CN107239607A - 一种模型要素与计算方案管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种模型要素与计算方案管理方法，包括：获取洪水建模分析的多类基础数据；根据所述多类基础数据，建立洪水分析建模的模型要素；在建立的模型要素的基础上，设置配置参数以创建计算方案，其中，所述配置参数包括：边界条件、控制参数和计算结果数据，所述计算方案包括：一维河网模型方案、一二维耦合方案、二维模型方案、管网二维耦合方案和城市管网模型方案。本发明通过获取洪水相关基础数据，建一维、二维、一二维耦合城市管网及管网二维模型要素，并针对性提供计算方案，搭建适于乡村河网及城市管网的洪水分析模型，以便于由于后续洪水分析应用中。

Description

一种模型要素与计算方案管理方法

技术领域

本发明涉及洪水分析技术领域，特别涉及一种模型要素与计算方案管理方法。

背景技术

作为洪水风险图编制的重要工具，洪水分析软件一直是国外商业软件占据主导地位。我国是一个水利大国，在水利领域的很多方面都取得了举世瞩目的成就，但是我们国内并没有形成一个自己的国产洪水分析软件品牌。山洪和城市洪涝目前仍是对人民生命财产威胁巨大的灾害事件，如果涉及自身的洪水分析方法实现对洪水的可靠分析是当前需要解决的技术问题。

在对洪水进行分析前，需要先建立一套合理准确的模型和处置方案。由于洪水在不同地理区域上发生的情况相应不同，主要分为河网、浅水、城市管网等模型，如何根据不同的区域模型建立相应的计算方案，以适于不同区域的后续洪水分析，是当前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种模型要素与计算方案管理方法。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种模型要素与计算方案管理方法，包括如下步骤：

步骤S1，获取洪水建模分析的多类基础数据；

步骤S2，根据所述多类基础数据，建立洪水分析建模的模型要素，其中，所述模型要素，包括：一维河网模型要素、二维浅水模型要素、城市管网模型要素、一二维耦合模型要素、管网二维耦合要素；

步骤S3，在建立的模型要素的基础上，设置配置参数以创建计算方案，其中，所述配置参数包括：边界条件、控制参数和计算结果数据，所述计算方案包括：一维河网模型方案、一二维耦合方案、二维模型方案、管网二维耦合方案和城市管网模型方案，

其中，所述一维河网模型方案在所述一维河网模型要素的基础上调用一维河网模型算法创建；所述一二维耦合方案在所述一维河网模型要素、二维浅水模型要素、一二维耦合模型要素的基础上，调用一维河网模型算法和二维模型算法创建；所述二维模型方案在所述二维浅水模型要素的基础上调用二维模型算法创建；所述管网二维耦合方案在所述二维浅水模型要素、管网二维耦合要素和城市管网模型要素的基础上，调用二维模型算法和管网模型算法创建；所述城市管网模型方案在所述城市管网模型要素基础上，调用管网模型算法创建。

进一步，所述一维河网模型要素包括：一维河网数据和水文序列，其中，所述一维河网数据包括：河段、零维要素、联系要素和断面节点；

所述二维浅水模型要素包括：二维网格数据和时间序列，所述二维网格数据包括：节点、边元、单元、建筑、点源、控制点、控制断面和简单河道；

所述城市管网模型要素包括：子汇水区、管段、节点、水文站网、曲线集合、时间模式和LID控制，所述管段包括：管道、孔口、出水口、泵站、堰；所述节点包括：连接节点、分流器、排放口和蓄水节点。

