間的水流。用戶還可以指定每個區域的屬性，例如入滲速度、徑流係數、大小、蒸散速度等。建模系統可以仿真降雨對開發設計的影響。可以在特定時間段(例如，一個月)內按照用戶定義的時間步幅(例如，每小時)來指定降雨量。仿真確定每個區域的入水流，並確定每個區域的出水流。入水流可以來自降雨、來自另一區域的徑流等；並且出水流可以來自徑流、入滲、蒸散、地下水損耗等。此仿真的結果可以用來估計開發設計，並調整設計以便就所選擇的水域保護標準(例如，峰值水流)獲得所希望的成本-利益平衡。建模系統可以允許用戶指定各種水域保護標準，可以包括峰值水流、流量和水質等。建模系統基於仿真估計是否超過了任意標準。建模系統可以用來對各種類型的水流建模，包括暴雨徑流以及暴雨和下水道的組合水流。
在一個實施例中，建模系統提供代表每一土地用途(可以是開發的一部分)中可能類型的區域的對象。土地用途可以包括住宅、商用、工業等。開發的每一地塊具有相關聯的土地用途，並且被分為可滲透和非滲透區域。非滲透區域包括屋頂、車道和道路；並且滲透區域包括空地和場院。建模系統可以提供針對屋頂、車道、道路、空地和場院的對象。建模系統還提供針對水源和水匯(sink)的對象。水源可以包括降雨、河流、重複利用等，並且水匯可以包括蒸散、土壤入滲等。每一對象提供其區域類型的模型。例如，針對屋頂的對象可以基於屋頂大小、降雨量和徑流係數對徑流量進行建模。
建模系統允許用戶準備表示地區之間的相互關係(即，出水流和入水流)的開發區域圖形表示。開發的每一區域可以由圖標來圖形表示。每一住宅開發區可以由屋頂區域、車道區域、場院區域和道路區域來表示，因此由多個圖標來表示。屋頂、車道和道路區域可以具有降雨入流和徑流出流，而場院區域也具有降雨入流和徑流出流，並且還具有土壤入滲、水流、地下水等出流。如果一個地區的徑流出流被引導到空地上，則建立了該地區的徑流出流與空地的入流之間的相互關係，這可以由將該地區的圖標和空地連接起來的線條來表示。相互關係表示水從一個區域流到另一區域。
建模系統允許用戶指定開發的區域的屬性以及水源。空地區域的屬性可以包括其大小、土壤類型等。降雨水源的屬性可以是特定時間段(例如，三個月的雨季)中每小時的降雨總量。建模系統通過以特定間隔迭代計算開發的每一區域的出流和入流，來計算水流。例如，如果按每小時來總計降雨量，則建模系統可以執行代表一小時間隔的計算。建模系統基於降雨量來計算每一區域的總入水流，並且基於徑流係數、入滲速度等來計算每一區域的總出水流。相互關係定義了對每個對象執行計算的順序。具體地，對某個區域的計算直到首先對向此區域供水的區域進行了計算之後才執行。建模系統可以基於開發中的每個區域的峰值水流和總水流來跟蹤並提供報告。建模系統允許用戶改變屬性和開發的區域，以分析不同土地用途對水域的效果。
在一個實施例中，建模系統可以提供對地理信息系統(「GIS」)的接口，以輸入與要建模的開發地點相關的信息。建模系統可以允許用戶選擇GIS中建模系統要使用其信息的開發、小區等。例如，如果選擇了新開發，則可以從GIS獲得小區數目以及每一小區的區域屬性(例如，大小)，並且用來初始化建模系統的數據。建模系統允許用戶修改這些屬性並指定區域間水流。
在一個實施例中，建模系統提供優化器，識別由目標函數指示為最佳的開發設計。在用戶定義開發設計之後，用戶指定對設計分級的目標函數。目標函數例如可以定義開發的利潤，並因此基於利潤額來對設計分級。用戶還定義開發設計的各種約束。例如，一個約束可以是住宅開發中小區的最小和最大數目，並且另一約束可以是空地的最小和最大畝數。建模系統選擇約束內的初始參數(例如，150塊土地)，利用這些參數執行仿真，然後計算目標函數。系統然後選擇新的參數，執行仿真，並且重新計算目標函數。建模系統基於目標函數是否向最優解收斂，來選擇新參數。本領域的技術人員將認識到，可以使用各種公知的最優化技術來指導參數選擇。系統重複此過程，直至得到導致最高等級最優化設計的參數。
