專利名稱：用于水流分析的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
所描述的技術(shù)涉及對開發(fā)地點處或者水域內(nèi)不同范圍的暴雨管理控制的分析。
背景技術(shù)：
土地開發(fā)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筑物代替時，滲入地面的雨水變少，植被獲得的雨水變少，并且更多的雨水變?yōu)榈乇韽搅鳌?br> 為了使一地的雨水泛濫最小化，已經(jīng)設計了傳統(tǒng)的溝渠和管道系統(tǒng)來從非滲透表面盡快去除暴雨徑流，并轉(zhuǎn)移到接納水體。結(jié)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(zhì)惡化。如果不能避免這些影響，可能存在環(huán)境、法律、經(jīng)濟及政策等方面的問題。
“暴雨源控制”用來收集源(例如，在建筑物區(qū)上或可通行的道路內(nèi))處的雨水，并將其返回到自然的水文路徑——入滲和蒸散，或者在源處重復利用。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(xiàn)成本和利益的均衡。通常根據(jù)針對整個水域保護提供現(xiàn)實可行框架的水域研究，來發(fā)展水域的管理規(guī)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，因為這些研究是大范圍進行的，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(jīng)濟增長及生活質(zhì)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于開發(fā)的效果。


圖1是圖示了一個實施例中的高級開發(fā)設計的顯示頁面。
圖2是圖示了一個實施例中的建模系統(tǒng)的組件的方框圖。
圖3圖示了用于指定開發(fā)的環(huán)境條件的對話框。
圖4圖示了用于指定開發(fā)的土壤類型的對話框。
圖5圖示了總結(jié)開發(fā)的區(qū)域的構(gòu)成的對話框。
圖6圖示了代表可以作為開發(fā)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(fā)的詳細設計的示例。
圖8是圖示了一個實施例中開發(fā)設計的屬性的對話框。
圖9圖示了針對區(qū)域的降雨的對話框。
圖10圖示了針對區(qū)域的蒸散的對話框。
圖11圖示了針對非滲透區(qū)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(zhì)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于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(yōu)化過程的對話框。
圖20是一個實施例中創(chuàng)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(yōu)化組件的流程圖。
圖23是圖示了降雨對象所執(zhí)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(zhí)行的計算的流程圖。
圖25是圖示了諸如溝道之類的定向?qū)ο笏鶊?zhí)行的計算的流程圖。
圖26是圖示了一個實施例中定向?qū)ο蟮牧髌胶饨M件所執(zhí)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(zhí)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(zhí)行的計算處理的流程圖。
具體實施例方式
提供了一種用于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(tǒng)。在一個實施例中，建模系統(tǒng)允許用戶創(chuàng)建開發(fā)地點設計的不同區(qū)域的圖形表示。此圖形表示示出不同區(qū)域之間的水流。用戶還可以指定每個區(qū)域的屬性，例如入滲速度、徑流系數(shù)、大小、蒸散速度等。建模系統(tǒng)可以仿真降雨對開發(fā)設計的影響。可以在特定時間段(例如，一個月)內(nèi)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(qū)域的入水流，并確定每個區(qū)域的出水流。入水流可以來自降雨、來自另一區(qū)域的徑流等；并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(jié)果可以用來估計開發(fā)設計，并調(diào)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(tǒng)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(zhì)等。建模系統(tǒng)基于仿真估計是否超過了任意標準。建模系統(tǒng)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(tǒng)提供代表每一土地用途(可以是開發(fā)的一部分)中可能類型的區(qū)域的對象。土地用途可以包括住宅、商用、工業(yè)等。開發(fā)的每一地塊具有相關(guān)聯(lián)的土地用途，并且被分為可滲透和非滲透區(qū)域。非滲透區(qū)域包括屋頂、車道和道路；并且滲透區(qū)域包括空地和場院。建模系統(tǒng)可以提供針對屋頂、車道、道路、空地和場院的對象。建模系統(tǒng)還提供針對水源和水匯(sink)的對象。水源可以包括降雨、河流、重復利用等，并且水匯可以包括蒸散、土壤入滲等。每一對象提供其區(qū)域類型的模型。例如，針對屋頂?shù)膶ο罂梢曰谖蓓敶笮?、降雨量和徑流系?shù)對徑流量進行建模。