进一步，所述边界条件包括：水位边界、流量边界和水位流量关系；

所述控制参数包括：计算起止时间、输出起止时间、计算步长、输出步长；

所述计算结果数据包括：一维计算结果、二维计算结果和管网计算结果。

进一步，在所述步骤S2中，对每个所述模型要素，提供创建、删除、绘制和导入功能。

进一步，所述边元包括：

边界边元，为整个网格的边界，与网格剖分时设置的边界相对应；

控制线边元，为与道路、堤防等数据对应的边元，与堰、闸门等建筑数据对应；

普通边元，除边界边元和控制线边元外的其他边元。

进一步，在所述步骤S2中，创建所述一二维耦合模型要素，包括：侧向连接和正向连接，其中，

所述侧向连接用于记录一组相邻断面与多个边元的耦合信息，所述正向连接用于记录河道首尾断面与多个边元的耦合信息，

所述侧向连接和正向连接均包括如下步骤：依次选择河段和断面组，设置左右岸边元、编辑耦合关系，并进行左右岸的互换，自动分区左右岸、清除连接关系。

进一步，还包括如下步骤：预设曲线集合，所述曲线集合包括：含泵站曲线、蓄水曲线、分流曲线、形状曲线、控制曲线、性能曲线、潮水曲线、断面曲线和水位流量关系曲线。

进一步，所述一维计算结果，包括：水位实时数据、流量过程数据、河段信息；

所述管网计算结果，包括：子汇水区数据、节点数据和管段数据；

所述二维计算结果，包括：水位、水深和流速实时数据、单元剖面结果、控制点水力要素、控制断面水力要素、建筑水力要素、点源流量、河道断面数据、河道剖面数据。

根据本发明实施例的模型要素与计算方案管理方法，本发明可以通过获取洪水相关基础数据，建一维、二维、一二维耦合城市管网及管网二维模型要素，并针对性提供计算方案，搭建适于乡村河网及城市管网的洪水分析模型，以便于由于后续洪水分析应用中。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的模型要素与计算方案管理方法的流程图；

图2为根据本发明实施例的模型要素的组成示意图；

图3为根据本发明实施例的计算方案的组成示意图；

图4为根据本发明实施例的模型要素与计算方案的关联示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例的模型要素与计算方案管理方法，将所需数据按照要素的类别、用途等信息进行组织和管理，共分为模型要素、计算方案和扩展功能所需数据三个部分。

如图1所示，本发明实施例的模型要素与计算方案管理方法，包括如下步骤：

步骤S1，获取洪水建模分析的多类基础数据。

其中，多类基础数据包括：河网、网格、管网等基础数据。利用不同的模型要素可以创建不同的计算方案，提高了基础数据的复用率，避免了重复的数据前处理工作。同时，本软件支持多种文件格式的导入和导出操作，能够方便地集成其他软件输出的数据，提高了系统的可扩展性。

步骤S2，根据多类基础数据，建立洪水分析建模的模型要素，其中，模型要素，包括：一维河网模型要素、二维浅水模型要素、城市管网模型要素、一二维耦合模型要素、管网二维耦合要素，如图2所示。

1)在本发明的一个实施例中，一维河网模型要素包括：一维河网数据和水文序列，其中，一维河网数据包括：河段、零维要素、联系要素和断面节点。

(1)河段

导入河段：河段数据为河道的中心线数据，可导入rrws、txt、.xls/.xlsx格式的河段中心线数据，其中.rrws格式数据为IFMS1.0版本导出数据。系统也可导入Shape数据来确定河段。

绘制要素：支持直接在地图显示区域手动绘制河网。在地图显示区域上绘制河段，绘制完毕后，系统弹出设置断面组对话框。选择断面组，重新计算坐标。系统根据选中断面组的桩号及绘制的河段，重新计算河段各断面的位置信息，并在地图窗口显示河段空间信息。

设置断面组：新建的河段可进行设置断面组、河段断面编辑、批量编辑等操作。设置断面组，选择相应的断面组，将断面和河段相匹配，重新计算坐标，自动重新计算左右岸坐标。

使用过程中，如果断面组的坐标和河段中心线坐标相互匹配(如均为实测数据)，则不需重新计算坐标。如果重新计算坐标项，系统会根据河段中心线的实际长度，按照选定断面组中各断面桩号的比例进行线性插值，重新计算断面的左右岸坐标和桩号。该功能通常用于河段中心线与断面坐标在空间上不匹配的情况。

河段断面编辑：断面列表中查看并编辑各个断面名称、桩号、主槽糙率、滩池糙率、左右岸坐标信息、断面起点距和高程，断面信息栏中查看断面名称、主槽糙率、滩池糙率、桩号、深泓线、左岸堤定高程、右岸堤定高程、河宽、节点号。

批量编辑：可对断面名称、主槽糙率、滩池糙率、高程进行批量编辑。系统提供了两种断面名称命名方式一种是名称+序号，一种是名称+桩号。

导出断面组：可导出.rs格式的断面组数据。

河段剖面图：可查看河段纵剖面信息包括深泓线和左右岸堤顶高程。

节点概化：河段首尾断面、不同河段交叉断面需要进行概化处理，在界面上点选或框选断面。断面节点号默认值为0，概化后断面节点号发生变化。相同的节点号代表两断面连通，可以流量交换。连通的断面在地图显示界面上表现为相同颜色渲染的小方块。

