CN1898672A - 用于水流分析的方法和*** - Google Patents

Abstract

一种用于对水域恢复项目的水流建模的方法和***。建模***允许用户创建开发地点设计的不同区域的图形表示。图形表示示出不同区域之间的水流。用户还可以指定每一区域的属性，例如入渗速度、径流系数、大小、蒸散速度等。建模***可以仿真径流对开发设计的影响。仿真确定每一区域的入水流，并且确定每一区域的出水流。此仿真的结果可以用来评价开发设计，并调整设计以就所选择的水域保护标准实现所希望的成本－利益平衡。

Description

用于水流分析的方法和***

技术领域

所描述的技术涉及对开发地点处或者水域内不同范围的暴雨管理控制的分析。

背景技术

土地开发通常改变一地的自然水平衡。当自然的植被和土壤被道路和建筑物代替时，渗入地面的雨水变少，植被获得的雨水变少，并且更多的雨水变为地表径流。

为了使一地的雨水泛滥最小化，已经设计了传统的沟渠和管道***来从非渗透表面尽快去除暴雨径流，并转移到接纳水体。结果，与自然条件下相比，暴雨径流更迅速且更大量地进入接纳水体。这种速度和容量导致沟道侵蚀、洪水、水生生境(aquatic habitat)损失以及水质恶化。如果不能避免这些影响，可能存在环境、法律、经济及政策等方面的问题。

“暴雨源控制”用来收集源(例如，在建筑物区上或可通行的道路内)处的雨水，并将其返回到自然的水文路径——入渗和蒸散，或者在源处重复利用。暴雨源控制在非渗透表面与水道(例如，溪流)之间建立了水分离，由此减少了地表径流的容量和速度。

目前，难以就暴雨源控制实现成本和利益的均衡。通常根据针对整个水域保护提供现实可行框架的水域研究，来发展水域的管理规划，包括组合水域控制，例如最佳管理实践和土地用途管理。然而，因为这些研究是大范围进行的，所以不能有效地估计单独暴雨管理源控制措施的效果。不知道这些措施的效果，就难以在水域保护、经济增长及生活质量之间达到平衡。

希望有一种有效的方式来分析各种暴雨源控制努力对于开发的效果。

附图说明

图1是图示了一个实施例中的高级开发设计的显示页面。

图2是图示了一个实施例中的建模***的组件的方框图。

图3图示了用于指定开发的环境条件的对话框。

图4图示了用于指定开发的土壤类型的对话框。

图5图示了总结开发的区域的构成的对话框。

图6图示了代表可以作为开发一部分的不同土地用途的图标。

图7图示了一个实施例中新住宅开发的详细设计的示例。

图8是图示了一个实施例中开发设计的属性的对话框。

图9图示了针对区域的降雨的对话框。

图10图示了针对区域的蒸散的对话框。

图11图示了针对非渗透区域的属性的对话框。

图12图示了针对地面漫流平面的对话框。

图13a～13c图示了针对土壤入渗的对话框。

图14a～14d图示了针对介质入渗的对话框。

图15图示了针对土壤类型的对话框。

图16图示了一个实施例中用于设置水域保护标准的显示页面。

图17图示了峰值流标准信息。

图18图示了标准信息的流量。

图19a～19c是针对最优化过程的对话框。

图20是一个实施例中创建设计组件的流程图。

图21是图示了一个实施例中仿真组件的流程图。

图22是图示了一个实施例中最优化组件的流程图。

图23是图示了降雨对象所执行的计算的流程图。

图24是图示了诸如屋顶对象之类的非渗透对象所执行的计算的流程图。

图25是图示了诸如沟道之类的定向对象所执行的计算的流程图。

图26是图示了一个实施例中定向对象的流平衡组件所执行的计算的流程图。

图27是图示了一个实施例中土壤入渗组件所执行的计算处理的流程图。

图28是图示了一个实施例中土壤入渗对象的水平衡组件所执行的计算处理的流程图。

具体实施方式

提供了一种用于对水域恢复项目的水流(例如，暴雨、点源和排水)建模的方法和***。在一个实施例中，建模***允许用户创建开发地点设计的不同区域的图形表示。此图形表示示出不同区域之间的水流。用户还可以指定每个区域的属性，例如入渗速度、径流系数、大小、蒸散速度等。建模***可以仿真降雨对开发设计的影响。可以在特定时间段(例如，一个月)内按照用户定义的时间步幅(例如，每小时)来指定降雨量。仿真确定每个区域的入水流，并确定每个区域的出水流。入水流可以来自降雨、来自另一区域的径流等；并且出水流可以来自径流、入渗、蒸散、地下水损耗等。此仿真的结果可以用来估计开发设计，并调整设计以便就所选择的水域保护标准(例如，峰值水流)获得所希望的成本-利益平衡。建模***可以允许用户指定各种水域保护标准，可以包括峰值水流、流量和水质等。建模***基于仿真估计是否超过了任意标准。建模***可以用来对各种类型的水流建模，包括暴雨径流以及暴雨和下水道的组合水流。

