潘家口水庫(kù)水情信息處理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

吉辛望 ，佟德軍

（1.海河水利委員會(huì)引灤工程管理局，河北 遷西 064309；2.河北省唐秦水文局，河北 唐山 063000）

0 前言

潘家口水庫(kù)位于河北省遷西縣境內(nèi)灤河干流中游，控制流域面積 33700 km2。水庫(kù)大壩為混凝土低寬縫重力壩，中間部分設(shè)有 18 孔溢洪道，用 15 m ×15 m 弧形閘門(mén)控制。31＃和 32＃壩段為底孔壩段，共設(shè) 4 個(gè)底孔（其中1＃底孔后改建為防汛自備電站進(jìn)水口），用 4 m×6 m 弧形閘門(mén)控制。壩后建有混合式電站 1 座，由 1 臺(tái) 150 MW 常規(guī)機(jī)組（1＃機(jī)）和 3 臺(tái) 90 MW 抽水蓄能機(jī)組（2＃～4＃機(jī)）組成。水庫(kù)大壩下游 6 km 處，另建有 1 座混凝土攔河壩，形成一個(gè)與電站尾水連成一體的抽水蓄能機(jī)組反調(diào)節(jié)池（下池）。

下池蓄水及抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行后，原壩下測(cè)流斷面即行廢止，水庫(kù)（上池）出庫(kù)流量改由發(fā)電洞、溢洪道、泄洪洞工作（泄流）曲線（即水力學(xué)法）進(jìn)行計(jì)算。這種多類型、多孔洞出流的水情處理過(guò)程，涉及 10 多類原始數(shù)據(jù)，需翻閱、查算 6 種關(guān)系查算表，參加計(jì)算的數(shù)據(jù)多達(dá) 50 余組。水情信息傳輸?shù)臅r(shí)效性和原始數(shù)據(jù)的正點(diǎn)采集，要求水情計(jì)算及拍報(bào)必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)完成。采用傳統(tǒng)手工方法計(jì)算，工作量大且易出錯(cuò)，遲報(bào)、錯(cuò)報(bào)現(xiàn)象難以徹底消除。為此，開(kāi)發(fā)了基于 Windows 平臺(tái)的潘家口水庫(kù)水情信息處理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理及水、雨情信息傳輸?shù)淖詣?dòng)化。

1 系統(tǒng)功能

潘家口水庫(kù)水情信息處理系統(tǒng)，不僅需要處理逐日的水情信息并產(chǎn)生水情日?qǐng)?bào)表，還需將逐日和瞬時(shí)采集到的水文信息及計(jì)算成果存入數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)在下月初和第二年年初生成并打印月、年成果表。因此，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用軟件。鑒于 Object Pascal 具有代碼效率高、使用方便及速度快等特點(diǎn)，故將其作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并以 Delphi 7.0 為編程工具，Access 為數(shù)據(jù)庫(kù)，ADO 為數(shù)據(jù)庫(kù)引擎。最終開(kāi)發(fā)出的軟件，經(jīng)安裝生成一個(gè)擴(kuò)展名為“.exe”的 Windows 應(yīng)用程序。系統(tǒng)運(yùn)行后的主數(shù)據(jù)表界面如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)主數(shù)據(jù)表畫(huà)面

1.1 數(shù)值計(jì)算

（1）依據(jù) 1＃～4＃機(jī)組發(fā)電運(yùn)行后的表底讀數(shù)計(jì)算日發(fā)電量，進(jìn)而求得發(fā)電用水量（流量）；依據(jù) 2?！?＃機(jī)組抽水運(yùn)行后的表底讀數(shù)計(jì)算抽水耗電量，求得抽水水量（流量），并以負(fù)值表示。以發(fā)電用水量（流量）與抽水水量（流量）的代數(shù)和作為發(fā)電洞日平均出庫(kù)流量。

（2）依據(jù)上、下池水位人工觀測(cè)值，按各自庫(kù)容曲線分別插值計(jì)算上、下池庫(kù)容。

（3）實(shí)時(shí)計(jì)算多個(gè)不同工況的溢流閘的泄流量，對(duì)全日多個(gè)泄流時(shí)段的泄流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求得溢流閘日平均泄流量。

（4）實(shí)時(shí)計(jì)算多個(gè)不同工況的泄洪洞的泄流量，對(duì)全日多個(gè)泄流時(shí)段的泄流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，求得泄洪洞日平均泄流量。