在一個實施例中，建模系統提供連續仿真，模型很大程度上取決於生態貯存(bio-retention)設施、植被溼地、屋頂綠化和入滲設備中發生的物理過程以及地點指紋(site fingerprinting)和土壤壓實的效果。針對新開發和重新開發，建模系統考慮來自多種土地用途和土壤類型上的所有類別土地覆蓋物(包括道路、景觀和建築物)的徑流生成。
建模系統最優化經濟增長和水域保護之間的平衡。建模系統提供滿足水域保護和生活質量目標的最低成本暴雨管理解決方案。模型的某些潛在用途是識別適當的、地點專有最佳管理實踐，並且估計基於容量的、峰值流和水質控制的效果。在一個實施例中，在Extend動態仿真平臺上開發的建模系統是面向視覺的互動工具，其允許來自地點設計、地點分析和評審以及公共教育的大範圍應用。
圖1是示出了一個實施例中的高級開發設計的顯示頁面。本領域的技術人員將認識到，建模系統可以用來對具有不同區域、和區域間水流並具有或不具有各種最佳管理實踐的任何開發設計的水流來進行建模。開發設計100包括新開發圖標101和重新開發圖標102。新開發圖標代表新的住宅開發，可以包括許多小區和空地。重新開發圖標代表商業重新開發。圖標之間的線條代表水流，並由此代表相互關係。例如，新開發圖標101和定向流圖標103之間的線條105代表從新開發流向溝道的徑流或地面漫流平面。類似地，重新開發圖標102和定向流圖標103之間的線條106代表從重新開發流向溝道的徑流或地面漫流平面。總計圖標104代表將由線條107代表的新開發的土壤入滲和由線條108代表的重新開發的土壤入滲組合，得到開發設計的總計入滲。線條109代表來自重新開發的沒有定向的徑流。圖標110代表所仿真的水流的各種曲線圖。圖標111、112和113允許用戶指定並查看開發設計的各種屬性。例如，環境條件圖標111用來設置降雨和蒸散屬性。土壤類型圖標112用來指定開發中發現的土壤類型。土地用途圖標113用來總結開發中的各種土地用途(例如，每一土地用途的總非滲透畝數)。進化最優化圖標114用來指定用於最優化過程的約束和目標函數。水域保護標準115用來建立針對水域保護的各種標準，例如峰值水流、流量和水質。用戶指定標準或標準組合，並且建模系統基於仿真結果加亮任何超出。
圖2是示出了一個實施例中的建模系統的組件的方框圖。建模系統包括創建設計組件201、仿真組件202和最優化組件203。創建設計組件用來生成開發設計。創建設計組件接收關於放置代表開發設計的圖標的用戶輸入。用戶從圖標庫204中選擇圖標。創建設計組件將設計存儲在設計庫201中，並且將用戶指定的屬性存儲在屬性庫206中。創建設計組件處理與用戶的交互，來放置圖標，連接圖標，並設置各種屬性的值。創建設計組件還可以從GIS導入開發的區域及它們的屬性。仿真組件基於設計庫和屬性庫所指示的開發設計來仿真水流。仿真器組件針對設計庫中所表示的每個圖標，將來自對象庫207的對象實例化。在一個實施例中，針對每種類型的圖標來定義對象。例如，每種類型的區域具有在仿真的每次迭代期間由仿真組件調用來計算區域的出流(包括蒸發、蒸騰、和入滲)的對象。仿真組件可以在仿真之間調用其他對象來初始化或輸入值。仿真組件在仿真的每次迭代中以根據相互關係的順序來調用代表區域的對象。仿真結果存儲在輸出庫208中。輸出可以包括每次迭代中每個對象的流信息的歷史。最優化組件識別針對開發設計的最適合目標函數的一組參數。用於最優化的目標函數和約束存儲在約束和目標函數庫209中。最優化組件在約束內設置仿真的初始參數，然後執行仿真。最優化組件然後估計目標函數，並在約束內選擇一組新參數。最優化組件重複執行仿真和新參數建立，直至目標函數的估計收斂到最優解(例如，最大利潤)。
建模系統可以在計算機系統上執行，計算機系統包括中央處理單元、存儲器、輸入設備(例如，鍵盤和定點設備)、輸出設備(例如，顯示設備)、和存儲設備(例如，盤驅動器)。存儲器和存儲設備是可以包含實現建模系統的指令的計算機可讀介質。另外，可以存儲或經由數據傳輸介質(例如，通信鏈路上的信號)來傳送數據結構和消息結構。建模系統可以利用各種公知的仿真器工具來實現。在一個實施例中，建模系統實現在Extend建模環境上，在Proceedings of 2000Winter Simulation Conference中出版的David Krahl編寫的「TheExtend Simulation Environment」中對此進行了詳細描述，其結合於此用作參考。