在一个实施例中，建模***提供代表每一土地用途(可以是开发的一部分)中可能类型的区域的对象。土地用途可以包括住宅、商用、工业等。开发的每一地块具有相关联的土地用途，并且被分为可渗透和非渗透区域。非渗透区域包括屋顶、车道和道路；并且渗透区域包括空地和场院。建模***可以提供针对屋顶、车道、道路、空地和场院的对象。建模***还提供针对水源和水汇(sink)的对象。水源可以包括降雨、河流、重复利用等，并且水汇可以包括蒸散、土壤入渗等。每一对象提供其区域类型的模型。例如，针对屋顶的对象可以基于屋顶大小、降雨量和径流系数对径流量进行建模。

建模***允许用户准备表示地区之间的相互关系(即，出水流和入水流)的开发区域图形表示。开发的每一区域可以由图标来图形表示。每一住宅开发区可以由屋顶区域、车道区域、场院区域和道路区域来表示，因此由多个图标来表示。屋顶、车道和道路区域可以具有降雨入流和径流出流，而场院区域也具有降雨入流和径流出流，并且还具有土壤入渗、水流、地下水等出流。如果一个地区的径流出流被引导到空地上，则建立了该地区的径流出流与空地的入流之间的相互关系，这可以由将该地区的图标和空地连接起来的线条来表示。相互关系表示水从一个区域流到另一区域。

建模***允许用户指定开发的区域的属性以及水源。空地区域的属性可以包括其大小、土壤类型等。降雨水源的属性可以是特定时间段(例如，三个月的雨季)中每小时的降雨总量。建模***通过以特定间隔迭代计算开发的每一区域的出流和入流，来计算水流。例如，如果按每小时来总计降雨量，则建模***可以执行代表一小时间隔的计算。建模***基于降雨量来计算每一区域的总入水流，并且基于径流系数、入渗速度等来计算每一区域的总出水流。相互关系定义了对每个对象执行计算的顺序。具体地，对某个区域的计算直到首先对向此区域供水的区域进行了计算之后才执行。建模***可以基于开发中的每个区域的峰值水流和总水流来跟踪并提供报告。建模***允许用户改变属性和开发的区域，以分析不同土地用途对水域的效果。

在一个实施例中，建模***可以提供对地理信息***(“GIS”)的接口，以输入与要建模的开发地点相关的信息。建模***可以允许用户选择GIS中建模***要使用其信息的开发、小区等。例如，如果选择了新开发，则可以从GIS获得小区数目以及每一小区的区域属性(例如，大小)，并且用来初始化建模***的数据。建模***允许用户修改这些属性并指定区域间水流。

在一个实施例中，建模***提供优化器，识别由目标函数指示为最佳的开发设计。在用户定义开发设计之后，用户指定对设计分级的目标函数。目标函数例如可以定义开发的利润，并因此基于利润额来对设计分级。用户还定义开发设计的各种约束。例如，一个约束可以是住宅开发中小区的最小和最大数目，并且另一约束可以是空地的最小和最大亩数。建模***选择约束内的初始参数(例如，150块土地)，利用这些参数执行仿真，然后计算目标函数。***然后选择新的参数，执行仿真，并且重新计算目标函数。建模***基于目标函数是否向最优解收敛，来选择新参数。本领域的技术人员将认识到，可以使用各种公知的最优化技术来指导参数选择。***重复此过程，直至得到导致最高等级最优化设计的参数。

在一个实施例中，建模***提供连续仿真，模型很大程度上取决于生态贮存(bio-retention)设施、植被湿地、屋顶绿化和入渗设备中发生的物理过程以及地点指纹(site fingerprinting)和土壤压实的效果。针对新开发和重新开发，建模***考虑来自多种土地用途和土壤类型上的所有类别土地覆盖物(包括道路、景观和建筑物)的径流生成。

建模***最优化经济增长和水域保护之间的平衡。建模***提供满足水域保护和生活质量目标的最低成本暴雨管理解决方案。模型的某些潜在用途是识别适当的、地点专有最佳管理实践，并且估计基于容量的、峰值流和水质控制的效果。在一个实施例中，在Extend动态仿真平台上开发的建模***是面向视觉的互动工具，其允许来自地点设计、地点分析和评审以及公共教育的大范围应用。