建模系統(tǒng)允許用戶準備表示地區(qū)之間的相互關(guān)系(即，出水流和入水流)的開發(fā)區(qū)域圖形表示。開發(fā)的每一區(qū)域可以由圖標來圖形表示。每一住宅開發(fā)區(qū)可以由屋頂區(qū)域、車道區(qū)域、場院區(qū)域和道路區(qū)域來表示，因此由多個圖標來表示。屋頂、車道和道路區(qū)域可以具有降雨入流和徑流出流，而場院區(qū)域也具有降雨入流和徑流出流，并且還具有土壤入滲、水流、地下水等出流。如果一個地區(qū)的徑流出流被引導到空地上，則建立了該地區(qū)的徑流出流與空地的入流之間的相互關(guān)系，這可以由將該地區(qū)的圖標和空地連接起來的線條來表示。相互關(guān)系表示水從一個區(qū)域流到另一區(qū)域。
建模系統(tǒng)允許用戶指定開發(fā)的區(qū)域的屬性以及水源?？盏貐^(qū)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(tǒng)通過以特定間隔迭代計算開發(fā)的每一區(qū)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(tǒng)可以執(zhí)行代表一小時間隔的計算。建模系統(tǒng)基于降雨量來計算每一區(qū)域的總?cè)胨?，并且基于徑流系?shù)、入滲速度等來計算每一區(qū)域的總出水流。相互關(guān)系定義了對每個對象執(zhí)行計算的順序。具體地，對某個區(qū)域的計算直到首先對向此區(qū)域供水的區(qū)域進行了計算之后才執(zhí)行。建模系統(tǒng)可以基于開發(fā)中的每個區(qū)域的峰值水流和總水流來跟蹤并提供報告。建模系統(tǒng)允許用戶改變屬性和開發(fā)的區(qū)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(tǒng)可以提供對地理信息系統(tǒng)(“GIS”)的接口，以輸入與要建模的開發(fā)地點相關(guān)的信息。建模系統(tǒng)可以允許用戶選擇GIS中建模系統(tǒng)要使用其信息的開發(fā)、小區(qū)等。例如，如果選擇了新開發(fā)，則可以從GIS獲得小區(qū)數(shù)目以及每一小區(qū)的區(qū)域?qū)傩?例如，大小)，并且用來初始化建模系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。建模系統(tǒng)允許用戶修改這些屬性并指定區(qū)域間水流。
在一個實施例中，建模系統(tǒng)提供優(yōu)化器，識別由目標函數(shù)指示為最佳的開發(fā)設計。在用戶定義開發(fā)設計之后，用戶指定對設計分級的目標函數(shù)。目標函數(shù)例如可以定義開發(fā)的利潤，并因此基于利潤額來對設計分級。用戶還定義開發(fā)設計的各種約束。例如，一個約束可以是住宅開發(fā)中小區(qū)的最小和最大數(shù)目，并且另一約束可以是空地的最小和最大畝數(shù)。建模系統(tǒng)選擇約束內(nèi)的初始參數(shù)(例如，150塊土地)，利用這些參數(shù)執(zhí)行仿真，然后計算目標函數(shù)。系統(tǒng)然后選擇新的參數(shù)，執(zhí)行仿真，并且重新計算目標函數(shù)。建模系統(tǒng)基于目標函數(shù)是否向最優(yōu)解收斂，來選擇新參數(shù)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可以使用各種公知的最優(yōu)化技術(shù)來指導參數(shù)選擇。系統(tǒng)重復此過程，直至得到導致最高等級最優(yōu)化設計的參數(shù)。
在一個實施例中，建模系統(tǒng)提供連續(xù)仿真，模型很大程度上取決于生態(tài)貯存(bio-retention)設施、植被濕地、屋頂綠化和入滲設備中發(fā)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(fā)和重新開發(fā)，建模系統(tǒng)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、景觀和建筑物)的徑流生成。
建模系統(tǒng)最優(yōu)化經(jīng)濟增長和水域保護之間的平衡。建模系統(tǒng)提供滿足水域保護和生活質(zhì)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?shù)?、地點專有最佳管理實踐，并且估計基于容量的、峰值流和水質(zhì)控制的效果。在一個實施例中，在Extend動態(tài)仿真平臺上開發(fā)的建模系統(tǒng)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范圍應用。
