Excel圖表在洪水調(diào)洪水文計算中的應(yīng)用
2013-11-18 06:28:30劉宏宇
劉宏宇
【摘 要】利用手工進(jìn)行調(diào)洪計算和繪圖比較復(fù)雜，熟悉應(yīng)用Excel的工作表及圖表技巧，把水文計算中的公式編輯成Excel表格專用的計算公式，采用列表試算法，利用Excel中的單變量求解功能對小山水庫百年一遇設(shè)計洪水和兩千年一遇校核洪水進(jìn)行調(diào)洪演算，其計算過程簡單易懂，具有較好的實際應(yīng)用價值，對提高日常工作效率有很大幫助。
【關(guān)鍵詞】Excel圖表；洪水調(diào)洪；水文計算；單變量求解
0.概述
水利工程管理運用階段的主要任務(wù)是在確保安全的前提下，充分發(fā)揮水利設(shè)施的作用。以小山水庫為例：小山水庫為大型水庫，壩址以上集水面積1252km2，按《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）規(guī)定，按工程規(guī)模，其相應(yīng)的工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇洪水設(shè)計、兩千年一遇洪水校核。
1.庫容曲線的繪制
在調(diào)洪計算中，庫容曲線是最基本的，但是，采用手工方式在方格紙上點繪實測數(shù)據(jù)點是一項非常繁雜的工作，特別是當(dāng)實測數(shù)據(jù)量比較多的時候。而在excel中，只要輸入相關(guān)數(shù)據(jù)（在第一行單元格中輸入相應(yīng)水位，在第二行單元格中輸入容積），點取“插入”-“圖表”中選擇“xy散點圖”，根據(jù)提示就可以輕松的繪出庫容曲線的散點圖，如圖1。
圖1
2.蓄泄曲線的繪制
在excel中，只要輸入相關(guān)數(shù)據(jù)（在第一行單元格中輸入泄流能力，在第二行單元格中庫容），點取“插入”-“圖表”中選擇“xy散點圖”，根據(jù)提示就可以輕松的繪出庫容曲線的散點圖，如圖2。
圖2
3.調(diào)洪計算
3.1設(shè)計洪水過程的推求
（1）選取最大洪水過程為8月23日8：00至24日8：00的洪水過程。
（2）水量平衡方程基本公式如下：
（Q1+Q2）△t/2-（q1+q2）△t/2=V1-V2
V=f（q）
式中：Q1、q1——時段初入庫、出庫流量（m3/s）
Q2、q2——時段末入庫、出庫流量（m3/s）
V1、V2——時段初、末水庫蓄水量（萬m3）
△t——計算時段（△t=1小時）
V=f（q）為水庫蓄水量與泄水量曲線
（3）采用列表試算法聯(lián)立求解水量平衡方程和動力方程，以求得水庫的下泄流量過程線。其計算步驟如下：
①根據(jù)庫區(qū)地形資料，繪制水庫水位容積關(guān)系曲線Z—V。有相應(yīng)的水利學(xué)出流計算公式求得q—V曲線。
②在Excel中輸入相應(yīng)的計算公式，再利用單變量求解功能。從第一時段開始調(diào)洪，由剛開始的入流流量查Z—V及q—V曲線得到水量平衡方程中的V1和q1；再有入庫洪水過程線查得Q1、Q2；然后假設(shè)一個q2值，根據(jù)水量平衡算得相應(yīng)的V2值，有V2在q—V曲線上查得q2，若二者相等，q2即為所求。否則重設(shè)q2，重復(fù)上述計算過程，直到二者相等為止。如圖3
圖3
③將上時段末的q2、V2值作為下一時段的起始條件，重復(fù)上述試算過程，最后即可得出水庫下泄流量過程線。
④如果天然來流量小于正常蓄水位所對應(yīng)的下泄流量，則用該流量作為假設(shè)下泄流量，則根據(jù)水量平衡方程可知對應(yīng)的庫容為正常蓄水位對應(yīng)的庫容，水位為正常蓄水位。不用進(jìn)行試算。直到天然來流量大于正常蓄水位對應(yīng)的下泄流量時起，開始試算。如表1
表1
⑤作退水段，試算到天然來流量再次小于正常蓄水位對應(yīng)的下泄流量時，由水量平衡方程算得該時段的下泄流量，直到水庫水位低于正常蓄水位時，再由水量平衡方程調(diào)節(jié)庫水位達(dá)到正常蓄水位。之后，按計算上面天然來流量小于正常蓄水位對應(yīng)的下泄流量的方法作完退水段。
⑥在Q，q—V曲線上查得百年最大入庫流量Q為1687m3/s和最大下泄流量q為1704m3/s。設(shè)計防洪庫容V設(shè)為90.39×106m3，再由V值在Z—V曲線上查得設(shè)計防洪水位Z設(shè)為681.14m。
⑦兩千年一遇的洪水下泄曲線與入流曲線相交，且下泄曲線的最高點與入流曲線相重合。查得該下泄流量值為2736m3/s。在q—V曲線上查得設(shè)計防洪庫容V設(shè)為107.10×106m3，再由V值在Z—V曲線上查得設(shè)計防洪水位Z設(shè)為685.23m。
⑧繪制小山百年一遇和兩千年一遇的入庫流量與下泄流量關(guān)系曲線圖調(diào)洪計算表（列表試算法p=1%）。
（4）在Excel中輸入相應(yīng)時間與洪水入庫流量及下泄流量的數(shù)據(jù)，點取“插入”-“圖表”中選擇“xy散點圖”，然后點擊網(wǎng)格線，進(jìn)行適當(dāng)加密圖格，根據(jù)提示就可以輕松的繪出設(shè)計洪水過程線及下泄流量過程線的散點圖，如圖4。
圖4
3.2校核洪水過程的推求
（1）利用Excel的計算功能，輸入相應(yīng)公式，求得相應(yīng)數(shù)據(jù)（表格計算方法、繪圖方法與上述方法完全一樣，只是頻率P=0.05%，這里筆者就不再詳細(xì)介紹）。由圖中可知，兩千年一遇的洪水下泄曲線與入流曲線相交，且下泄曲線的最高點與入流曲線相重合。查得該下泄流量值為2958m3/s。在q—V曲線上查得設(shè)計防洪庫容V效為110.42×106m3，再由V值在Z—V曲線上查得設(shè)計防洪水位Z設(shè)為686.04m。
（2）調(diào)洪結(jié)果：P=1%時，調(diào)后最大入庫流量1687m3/s，最大下泄流量為1704m3/s，設(shè)計洪水位為681.14m，對應(yīng)的庫容為9039萬m3。P=0.05%時，調(diào)后最大入庫流量2681m3/s，最大下泄流量為2736m3/s，設(shè)計洪水位為685.23m，對應(yīng)的庫容為一億零七百一十萬m3。由此可進(jìn)行小山水庫的相應(yīng)設(shè)計。
4.結(jié)語
該方法是把不同數(shù)據(jù)應(yīng)用同一個公式的繁重計算工作簡化了，只要人工輸入的數(shù)據(jù)和公式準(zhǔn)確，那么計算過程則由計算機(jī)來完成。這樣這部分的工作量就大大減少了，出錯率自然明顯地降低了；而且演算成果可以通過插入圖表功能自動繪制曲線圖。方法簡單易懂，高效便捷。Excel電子表格有效的計算功能對水文計算非常有用，很多計算可依此方法進(jìn)行簡化，便于提高工作效率。 [科]
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