圖3圖示了用於指定開發的環境條件的對話框。當用戶選擇圖標300時，建模系統顯示對話框301和311。降雨對話框301用來指定開發的降雨量。降雨量可以從指定每一時間段(例如，小時)的降雨量的電子表格中導入。此對話框用來指定電子表格的位置和格式。獲取數據按鈕302用來獲得降雨數據，這顯示在欄位303中，並總計在欄位304中。在一個實施例中，假設開發中所有地方降雨量相同。本領域的技術人員將認識到，可以對開發的不同部分指定不同的降雨量。例如，在山的乾燥一側的住宅開發可以具有與在山的另一側的住宅開發不同的降雨量，指示在開發或水域內多個降雨觀測站的選擇。蒸散對話框311指定每個特定區域中由於蒸發或蒸騰而離開水域的水量。此對話框用來指定蒸散參數、海拔、緯度、最小和最大溫度、以及位置特性(例如，沿海或潮溼)。計算按鈕312用來基於這些參數計算蒸散量(例如，使用Penman-Monteith公式)，並在欄位313中顯示此量。
圖4圖示了用於指定開發的土壤類型的對話框。當用戶選擇圖標400時，建模系統顯示對話框401。土壤類型對話框401指示對示例開發已經指定了三種土壤類型滲透區、未使用滲透和生態貯存。本領域的技術人員將認識到，通過建模系統可以仿真任意數量的土壤類型。每一土壤類型的屬性包括地表和地下水容量、最大含水量、洪水容量、萎蔫含水量、水半衰期、蒸散因子、土壤深度以及最大蓄水。開發設計的每一滲透區域被指定為具有這些土壤類型之一。
圖5圖示了總結開發的區域的組成的對話框。當用戶選擇土地用途圖標500時，建模系統顯示對話框501。區域對話框501指示開發中每一土地用途的滲透和非滲透的大小。在該示例中，土地用途0具有大約三百五十萬平方英尺的滲透區域，850,000平方英尺的非滲透區域以及總共四百三十六萬平方英尺的區域。
圖6圖示了代表可以作為開發一部分的不同土地用途的圖標。在該示例中，從GIS導入代表不同土地用途的圖標。圖標601代表新住宅開發，圖標602代表商業重新開發，圖標603代表商業開發，圖標604代表住宅重新開發，並且圖標605代表工廠。為了創建開發設計，用戶選擇土地用途圖標，並且將它們放置在顯示上。用戶然後可以指定它們之間的相互關係。這指定了高級開發設計。為了指定每一土地用途的詳情，用戶選擇土地用途，並向用戶提供空白顯示頁面區域。用戶然後在顯示頁面上放置包括此土地用途的區域。例如，用戶可以放置屋頂、車道和場院的圖標，以代表一個小區。可選地，可以從GIS導入詳情。用戶然後可以指定設計的相互關係。為了指定相互關係，用戶可以選擇一個圖標的出流，並且將其連接到另一圖標的入流。建模系統然後在圖標之間繪製出線條。建模系統提供土地用途以及土地用途內的區域的分層結構。本領域的技術人員將認識到，開發設計可以指定分層結構內的許多不同級別。例如，開發設計在其最高級別可以包括新住宅開發和商業重新開發。住宅開發的下一級別可以指定小區、空地、和生態貯存設施。小區的下一級別可以指定小區的各個區域，例如屋頂、車道、道路和場院。
圖7圖示了一個實施例中的新住宅開發的詳細設計的示例。此新開發700對應於圖1的新開發101。新開發由圖標701～710代表。屋頂圖標701、車道圖標702、場院圖標703和道路圖標704代表每個住宅小區的區域(例如，平均)。開發設計圖標731用來指定住宅小區的屬性。例如，開發設計可以指定存在100個貢獻了特定平均屋頂大小、車道大小、場院大小和道路大小的小區。圖標721代表每一區域的總降雨。用戶可以選擇降雨圖標721，來查看關於該地區降雨的信息。用戶可以選擇蒸散圖標722來查看區域的蒸散特性。用戶可以選擇入滲圖標723來查看區域的入滲速度。總計圖標704、708和710指定來自各個區域的要總計的出流。