應(yīng)用EXCEL軟件進(jìn)行攔沙工程調(diào)洪演算實(shí)例

張 瑞，程 鯤，田 博

(1.黃河水利委員會(huì)晉陜蒙接壤地區(qū)水土保持監(jiān)督局，陜西榆林719000;2.黃河上中游管理局西安規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710021)

攔沙工程是以攔沙為目的的大型水土保持溝道治理工程，是以土壩形式攔河蓄洪蓄沙、以溢洪道形式保障運(yùn)行安全、以放水工程為手段實(shí)現(xiàn)“滯洪排清”的水土保持工程。調(diào)洪演算是攔沙工程設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，調(diào)洪演算的結(jié)果是確定攔沙工程壩高和溢洪道尺寸的主要依據(jù)，也是確保攔沙工程安全性的重要內(nèi)容。調(diào)洪演算是在確定溢洪道溢流堰形式的基礎(chǔ)上，利用庫容曲線、根據(jù)水量平衡原理進(jìn)行試算，得到溢流堰最高水位與溢洪道寬度的合理比例。采用EXCEL軟件設(shè)計(jì)調(diào)洪方案，不需要復(fù)雜的編程，可避免人工計(jì)算費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、容易出錯(cuò)等問題，并且可以通過軟件自帶的圖表功能方便、快捷、直觀地將洪水過程及溢洪道調(diào)洪過程顯示出來，便于調(diào)洪方案的調(diào)整、比選、分析，從而大大提高了工作效率。筆者以黃河流域粗泥沙集中來源區(qū)的禿尾河流域崖窯峁小流域一級(jí)支溝王岔溝的大陰灣2#攔沙壩為例，采用EXCEL軟件進(jìn)行調(diào)洪演算，驗(yàn)證EXCEL軟件在攔沙工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用效果。

1 選擇攔沙壩

大陰灣2#攔沙壩位于禿尾河一級(jí)支流開光川的右岸王岔溝下游，所在小流域面積15.71 km2，侵蝕模數(shù)19200 t/(km2·a)，單壩控制面積3.44 km2，距上游串聯(lián)攔沙壩中的武家石畔攔沙壩 1.09 km、寨山攔沙壩 3.24 km、李家溝岔攔沙壩 4.18 km。根據(jù)《水土保持治溝骨干工程技術(shù)規(guī)范》(SL 289—2003)要求，該壩采用骨干工程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，經(jīng)過不同淤積年限試算，確定總庫容在100萬～500萬m3之間，工程等別為四等，主要建筑物為4級(jí)，洪水重現(xiàn)期為30年設(shè)計(jì)、300年校核，設(shè)計(jì)淤積年限30年。除了李家溝岔攔沙壩采用壩體、放水建筑物“兩大件”設(shè)計(jì)以外，其余上游攔沙壩與大陰灣2#攔沙壩設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相同，均由壩體、溢洪道、放水建筑物“三大件”組成。

2 調(diào)洪演算起始條件

大陰灣2#攔沙壩溢洪道為無閘控制，為最大限度地?cái)r蓄泥沙，溢洪道溢流堰堰頂高程為攔泥壩高，故起調(diào)水位為23.52 m，攔泥庫容為117.42萬m3，起始下泄流量為0。

3 推求庫容—水位關(guān)系曲線、庫容—水位關(guān)系式

新建EXCEL工作表，輸入攔泥庫容以上的庫容、水位數(shù)據(jù)，選擇圖表向?qū)А鷺?biāo)準(zhǔn)類型→圖表類型→XY散點(diǎn)圖，利用庫容、水位數(shù)據(jù)生成XY散點(diǎn)圖，選中生成點(diǎn)右鍵選擇添加趨勢(shì)線，在添加趨勢(shì)線的類型選項(xiàng)卡中選擇趨勢(shì)線類型，使相關(guān)系數(shù)R2趨近于1，如庫容—水位關(guān)系比較復(fù)雜，可分段顯示趨勢(shì)線公式。大陰灣2#攔沙壩水位及對(duì)應(yīng)庫容數(shù)據(jù)見表1，庫容—水位關(guān)系曲線見圖1。