圖1是示出了一個實施例中的高級開發(fā)設計的顯示頁面。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，建模系統(tǒng)可以用來對具有不同區(qū)域、和區(qū)域間水流并具有或不具有各種最佳管理實踐的任何開發(fā)設計的水流來進行建模。開發(fā)設計100包括新開發(fā)圖標101和重新開發(fā)圖標102。新開發(fā)圖標代表新的住宅開發(fā)，可以包括許多小區(qū)和空地。重新開發(fā)圖標代表商業(yè)重新開發(fā)。圖標之間的線條代表水流，并由此代表相互關(guān)系。例如，新開發(fā)圖標101和定向流圖標103之間的線條105代表從新開發(fā)流向溝道的徑流或地面漫流平面。類似地，重新開發(fā)圖標102和定向流圖標103之間的線條106代表從重新開發(fā)流向溝道的徑流或地面漫流平面?？傆媹D標104代表將由線條107代表的新開發(fā)的土壤入滲和由線條108代表的重新開發(fā)的土壤入滲組合，得到開發(fā)設計的總計入滲。線條109代表來自重新開發(fā)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允許用戶指定并查看開發(fā)設計的各種屬性。例如，環(huán)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(fā)中發(fā)現(xiàn)的土壤類型。土地用途圖標113用來總結(jié)開發(fā)中的各種土地用途(例如，每一土地用途的總非滲透畝數(shù))。進化最優(yōu)化圖標114用來指定用于最優(yōu)化過程的約束和目標函數(shù)。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(zhì)。用戶指定標準或標準組合，并且建模系統(tǒng)基于仿真結(jié)果加亮任何超出。
圖2是示出了一個實施例中的建模系統(tǒng)的組件的方框圖。建模系統(tǒng)包括創(chuàng)建設計組件201、仿真組件202和最優(yōu)化組件203。創(chuàng)建設計組件用來生成開發(fā)設計。創(chuàng)建設計組件接收關(guān)于放置代表開發(fā)設計的圖標的用戶輸入。用戶從圖標庫204中選擇圖標。創(chuàng)建設計組件將設計存儲在設計庫201中，并且將用戶指定的屬性存儲在屬性庫206中。創(chuàng)建設計組件處理與用戶的交互，來放置圖標，連接圖標，并設置各種屬性的值。創(chuàng)建設計組件還可以從GIS導入開發(fā)的區(qū)域及它們的屬性。仿真組件基于設計庫和屬性庫所指示的開發(fā)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(qū)域具有在仿真的每次迭代期間由仿真組件調(diào)用來計算區(qū)域的出流(包括蒸發(fā)、蒸騰、和入滲)的對象。仿真組件可以在仿真之間調(diào)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(jù)相互關(guān)系的順序來調(diào)用代表區(qū)域的對象。仿真結(jié)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(yōu)化組件識別針對開發(fā)設計的最適合目標函數(shù)的一組參數(shù)。用于最優(yōu)化的目標函數(shù)和約束存儲在約束和目標函數(shù)庫209中。最優(yōu)化組件在約束內(nèi)設置仿真的初始參數(shù)，然后執(zhí)行仿真。最優(yōu)化組件然后估計目標函數(shù)，并在約束內(nèi)選擇一組新參數(shù)。最優(yōu)化組件重復執(zhí)行仿真和新參數(shù)建立，直至目標函數(shù)的估計收斂到最優(yōu)解(例如，最大利潤)。
建模系統(tǒng)可以在計算機系統(tǒng)上執(zhí)行，計算機系統(tǒng)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(qū)動器)。存儲器和存儲設備是可以包含實現(xiàn)建模系統(tǒng)的指令的計算機可讀介質(zhì)。另外，可以存儲或經(jīng)由數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)(例如，通信鏈路上的信號)來傳送數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和消息結(jié)構(gòu)。建模系統(tǒng)可以利用各種公知的仿真器工具來實現(xiàn)。在一個實施例中，建模系統(tǒng)實現(xiàn)在Extend建模環(huán)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(jié)合于此用作參考。
圖3圖示了用于指定開發(fā)的環(huán)境條件的對話框。當用戶選擇圖標300時，建模系統(tǒng)顯示對話框301和311。降雨對話框301用來指定開發(fā)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(shù)據(jù)按鈕302用來獲得降雨數(shù)據(jù)，這顯示在字段303中，并總計在字段304中。在一個實施例中，假設開發(fā)中所有地方降雨量相同。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可以對開發(fā)的不同部分指定不同的降雨量。例如，在山的干燥一側(cè)的住宅開發(fā)可以具有與在山的另一側(cè)的住宅開發(fā)不同的降雨量，指示在開發(fā)或水域內(nèi)多個降雨觀測站的選擇。蒸散對話框311指定每個特定區(qū)域中由于蒸發(fā)或蒸騰而離開水域的水量。此對話框用來指定蒸散參數(shù)、海拔、緯度、最小和最大溫度、以及位置特性(例如，沿?；虺睗?。計算按鈕312用來基于這些參數(shù)計算蒸散量(例如，使用Penman-Monteith公式)，并在字段313中顯示此量。
圖4圖示了用于指定開發(fā)的土壤類型的對話框。當用戶選擇圖標400時，建模系統(tǒng)顯示對話框401。土壤類型對話框401指示對示例開發(fā)已經(jīng)指定了三種土壤類型滲透區(qū)、未使用滲透和生態(tài)貯存。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，通過建模系統(tǒng)可以仿真任意數(shù)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(fā)設計的每一滲透區(qū)域被指定為具有這些土壤類型之一。
