Excel图表在洪水调洪水文计算中的应用

【摘 要】利用手工进行调洪计算和绘图比较复杂，熟悉应用Excel的工作表及图表技巧，把水文计算中的公式编辑成Excel表格专用的计算公式，采用列表试算法，利用Excel中的单变量求解功能对小山水库百年一遇设计洪水和两千年一遇校核洪水进行调洪演算，其计算过程简单易懂，具有较好的实际应用价值，对提高日常工作效率有很大帮助。

【关键词】Excel图表；洪水调洪；水文计算；单变量求解

0.概述

水利工程管理运用阶段的主要任务是在确保安全的前提下，充分发挥水利设施的作用。以小山水库为例：小山水库为大型水库，坝址以上集水面积1252km2，按《防洪标准》（GB50201-94）规定，按工程规模，其相应的工程设计洪水标准为百年一遇洪水设计、两千年一遇洪水校核。

1.库容曲线的绘制

在调洪计算中，库容曲线是最基本的，但是，采用手工方式在方格纸上点绘实测数据点是一项非常繁杂的工作，特别是当实测数据量比较多的时候。而在excel中，只要输入相关数据（在第一行单元格中输入相应水位，在第二行单元格中输入容积），点取“插入”-“图表”中选择“xy散点图”，根据提示就可以轻松的绘出库容曲线的散点图，如图1。

图1

2.蓄泄曲线的绘制

在excel中，只要输入相关数据（在第一行单元格中输入泄流能力，在第二行单元格中库容），点取“插入”-“图表”中选择“xy散点图”，根据提示就可以轻松的绘出库容曲线的散点图，如图2。

图2

3.调洪计算

3.1设计洪水过程的推求

（1）选取最大洪水过程为8月23日8：00至24日8：00的洪水过程。

（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——时段初入库、出库流量（m3/s）

Q2、q2——时段末入库、出库流量（m3/s）

V1、V2——时段初、末水库蓄水量（万m3）

t——计算时段（t=1小时）

V=f（q）为水库蓄水量与泄水量曲线

（3）采用列表试算法联立求解水量平衡方程和动力方程，以求得水库的下泄流量过程线。其计算步骤如下：

①根据库区地形资料，绘制水库水位容积关系曲线Z—V。有相应的水利学出流计算公式求得q—V曲线。

②在Excel中输入相应的计算公式，再利用单变量求解功能。从第一时段开始调洪，由刚开始的入流流量查Z—V及q—V曲线得到水量平衡方程中的V1和q1；再有入库洪水过程线查得Q1、Q2；然后假设一个q2值，根据水量平衡算得相应的V2值，有V2在q—V曲线上查得q2，若二者相等，q2即为所求。否则重设q2，重复上述计算过程，直到二者相等为止。如图3

图3

③将上时段末的q2、V2值作为下一时段的起始条件，重复上述试算过程，最后即可得出水库下泄流量过程线。

④如果天然来流量小于正常蓄水位所对应的下泄流量，则用该流量作为假设下泄流量，则根据水量平衡方程可知对应的库容为正常蓄水位对应的库容，水位为正常蓄水位。不用进行试算。直到天然来流量大于正常蓄水位对应的下泄流量时起，开始试算。如表1

表1

⑤作退水段，试算到天然来流量再次小于正常蓄水位对应的下泄流量时，由水量平衡方程算得该时段的下泄流量，直到水库水位低于正常蓄水位时，再由水量平衡方程调节库水位达到正常蓄水位。之后，按计算上面天然来流量小于正常蓄水位对应的下泄流量的方法作完退水段。

⑥在Q，q—V曲线上查得百年最大入库流量Q为1687m3/s和最大下泄流量q为1704m3/s。设计防洪库容V设为90.39×106m3，再由V值在Z—V曲线上查得设计防洪水位Z设为681.14m。

⑦两千年一遇的洪水下泄曲线与入流曲线相交，且下泄曲线的最高点与入流曲线相重合。查得该下泄流量值为2736m3/s。在q—V曲线上查得设计防洪库容V设为107.10×106m3，再由V值在Z—V曲线上查得设计防洪水位Z设为685.23m。

⑧绘制小山百年一遇和两千年一遇的入库流量与下泄流量关系曲线图调洪计算表（列表试算法p=1%）。

（4）在Excel中输入相应时间与洪水入库流量及下泄流量的数据，点取“插入”-“图表”中选择“xy散点图”，然后点击网格线，进行适当加密图格，根据提示就可以轻松的绘出设计洪水过程线及下泄流量过程线的散点图，如图4。

图4

3.2校核洪水过程的推求

（1）利用Excel的计算功能，输入相应公式，求得相应数据（表格计算方法、绘图方法与上述方法完全一样，只是频率P=0.05%，这里笔者就不再详细介绍）。由图中可知，两千年一遇的洪水下泄曲线与入流曲线相交，且下泄曲线的最高点与入流曲线相重合。查得该下泄流量值为2958m3/s。在q—V曲线上查得设计防洪库容V效为110.42×106m3，再由V值在Z—V曲线上查得设计防洪水位Z设为686.04m。

（2）调洪结果：P=1%时，调后最大入库流量1687m3/s，最大下泄流量为1704m3/s，设计洪水位为681.14m，对应的库容为9039万m3。P=0.05%时，调后最大入库流量2681m3/s，最大下泄流量为2736m3/s，设计洪水位为685.23m，对应的库容为一亿零七百一十万m3。由此可进行小山水库的相应设计。

4.结语

该方法是把不同数据应用同一个公式的繁重计算工作简化了，只要人工输入的数据和公式准确，那么计算过程则由计算机来完成。这样这部分的工作量就大大减少了，出错率自然明显地降低了；而且演算成果可以通过插入图表功能自动绘制曲线图。方法简单易懂，高效便捷。Excel电子表格有效的计算功能对水文计算非常有用，很多计算可依此方法进行简化，便于提高工作效率。 [科]

【参考文献】

[1]叶守泽.水文水利计算.中国水利水电出版社，1992，11.

[2]陈元芳.水文与水资源工程专业毕业设计指南.中国水利水电出版社.

[3]1957—1987年松花江流域水文年鉴.

[4]詹道江，叶守则合编.工程水文学.中国水利水电出版社，1987，6.

[5]松江河梯级水电站初步设计报告.水利部松辽水利委员会.

[6]水利计算及水利规划.中国水利水电出版社.