例如，總計圖標710指示要將區域703、706和709的入滲總計為新開發的總入滲。拆分圖標705指示要將流分為多個流。拆分流可以具有與每個出流相關聯的百分比，以指示入流中提供給該出流的百分比。空地圖標706代表開發的滲透空地。生態貯存圖標709代表開發中的生態貯存設施。本領域的技術人員將認識到，可以針對暴雨控制(例如，生態貯存、攔蓄水庫、雙層入滲等)使用各種最佳管理實踐。生態貯存設施具有相關聯的降雨、蒸散和入滲特性。將圖標連接起來的線條代表開發內的各種水流，並由此代表相互關係。例如，生態貯存設施接收來自小區和空地的降雨。因此，生態貯存設施依賴於開發中所有其他區域。然而，空地區域僅依賴於小區的屋頂、車道和場院區域，因為來自道路的降雨被直接定向到生態貯存設施，而不是空地。因此，當建模系統針對該示例執行水流仿真時，在對空地進行計算之前執行對屋頂、車道和場院區域的計算，並且在對生態貯存設施進行計算之前執行對空地的計算。在一個實施例中，建模系統可以在仿真期間動畫表示開發設計。例如，如果在迭代期間出現降雨，則可以切換降雨圖標以表示雨水。作為另一示例，當超過容量時，可以將圖標之間線條的顏色改變為紅色。
圖8是示出了一個實施例中開發設計的屬性的對話框。當用戶選擇圖標800時，建模系統顯示對話框801。開發設計對話框801指示屬性包括開發中的小區數目、開發的大小(例如，以畝為單位)、每個小區的貨幣價值、作為小區價值百分比的建造和許可成本、總的源控制和空地成本、每個小區的典型組成、以及源控制和生態貯存設施的類型。建模系統基於成本和開發的設計，計算每個小區的利潤、建造和許可成本以及淨利潤。在該示例中，每個小區分配有道路區域、屋頂區域、車道區域和小區上滲透(或場院)區域。每個區域可以分配有固定的面積大小加上每小區的面積大小。例如，總道路可以具有10,000平方英尺的固定面積，並且每個小區向總道路面積加上額外的1000平方英尺。源控制設施可以包括生態註冊設施和其他最佳管理實踐。可以對生態貯存設施定義面積、蓄水深度、每面積每深度的成本、每面積的成本以及總固定成本。空地區域可以由面積大小、每面積的成本以及總固定成本來定義。
圖9～15圖示了在選擇開發設計的圖標時所顯示的對話框。圖9圖示了針對一個區域的降雨的對話框。降雨圖標900代表相應區域的降雨量。在動畫表示時，圖標900和圖標721可以用來在每次迭代期間指示降雨或沒有降雨。當選擇降雨圖標時，建模系統顯示對話框901。此對話框顯示在仿真的上一次迭代期間從降雨觀測站輸入的當前降雨速度。建模系統在每次迭代時更新當前降雨速度，並且可以基於此次迭代期間是否存在任何降雨來改變降雨圖標。圖10圖示了針對一個區域的蒸散的對話框。當用戶選擇與某一區域相關聯的蒸散圖標1000時，建模系統顯示對話框1001。對話框1001顯示此區域的當前蒸散速度。建模系統在每次迭代時更新當前蒸散速度。圖11圖示了針對非滲透區域的屬性的對話框。在該示例中，非滲透區域由車道圖標1100和屋頂圖標1101代表。當用戶選擇這些圖標中任一個時，建模系統顯示對話框1102。對話框1102包括面積欄位、徑流係數欄位、降雨欄位、總水量和當前水量自動以及平均徑流速度欄位。
圖12圖示了針對地面漫流平面的對話框。地面漫流平面由圖標1200代表。當用戶選擇了水道圖標時，建模系統顯示對話框1201和1202。對話框1201顯示地面漫流平面的屬性。例如，其包括總面積貢獻欄位，流徑寬度欄位、流的平均坡度欄位、Manning粗糙度欄位、窪地儲蓄欄位、以及匯聚欄位。對話框1202顯示地面漫流平面上的容量、深度和流的屬性。此對話框包括入流欄位、流深欄位以及出流欄位。
圖13a～13c圖示了針對土壤層中的土壤入滲過程的對話框。此過程可以用來仿真任意類型滲透土地上的或者使用土壤解釋時的入滲。在該示例中，當用戶選擇土壤入滲圖標1300時，建模系統顯示對話框1301～1303。對話框1301具有標識土壤入滲特性的欄位，包括入滲面積欄位、最大蓄水深度欄位、設計土壤深度欄位以及作物係數欄位。對話框1302包含代表土壤剖面中的水平衡的欄位。此對話框包括水位欄位、針對徑流和降雨的入流欄位、以及針對蒸散、溢流和入滲的出流欄位。對話框1303包含在計算土壤水平衡(入滲是其一部分)時使用的土壤數據。此對話框包括土壤類型欄位、飽和水容量地表和地下欄位、最大含水量欄位、田間持水量欄位、萎蔫含水量欄位、以及土壤水半衰期欄位。