（5）依據(jù)有功功率及運(yùn)行小時(shí)數(shù)，按給定公式計(jì)算自備電站日平均出流量。

（6）將以上各計(jì)算結(jié)果相加，得到日平均總出庫(kù)流量。

（7）依據(jù)日平均總出庫(kù)流量和水庫(kù)（上池）蓄水變量，計(jì)算日平均入庫(kù)流量。

（8）將上述計(jì)算結(jié)果按本次計(jì)算所在記錄位置追加至數(shù)據(jù)庫(kù)；在下個(gè)旬初、月初、年初開(kāi)始時(shí)刻，分別計(jì)算旬、月、年統(tǒng)計(jì)值。

1.2 報(bào)表生成

（1）水情計(jì)算完畢后，同時(shí)編制水情日?qǐng)?bào)表；

（2）每月 1 日，生成上月水情月報(bào)表（含月統(tǒng)計(jì)值）；

（3）年初按各水情因子分別生成上一年的年報(bào)表。

1.3 數(shù)據(jù)維護(hù)

系統(tǒng)提供了對(duì)主數(shù)據(jù)表等各類表的維護(hù)功能，主要用于特殊情況下對(duì)數(shù)據(jù)表記錄的批量修改或添加，包括追加、修改、插入、刪除等。在進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)操作時(shí)，鼠標(biāo)停留在相關(guān)按鈕上，即顯示對(duì)其功能的提示信息，以方便用戶操作。其中，對(duì)于“刪除”操作，系統(tǒng)會(huì)要求用戶進(jìn)行確認(rèn)，以避免誤操作。數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)界面如圖2 所示。

1.4 報(bào)文及報(bào)表輸出

在報(bào)文區(qū)，提供了剪貼板編輯功能，藉此功能，即使是采用不同水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)的報(bào)文，也都能順利實(shí)現(xiàn)二次編輯。報(bào)文編輯區(qū)界面如圖3 所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)界面

圖3 報(bào)文編輯區(qū)界面

2 數(shù)據(jù)庫(kù)、函數(shù)及控件

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫(kù)是庫(kù)表結(jié)構(gòu)。根據(jù)任務(wù)需要，在數(shù)據(jù)庫(kù)里建立了以下 3 類數(shù)據(jù)表：

（1）程序系統(tǒng)表

主要包括主數(shù)據(jù)表和溢洪閘、泄流洞、發(fā)電洞瞬時(shí)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)空表。當(dāng)程序運(yùn)行中判斷需要?jiǎng)?chuàng)建新表時(shí)，即自行復(fù)制為相應(yīng)表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。此外，系統(tǒng)表還包括程序運(yùn)行所需的一些初始信息。

（2）各種曲線表

主要存放上庫(kù)容和下庫(kù)容曲線、泄流洞和溢流閘泄流量查算表、發(fā)電機(jī)組效率曲線等關(guān)系表的數(shù)據(jù)（節(jié)點(diǎn)），供程序運(yùn)行時(shí)調(diào)用。

（3）用戶數(shù)據(jù)表

主要包括存放有各水文要素實(shí)測(cè)值的主數(shù)據(jù)表，及存放溢流閘、泄流洞和發(fā)電洞運(yùn)行參數(shù)的其他數(shù)據(jù)表。主數(shù)據(jù)表每日生成 1 條記錄。為提高檢索速度和保證數(shù)據(jù)安全，以系統(tǒng)日期為準(zhǔn)，每月生成 1 張主數(shù)據(jù)表。溢流閘、泄流洞和發(fā)電洞數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)量較少，故每年只分別產(chǎn)生 1 張相應(yīng)數(shù)據(jù)表。

2.2 主要函數(shù)

2.2.1 上、下池庫(kù)容曲線插值函數(shù)

函數(shù)定義：function kr1 ( h:variant):variant; //上庫(kù)容插值函數(shù)function kr2 ( h:variant):variant; //下庫(kù)容插值函數(shù)按照上、下池庫(kù)容曲線的趨勢(shì)，在能控制曲線走向的前提下，選取一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)，存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中的相應(yīng)數(shù)據(jù)表內(nèi)。根據(jù)曲線的線性，分別用直線內(nèi)插和一元三點(diǎn)插值公式進(jìn)行插值，經(jīng)驗(yàn)證滿足精度要求。

直線內(nèi)插公式：

一元三點(diǎn)插值公式：

式中：X, Xi, Xi+1, Xi+2分別為庫(kù)容曲線上的水位節(jié)點(diǎn)；Y, Yi, Yi+1, Yi+2分別為庫(kù)容曲線上的蓄水量節(jié)點(diǎn)；H 為插值點(diǎn)的水位；V 為插值點(diǎn)的相應(yīng)蓄水量。

2.2.2 溢流閘泄流量計(jì)算函數(shù)

函數(shù)定義：

function fff ( a:real ): real; //查表求 ? 值

function mmm ( h:real ): real; //查表求 m 值

function jisuan ( h:real;e:real ): real; //計(jì)算溢流閘流量

function ylzcb ( h:real;e:real ): real; //單孔溢流量查算

function xlz ( riqi:integer ): real; //遍歷泄流數(shù)據(jù)庫(kù)