取消概化：选需要取消概化的界面，断面的节点号重置为0，在地图显示界面上表现为小方块消失。

自动概化：设置阈值(最大值为2000)，如果两个断面中心点之间的距离小于该阈值则这两个断面视为可连通的，自动被概化为相同的节点。河段的首尾断面自动被概化。

(2)零维要素

零维要素表示水库、湖泊等的调蓄水建筑。提供：导入边界、绘制要素、联系要素、泵站、通用堰、堰闸、水位流量关系等相关的配置和曲线生成功能。

通过shape文件确定零维要素的边界。导入.shp格式的文件作为边界。导入边界后设置零维要素的参数信息，零维要素需要设置的参数包括名称、节点号、底高、底高相应库容、分层高度、分层数量、水位面积关系等。水位面积关系中的水位根据底高、分层高度、分层数量得到，是一个等差数列。零维要素的节点号必须与跟它相连的断面节点号一致。在水位面积关系栏添加相应的面积数值，或者右击该栏将数据直接粘贴至此栏中。联系要素主要是描述各种模拟区域的联接关系，主要是指流域中控制水流运动的泵站、堰、闸等。联系的分类有泵站、通用堰、堰闸，水位流量关系四种。前3类都需要流入、流出要素，水位流量关系只需要流出要素，流入、流出要素可以是断面，也可以是零维要素。泵站属性设置包括流入信息、流出信息、泵站名称、泵站容量(泵站抽排能力，单位m3/s)。通用堰属性设置中，参数包括底高、公式系数和指数。堰闸属性设置中，参数包括宽度、底高、最大开启度或边坡、淹没出流系数、自由出流系数。水位流量属性设置中需先在曲线集合中先添加水位流量关系曲线，在序列数据中选择已添加的水位流量关系曲线即可。

2)二维浅水模型要素包括：二维网格数据和时间序列，二维网格数据包括：节点、边元、单元、建筑、点源、控制点、控制断面和简单河道。其中，边元包括：边界边元，为整个网格的边界，与网格剖分时设置的边界相对应；控制线边元，为与道路、堤防等数据对应的边元，与堰、闸门等建筑数据对应；普通边元，除边界边元和控制线边元外的其他边元。

单元包括节点和边元组成，具有唯一编码。单元内存储的节点和边元，均按照逆时针顺序排列。对单元进行设置糙率、设置产流、设置下渗、设置面积系数、高程插值、设置降雨分区、清除降雨分区的设置。

糙率设置有专题设置和批量设置两种方式。

(1)专题设置：专题设置通过加载糙率矢量数据设置糙率。加载.shp格式的糙率文件，匹配字段，完成糙率专题设置。土地类型-糙率对应表中，可导入导出.rghs格式的配置文件设置土地类型糙率配置列表

2)批量设置：批量设置可对所有网格进行统一设置，输入糙率值，完成糙率批量设置。可选择是否仅设置选中单元。

产流设置有批量设置和分区设置两种方式：

(1)批量设置通过导入属性数据和字段计算器批量设置产流参数。产流类型有Horton、GreenAmpth、CurveNumber三种类型。

(2)分区设置通过导入.shp格式的矢量数据设置产流参数。加载.shp格式的矢量数据，匹配字段后，完成参数设置。

设置下渗：下渗参数包括导水率和地下水位，导水率单位为m/s，地下水位负值表示水位高出地面。

设置面积系数：面积系数表示二维网格参与计算的比例，即网格过水率。面积系数有按建筑面积设置和批量设置两种方法。

高程插值：导入.asc格式的散点数据、.GIF和.img格式的栅格数据来进行高程插值。插值参数包括幂、邻近点数和无效数据。幂表示网格中心点到散点距离的关系，邻近点表示选择距离网格中心最近的12个点插值，无效数据表示高程为-9999为无效高程数据。

设置降雨分区：一种是通过导入.shp格式的多边形矢量数据文件设置，一种是根据雨量站的位置直接生成泰森多边形。

单元属性：批量编辑中用户可查看并批量编辑单元高程、糙率、面积系数、产流参数、下渗参数、初始水位、单元类型、初始流速、计算降雨等。单元属性中，名称、面积字段不可修改，在界面中背景设置为灰色(其他各类要素批量编辑界面均如此设置)。

边元由节点组成，具有唯一编码，两个节点对应唯一一条边元，不存两条边元具有相同节点(仅首末节点顺序不同)的情况。边元为建筑、控制断面等数据的基础，其属性信息包括唯一编码(ID)。边元属性包括起点编号、末点编号、边元类别、边元地物类型、边元高程、边元长度。

边元类别分为边界边元、控制线边元和普通边元。边界边元为整个网格的边界，与网格剖分时设置的边界相对应。控制线边元是与道路、堤防等数据对应的边元，这类边元一般与堰、闸门等建筑数据对应。其他边元为普通边元。

边元地物类型分为河流、一般公路、高速公路、铁路、堤防和其他类型。该属性字段用于控制边元在地图场景中的显示风格，不同类型边元以不同的线型进行展示。该字段信息不影响计算过程。