图1是示出了一个实施例中的高级开发设计的显示页面。本领域的技术人员将认识到，建模***可以用来对具有不同区域、和区域间水流并具有或不具有各种最佳管理实践的任何开发设计的水流来进行建模。开发设计100包括新开发图标101和重新开发图标102。新开发图标代表新的住宅开发，可以包括许多小区和空地。重新开发图标代表商业重新开发。图标之间的线条代表水流，并由此代表相互关系。例如，新开发图标101和定向流图标103之间的线条105代表从新开发流向沟道的径流或地面漫流平面。类似地，重新开发图标102和定向流图标103之间的线条106代表从重新开发流向沟道的径流或地面漫流平面。总计图标104代表将由线条107代表的新开发的土壤入渗和由线条108代表的重新开发的土壤入渗组合，得到开发设计的总计入渗。线条109代表来自重新开发的没有定向的径流。图标110代表所仿真的水流的各种曲线图。图标111、112和113允许用户指定并查看开发设计的各种属性。例如，环境条件图标111用来设置降雨和蒸散属性。土壤类型图标112用来指定开发中发现的土壤类型。土地用途图标113用来总结开发中的各种土地用途(例如，每一土地用途的总非渗透亩数)。进化最优化图标114用来指定用于最优化过程的约束和目标函数。水域保护标准115用来建立针对水域保护的各种标准，例如峰值水流、流量和水质。用户指定标准或标准组合，并且建模***基于仿真结果加亮任何超出。

图2是示出了一个实施例中的建模***的组件的方框图。建模***包括创建设计组件201、仿真组件202和最优化组件203。创建设计组件用来生成开发设计。创建设计组件接收关于放置代表开发设计的图标的用户输入。用户从图标库204中选择图标。创建设计组件将设计存储在设计库201中，并且将用户指定的属性存储在属性库206中。创建设计组件处理与用户的交互，来放置图标，连接图标，并设置各种属性的值。创建设计组件还可以从GIS导入开发的区域及它们的属性。仿真组件基于设计库和属性库所指示的开发设计来仿真水流。仿真器组件针对设计库中所表示的每个图标，将来自对象库207的对象实例化。在一个实施例中，针对每种类型的图标来定义对象。例如，每种类型的区域具有在仿真的每次迭代期间由仿真组件调用来计算区域的出流(包括蒸发、蒸腾、和入渗)的对象。仿真组件可以在仿真之间调用其他对象来初始化或输入值。仿真组件在仿真的每次迭代中以根据相互关系的顺序来调用代表区域的对象。仿真结果存储在输出库208中。输出可以包括每次迭代中每个对象的流信息的历史。最优化组件识别针对开发设计的最适合目标函数的一组参数。用于最优化的目标函数和约束存储在约束和目标函数库209中。最优化组件在约束内设置仿真的初始参数，然后执行仿真。最优化组件然后估计目标函数，并在约束内选择一组新参数。最优化组件重复执行仿真和新参数建立，直至目标函数的估计收敛到最优解(例如，最大利润)。

建模***可以在计算机***上执行，计算机***包括中央处理单元、存储器、输入设备(例如，键盘和定点设备)、输出设备(例如，显示设备)、和存储设备(例如，盘驱动器)。存储器和存储设备是可以包含实现建模***的指令的计算机可读介质。另外，可以存储或经由数据传输介质(例如，通信链路上的信号)来传送数据结构和消息结构。建模***可以利用各种公知的仿真器工具来实现。在一个实施例中，建模***实现在Extend建模环境上，在Proceedings of 2000Winter Simulation Conference中出版的David Krahl编写的“TheExtend Simulation Environment”中对此进行了详细描述，其结合于此用作参考。

图3图示了用于指定开发的环境条件的对话框。当用户选择图标300时，建模***显示对话框301和311。降雨对话框301用来指定开发的降雨量。降雨量可以从指定每一时间段(例如，小时)的降雨量的电子表格中导入。此对话框用来指定电子表格的位置和格式。获取数据按钮302用来获得降雨数据，这显示在字段303中，并总计在字段304中。在一个实施例中，假设开发中所有地方降雨量相同。本领域的技术人员将认识到，可以对开发的不同部分指定不同的降雨量。例如，在山的干燥一侧的住宅开发可以具有与在山的另一侧的住宅开发不同的降雨量，指示在开发或水域内多个降雨观测站的选择。蒸散对话框311指定每个特定区域中由于蒸发或蒸腾而离开水域的水量。此对话框用来指定蒸散参数、海拔、纬度、最小和最大温度、以及位置特性(例如，沿海或潮湿)。计算按钮312用来基于这些参数计算蒸散量(例如，使用Penman-Monteith公式)，并在字段313中显示此量。