圖5圖示了總結(jié)開發(fā)的區(qū)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(tǒng)顯示對話框501。區(qū)域?qū)υ捒?01指示開發(fā)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(qū)域，850,000平方英尺的非滲透區(qū)域以及總共四百三十六萬平方英尺的區(qū)域。
圖6圖示了代表可以作為開發(fā)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(fā)，圖標602代表商業(yè)重新開發(fā)，圖標603代表商業(yè)開發(fā)，圖標604代表住宅重新開發(fā)，并且圖標605代表工廠。為了創(chuàng)建開發(fā)設計，用戶選擇土地用途圖標，并且將它們放置在顯示上。用戶然后可以指定它們之間的相互關(guān)系。這指定了高級開發(fā)設計。為了指定每一土地用途的詳情，用戶選擇土地用途，并向用戶提供空白顯示頁面區(qū)域。用戶然后在顯示頁面上放置包括此土地用途的區(qū)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(qū)?？蛇x地，可以從GIS導入詳情。用戶然后可以指定設計的相互關(guān)系。為了指定相互關(guān)系，用戶可以選擇一個圖標的出流，并且將其連接到另一圖標的入流。建模系統(tǒng)然后在圖標之間繪制出線條。建模系統(tǒng)提供土地用途以及土地用途內(nèi)的區(qū)域的分層結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，開發(fā)設計可以指定分層結(jié)構(gòu)內(nèi)的許多不同級別。例如，開發(fā)設計在其最高級別可以包括新住宅開發(fā)和商業(yè)重新開發(fā)。住宅開發(fā)的下一級別可以指定小區(qū)、空地、和生態(tài)貯存設施。小區(qū)的下一級別可以指定小區(qū)的各個區(qū)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(fā)的詳細設計的示例。此新開發(fā)700對應于圖1的新開發(fā)101。新開發(fā)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(qū)的區(qū)域(例如，平均)。開發(fā)設計圖標731用來指定住宅小區(qū)的屬性。例如，開發(fā)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(qū)。圖標721代表每一區(qū)域的總降雨。用戶可以選擇降雨圖標721，來查看關(guān)于該地區(qū)降雨的信息。用戶可以選擇蒸散圖標722來查看區(qū)域的蒸散特性。用戶可以選擇入滲圖標723來查看區(qū)域的入滲速度?？傆媹D標704、708和710指定來自各個區(qū)域的要總計的出流。例如，總計圖標710指示要將區(qū)域703、706和709的入滲總計為新開發(fā)的總?cè)霛B。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(guān)聯(lián)的百分比，以指示入流中提供給該出流的百分比?？盏貓D標706代表開發(fā)的滲透空地。生態(tài)貯存圖標709代表開發(fā)中的生態(tài)貯存設施。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可以針對暴雨控制(例如，生態(tài)貯存、攔蓄水庫、雙層入滲等)使用各種最佳管理實踐。生態(tài)貯存設施具有相關(guān)聯(lián)的降雨、蒸散和入滲特性。將圖標連接起來的線條代表開發(fā)內(nèi)的各種水流，并由此代表相互關(guān)系。例如，生態(tài)貯存設施接收來自小區(qū)和空地的降雨。因此，生態(tài)貯存設施依賴于開發(fā)中所有其他區(qū)域。然而，空地區(qū)域僅依賴于小區(qū)的屋頂、車道和場院區(qū)域，因為來自道路的降雨被直接定向到生態(tài)貯存設施，而不是空地。因此，當建模系統(tǒng)針對該示例執(zhí)行水流仿真時，在對空地進行計算之前執(zhí)行對屋頂、車道和場院區(qū)域的計算，并且在對生態(tài)貯存設施進行計算之前執(zhí)行對空地的計算。在一個實施例中，建模系統(tǒng)可以在仿真期間動畫表示開發(fā)設計。例如，如果在迭代期間出現(xiàn)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?yōu)榧t色。
圖8是示出了一個實施例中開發(fā)設計的屬性的對話框。當用戶選擇圖標800時，建模系統(tǒng)顯示對話框801。開發(fā)設計對話框801指示屬性包括開發(fā)中的小區(qū)數(shù)目、開發(fā)的大小(例如，以畝為單位)、每個小區(qū)的貨幣價值、作為小區(qū)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(qū)的典型組成、以及源控制和生態(tài)貯存設施的類型。建模系統(tǒng)基于成本和開發(fā)的設計，計算每個小區(qū)的利潤、建造和許可成本以及凈利潤。在該示例中，每個小區(qū)分配有道路區(qū)域、屋頂區(qū)域、車道區(qū)域和小區(qū)上滲透(或場院)區(qū)域。