边元高程系统默认为-999。如果边元高程设置为高于邻接单元，系统内部会自动将其作为堰处理，堰顶高程为边元高程。这种情况多见于堤防、道路等，通过选择相应的控制线边元，并设置高程数据，在模型中自动作为堰参与计算。边元长度为系统计算，一般情况下不需要进行修改。

对特定的建筑物如铁路、堤防、高速公路等可采用边元设置高程。设置边元高程有两种方式，一种是通过导入TXT文件设置高程，一种是通过已有高程设置。

批量编辑中用户可查看并批量编辑边元的属性，包括描述信息、边元类别、地物类型、高程。边元属性中，名称、起点、终点、长度字段不可修改，在界面中背景设置为灰色。选择任一边元对象名称，右击可进行对象属性和高亮定位的操作。同时在地图显示区域点选边元右击也可进行该操作。

节点为组成单元的顶点，设置节点属性，包括描述信息、高程。选择任一节点对象名称，右击可进行对象属性和高亮定位的操作。同时在地图显示区域点选节点右击也可进行该操作。

建筑是指区域内的水工建筑，与网格中的边元相关联。系统内置的建筑类型包括堰、闸门、溃口、水位流量。堰参数包括名称、堰长、堰宽、顶高、流量系数和收缩系数。在地图界面上选择关联的边元，输入堰的各个参数，点击【建立关联】，堰添加完毕。控制条件表示当前堰在何种状态下启用，堰可以不进行设置。闸门参数包括闸门名称、闸长、闸宽、底宽、流量系数、侧收缩系数、最大开启高度、闸门开关速度、开启实际高度。控制条件表示当前闸门在何种状态下启用，如上游水位大于下游水位。溃口参数包括溃口名称、最终高程、溃口总宽、溃决条件、溃决位置。溃决条件包括时间、水位、时间和水位、时间或水位。当使用时间和水位作为溃决控制条件时，表示时间和水位条件都满足后溃口溃决，当使用时间或水位作为溃决控制条件时，只要时间和水位两者满足其中之一就发生溃决。可选择是否使用瞬时溃决模式，如果不使用，则需要设置溃决开始时间和逐渐溃决模式，逐渐溃决模式包括初始高程、初始宽度、溃决历时。

添加水位流量关系需要先在曲线集合处添加水位流量关系曲线，而后再将水位流量关系与建筑物中水位流量关系相关联。

二维网格模型中泵站的添加时通过点源实现的，点源与单元相关联。系统提供了两种添加点源的方式，手动添加和导入Shape文件添加。

控制点与单元对应，用于监控关键位置处的水位、水深、流速等数据。在模型后处理中，可直接查看所设置控制点的水位、水深、流速等数据。

控制断面由若干条连续边元组成。模型计算过程中，会实时计算断面位置处的流量和水位过程，并存储至计算方案中。可通过后处理相关功能，查看或输出流量过程和水位过程数据。

在实际应用中，在二维计算区域可能存在部分对行洪有影响、不能忽略的小河道，如果将这些小河道在二维网格中考虑或者单独建立一维河网模型，会很大程度上影响网格质量，从而影响模型效率与稳定性。为了解决这个问题，二维模型中推出了简单河道功能，即不考虑河道宽度对网格的影响，在网格边元上添加一维河道，从而不影响网格划分和模型计算效率。简单河道断面可以概化设定为矩形或梯形，添加简单河道后系统会自建立一二维耦合，一维计算引擎为有限体积法。

3)城市管网模型要素包括：子汇水区、管段、节点、水文站网、曲线集合、时间模式和 LID控制，管段包括：管道、孔口、出水口、泵站、堰；节点包括：连接节点、分流器、排放口和蓄水节点。

子汇水区：可实现导入Shape、导出Shape、编辑图层、绘制要素、创建子汇水区、自动填充雨量站、设置下渗方法、设置出水口、设置下渗参数等操作。

本发明提供了三种子汇水区的创建方法，第一种是通过导入shape数据设置子汇水区，第二种方法是手动绘制，第三种方法是通过泰森多边形创建子汇水区。若子汇水区设置了雨量站需将雨量站填充至相应的子汇水区。

本发明提供了五种子汇水区下渗方法。包括霍顿Horton、改进的霍顿ModifiedHorton、格林-安普特Green-Ampt、改进的格林-安普特Modified Green-Ampt、径流曲线Curve Number。

本发明提供查看并编辑子汇水区属性，包括对象名称、描述信息、雨量计、出水口、面积、宽度、排干时间、坡度、不渗透性、最大渗透速率、最小渗透速率、衰减常数、最大容积、地下水信息、积雪信息、边石长度、不渗透性粗糙系数N值、渗透性粗糙系数N值、不渗透性洼地蓄水、渗透性洼地蓄水、无洼地蓄水不渗透性、子面积演算类型、演算百分比。选择任一子汇水区对象名称，右击可进行对象属性、删除对象和高亮定位的操作。子汇水区除了基本属性、子汇水区属性、面积属性外，还有LID控制，可以添加已经预置的LID控制措施，并设置相应参数。