图4图示了用于指定开发的土壤类型的对话框。当用户选择图标400时，建模***显示对话框401。土壤类型对话框401指示对示例开发已经指定了三种土壤类型：渗透区、未使用渗透和生态贮存。本领域的技术人员将认识到，通过建模***可以仿真任意数量的土壤类型。每一土壤类型的属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。开发设计的每一渗透区域被指定为具有这些土壤类型之一。

图5图示了总结开发的区域的组成的对话框。当用户选择土地用途图标500时，建模***显示对话框501。区域对话框501指示开发中每一土地用途的渗透和非渗透的大小。在该示例中，土地用途0具有大约三百五十万平方英尺的渗透区域，850,000平方英尺的非渗透区域以及总共四百三十六万平方英尺的区域。

图6图示了代表可以作为开发一部分的不同土地用途的图标。在该示例中，从GIS导入代表不同土地用途的图标。图标601代表新住宅开发，图标602代表商业重新开发，图标603代表商业开发，图标604代表住宅重新开发，并且图标605代表工厂。为了创建开发设计，用户选择土地用途图标，并且将它们放置在显示上。用户然后可以指定它们之间的相互关系。这指定了高级开发设计。为了指定每一土地用途的详情，用户选择土地用途，并向用户提供空白显示页面区域。用户然后在显示页面上放置包括此土地用途的区域。例如，用户可以放置屋顶、车道和场院的图标，以代表一个小区。可选地，可以从GIS导入详情。用户然后可以指定设计的相互关系。为了指定相互关系，用户可以选择一个图标的出流，并且将其连接到另一图标的入流。建模***然后在图标之间绘制出线条。建模***提供土地用途以及土地用途内的区域的分层结构。本领域的技术人员将认识到，开发设计可以指定分层结构内的许多不同级别。例如，开发设计在其最高级别可以包括新住宅开发和商业重新开发。住宅开发的下一级别可以指定小区、空地、和生态贮存设施。小区的下一级别可以指定小区的各个区域，例如屋顶、车道、道路和场院。

图7图示了一个实施例中的新住宅开发的详细设计的示例。此新开发700对应于图1的新开发101。新开发由图标701～710代表。屋顶图标701、车道图标702、场院图标703和道路图标704代表每个住宅小区的区域(例如，平均)。开发设计图标731用来指定住宅小区的属性。例如，开发设计可以指定存在100个贡献了特定平均屋顶大小、车道大小、场院大小和道路大小的小区。图标721代表每一区域的总降雨。用户可以选择降雨图标721，来查看关于该地区降雨的信息。用户可以选择蒸散图标722来查看区域的蒸散特性。用户可以选择入渗图标723来查看区域的入渗速度。总计图标704、708和710指定来自各个区域的要总计的出流。例如，总计图标710指示要将区域703、706和709的入渗总计为新开发的总入渗。拆分图标705指示要将流分为多个流。拆分流可以具有与每个出流相关联的百分比，以指示入流中提供给该出流的百分比。空地图标706代表开发的渗透空地。生态贮存图标709代表开发中的生态贮存设施。本领域的技术人员将认识到，可以针对暴雨控制(例如，生态贮存、拦蓄水库、双层入渗等)使用各种最佳管理实践。生态贮存设施具有相关联的降雨、蒸散和入渗特性。将图标连接起来的线条代表开发内的各种水流，并由此代表相互关系。例如，生态贮存设施接收来自小区和空地的降雨。因此，生态贮存设施依赖于开发中所有其他区域。然而，空地区域仅依赖于小区的屋顶、车道和场院区域，因为来自道路的降雨被直接定向到生态贮存设施，而不是空地。因此，当建模***针对该示例执行水流仿真时，在对空地进行计算之前执行对屋顶、车道和场院区域的计算，并且在对生态贮存设施进行计算之前执行对空地的计算。在一个实施例中，建模***可以在仿真期间动画表示开发设计。例如，如果在迭代期间出现降雨，则可以切换降雨图标以表示雨水。作为另一示例，当超过容量时，可以将图标之间线条的颜色改变为红色。