圖14a～14d圖示了針對介質入滲的對話框。當用戶選擇了介質入滲圖標1400時，建模系統顯示對話框1401～1404。對話框1401包含針對介質入滲特性的欄位，包括入滲面積欄位、最大蓄水深度欄位、儲蓄深度欄位、蒸散因子欄位、以及空隙空間比欄位。對話框1402包括針對水平衡的欄位，包括水位欄位、流入徑流和降雨的入流欄位、以及蒸散、溢流和入滲的出流欄位。對話框1403包含針對介質數據的欄位，例如儲蓄介質欄位以及地表和地下的飽和水容量欄位。對話框1404包含模型參數，例如介質的最大有效深度。
圖15圖示了針對土壤類型的對話框。當用戶選擇土壤類型圖標1500時，建模系統顯示對話框1501。此對話框圖示相關區域的土壤類型。
圖16圖示了一個實施例中用於設置水域保護標準的顯示頁面。當用戶選擇水域保護標準圖標時，例如圖1的圖標115，建模系統顯示該頁面。當用戶選擇圖標1601時，建模系統顯示針對開發的峰值流標準對話框。當用戶選擇圖標1602時，建模系統顯示針對開發的流量標準對話框。當用戶選擇圖標1603時，建模系統顯示針對開發的水質標準對話框。圖17圖示了峰值流標準信息。當用戶選擇圖標1700時，建模系統顯示對話框1701。此對話框包含每日的峰值流速信息欄位，包括超出次數欄位、總超出比例欄位、以及平均每日流欄位。用戶可以指定可以允許同時又滿足水域保護標準的每日峰值流速以及對超出次數的限制。此對話框還允許將此信息導出到電子表格中。圖18圖示了標準信息的流量。當用戶選擇圖標1800時，建模系統顯示對話框1801。此對話框包含針對開發的水平衡欄位，包括由用戶設置的降雨的目標徑流百分比欄位、總降雨欄位、總徑流欄位、以及總入滲欄位。當用戶選擇水質標準圖標1603時，建模系統顯示這樣的對話框(未示出)，此對話框允許用戶指定對於總磷酸鹽、總氮含量、總懸浮物、水生評價(例如，魚類安全)等的限制。
圖19a～19c是針對最優化過程的對話框。這些對話框是由諸如Extend Evolutionary Optimizer之類的最優化系統提供的標準對話框。對話框1901顯示對用於該示例的最優化的約束或限制。例如，行1902指定小區數目限制在100到141之間。公式1903指定目標函數。在該示例中，目標函數是最大利潤。對話框1911顯示用於控制最優化過程的各個選項。對話框1921顯示對於具有不同參數組的每次仿真所計算的最大利潤。在該示例中，行1922代表最大利潤。通過向右滾動，可以查看每次仿真中受限參數的值。
圖20～28是示出了一個實施例中建模系統的處理的流程圖。圖20是一個實施例中創建設計組件的流程圖。創建設計組件控制用於創建開發設計的圖形表示以及設置設計的屬性的用戶接口。在方框2001中，此組件基於用戶輸入，創建土地用途設計。用戶可以選擇各種土地用途圖標，並且將它們放置在顯示頁面上，然後指示土地用途之間的相互關係。在方框2002中，組件允許用戶針對開發指定環境條件，例如降雨和蒸散。在方框2003中，組件允許用戶針對開發指定土壤類型。在方框2004中，組件允許用戶指定土地用途的屬性。在方框2005～2008中，組件循環選擇每一土地用途並創建該土地用途內區域的詳細設計。在判決方框2006中，如果已經選擇了所有土地用途，則組件結束，否則組件在方框2007繼續。在方框2007中，組件為所選擇的土地用途創建詳細的區域設計。組件允許用戶將區域圖標放置在代表所選擇的土地用途的區域的顯示上。用戶將圖標互相連接，以指示水流的相互關係。在方框2008中，組件指定每個區域的屬性。組件然後循環到方框2005，以選擇下一土地用途。