管段主要包括五个要素：管道、孔口、出水口、泵站、堰，其导入和绘制过程一致。提供了两种管段的创建方法，第一种是通过导入shape数据设置管段，第二种方法是手动绘制。管道属性包括对象名称、描述信息、起始点、终止点、最大深度、长度、粗糙系数、进水偏移、出水偏移等。

节点包括四个要素：连接节点、分流器、排放口、蓄水节点，其导入和绘制过程一致。

在本步骤中，支持对每个模型要素，提供创建、删除、绘制和导入功能。

4)一二维耦合模型要素

创建一二维耦合模型要素，包括：侧向连接和正向连接，其中，侧向连接用于记录一组相邻断面与多个边元的耦合信息，正向连接用于记录河道首尾断面与多个边元的耦合信息。

侧向连接和正向连接均包括如下步骤：依次选择河段和断面组，设置左右岸边元、编辑耦合关系，并进行左右岸的互换，自动分区左右岸、清除连接关系。

1、选择河段在设置界面中，用户可在河段下拉列表中选择要创建耦合的河段。选择河段后，

在界面左侧列表中按照上下游顺序，以相邻断面为单位逐行列出所有断面。

2、选择断面组点击选中某行，系统自动在地图界面中选中对应的断面；双击该行，可快速定位至

对应区域。如果该断面组已设置关联的边元，则对应边元同时高亮显示。断面组可单选也可多选。当选中多行时，系统将所有选中的断面和边元列表高亮显示。

3、设置左右岸边元侧向连接设置时，需要区分边元位于河段的左岸或右岸。判断方式为按照从河道上游到下游的方向，左侧为左岸，右侧为右岸。当选中单个断面组时，此处选择的边元自动与对应的断面组建立耦合关系。当选中多个断面组时，系统根据断面与边元的位置关系，自动将选中边元分配到各个断面组。自动计算的结果可能与实际不符，尤其是形状复杂、弯曲较大的河道，计算结果出错的几率较大。因此，批量设置后需要对耦合信息进行检查并修改。

4、耦合关系的编辑

5、左右岸互换：在设置侧向连接时，存在左右岸设置颠倒的可能。为避免用户重复操作，提供左右岸互换的功能。

6、自动区分左右岸选择边元时，用户可直接利用框选工具同时选中左右岸边元。此时，所有边元列表均在同一列中存放。

7、清除连接信息选中单个或多个断面组，可清除所选断面对应的边元信息。

正向连接记录河道首尾断面与一系列边元的耦合信息。其基本操作与侧向连接类似，这里不再重复说明。

完成城市管网和二维网格模型的构建后，新建二维管网耦合图层，同时弹出创建二维管网耦合要素界面，命名并选择管网要素和二维网格，拓扑关系创建完毕。

新建的管网耦合要素出现在左侧图层管理区域，可进行建立侧向连接、删除要素、图层属性的设置。建立侧向连接在计算地表汇流时，为了考虑城市河道或者部分敞口的管渠通过两岸与地表的交互水量(如河道漫溢)，需要建立管渠与二维网格的侧向连接。选择需要连接的管段和单元边、并设置容差，完成侧向连接的建立。可在已有的侧向连接上进行查询连接的管段和单元边、添加单元边操作。

此外，本发明还包括如下步骤：还包括如下步骤：预设曲线集合，曲线集合包括：泵站曲线、蓄水曲线、分流曲线、形状曲线、控制曲线、性能曲线、潮水曲线、断面曲线和水位流量关系曲线九种。用户可以事先设定多种曲线，在需要用到曲线属性的地方，在属性中选择该曲线即可。

本发明还提供LID控制，其中LID类型包括生物滞留网格、雨水花园、绿色屋顶、下渗沟、透水铺装、雨水桶、植草沟、屋面雨水断接八种。用户可以事先设定多种情景，在需要用到LID功能的子流域，在属性中选择该种情景即可。

步骤S3，在建立的模型要素的基础上，设置配置参数以创建计算方案，其中，配置参数包括：边界条件、控制参数和计算结果数据，计算方案包括：一维河网模型方案、一二维耦合方案、二维模型方案、管网二维耦合方案和城市管网模型方案，如图3所示。

如图4所示，计算方案是模型要素与相关配置参数的集合，不同的计算方案可共用相同的模型要素数据。计算方案在计算过程中分别调用不同的模型算法，完成分析模拟计算，实现了核心计算与数据管理之间的相互分离，提高了系统的灵活性。