图8是示出了一个实施例中开发设计的属性的对话框。当用户选择图标800时，建模***显示对话框801。开发设计对话框801指示属性包括开发中的小区数目、开发的大小(例如，以亩为单位)、每个小区的货币价值、作为小区价值百分比的建造和许可成本、总的源控制和空地成本、每个小区的典型组成、以及源控制和生态贮存设施的类型。建模***基于成本和开发的设计，计算每个小区的利润、建造和许可成本以及净利润。在该示例中，每个小区分配有道路区域、屋顶区域、车道区域和小区上渗透(或场院)区域。每个区域可以分配有固定的面积大小加上每小区的面积大小。例如，总道路可以具有10,000平方英尺的固定面积，并且每个小区向总道路面积加上额外的1000平方英尺。源控制设施可以包括生态注册设施和其他最佳管理实践。可以对生态贮存设施定义面积、蓄水深度、每面积每深度的成本、每面积的成本以及总固定成本。空地区域可以由面积大小、每面积的成本以及总固定成本来定义。

图9～15图示了在选择开发设计的图标时所显示的对话框。图9图示了针对一个区域的降雨的对话框。降雨图标900代表相应区域的降雨量。在动画表示时，图标900和图标721可以用来在每次迭代期间指示降雨或没有降雨。当选择降雨图标时，建模***显示对话框901。此对话框显示在仿真的上一次迭代期间从降雨观测站输入的当前降雨速度。建模***在每次迭代时更新当前降雨速度，并且可以基于此次迭代期间是否存在任何降雨来改变降雨图标。图10图示了针对一个区域的蒸散的对话框。当用户选择与某一区域相关联的蒸散图标1000时，建模***显示对话框1001。对话框1001显示此区域的当前蒸散速度。建模***在每次迭代时更新当前蒸散速度。图11图示了针对非渗透区域的属性的对话框。在该示例中，非渗透区域由车道图标1100和屋顶图标1101代表。当用户选择这些图标中任一个时，建模***显示对话框1102。对话框1102包括面积字段、径流系数字段、降雨字段、总水量和当前水量自动以及平均径流速度字段。

图12图示了针对地面漫流平面的对话框。地面漫流平面由图标1200代表。当用户选择了水道图标时，建模***显示对话框1201和1202。对话框1201显示地面漫流平面的属性。例如，其包括总面积贡献字段，流径宽度字段、流的平均坡度字段、Manning粗糙度字段、洼地储蓄字段、以及汇聚字段。对话框1202显示地面漫流平面上的容量、深度和流的属性。此对话框包括入流字段、流深字段以及出流字段。

图13a～13c图示了针对土壤层中的土壤入渗过程的对话框。此过程可以用来仿真任意类型渗透土地上的或者使用土壤解释时的入渗。在该示例中，当用户选择土壤入渗图标1300时，建模***显示对话框1301～1303。对话框1301具有标识土壤入渗特性的字段，包括入渗面积字段、最大蓄水深度字段、设计土壤深度字段以及作物系数字段。对话框1302包含代表土壤剖面中的水平衡的字段。此对话框包括水位字段、针对径流和降雨的入流字段、以及针对蒸散、溢流和入渗的出流字段。对话框1303包含在计算土壤水平衡(入渗是其一部分)时使用的土壤数据。此对话框包括土壤类型字段、饱和水容量地表和地下字段、最大含水量字段、田间持水量字段、萎蔫含水量字段、以及土壤水半衰期字段。

图14a～14d图示了针对介质入渗的对话框。当用户选择了介质入渗图标1400时，建模***显示对话框1401～1404。对话框1401包含针对介质入渗特性的字段，包括入渗面积字段、最大蓄水深度字段、储蓄深度字段、蒸散因子字段、以及空隙空间比字段。对话框1402包括针对水平衡的字段，包括水位字段、流入径流和降雨的入流字段、以及蒸散、溢流和入渗的出流字段。对话框1403包含针对介质数据的字段，例如储蓄介质字段以及地表和地下的饱和水容量字段。对话框1404包含模型参数，例如介质的最大有效深度。