表1 大陰灣2#攔沙壩水位及對(duì)應(yīng)庫容數(shù)據(jù)

圖1 大陰灣2#攔沙壩庫容—水位關(guān)系曲線

圖1 中水位減去起調(diào)水位即可得到滯洪水深即溢流堰堰上水深、溢洪水深，庫容—水位關(guān)系式為 H=2.9829V0.4333－23.52。

4 確定調(diào)洪演算方法

進(jìn)行調(diào)洪演算要先假定溢流堰的形式，依據(jù)洪水過程線反復(fù)試算泄洪過程，通過溢流堰尺寸、安全性、投資效益等內(nèi)容比選，選擇最優(yōu)的調(diào)洪演算方案，確定溢洪道尺寸，從而保證攔沙壩的運(yùn)行安全和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

4.1 溢流堰形式

溢流堰一般采用矩形斷面形式，寬頂堰的堰寬和堰上水頭計(jì)算公式分別為

上二式中:B為溢流堰堰寬，m;q為溢洪道設(shè)計(jì)流量，m3/s;M為流量系數(shù)，取值范圍為1.42～1.62;H0為計(jì)入行進(jìn)流速的堰上水頭，m;h為溢洪水深，即堰前溢流坎以上水深，m;V0為堰前流速，m/s;g 為重力加速度，取 g=9.81 m/s2。

4.2 洪水過程線

采用概化三角形過程線法推求洪水過程線，則洪水過程線可用兩個(gè)線性關(guān)系式表示，即當(dāng)T≤936時(shí)，

圖2 大陰灣2#攔沙壩洪水過程線

4.3 調(diào)洪演算方法

根據(jù)單位時(shí)段入庫、出庫、庫存水量平衡原理，先假定一個(gè)溢流堰堰寬，由洪水開始時(shí)單位時(shí)段內(nèi)入庫洪水總量即本壩洪水和上游壩泄洪總量之和，根據(jù)庫容—水位關(guān)系曲線、庫容—水深關(guān)系式得到一個(gè)溢洪水深;再將該溢洪水深代入堰寬和堰上水頭計(jì)算公式得到下泄流量，從而得出該時(shí)段的泄洪總量;然后將入庫洪水減去泄洪總量得到滯洪庫容，該滯洪庫容對(duì)應(yīng)一個(gè)新的溢洪水深，新的溢洪水深又對(duì)應(yīng)新的泄流量和泄洪總量;這是一個(gè)互相引用、反復(fù)試算下泄流量以達(dá)到時(shí)段內(nèi)水量平衡的計(jì)算過程，最終確定該時(shí)段的下泄流量。下一時(shí)段入庫洪水總量為上一時(shí)段的滯洪庫容、本時(shí)段本壩洪水和上游壩泄洪總量之和，采用同樣方法，得到隨時(shí)間推移溢流堰的下泄流量是一個(gè)帶峰值的曲線，該峰值對(duì)應(yīng)的下泄流量和溢洪水深分別為該斷面溢流堰的最大下泄流量和溢洪水深。試算不同溢流堰堰寬得出不同的泄洪過程，通過調(diào)洪方案比選得出最優(yōu)的泄洪過程和溢洪道斷面尺寸，從而完成調(diào)洪演算的任務(wù)。

5 調(diào)洪演算

采用EXCEL自帶的公式引用、循環(huán)、迭代計(jì)算完成調(diào)洪演算的試算過程。下面介紹應(yīng)用EXCEL軟件進(jìn)行調(diào)洪演算的步驟。