圖21是示出了一個實施例中仿真組件的方框圖。此組件初始化仿真的對象，然後在迭代周期的每一間隔中，迭代地調用組件。在方框2101中，此組件實例化開發設計的每一圖標的對象。在方框2102中，組件初始化每一對象。對象的初始化允許進行在仿真啟動時需要執行的處理。例如，降雨對象可以加載降雨信息，並將其以數組形式存儲在存儲器中。在方框2103～2107中，組件循環執行每次迭代。在方框2103中，組件設置下一次迭代的時間。在判決方框2104中，如果時間超出仿真的結尾，則組件結束，否則組件在方框2105繼續。在方框2105～2107中，組件按照相互關係的順序循環執行對每一對象的計算。在方框2105中，組件按照相互關係的順序選擇下一對象。在判決方框2106中，如果已經選擇了所有對象，則組件循環到方框2103，以執行下一次迭代，否則組件在方框2107繼續。在方框2107中，組件調用對象的方法，以執行其仿真計算。在一個實施例中，對象可以是帶有仿真方法、初始化仿真方法等的經典面向對象類型對象。組件然後循環到方框2105，以選擇下一對象。
圖22是示出了一個實施例中最優化組件的流程圖。最優化組件設置仿真的初始參數，然後執行仿真。此組件然後計算目標函數，基於目標函數的值重新設置參數，並且再次執行仿真。重複此過程，直至目標函數的結果收斂到最優解。在方框2201中，組件獲取用戶針對最優化指定的約束。在方框2202中，組件在針對仿真的約束內設置初始參數。在方框2203中，組件基於當前參數執行仿真。在方框2204中，組件基於仿真結果計算目標函數。在判決方框2205中，如果目標函數的結果收斂於某一解，則組件結束，否則組件在方框2206繼續。在方框2206中，組件基於目標函數的結果重新設置參數，然後循環到方框2203以再次執行仿真。
圖23～28是示出了一個實施例中示例對象的計算的流程圖。圖23是示出了降雨對象所執行的計算的流程圖。向仿真的輸入包括周期性基礎的降雨數據。在方框2301中，如果仿真間隔與降雨的周期性基礎相同，則組件檢索當前時間的降雨量，並且將其指定為對象的輸出降雨，這作為區域的入流。可選地，如果仿真間隔與降雨的周期性基礎不同，則組件調整降雨量，以對應於仿真間隔。例如，如果降雨的周期性基礎是小時，而仿真間隔是天，則組件可能需要根據每小時數量來總計每天的降雨量。
圖24是圖示了非滲透對象(例如，屋頂對象)所執行的計算的流程圖。在方框2401中，此組件獲取由降雨對象所提供的間隔中的降雨進入信息。降雨進入信息可以是此間隔中降雨的總英寸數。在方框2402中，組件通過將徑流係數乘以降雨並乘以非滲透表面面積，計算徑流。在方框2403中，組件將徑流速度設置為當前徑流除以所述間隔。在方框2405中，組件將此對象的徑流輸出設置為徑流速度，然後結束。
圖25是示出了由定向對象(例如，溝道)所執行的計算的流程圖。在方框2501中，組件獲取流入量，其可以是數個非滲透區域的徑流輸出。在方框2502中，組件計算定向對象的流平衡。在方框2503中，組件設置對象的輸出信息，包括輸出深度和輸出流。組件然後結束。
圖26是示出了一個實施例中定向對象的流平衡組件所執行的計算的流程圖。流平衡組件平衡溝道的輸入流和輸出流。組件循環，直至其收斂於針對流的解。在方框2601中，組件將容量改變設置為當前深度減去初始深度再乘以面積。在方框2602中，組件將平均深度設置為當前深度加上初始深度再除以2。在方框2603中，組件將流面積設置為流寬度乘以溝道的平均深度。在方框2604中，組件將溼界面積設置為流寬度加上兩倍的平均深度。在方框2605中，組件基於Manning流，計算出流。在方框2606中，組件根據傳送函數及其導數的Newton-Raphson逼近計算深度。在判決方框2607中，如果逼近的結果收斂，則組件範圍，否則組件循環到方框2601。
圖27是示出了一個實施例中土壤入滲組件所執行的計算處理的流程圖。在方框2701中，組件獲取入流、降雨和蒸散的輸入參數。在方框2702中，組件調用組件來計算水平衡。在方框2703中，組件將對象的輸出設置為水位、溢流和入滲。