图15图示了针对土壤类型的对话框。当用户选择土壤类型图标1500时，建模***显示对话框1501。此对话框图示相关区域的土壤类型。

图16图示了一个实施例中用于设置水域保护标准的显示页面。当用户选择水域保护标准图标时，例如图1的图标115，建模***显示该页面。当用户选择图标1601时，建模***显示针对开发的峰值流标准对话框。当用户选择图标1602时，建模***显示针对开发的流量标准对话框。当用户选择图标1603时，建模***显示针对开发的水质标准对话框。图17图示了峰值流标准信息。当用户选择图标1700时，建模***显示对话框1701。此对话框包含每日的峰值流速信息字段，包括超出次数字段、总超出比例字段、以及平均每日流字段。用户可以指定可以允许同时又满足水域保护标准的每日峰值流速以及对超出次数的限制。此对话框还允许将此信息导出到电子表格中。图18图示了标准信息的流量。当用户选择图标1800时，建模***显示对话框1801。此对话框包含针对开发的水平衡字段，包括由用户设置的降雨的目标径流百分比字段、总降雨字段、总径流字段、以及总入渗字段。当用户选择水质标准图标1603时，建模***显示这样的对话框(未示出)，此对话框允许用户指定对于总磷酸盐、总氮含量、总悬浮物、水生评价(例如，鱼类安全)等的限制。

图19a～19c是针对最优化过程的对话框。这些对话框是由诸如Extend Evolutionary Optimizer之类的最优化***提供的标准对话框。对话框1901显示对用于该示例的最优化的约束或限制。例如，行1902指定小区数目限制在100到141之间。公式1903指定目标函数。在该示例中，目标函数是最大利润。对话框1911显示用于控制最优化过程的各个选项。对话框1921显示对于具有不同参数组的每次仿真所计算的最大利润。在该示例中，行1922代表最大利润。通过向右滚动，可以查看每次仿真中受限参数的值。

图20～28是示出了一个实施例中建模***的处理的流程图。图20是一个实施例中创建设计组件的流程图。创建设计组件控制用于创建开发设计的图形表示以及设置设计的属性的用户接口。在方框2001中，此组件基于用户输入，创建土地用途设计。用户可以选择各种土地用途图标，并且将它们放置在显示页面上，然后指示土地用途之间的相互关系。在方框2002中，组件允许用户针对开发指定环境条件，例如降雨和蒸散。在方框2003中，组件允许用户针对开发指定土壤类型。在方框2004中，组件允许用户指定土地用途的属性。在方框2005～2008中，组件循环选择每一土地用途并创建该土地用途内区域的详细设计。在判决方框2006中，如果已经选择了所有土地用途，则组件结束，否则组件在方框2007继续。在方框2007中，组件为所选择的土地用途创建详细的区域设计。组件允许用户将区域图标放置在代表所选择的土地用途的区域的显示上。用户将图标互相连接，以指示水流的相互关系。在方框2008中，组件指定每个区域的属性。组件然后循环到方框2005，以选择下一土地用途。

图21是示出了一个实施例中仿真组件的方框图。此组件初始化仿真的对象，然后在迭代周期的每一间隔中，迭代地调用组件。在方框2101中，此组件实例化开发设计的每一图标的对象。在方框2102中，组件初始化每一对象。对象的初始化允许进行在仿真启动时需要执行的处理。例如，降雨对象可以加载降雨信息，并将其以数组形式存储在存储器中。在方框2103～2107中，组件循环执行每次迭代。在方框2103中，组件设置下一次迭代的时间。在判决方框2104中，如果时间超出仿真的结尾，则组件结束，否则组件在方框2105继续。在方框2105～2107中，组件按照相互关系的顺序循环执行对每一对象的计算。在方框2105中，组件按照相互关系的顺序选择下一对象。在判决方框2106中，如果已经选择了所有对象，则组件循环到方框2103，以执行下一次迭代，否则组件在方框2107继续。在方框2107中，组件调用对象的方法，以执行其仿真计算。在一个实施例中，对象可以是带有仿真方法、初始化仿真方法等的经典面向对象类型对象。组件然后循环到方框2105，以选择下一对象。

图22是示出了一个实施例中最优化组件的流程图。最优化组件设置仿真的初始参数，然后执行仿真。此组件然后计算目标函数，基于目标函数的值重新设置参数，并且再次执行仿真。重复此过程，直至目标函数的结果收敛到最优解。在方框2201中，组件获取用户针对最优化指定的约束。在方框2202中，组件在针对仿真的约束内设置初始参数。在方框2203中，组件基于当前参数执行仿真。在方框2204中，组件基于仿真结果计算目标函数。在判决方框2205中，如果目标函数的结果收敛于某一解，则组件结束，否则组件在方框2206继续。在方框2206中，组件基于目标函数的结果重新设置参数，然后循环到方框2203以再次执行仿真。

图23～28是示出了一个实施例中示例对象的计算的流程图。图23是示出了降雨对象所执行的计算的流程图。向仿真的输入包括周期性基础的降雨数据。在方框2301中，如果仿真间隔与降雨的周期性基础相同，则组件检索当前时间的降雨量，并且将其指定为对象的输出降雨，这作为区域的入流。可选地，如果仿真间隔与降雨的周期性基础不同，则组件调整降雨量，以对应于仿真间隔。例如，如果降雨的周期性基础是小时，而仿真间隔是天，则组件可能需要根据每小时数量来总计每天的降雨量。