在EXCEL的工具菜單欄中選擇選項(xiàng)→重新計(jì)算→迭代計(jì)算，選擇最多迭代次數(shù)100、最大誤差0.001。制作調(diào)洪演算表格，共設(shè)置10列，主要參數(shù)見表2。其中，A列為洪水歷時(shí)，單位為min，時(shí)間間隔設(shè)為1 min，從洪水起始(0)至洪水結(jié)束(92 min)，中間加設(shè)洪峰時(shí)間15.6 min;B列為洪水間隔歷時(shí)，單位為s，在B2錄入“=(A3－A2)*60”;C列為該時(shí)段上游攔沙壩下泄洪水流量，單位為m3/s，如上游壩無溢洪道則該列數(shù)值均為“0”;D列為洪水流量，單位為m3/s，在洪峰時(shí)間前后輸入不同的線性關(guān)系式，即在 D2輸入“=230/936*A2”，D18輸入“=230/(5220－936)*(5220－A18)”;E列為庫容，單位為萬m3，在E2錄入攔泥庫容117.42萬 m3，E3錄入公式“=E2+I3”;F列為該時(shí)段內(nèi)入庫洪水總量，為本時(shí)段本壩洪水總量與上游攔沙壩下泄洪水總量之和，計(jì)算公式為(上時(shí)段末上游攔沙壩下泄洪水流量+本時(shí)段末上游攔沙壩下泄洪水流量+上時(shí)段末本壩洪水流量+本時(shí)段末本壩洪水流量)÷2×本時(shí)段時(shí)長(zhǎng)，故在F2直接錄入數(shù)字“0”，F(xiàn)3錄入公式“=(C2+C3+D2+D3)/2*B3/10000”;G列為溢流堰下泄流量，單位為m3/s，在G2錄入數(shù)字“0”，根據(jù)溢流堰堰寬和堰上水頭公式，在G3錄入溢流堰下泄流量公式，即“=假定溢流堰寬度數(shù)值*1.5*J3^1.5”，錄入該公式時(shí)引用J3溢洪水深;H列為本時(shí)段下泄洪水總量，單位為萬m3，根據(jù)溢流堰上時(shí)段末下泄流量和本時(shí)段末下泄流量求得，計(jì)算公式為(上時(shí)段末下泄流量+本時(shí)段末下泄流量)÷2×本時(shí)段時(shí)長(zhǎng)，即在H3錄入“=(G2+G3)/2*B3/10000”;I列為時(shí)段內(nèi)滯洪總量，單位為萬m3，計(jì)算公式為本時(shí)段入庫洪水總量－本時(shí)段下泄洪水總量，即在I3錄入“=F3－H3”;J列為滯洪水深，單位為m，根據(jù)溢洪水深關(guān)系式，在J3 錄入“=2.9828*E3^0.4333 －23.52”。表格信息錄入完成后，檢查各列公式及單位，為G列公式輸入一個(gè)假定的溢流堰堰寬，選中E3至I3行，計(jì)算至洪水結(jié)束時(shí)間，找出G列的最大下泄流量值和J列的最大溢洪水深值。假定溢流堰堰寬分別為 4.0、4.5、5.0、6.0 m，得出 4 組最大下泄流量、溢洪水深，并進(jìn)行方案比選，最終確定方案三為大陰灣2#攔沙壩調(diào)洪演算方案，比選結(jié)果見表3，選定方案泄洪過程線見圖3。

表2 調(diào)洪演算表格主要參數(shù)

表3 大陰灣2#攔沙壩調(diào)洪演算方案比選

圖3 大陰灣2#攔沙壩洪水過程線及泄洪過程線(選定方案)

6 結(jié)語

本研究采用EXCEL軟件設(shè)計(jì)的調(diào)洪演算程序可用于方案調(diào)整、對(duì)比分析，計(jì)算過程省時(shí)省力、高效快捷，并且容易掌握，對(duì)于基層設(shè)計(jì)單位攔沙壩調(diào)洪演算具有實(shí)際意義。筆者總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出該方法，希望拋磚引玉，尋求更合理、高效的攔沙工程調(diào)洪演算計(jì)算方法。