圖28是示出了一個實施例中由土壤入滲對象的水平衡組件所執行的計算處理的流程圖。在判決方框2801中，如果沒有蓄水，並且入流加上降雨大於水容量加上蒸散，則組件在方框2802繼續，否則組件在方框2803繼續。在方框2802中，組件將水位改變設置為地表水容量乘以間隔減去蒸散乘以作物係數。組件還將溢流深度設置為進入徑流乘以上升速度加上降雨減去水位改變。在方框2803中，組件將水位改變設置為進入徑流乘以上升速度加上降雨減去蒸散乘以作為係數，並且將溢流深度設置為零。在判決方框2804中，如果水位大于田間持水量，則組件在方框2805繼續，否則組件在方框2806繼續。在方框2805中，組件將入滲深度計算為水位減去田間持水量乘以排放速度的最小值以及地表或地下水容量乘以間隔的最小值。在方框2806中，組件將入滲深度設置為零。在判決方框2807中，如果水位降水水位改變小于田間持水量，則組件在方框2808繼續，否則組件在方框2809繼續。在方框2808中，組件將水位設置為水位加上水位改變和萎蔫含水量的最大值。組件還將入滲深度設置為零。在判決方框2809中，如果水位加上水位改變減去入滲深度大於或等於最大水位加上最大蓄水深度，則組件在方框2810繼續，否則組件在方框2811繼續。在方框2810中，組件將溢流深度計算為溢流深度加上水位、加上水位改變、減去入滲深度、減去最大水位再加上最大蓄水深度。組件還將水位設置為最大水位加上最大蓄水。在方框2811中，組件將水位設置為水位加上水位改變再減去入滲深度。組件然後返回。
本領域的技術人員將認識到，雖然這裡為了說明的目的已經描述了建模系統的具體實施例，但是在不脫離本發明的精神和範圍的前提下可以做出多種修改。本領域的技術人員將認識到，可以根據可以利用或不利用圖形工具指定的開發設計來執行仿真。例如，用戶可以使用文本編輯器來指定設計以指定區域、屬性和相互關係。本領域的技術人員還將認識到，可以將建模系統修改為包括對水相關數據的其他流組件建模，例如沉積分析和漁業分析。為了執行沉積分析，可以如Pitt，R.，Stormwater Quality Management，CRC Press，New York，2000中所述，對非滲透區域的沉積物堆積和衝刷進行建模。可以如C.W.Richardson，G.R.Foster，D.A.Wright，「Estimation of ErosionIndex from Daily Rainfall Amounts」，Transactions of the ASAE26(1)153-157，160(1983)以及C.T.Haan，B.J.Barfield，J.C.Hayes，「Design Hydrology and Sedimentology for SmallCatchments」，Academic Press，San Diego，CA(1994)中所述，對滲透區域的沉積物生成進行建模。可以根據V.Vaneni，SemdimentationEngineering，ASCE Manual 54，ASCE，New York(1975)，對滲透區域的沉積物輸運進行建模。本領域的技術人員將認識到，建模系統可以適應所考慮的任何大小的區域(從地域性水域到幾英畝的住宅開發)、適於所處理問題的時間解析度、計算不同負擔(例如，降雨)條件下的貯存過程以提供更現實的效力估計的最佳管理實踐算法、以及根據參數的統計分布的不確定性計算。因此，本發明僅僅受限於所附權利要求。
權利要求
1.一種計算機系統中的方法，用於對具有水源及土地用途的區域的地點處的水流進行建模，所述方法包括提供代表土地用途的區域的對象，每一對象用於根據入水流和此對象的屬性來計算該區域的出水流；提供代表水源的對象，每一對象用於該水源的出流；生成區域和水源的水流相互關係的圖形表示，所述相互關係指示來自區域或水源的出流到達區域的入流，每一區域和水源具有相關聯的對象；接收描述所述地點處的每一區域和每一水源的屬性；以及在多個時間增量中的每一增量期間，通過如下方式來執行水流仿真調用與每一水源相關聯的對象，以計算此水源在此時間增量期間的出流；以及根據所述相互關係，調用與每一區域相關聯的對象，以計算此區域在此時間增量期間的出流。