图24是图示了非渗透对象(例如，屋顶对象)所执行的计算的流程图。在方框2401中，此组件获取由降雨对象所提供的间隔中的降雨进入信息。降雨进入信息可以是此间隔中降雨的总英寸数。在方框2402中，组件通过将径流系数乘以降雨并乘以非渗透表面面积，计算径流。在方框2403中，组件将径流速度设置为当前径流除以所述间隔。在方框2405中，组件将此对象的径流输出设置为径流速度，然后结束。

图25是示出了由定向对象(例如，沟道)所执行的计算的流程图。在方框2501中，组件获取流入量，其可以是数个非渗透区域的径流输出。在方框2502中，组件计算定向对象的流平衡。在方框2503中，组件设置对象的输出信息，包括输出深度和输出流。组件然后结束。

图26是示出了一个实施例中定向对象的流平衡组件所执行的计算的流程图。流平衡组件平衡沟道的输入流和输出流。组件循环，直至其收敛于针对流的解。在方框2601中，组件将容量改变设置为当前深度减去初始深度再乘以面积。在方框2602中，组件将平均深度设置为当前深度加上初始深度再除以2。在方框2603中，组件将流面积设置为流宽度乘以沟道的平均深度。在方框2604中，组件将湿界面积设置为流宽度加上两倍的平均深度。在方框2605中，组件基于Manning流，计算出流。在方框2606中，组件根据传送函数及其导数的Newton-Raphson逼近计算深度。在判决方框2607中，如果逼近的结果收敛，则组件范围，否则组件循环到方框2601。

图27是示出了一个实施例中土壤入渗组件所执行的计算处理的流程图。在方框2701中，组件获取入流、降雨和蒸散的输入参数。在方框2702中，组件调用组件来计算水平衡。在方框2703中，组件将对象的输出设置为水位、溢流和入渗。

图28是示出了一个实施例中由土壤入渗对象的水平衡组件所执行的计算处理的流程图。在判决方框2801中，如果没有蓄水，并且入流加上降雨大于水容量加上蒸散，则组件在方框2802继续，否则组件在方框2803继续。在方框2802中，组件将水位改变设置为地表水容量乘以间隔减去蒸散乘以作物系数。组件还将溢流深度设置为进入径流乘以上升速度加上降雨减去水位改变。在方框2803中，组件将水位改变设置为进入径流乘以上升速度加上降雨减去蒸散乘以作为系数，并且将溢流深度设置为零。在判决方框2804中，如果水位大于田间持水量，则组件在方框2805继续，否则组件在方框2806继续。在方框2805中，组件将入渗深度计算为水位减去田间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间隔的最小值。在方框2806中，组件将入渗深度设置为零。在判决方框2807中，如果水位降水水位改变小于田间持水量，则组件在方框2808继续，否则组件在方框2809继续。在方框2808中，组件将水位设置为水位加上水位改变和萎蔫含水量的最大值。组件还将入渗深度设置为零。在判决方框2809中，如果水位加上水位改变减去入渗深度大于或等于最大水位加上最大蓄水深度，则组件在方框2810继续，否则组件在方框2811继续。在方框2810中，组件将溢流深度计算为：溢流深度加上水位、加上水位改变、减去入渗深度、减去最大水位再加上最大蓄水深度。组件还将水位设置为最大水位加上最大蓄水。在方框2811中，组件将水位设置为：水位加上水位改变再减去入渗深度。组件然后返回。

本领域的技术人员将认识到，虽然这里为了说明的目的已经描述了建模***的具体实施例，但是在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以做出多种修改。本领域的技术人员将认识到，可以根据可以利用或不利用图形工具指定的开发设计来执行仿真。例如，用户可以使用文本编辑器来指定设计以指定区域、属性和相互关系。本领域的技术人员还将认识到，可以将建模***修改为包括对水相关数据的其他流组件建模，例如沉积分析和渔业分析。为了执行沉积分析，可以如Pitt，R.， Stormwater Quality Management，CRC Press，New York，2000中所述，对非渗透区域的沉积物堆积和冲刷进行建模。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，对渗透区域的沉积物生成进行建模。可以根据V.Vaneni， Semdimentation Engineering，ASCE Manual 54，ASCE，New York(1975)，对渗透区域的沉积物输运进行建模。本领域的技术人员将认识到，建模***可以适应所考虑的任何大小的区域(从地域性水域到几英亩的住宅开发)、适于所处理问题的时间分辨率、计算不同负担(例如，降雨)条件下的贮存过程以提供更现实的效力估计的最佳管理实践算法、以及根据参数的统计分布的不确定性计算。因此，本发明仅仅受限于所附权利要求。