每個區(qū)域可以分配有固定的面積大小加上每小區(qū)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，并且每個小區(qū)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(tài)注冊設施和其他最佳管理實踐。可以對生態(tài)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?？盏貐^(qū)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(fā)設計的圖標時所顯示的對話框。圖9圖示了針對一個區(qū)域的降雨的對話框。降雨圖標900代表相應區(qū)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(tǒng)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(tǒng)在每次迭代時更新當前降雨速度，并且可以基于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(qū)域的蒸散的對話框。當用戶選擇與某一區(qū)域相關(guān)聯(lián)的蒸散圖標1000時，建模系統(tǒng)顯示對話框1001。對話框1001顯示此區(qū)域的當前蒸散速度。建模系統(tǒng)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(qū)域的屬性的對話框。在該示例中，非滲透區(qū)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(tǒng)顯示對話框1102。對話框1102包括面積字段、徑流系數(shù)字段、降雨字段、總水量和當前水量自動以及平均徑流速度字段。
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(tǒng)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，其包括總面積貢獻字段，流徑寬度字段、流的平均坡度字段、Manning粗糙度字段、洼地儲蓄字段、以及匯聚字段。對話框1202顯示地面漫流平面上的容量、深度和流的屬性。此對話框包括入流字段、流深字段以及出流字段。
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(tǒng)顯示對話框1301～1303。對話框1301具有標識土壤入滲特性的字段，包括入滲面積字段、最大蓄水深度字段、設計土壤深度字段以及作物系數(shù)字段。對話框1302包含代表土壤剖面中的水平衡的字段。此對話框包括水位字段、針對徑流和降雨的入流字段、以及針對蒸散、溢流和入滲的出流字段。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(shù)據(jù)。此對話框包括土壤類型字段、飽和水容量地表和地下字段、最大含水量字段、田間持水量字段、萎蔫含水量字段、以及土壤水半衰期字段。
圖14a～14d圖示了針對介質(zhì)入滲的對話框。當用戶選擇了介質(zhì)入滲圖標1400時，建模系統(tǒng)顯示對話框1401～1404。對話框1401包含針對介質(zhì)入滲特性的字段，包括入滲面積字段、最大蓄水深度字段、儲蓄深度字段、蒸散因子字段、以及空隙空間比字段。對話框1402包括針對水平衡的字段，包括水位字段、流入徑流和降雨的入流字段、以及蒸散、溢流和入滲的出流字段。對話框1403包含針對介質(zhì)數(shù)據(jù)的字段，例如儲蓄介質(zhì)字段以及地表和地下的飽和水容量字段。對話框1404包含模型參數(shù)，例如介質(zhì)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(tǒng)顯示對話框1501。此對話框圖示相關(guān)區(qū)域的土壤類型。
圖16圖示了一個實施例中用于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(tǒng)顯示該頁面。當用戶選擇圖標1601時，建模系統(tǒng)顯示針對開發(fā)的峰值流標準對話框。當用戶選擇圖標1602時，建模系統(tǒng)顯示針對開發(fā)的流量標準對話框。當用戶選擇圖標1603時，建模系統(tǒng)顯示針對開發(fā)的水質(zhì)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(tǒng)顯示對話框1701。此對話框包含每日的峰值流速信息字段，包括超出次數(shù)字段、總超出比例字段、以及平均每日流字段。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(shù)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(tǒng)顯示對話框1801。此對話框包含針對開發(fā)的水平衡字段，包括由用戶設置的降雨的目標徑流百分比字段、總降雨字段、總徑流字段、以及總?cè)霛B字段。當用戶選擇水質(zhì)標準圖標1603時，建模系統(tǒng)顯示這樣的對話框(未示出)，此對話框允許用戶指定對于總磷酸鹽、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(yōu)化過程的對話框。這些對話框是由諸如Extend Evolutionary Optimizer之類的最優(yōu)化系統(tǒng)提供的標準對話框。對話框1901顯示對用于該示例的最優(yōu)化的約束或限制。例如，行1902指定小區(qū)數(shù)目限制在100到141之間。公式1903指定目標函數(shù)。在該示例中，目標函數(shù)是最大利潤。對話框1911顯示用于控制最優(yōu)化過程的各個選項。對話框1921顯示對于具有不同參數(shù)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(shù)的值。