在本发明的一个实施例中，边界条件包括：水位边界、流量边界和水位流量关系。

控制参数包括：计算起止时间、输出起止时间、计算步长、输出步长。

计算结果数据包括：一维计算结果、二维计算结果和管网计算结果。

在本发明的一个实施例中，一维计算结果，包括：水位实时数据、流量过程数据、河段信息；管网计算结果，包括：子汇水区数据、节点数据和管段数据；二维计算结果，包括：水位、水深和流速实时数据、单元剖面结果、控制点水力要素、控制断面水力要素、建筑水力要素、点源流量、河道断面数据、河道剖面数据。一维河网模型方案在一维河网模型要素的基础上调用一维河网模型算法创建。

1、一维河网计算方案

本发明提供的一维计算引擎有有限差分法和有限体积法。有限差分法计算方案要素由三部分组成：边界条件、控制条件及一维结果查询。有限体积法计算方案要素由两部分组成：边界条件和一维结果查询。

首先选择要素：设置方案名称、添加描述信息，选择计算引擎，系统提供的一维计算引擎有有限差分法和有限体积法。这里以有限差分法为例，说明方案创建的流程。

设置边界条件：

新建的一维方案出现在左侧解决方案图层管理区域。一维边界条件由时间序列数据及其对应的断面组成，用于设置断面的水位、流量过程。添加边界条件：对边界条件进行命名，选择水文数据、边界要素类型及边界对象。水文数据包括水位和流量，边界要素类型为要设置的河段，边界对象为河段断面。图形显示区域显示边界条件图形，图形数据显示时间及对应数值。

一维控制条件包括三部分：控制条件、控制步长、具体控制，用于设置联系要素的开启、关闭控制过程。控制条件可通过实测或计算数据进行控制。实测数据是指方案计算使用的时间序列数据，计算结果为方案计算过程中各要素的实时计算结果。

模型计算前，需要设置相关参数，包括模型输出参数设置、计算参数设置、启动模式设置。输出参数设置包括计算设置和输出设置。用户可设置计算起始时间、结束时间和计算步长。输出控制包括起始时间、结束时间、输出间隔和刷新间隔。计算参数设置包括计算格式处理设置和水位方程迭代求解参数设置。一维摩阻项包括平均摩阻比降和平均流量模数。节点不平衡量处理包括集中式和分布式。水位方程迭代求解参数包括收敛条件、迭代松弛因子、发散条件和最大迭代次数。模型参数设置完毕后，需要对模型进行初始化设置。提供了两种初始条件设置方式，包括自动计算和手动设置。自动计算中设置初始水位、闸门初始开启度以及计算参数。模型初始化完成后，开始执行模型计算。计算过程中，用户可通过工具栏上的暂停计算、继续计算、停止计算实现对计算过程的控制。模型开始计算，计算结果在界面上实时展示。

一维结果查询可查看计算结果，包括如下结果查询选项：水位实时查询；过程数据查询，可查询河段剖面、零维要素和联系要素的过程数据。河段剖面可查询各个断面的水位、流量和流速过程数据。零维要素可查询水位过程数据。联系要素可查看流量过程数据。图形显示栏显示河段水位，数据栏显示河段各个断面的水位数据。河段剖面可对各个断面进行动态模拟；河段信息查询，查询每一个输出时刻的河段剖面水位情况，包括最大水位、最大流量、最大流速。

2、一二维耦合方案

一二维耦合方案在一维河网模型要素、二维浅水模型要素、一二维耦合模型要素的基础上，调用一维河网模型算法和二维模型算法创建，包括：选择一维计算引擎，一维计算引擎包括有限差分法和有限体积法。一二维耦合模型参数设置包括输出参数设置、二维参数设置、一维参数设置和启动模式，然后进行模型初始化。模型初始化完成后，开始执行模型计算。计算过程中，可通过工具栏上的暂停、继续、停止实现对计算过程的控，显示模拟结果。

3、二维模型方案

二维模型方案在二维浅水模型要素的基础上调用二维模型算法创建，其中，二维模型方案由二维边界条件、河道边界条件和二维计算结果组成。

首先设置方案名称、添加描述信息，然后设置边界条件。二维边界条件用于设置网格的入流或出流状态。边界条件由两部分数据组成：时间序列数据及其对应的边元。支持的边界条件数据类型包括：水位边界条件、流量边界条件和开边界。开边界即为自由出流，若未设置边界，默认为固壁边界。边界条件设置完成后，在地图场景中已添加边界条件的边元上添加相应的图标以进行标识。添加边界条件，在地图上选择要设置的边元，对边界条件进行命名，选择时间序列数据、边界条件类型。河道边界条件用于设置简单河道的入流和出流状态。边界条件中用户选择时间序列或者时间曲线中的水位流量关系曲线。系统提供的边界类型包括水位边界、流量边界、水位流量关系、集中入流边界和分布入流边界。添加边界条件，对河道边界进行命名，选择边界条件类型、河道、断面及时间序列。