為方便用戶使用，程序提供了 2 種溢流閘流量計(jì)算方式，即公式法和查表法，可任選其一，默認(rèn)方式為查表方式。

溢流閘泄流量公式：Q = ?（H, e），

式中：Q 為溢流閘瞬時(shí)泄流量；H 為水頭（壩前水位減堰頂高程）；e 為閘門(mén)開(kāi)度。

（1）查表法

查表法，是使用原有的 H-e-Q 關(guān)系表直接查讀流量。將 H-e-Q 關(guān)系表存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中的曲線表中，程序根據(jù)壩上水位和閘門(mén)開(kāi)度可查出相應(yīng)的泄流量。 H-e-Q 關(guān)系表是個(gè)三維表，而 Microsoft Access的數(shù)據(jù)表是二維表，故存放時(shí)需增加 1 字段，以實(shí)現(xiàn)三維查詢。對(duì)于關(guān)系表中的空缺處，則采用在數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)數(shù)據(jù)欄填入特殊標(biāo)記字符串的方式，程序讀取后自行判定并提示采用公式法計(jì)算。

（2）公式法[1][2]

式中：M 為堰流流量系數(shù)，由 WES 標(biāo)準(zhǔn)剖面堰 M =? ( m, H ) 關(guān)系查得；m 為孔流流量系數(shù)，m = 0.8 e/H + (0.25 - 0.357 e/H ) cos α；s 為溢流閘開(kāi)啟孔數(shù)（開(kāi)度須相同）；B 為單孔溢流閘門(mén)寬度；α 為弧形閘門(mén)下弦線與水平線夾角，α = arc cos ((c - e)/r )，c 為閘門(mén)軸至堰頂垂直距離，r 為弧形閘門(mén)半徑；? 為垂直收縮系數(shù)；F 為橫向收縮系數(shù)，F(xiàn) = 0.9 -{0.2[ξk+ ( s -1)ξe]H }/s B，ξk= 0.05，ξe= 0.45；g 為重力加速度。

當(dāng) e / H ≤ 0.75 時(shí)為孔流，否則為堰流。

溢流閘日平均泄流量計(jì)算：溢流閘日泄流量為各單次泄流量折合日平均流量之和。

式中：Q泄為泄流閘日平均泄流量；Qi1為第 i 次泄流開(kāi)始時(shí)刻瞬時(shí)流量；Qi2為第 i 次泄流終了時(shí)刻瞬時(shí)流量；△ti為第 i 次泄流歷時(shí)。

2.2.3 泄洪洞泄流量計(jì)算函數(shù)

函數(shù)定義：

function chaxian ( h:real ): real; //泄洪洞泄流曲線插值函數(shù)

function fsd ( riqi:integer ): real; //遍歷泄洪洞數(shù)據(jù)庫(kù)

泄洪洞泄流量 Q = ? (H)，采用查表法計(jì)算，即：將現(xiàn)有壩前水位與泄洪洞泄流量關(guān)系曲線節(jié)點(diǎn)存入數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)數(shù)據(jù)表中，由程序讀取水位級(jí)節(jié)點(diǎn)，按直線內(nèi)插求得相應(yīng)泄流量。

泄洪洞日平均泄流量計(jì)算方法與泄流閘相似，為各單次泄流量折合日平均流量之和。

2.2.4 發(fā)電洞出流量計(jì)算函數(shù)

函數(shù)定義：

procedure TForm 7.Button 2 Click (Sender: TObject );//事件

function aq ( ah:real;var ah1,ah 2,ah 3:real ): real;//效率曲線插值函數(shù)

function fdd ( riqi:integer ): real; //遍歷發(fā)電洞數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)電洞出流量，按機(jī)組發(fā)電量，用下式[3]計(jì)算：

式中：Q電為發(fā)電洞日平均出流量；P為電功率，以1日的電功值除以24得之；J為效率，J= ? (H)。效率曲線保存在數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)數(shù)據(jù)表中，由程序根據(jù)當(dāng)前壩前水位插值求得；H為水頭，由壩前水位減去發(fā)電機(jī)尾水位（即下池平均運(yùn)用水位，采用139.00m）求得。

2.2.5 日平均出庫(kù)流量計(jì)算函數(shù)

日平均出庫(kù)流量為上述各單項(xiàng)出庫(kù)流量之和。

2.2.6 數(shù)字組格式化函數(shù)