Claims (29)

1.一种计算机***中的方法，用于对具有水源及土地用途的区域的地点处的水流进行建模，所述方法包括：

提供代表土地用途的区域的对象，每一对象用于根据入水流和此对象的属性来计算该区域的出水流；

提供代表水源的对象，每一对象用于该水源的出流；

生成区域和水源的水流相互关系的图形表示，所述相互关系指示来自区域或水源的出流到达区域的入流，每一区域和水源具有相关联的对象；

接收描述所述地点处的每一区域和每一水源的属性；以及

在多个时间增量中的每一增量期间，通过如下方式来执行水流仿真：

调用与每一水源相关联的对象，以计算此水源在此时间增量期间的出流；以及

根据所述相互关系，调用与每一区域相关联的对象，以计算此区域在此时间增量期间的出流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中区域包括非渗透和渗透区域。

3.根据权利要求1所述的方法，其中图形表示的生成包括：

提供代表每一区域和水源的图标；以及

从用户接收关于图标的放置和互相连接的指令，所述互相连接代表所述相互关系。

4.根据权利要求1所述的方法，其中区域的属性包括区域的大小。

5.根据权利要求1所述的方法，其中水源的属性包括周期性降雨量。

6.根据权利要求1所述的方法，其中出流包括径流。

7.根据权利要求1所述的方法，其中出流包括蒸散。

8.根据权利要求1所述的方法，其中出流包括入渗。

9.根据权利要求1所述的方法，其中出流包括壤中流。

10.根据权利要求1所述的方法，其中出流包括地下水流。

11.根据权利要求1所述的方法，包括：

接收约束；

接收目标函数；以及

在所接收到的约束内改变参数，来重复执行仿真，以最优化目标函数。

12.根据权利要求1所述的方法，其中区域代表多个产状相似区域。

13.根据权利要求1所述的方法，其中多个出流可以组合为单个出流。

14.根据权利要求1所述的方法，其中出流可以分为多个出流。

15.根据权利要求1所述的方法，其中对象还计算沉积物数量。

16.一种计算机***中的方法，用于对具有每一土地用途的区域及水源的地点处的水流进行建模，所述方法包括：

生成所述地点处的区域和水源的水流相互关系的图形表示，所述相互关系指示来自区域或水源的出流到达区域的入流；

接收描述每一区域和每一水源的属性；以及

在多个时间增量中的每一增量期间，通过如下方式来执行水流仿真：

基于水源的属性，计算每一水源在此时间增量期间的出流；以及

基于区域的入流和属性，计算每一区域在此时间增量期间的出流。

17.根据权利要求16所述的方法，其中图形表示的生成包括：

提供代表每一区域和水源的图标；以及

从用户接收关于图标的放置和互相连接的指令，所述互相连接代表所述相互关系。

18.根据权利要求16所述的方法，其中区域的属性包括区域的大小。

19.根据权利要求16所述的方法，其中水源的属性包括周期性降雨量。

20.根据权利要求16所述的方法，包括基于用户提供的约束改变参数，重复执行仿真，以最优化目标函数。

21.根据权利要求16所述的方法，其中区域是渗透或非渗透的。

22.根据权利要求16所述的方法，其中非渗透区域是道路。

23.根据权利要求16所述的方法，其中非渗透区域是屋顶。

24.根据权利要求16所述的方法，其中图形表示的生成包括为每类非渗透区域提供图标。

25.根据权利要求16所述的方法，其中图形表示的生成包括为每类渗透区域提供图标。

26.一种计算机***中的方法，用于对具有每一土地用途的区域及水源的地点处的水流进行建模，所述方法包括：

生成所述地点处的区域和水源的水流相互关系的图形表示，所述相互关系指示来自区域或水源的出流到达区域的入流；

接收描述每一区域和每一水源的属性；以及

基于区域和水源的属性及相互关系，执行水流仿真。

27.根据权利要求26所述的方法，其中通过拖动和放下代表所述地点处的区域的图标来生成图形表示。

28.根据权利要求26所述的方法，其中通过拖动和放下代表降雨和蒸散的图标来生成图形表示。

29.根据权利要求26所述的方法，其中通过连接图标以指示水流来生成图形表示。

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