基于Excel技 術(shù)平臺設(shè)計小面積坡面洪峰流量

楊 欽 ，鄒文安 ，王 誠

（1.吉林省水利科學(xué)研究院，吉林 長春130022；2.吉林省水文實驗研究所，吉林 長春130033；3.松遼水利委員會移民開發(fā)中心，吉林 長春130021）

1 概述

在小面積坡面設(shè)計洪峰流量工程設(shè)計中，常用的方法有：

1）水科所法。主要是圍繞各時段設(shè)計暴雨、暴雨時程分配，計算前期影響雨量、推算凈雨深，以及根據(jù)入滲損失參數(shù)、產(chǎn)流歷時、匯流歷時和匯流參數(shù)等，推算洪峰流量。該方法相對完善，應(yīng)用較多，但計算過程較繁瑣。

2）地區(qū)綜合法。實際上是由流量資料推求設(shè)計洪水一種算法。利用區(qū)域多年的最大流量、各時段最大洪量和變差系數(shù)等成果，推求設(shè)計最大流量、各時段最大洪量；再利用洪水歷時、洪量等成果，推算洪水總歷時、洪水過程線，根據(jù)設(shè)計倍比系數(shù)推求洪水過程線。該方法理論依據(jù)充分，也較符合實際，但需要較多歷史資料，計算過程復(fù)雜。

3）單位線法。實際上是一種蓄滿產(chǎn)流模型，它是由降水徑流關(guān)系推算凈雨深、由實際發(fā)生的洪水過擬合洪水設(shè)計單位線。該模型理論依據(jù)科學(xué)合理，符合實際，精度高，常用于水文短期洪水預(yù)報。不足之處是對歷史場次降水、洪水資料要求較多，且洪水單位線不宜移植。

4）經(jīng)驗公式法和羅斯托莫夫法。是基于無資料地區(qū)設(shè)計洪峰流量的一種算法，這兩種算法考慮影響因素不多，計算方法簡單，但計算結(jié)果受人為影響較大。

5）鐵院法。實際上是由暴雨資料推求設(shè)計洪水一種算法，也是對羅斯托莫夫法改進的一種算法。該方法是通過設(shè)計暴雨、區(qū)域地理水文等參數(shù)，分析確定土壤穩(wěn)定下滲率、推算匯流參數(shù)；再根據(jù)暴雨指數(shù)、穩(wěn)定下滲率、設(shè)計雨力、匯流參數(shù)等，試算徑流系數(shù)，推算匯流時間，進而設(shè)計坡面洪峰流量。該方法比較直觀、簡單、容易理解，相對來講，理論依據(jù)充分，符合實際，應(yīng)用較廣泛。

本次著重分析研究由暴雨資料推求小面積坡面設(shè)計洪水（即鐵院法）過程。

2 鐵院法小面積坡面設(shè)計洪峰流量算法

2.1 工程控制區(qū)域地理、水文基本參數(shù)

本算法需要的地理、水文基本參數(shù)主要包括：工程控制面積F(km2)、坡面長度L0(km)、坡面坡度J0(%)、坡地匯流糙率n、暴雨指數(shù)N1，N2和主要土壤質(zhì)地等。

2.2 設(shè)計暴雨

根據(jù)工程所在區(qū)域和水文圖集等資料，查算最大24 h多年平均降水量H24、多年變差系數(shù)Cv，Cs/Cv采用經(jīng)驗數(shù)3.5。根據(jù)工程設(shè)計的頻率，在皮爾遜Ⅲ型曲線的模比系數(shù)表中查得對應(yīng)的KP值，利用下式設(shè)計暴雨H24j（時段為24 h）。

式中：KP——設(shè)計頻率的模比系數(shù)；H24——24 h多年平均降水量，mm。

2.3 設(shè)計雨力

當(dāng)匯流歷時小于等于60 min時，設(shè)計雨力Sp計算公式為

當(dāng)匯流歷時大于60 min時，設(shè)計雨力Sp計算公式為

2.4 全面匯流時間參數(shù)

坡地全面匯流時間參數(shù)K0采用下面公式計算

2.5 產(chǎn)峰徑流系數(shù)

產(chǎn)峰徑流系數(shù)C需試算求得，試算方法為：假定產(chǎn)峰徑流系數(shù)C，計算兩個匯流參數(shù)特征值A(chǔ)，B，通過試算產(chǎn)峰徑流系數(shù)，使A，B即（5）式與（6）式相等或相近，那么，產(chǎn)峰徑流系數(shù)C即為所求。