圖20～28是示出了一個實施例中建模系統(tǒng)的處理的流程圖。圖20是一個實施例中創(chuàng)建設計組件的流程圖。創(chuàng)建設計組件控制用于創(chuàng)建開發(fā)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，此組件基于用戶輸入，創(chuàng)建土地用途設計。用戶可以選擇各種土地用途圖標，并且將它們放置在顯示頁面上，然后指示土地用途之間的相互關(guān)系。在方框2002中，組件允許用戶針對開發(fā)指定環(huán)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(fā)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(huán)選擇每一土地用途并創(chuàng)建該土地用途內(nèi)區(qū)域的詳細設計。在判決方框2006中，如果已經(jīng)選擇了所有土地用途，則組件結(jié)束，否則組件在方框2007繼續(xù)。在方框2007中，組件為所選擇的土地用途創(chuàng)建詳細的區(qū)域設計。組件允許用戶將區(qū)域圖標放置在代表所選擇的土地用途的區(qū)域的顯示上。用戶將圖標互相連接，以指示水流的相互關(guān)系。在方框2008中，組件指定每個區(qū)域的屬性。組件然后循環(huán)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，然后在迭代周期的每一間隔中，迭代地調(diào)用組件。在方框2101中，此組件實例化開發(fā)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(zhí)行的處理。例如，降雨對象可以加載降雨信息，并將其以數(shù)組形式存儲在存儲器中。在方框2103～2107中，組件循環(huán)執(zhí)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(jié)尾，則組件結(jié)束，否則組件在方框2105繼續(xù)。在方框2105～2107中，組件按照相互關(guān)系的順序循環(huán)執(zhí)行對每一對象的計算。在方框2105中，組件按照相互關(guān)系的順序選擇下一對象。在判決方框2106中，如果已經(jīng)選擇了所有對象，則組件循環(huán)到方框2103，以執(zhí)行下一次迭代，否則組件在方框2107繼續(xù)。在方框2107中，組件調(diào)用對象的方法，以執(zhí)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(jīng)典面向?qū)ο箢愋蛯ο?。組件然后循環(huán)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(yōu)化組件的流程圖。最優(yōu)化組件設置仿真的初始參數(shù)，然后執(zhí)行仿真。此組件然后計算目標函數(shù)，基于目標函數(shù)的值重新設置參數(shù)，并且再次執(zhí)行仿真。重復此過程，直至目標函數(shù)的結(jié)果收斂到最優(yōu)解。在方框2201中，組件獲取用戶針對最優(yōu)化指定的約束。在方框2202中，組件在針對仿真的約束內(nèi)設置初始參數(shù)。在方框2203中，組件基于當前參數(shù)執(zhí)行仿真。在方框2204中，組件基于仿真結(jié)果計算目標函數(shù)。在判決方框2205中，如果目標函數(shù)的結(jié)果收斂于某一解，則組件結(jié)束，否則組件在方框2206繼續(xù)。在方框2206中，組件基于目標函數(shù)的結(jié)果重新設置參數(shù)，然后循環(huán)到方框2203以再次執(zhí)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(zhí)行的計算的流程圖。向仿真的輸入包括周期性基礎(chǔ)的降雨數(shù)據(jù)。在方框2301中，如果仿真間隔與降雨的周期性基礎(chǔ)相同，則組件檢索當前時間的降雨量，并且將其指定為對象的輸出降雨，這作為區(qū)域的入流?？蛇x地，如果仿真間隔與降雨的周期性基礎(chǔ)不同，則組件調(diào)整降雨量，以對應于仿真間隔。例如，如果降雨的周期性基礎(chǔ)是小時，而仿真間隔是天，則組件可能需要根據(jù)每小時數(shù)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(zhí)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(shù)。在方框2402中，組件通過將徑流系數(shù)乘以降雨并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，然后結(jié)束。
圖25是示出了由定向?qū)ο?例如，溝道)所執(zhí)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(shù)個非滲透區(qū)域的徑流輸出。在方框2502中，組件計算定向?qū)ο蟮牧髌胶狻Ｔ诜娇?503中，組件設置對象的輸出信息，包括輸出深度和輸出流。組件然后結(jié)束。