2.根據權利要求1所述的方法，其中區域包括非滲透和滲透區域。
3.根據權利要求1所述的方法，其中圖形表示的生成包括提供代表每一區域和水源的圖標；以及從用戶接收關於圖標的放置和互相連接的指令，所述互相連接代表所述相互關係。
4.根據權利要求1所述的方法，其中區域的屬性包括區域的大小。
5.根據權利要求1所述的方法，其中水源的屬性包括周期性降雨量。
6.根據權利要求1所述的方法，其中出流包括徑流。
7.根據權利要求1所述的方法，其中出流包括蒸散。
8.根據權利要求1所述的方法，其中出流包括入滲。
9.根據權利要求1所述的方法，其中出流包括壤中流。
10.根據權利要求1所述的方法，其中出流包括地下水流。
11.根據權利要求1所述的方法，包括接收約束；接收目標函數；以及在所接收到的約束內改變參數，來重複執行仿真，以最優化目標函數。
12.根據權利要求1所述的方法，其中區域代表多個產狀相似區域。
13.根據權利要求1所述的方法，其中多個出流可以組合為單個出流。
14.根據權利要求1所述的方法，其中出流可以分為多個出流。
15.根據權利要求1所述的方法，其中對象還計算沉積物數量。
16.一種計算機系統中的方法，用於對具有每一土地用途的區域及水源的地點處的水流進行建模，所述方法包括生成所述地點處的區域和水源的水流相互關係的圖形表示，所述相互關係指示來自區域或水源的出流到達區域的入流；接收描述每一區域和每一水源的屬性；以及在多個時間增量中的每一增量期間，通過如下方式來執行水流仿真基於水源的屬性，計算每一水源在此時間增量期間的出流；以及基於區域的入流和屬性，計算每一區域在此時間增量期間的出流。
17.根據權利要求16所述的方法，其中圖形表示的生成包括提供代表每一區域和水源的圖標；以及從用戶接收關於圖標的放置和互相連接的指令，所述互相連接代表所述相互關係。
18.根據權利要求16所述的方法，其中區域的屬性包括區域的大小。
19.根據權利要求16所述的方法，其中水源的屬性包括周期性降雨量。
20.根據權利要求16所述的方法，包括基於用戶提供的約束改變參數，重複執行仿真，以最優化目標函數。
21.根據權利要求16所述的方法，其中區域是滲透或非滲透的。
22.根據權利要求16所述的方法，其中非滲透區域是道路。
23.根據權利要求16所述的方法，其中非滲透區域是屋頂。
24.根據權利要求16所述的方法，其中圖形表示的生成包括為每類非滲透區域提供圖標。
25.根據權利要求16所述的方法，其中圖形表示的生成包括為每類滲透區域提供圖標。
26.一種計算機系統中的方法，用於對具有每一土地用途的區域及水源的地點處的水流進行建模，所述方法包括生成所述地點處的區域和水源的水流相互關係的圖形表示，所述相互關係指示來自區域或水源的出流到達區域的入流；接收描述每一區域和每一水源的屬性；以及基於區域和水源的屬性及相互關係，執行水流仿真。
27.根據權利要求26所述的方法，其中通過拖動和放下代表所述地點處的區域的圖標來生成圖形表示。
28.根據權利要求26所述的方法，其中通過拖動和放下代表降雨和蒸散的圖標來生成圖形表示。
29.根據權利要求26所述的方法，其中通過連接圖標以指示水流來生成圖形表示。
全文摘要
一種用於對水域恢復項目的水流建模的方法和系統。建模系統允許用戶創建開發地點設計的不同區域的圖形表示。圖形表示示出不同區域之間的水流。用戶還可以指定每一區域的屬性，例如入滲速度、徑流係數、大小、蒸散速度等。建模系統可以仿真徑流對開發設計的影響。仿真確定每一區域的入水流，並且確定每一區域的出水流。此仿真的結果可以用來評價開發設計，並調整設計以就所選擇的水域保護標準實現所希望的成本－利益平衡。
文檔編號G06F17/50GK1898672SQ200480034572
公開日2007年1月17日 申請日期2004年9月28日 優先權日2003年9月29日
發明者阿維納什·S·帕特瓦爾丹, 賈裡德·N·索普, 丹尼爾·E·麥迪那, 派屈克·M·格裡厄姆 申請人:西圖法人公司, 西圖加拿大有限公司