函數(shù)定義：

function ws ( q:real ): real; //流量有效位數(shù)函數(shù)

function gsh ( h1,h:string ): string; //格式化水位字串，相同整數(shù)位省略

function gsjs ( t:real ): string; //格式化降水量字串

function ny(t:integer): string; //天數(shù)轉(zhuǎn)換成X月X日

格式函數(shù)的設(shè)置，主要是為控制計(jì)算結(jié)果的有效位數(shù)，使其滿足規(guī)范要求。水位、降水量格式函數(shù)主要用于轉(zhuǎn)換輸出界面的顯示格式和報(bào)表的數(shù)據(jù)格式。

2.3 控件

本軟件使用的控件主要包括以下幾類：

（1）數(shù)據(jù)訪問(wèn)及數(shù)據(jù)感應(yīng)控件；

（2）人機(jī)交互和界面控制控件；

（3）報(bào)表和其他用途控件。

3 主要特點(diǎn)

潘家口水庫(kù)水情信息處理系統(tǒng)，具有以下主要特點(diǎn)：

（1）人性化處理方式

軟件能自動(dòng)處理各類偶然事件，如：可根據(jù)系統(tǒng)日期，自行判斷報(bào)表所屬類型；對(duì)閏年、閏月等的出現(xiàn)，也可自動(dòng)判斷并進(jìn)行相應(yīng)處理。

鑒于水情信息處理的實(shí)時(shí)性，在數(shù)據(jù)讀取和記錄指針定位時(shí)，直接讀取電腦系統(tǒng)時(shí)鐘，避免用戶指針定位錯(cuò)誤。

（2）人機(jī)交互能力強(qiáng)

軟件對(duì)各主要參（系）數(shù)給出默認(rèn)值，同時(shí)提供相應(yīng)修改功能。用戶根據(jù)需要，可選擇使用手工輸入或使用加法器對(duì)這些參（系）數(shù)進(jìn)行修改，以適應(yīng)水情處理計(jì)算需求。

（3）界面直觀，操作簡(jiǎn)便

軟件界面友好，提供單表和雙表2 種顯示模式，用戶可根據(jù)個(gè)人習(xí)慣任選其一；提供有多個(gè)快捷按鈕，除輸入數(shù)據(jù)時(shí)需用鍵盤(pán)外，其它操作均可通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)完成，使用起來(lái)方便、快捷。

（4）安全性高

軟件考慮了數(shù)據(jù)庫(kù)存放數(shù)據(jù)的安全性要求，提供了對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行刪除操作的提示、確認(rèn)功能；用戶界面只顯示當(dāng)前操作對(duì)應(yīng)的表格及選項(xiàng)，其它無(wú)關(guān)表格或選項(xiàng)不顯示，可有效防止誤操作。軟件核心系統(tǒng)表部分，在用戶界面不可見(jiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

潘家口水庫(kù)水情信息處理系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)完成后，進(jìn)行了測(cè)試。軟件的測(cè)試，主要針對(duì)涉及各種曲線的計(jì)算模塊進(jìn)行。重點(diǎn)對(duì)發(fā)電洞出流量計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。按 1＃機(jī)發(fā)電、蓄能機(jī)發(fā)電、蓄能機(jī)抽水 3 種工況分別進(jìn)行測(cè)試，有效樣本分別為 31、44 和 39 個(gè)。通過(guò)測(cè)試，確定 1#機(jī)發(fā)電、蓄能機(jī)發(fā)電、蓄能機(jī)抽水 3 者流量修正系數(shù)依次為 1.00、0.88 和 0.62。同時(shí)對(duì)月報(bào)表的產(chǎn)生和輸出功能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，月報(bào)表能正常生成及打印，月統(tǒng)計(jì)值準(zhǔn)確無(wú)誤。

通過(guò) 2005 年汛期以來(lái)的運(yùn)行，證明軟件性能可靠，功能較為完善。由于考慮了各種復(fù)雜條件下的出流情況，使得計(jì)算過(guò)程更加合理，計(jì)算結(jié)果能夠滿足潘家口水庫(kù)與其下游大黑汀水庫(kù)及區(qū)間支流潵河 3 者間達(dá)成水量平衡的要求。水情處理所需時(shí)間大幅縮短，滿足了水情傳遞的時(shí)效性要求。

2006 年，新的《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》開(kāi)始實(shí)施。利用軟件提供的剪貼板編輯功能及輸出的水情報(bào)表，可方便地實(shí)現(xiàn)與新的水情收、發(fā)報(bào)系統(tǒng)的整合，使水情處理及傳輸效率提高到一個(gè)全新的水平。

[1]華東水利學(xué)院. 水工設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：水利電力出版社，1987，12.

[2]莫斯特柯夫. 水力學(xué)手冊(cè)[M]. 北京：水利出版社，1956，11.

[3]湖北省水利學(xué)校. 水文資料整編[M]. 北京：水利電力出版社，1979，11.