圖26是示出了一個實施例中定向?qū)ο蟮牧髌胶饨M件所執(zhí)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(huán)，直至其收斂于針對流的解。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，組件將濕界面積設置為流寬度加上兩倍的平均深度。在方框2605中，組件基于Manning流，計算出流。在方框2606中，組件根據(jù)傳送函數(shù)及其導數(shù)的Newton-Raphson逼近計算深度。在判決方框2607中，如果逼近的結(jié)果收斂，則組件范圍，否則組件循環(huán)到方框2601。
圖27是示出了一個實施例中土壤入滲組件所執(zhí)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?yún)?shù)。在方框2702中，組件調(diào)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(zhí)行的計算處理的流程圖。在判決方框2801中，如果沒有蓄水，并且入流加上降雨大于水容量加上蒸散，則組件在方框2802繼續(xù)，否則組件在方框2803繼續(xù)。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系數(shù)。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系數(shù)，并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(xù)，否則組件在方框2806繼續(xù)。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(xù)，否則組件在方框2809繼續(xù)。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于或等于最大水位加上最大蓄水深度，則組件在方框2810繼續(xù)，否則組件在方框2811繼續(xù)。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。組件然后返回。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，雖然這里為了說明的目的已經(jīng)描述了建模系統(tǒng)的具體實施例，但是在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下可以做出多種修改。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，可以根據(jù)可以利用或不利用圖形工具指定的開發(fā)設計來執(zhí)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(qū)域、屬性和相互關(guān)系。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還將認識到，可以將建模系統(tǒng)修改為包括對水相關(guān)數(shù)據(jù)的其他流組件建模，例如沉積分析和漁業(yè)分析。為了執(zhí)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(qū)域的沉積物堆積和沖刷進行建模。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(qū)域的沉積物生成進行建模?？梢愿鶕?jù)V.Vaneni，SemdimentationEngineering，ASCE Manual 54，ASCE，New York(1975)，對滲透區(qū)域的沉積物輸運進行建模。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到，建模系統(tǒng)可以適應所考慮的任何大小的區(qū)域(從地域性水域到幾英畝的住宅開發(fā))、適于所處理問題的時間分辨率、計算不同負擔(例如，降雨)條件下的貯存過程以提供更現(xiàn)實的效力估計的最佳管理實踐算法、以及根據(jù)參數(shù)的統(tǒng)計分布的不確定性計算。因此，本發(fā)明僅僅受限于所附權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種計算機系統(tǒng)中的方法，用于對具有水源及土地用途的區(qū)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(qū)域的對象，每一對象用于根據(jù)入水流和此對象的屬性來計算該區(qū)域的出水流；提供代表水源的對象，每一對象用于該水源的出流；生成區(qū)域和水源的水流相互關(guān)系的圖形表示，所述相互關(guān)系指示來自區(qū)域或水源的出流到達區(qū)域的入流，每一區(qū)域和水源具有相關(guān)聯(lián)的對象；接收描述所述地點處的每一區(qū)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(zhí)行水流仿真調(diào)用與每一水源相關(guān)聯(lián)的對象，以計算此水源在此時間增量期間的出流；以及根據(jù)所述相互關(guān)系，調(diào)用與每一區(qū)域相關(guān)聯(lián)的對象，以計算此區(qū)域在此時間增量期間的出流。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中區(qū)域包括非滲透和滲透區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)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(qū)域和水源的圖標；以及從用戶接收關(guān)于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(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中區(qū)域的屬性包括區(qū)域的大小。