式中：μ為穩(wěn)定下滲率，mm/min。

2.6 坡地全面匯流時間

坡地全面匯流時間τ0采用公式⑺計算

2.7 坡地洪峰流量

坡地洪峰流量Qm采用下面公式計算

3 基于Excel平臺小面積坡面設(shè)計洪峰流量的應(yīng)用

由于本算法計算量較大，且產(chǎn)峰徑流系數(shù)C需要試算，計算較繁瑣，為此，以Excel為技術(shù)平臺，建立計算模板，能夠很好地解決這個問題。

模板設(shè)計思路是利用Excel工具表中單元格能夠定位的特點，把已知工程控制區(qū)域的地理、水文基本參數(shù)、查算暴雨特征值以及中間計算成果等數(shù)據(jù)定位賦值到各單元格，再利用Excel內(nèi)置的加減乘除、指數(shù)等函數(shù)、邏輯函數(shù)等，把這些單元格和小面積坡面設(shè)計洪峰流量的計算公式定位鏈接起來，建立起能夠進行一次性運算設(shè)計洪峰流量模板。

本文以吉林省中部某個河流為例，建立Excel技術(shù)平臺的設(shè)計洪峰流量計算模板。該河流集水面積240 km2，坡面平均長度2.34 km，坡面坡度1.78%，坡地匯流糙率為0.1，土壤質(zhì)地以壤土為主；多年平均最大24 h降水量為72 mm，多年變差系數(shù)為0.54，暴雨指數(shù)分別為0.55，0.72等。

3.1 工程控制區(qū)域地理、水文基本參數(shù)

將已知的有關(guān)地理、水文基本參數(shù)直接在單元格中賦值，見圖1中的單元格B5～J5，B9～F9等。其中，J5是根據(jù)工程控制區(qū)域主要土壤質(zhì)地在表3中選取對應(yīng)數(shù)值，I9是根據(jù)控制區(qū)域面積和經(jīng)驗來界定，并用坡地全面匯流時間τ0來檢驗（見圖2中的表6）。

3.2 設(shè)計暴雨計算

計算設(shè)計暴雨H24=KPH24，對應(yīng)的單元格為G9=F9·C9，見圖1。

3.3 設(shè)計雨力計算

設(shè)計雨力計算首先需要判斷匯流歷時是否小于等于60 min，小于等于60 min設(shè)計雨力采用公式（2），否則選用公式（3）。

模板采用 Excel中的邏輯判斷函數(shù) IF(logical_test，value_if_true，value_if_false)來實現(xiàn)的，對應(yīng)窗口代碼為“=IF(I9＜=60，G9/(60^(1-G5)·24^(1-H5))，C9/1 440^(1-H5))”，見圖1中的單元格H9。

3.4 計算坡地全面匯流時間參數(shù)

坡地全面匯流時間參數(shù)K0是計算全面匯流時間τ0的中間參數(shù)，計算公式如⑷所示，對應(yīng)窗口代碼為“=680·(F5·C5)^0.6/D5^0.3”，見圖 2 中的單元格 B22。

3.5 產(chǎn)峰徑流系數(shù)試算

產(chǎn)峰徑流系數(shù)C是通過人工賦值（試算），使匯流參數(shù)特征值A(chǔ)，B相等或相近（對應(yīng)計算公式⑸、公式⑹），那么，C即為所求。見圖2表5中的單元格I27，公式⑸、公式⑹對應(yīng)單元格分別是F27、J27，對應(yīng)窗口代碼分別為“=C27·(D27/E27)^(1/(1-0.4·B27))”、“=(1-I27)·I27^(0.4·B27/(1-0.4·B27))”。

3.6 坡地全面匯流時間

用τ0表示，見圖2表6中的單元格F32，對應(yīng)計算公式⑺，對應(yīng)窗口代碼為“=(B22/(B32·C32)^0.4)^(1/(1-0.4·E32))”。

3.7 坡地洪峰流量計算

用Qm表示，見圖2表6中的單元格I32，對應(yīng)計算公式⑻，對應(yīng)窗口代碼為“=16.67·C32·B32·H32/G32”，計算結(jié)果是985 m3/s。

4 模版優(yōu)缺點

1）優(yōu)點：實用性較強；直觀、易懂，便于理解“鐵院法”小面積坡面設(shè)計洪峰流量算法；人機交互性能好，運算數(shù)據(jù)、成果具有可視性，便于適時掌握模板各有關(guān)數(shù)據(jù)、成果變化規(guī)律。

2）缺點：Excel工作表中鏈接公式保護性不強，界面不夠美觀。