模型计算前，需要设置相关参数，包括模型计算时间设置、分析控制。时间设置包括计算参数(起始时间、结束时间、计算步长)、输出参数(起始时间、结束时间、输出间隔、刷新间隔)。计算控制用来确定模拟计算的时间范围。输出控制用来确定计算结果输出信息的时间范围。分析控制参数包括二维控制参数、洪水判断参数、分析控制。二维控制参数包括干湿阈值、CFL数、最大单宽流量。洪水判断参数包括流量阈值和水深阈值。启动方式分为热启动和冷启动。模型初始化完成后，开始执行模型计算。计算过程中，用户可通过工具栏上的暂停计算、继续计算、停止计算实现对计算过程的控制。输出模拟结果，并提供以下查询功能，包括：查看实时数据、单元剖面结果查询、控制点水力要素查询、控制断面水力要素查询、建筑水力要素查询、点源流量查询、指定时刻数据输出、过程数据输出、河道断面数据查询、河道剖面数据查询。

其中，河道断面数据查询可查询河道各个断面的流量、水位、过水面积、过水宽度和流速。河道剖面数据查询包括：河道，选择断面，选择数据类型，图形数据和数据列表中即显示实时数据曲线。河道剖面的流量、水位、过水面积、断面宽度和流速。选择数据类型，输入查询时刻，即显示当前时刻的河道剖面数据，可动态模拟河段剖面数据演进过程。

此外，本发明提供对属性的设置，包括：水位、水深、流场的属性设置，基本属性包括对象名称、描述信息、是否可见和透明度。二维流场属性除基本属性还包括箭头属性，还可设置箭头颜色、宽度比例、高度比例。

4、管网二维耦合方案

管网二维耦合方案在二维浅水模型要素、管网二维耦合要素和城市管网模型要素的基础上，调用二维模型算法和管网模型算法创建。模型计算前，需要设置相关参数，包括时间控制、二维控制参数、常用参数、动态波、文件。时间参数设置中可选择手动输入或者从二维边界中更新或者从文件序列中更新。文件序列为水文时间序列。然后进行模型初始化，将模型计算控制参数添加至相应的模型计算方案，进行模拟。模型初始化完成后，开始执行模型计算。计算过程中，可通过工具栏上的暂停、继续、停止实现对计算过程的控制，输出模拟结果。

城市管网模型方案在城市管网模型要素基础上，调用管网模型算法创建，包括：设置方案名称、添加描述信息，选择管网模型要素，选择管网模型时间参数，完成管网方案创建。模型计算前，需要设置相关参数，包括模型计算时间控制、常用参数、动态波、文件。时间控制中可设置计算起止时间、计算步长、输出起止时间、输出间隔、刷新间隔、其他控制包括起止清扫时间、径流旱季、雨季时间、前期干旱日。常用参数包括过程模型、渗入模型、演算模型和杂项。

过程模型包括降雨/径流、降雨依赖、雪融、地下水、流量演算、水质。渗入模型包括霍顿Horton、改进的霍顿Modified Horton、格林-安普特Green-Ampt、改进的格林-安普特Modified Green-Ampt、径流曲线Curve Number。演算模型包括恒定流、运动流、动态波。杂项参数包括允许积水、报告控制行动、报告输入总结以及最小管渠坡度。

模型参数设置完毕后，需要对模型进行初始化设置。模型初始化完成后，开始执行模型计算。计算过程中，用户可通过工具栏上的暂停计算、继续计算、停止计算实现对计算过程的控制，输出并显示模拟结果。可统计查询结果的最大值、最小值、平均值和综合。数据类型包括子汇水区径流、节点水深、节点流量、节点溢流、储存体积、管段流量、流量分级、管道溢流、泵站汇总等。此外，还可将数据导出为Excel文件。其中对于子汇水区来说，字段列表包括降雨、损失、径流、雪深、GW标高、GW流量。对于管段来说，字段列表包括流量、流速、水深、充满度。对于节点来说，字段列表包括入流、溢流、水深、水位。当更换(增加、减少、改变)字段列表信息选项时，可更新查询结果。