5.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中出流包括徑流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中出流包括蒸散。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中出流包括入滲。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中出流包括壤中流。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中出流包括地下水流。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，包括接收約束；接收目標函數(shù)；以及在所接收到的約束內(nèi)改變參數(shù)，來重復執(zhí)行仿真，以最優(yōu)化目標函數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中區(qū)域代表多個產(chǎn)狀相似區(qū)域。
13.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中出流可以分為多個出流。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對象還計算沉積物數(shù)量。
16.一種計算機系統(tǒng)中的方法，用于對具有每一土地用途的區(qū)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(qū)域和水源的水流相互關(guān)系的圖形表示，所述相互關(guān)系指示來自區(qū)域或水源的出流到達區(qū)域的入流；接收描述每一區(qū)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(zhí)行水流仿真基于水源的屬性，計算每一水源在此時間增量期間的出流；以及基于區(qū)域的入流和屬性，計算每一區(qū)域在此時間增量期間的出流。
17.根據(jù)權(quán)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(qū)域和水源的圖標；以及從用戶接收關(guān)于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(guān)系。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中區(qū)域的屬性包括區(qū)域的大小。
19.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)利要求16所述的方法，包括基于用戶提供的約束改變參數(shù)，重復執(zhí)行仿真，以最優(yōu)化目標函數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中區(qū)域是滲透或非滲透的。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中非滲透區(qū)域是道路。
23.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中非滲透區(qū)域是屋頂。
24.根據(jù)權(quán)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(qū)域提供圖標。
25.根據(jù)權(quán)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(qū)域提供圖標。
26.一種計算機系統(tǒng)中的方法，用于對具有每一土地用途的區(qū)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(qū)域和水源的水流相互關(guān)系的圖形表示，所述相互關(guān)系指示來自區(qū)域或水源的出流到達區(qū)域的入流；接收描述每一區(qū)域和每一水源的屬性；以及基于區(qū)域和水源的屬性及相互關(guān)系，執(zhí)行水流仿真。
27.根據(jù)權(quán)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(qū)域的圖標來生成圖形表示。
28.根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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
一種用于對水域恢復項目的水流建模的方法和系統(tǒng)。建模系統(tǒng)允許用戶創(chuàng)建開發(fā)地點設計的不同區(qū)域的圖形表示。圖形表示示出不同區(qū)域之間的水流。用戶還可以指定每一區(qū)域的屬性，例如入滲速度、徑流系數(shù)、大小、蒸散速度等。建模系統(tǒng)可以仿真徑流對開發(fā)設計的影響。仿真確定每一區(qū)域的入水流，并且確定每一區(qū)域的出水流。此仿真的結(jié)果可以用來評價開發(fā)設計，并調(diào)整設計以就所選擇的水域保護標準實現(xiàn)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(yōu)先權(quán)日2003年9月29日
發(fā)明者阿維納什·S·帕特瓦爾丹, 賈里德·N·索普, 丹尼爾·E·麥迪那, 帕特里克·M·格里厄姆 申請人:西圖法人公司, 西圖加拿大有限公司