剖面图分析中可以查找两个节点之间的路径并绘制剖面图，还可动态展示当前路径的过流状态。用户可以通过点击加号，在地图界面上选取相应的节点设置为起始节点和终止节点，根据起止点计算出所有路径，选择路径，绘制剖面图，根据路径上各条管道的水位值，绘制剖面图。图形展示区展示管道剖面图，同时可通过动画控制动态播放结果，也可以导出当前时刻或所有时刻的.txt格式结果文件。点选相对的模型要素(子汇水区、管段或节点)，地图右下角即显示各要素的过程信息。除名程和日期外，子汇水区信息包括降雨、损失和径流，管段信息包括流量、流速和水深，节点信息包括入流、溢流和水深。

根据本发明实施例的模型要素与计算方案管理方法，通过获取洪水相关基础数据，建一维、二维、一二维耦合城市管网及管网二维模型要素，并针对性提供计算方案，搭建适于乡村河网及城市管网的洪水分析模型，以便于由于后续洪水分析应用中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (8)

1.一种模型要素与计算方案管理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，获取洪水建模分析的多类基础数据；

步骤S2，根据所述多类基础数据，建立洪水分析建模的模型要素，其中，所述模型要素，包括：一维河网模型要素、二维浅水模型要素、城市管网模型要素、一二维耦合模型要素、管网二维耦合要素；

步骤S3，在建立的模型要素的基础上，设置配置参数以创建计算方案，其中，所述配置参数包括：边界条件、控制参数和计算结果数据，所述计算方案包括：一维河网模型方案、一二维耦合方案、二维模型方案、管网二维耦合方案和城市管网模型方案，

其中，所述一维河网模型方案在所述一维河网模型要素的基础上调用一维河网模型算法创建；所述一二维耦合方案在所述一维河网模型要素、二维浅水模型要素、一二维耦合模型要素的基础上，调用一维河网模型算法和二维模型算法创建；所述二维模型方案在所述二维浅水模型要素的基础上调用二维模型算法创建；所述管网二维耦合方案在所述二维浅水模型要素、管网二维耦合要素和城市管网模型要素的基础上，调用二维模型算法和管网模型算法创建；所述城市管网模型方案在所述城市管网模型要素基础上，调用管网模型算法创建。

2.如权利要求1所述的模型要素与计算方案管理方法，其特征在于，所述一维河网模型要素包括：一维河网数据和水文序列，其中，所述一维河网数据包括：河段、零维要素、联系要素和断面节点；

所述二维浅水模型要素包括：二维网格数据和时间序列，所述二维网格数据包括：节点、边元、单元、建筑、点源、控制点、控制断面和简单河道；

所述城市管网模型要素包括：子汇水区、管段、节点、水文站网、曲线集合、时间模式和LID控制，所述管段包括：管道、孔口、出水口、泵站、堰；所述节点包括：连接节点、分流器、排放口和蓄水节点。

3.如权利要求1所述的模型要素与计算方案管理方法，其特征在于，所述边界条件包括：水位边界、流量边界和水位流量关系；

所述控制参数包括：计算起止时间、输出起止时间、计算步长、输出步长；

所述计算结果数据包括：一维计算结果、二维计算结果和管网计算结果。

4.如权利要求1所述的模型要素与计算方案管理方法，其特征在于，在所述步骤S2中，对每个所述模型要素，提供创建、删除、绘制和导入功能。

5.如权利要求2所述的模型要素与计算方案管理方法，其特征在于，所述边元包括：

边界边元，为整个网格的边界，与网格剖分时设置的边界相对应；

控制线边元，为与道路、堤防数据对应的边元，与堰、闸门建筑数据对应；

普通边元，除边界边元和控制线边元外的其他边元。

6.如权利要求1所述的模型要素与计算方案管理方法，其特征在于，在所述步骤S2中，创建所述一二维耦合模型要素，包括：侧向连接和正向连接，其中，

所述侧向连接用于记录一组相邻断面与多个边元的耦合信息，所述正向连接用于记录河道首尾断面与多个边元的耦合信息，

所述侧向连接和正向连接均包括如下步骤：依次选择河段和断面组，设置左右岸边元、编辑耦合关系，并进行左右岸的互换，自动分区左右岸、清除连接关系。

7.如权利要求1所述的模型要素与计算方案管理方法，其特征在于，还包括如下步骤：预设曲线集合，所述曲线集合包括：含泵站曲线、蓄水曲线、分流曲线、形状曲线、控制曲线、性能曲线、潮水曲线、断面曲线和水位流量关系曲线。

8.如权利要求3所述的模型要素与计算方案管理方法，其特征在于，

所述一维计算结果，包括：水位实时数据、流量过程数据、河段信息；

所述管网计算结果，包括：子汇水区数据、节点数据和管段数据；

所述二维计算结果，包括：水位、水深和流速实时数据、单元剖面结果、控制点水力要素、控制断面水力要素、建筑水力要素、点源流量、河道断面数据、河道剖面数据。