Excel試算法在北疆供水工程設計中的應用探討

李銘杰

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊 830000)

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Excel試算法在北疆供水工程設計中的應用探討

李銘杰

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，烏魯木齊 830000)

Microsoft Excel是常用的辦公軟件，計算功能強大、結果準確，其同樣可以用于水利水電工程渠道水力設計計算中，且可以大大簡化計算過程并提高計算結果的精確度，滿足水利水電工程設計計算的復雜性要求。基于此筆者對Excel軟件所具有的試算功能及單變量求解功能在供水工程渠道水力計算中的應用進行了探討。實踐證明，Excel試算法簡單方便、計算速度快、可以保證計算污渠的準確性，大大提高了水利工程主渠道水力計算工作的效率。

Excel試算法；試算-圖解法；工程設計；渠道；水力計算

1 概 述

梯形渠道是水利水電工程中常用的渠道形式，其水力要素有水深、底寬、邊坡系數、糙率系數、底坡、過水斷面面積、濕周、水力半徑、謝才系數、流量等，在水利水電工程渠道設計過程中，常常需要進行渠道過流能力的校核、斷面尺寸的設計等，這都需要進行大量的試算，試算法涉及參數多、計算工作量大、計算結果準確性差。Microsoft Excel作為常用的一款辦公軟件，其所具有的圖表處理功能和數據分析功能同樣可以用于水利水電工程渠道設計中參數的確定，既能大大簡化計算過程，又能保證計算結果的準確性。

2 Excel試算法制作水利計算單元格

利用Excel試算法進行渠道水力計算單元格制作時，需事先預設單元格數值和公式表達式，在計算時直接輸入試算值，便可得到水力計算結果，如果計算結果與實際值無限接近，則說明輸入的試算值就是所求結果[1]。

2.1 渠道水力計算的基本公式

在進行水利工程渠道水力計算時，按照幾何公式和經典經驗公式進行各項水利要素的計算，基本公式主要包括過水斷面面積公式、濕周公式、水力半徑、謝才系數和流量計算公式，按照《渠道防滲工程技術規范》(SL18-2009)，在不同的斷面形式下，所采用的渠道過水斷面面積ω、水力半徑R計算公式有所不同，詳見表1。

2.2 單元格公式的表達式

Excel單元格設置中單元格公式的表達式詳見表2，在水利工程設計中，一般將A設為試算所求項，而將B、C、D、E設為已知項，F、G、H、I設為計算過程項，J為對比項，按照經典經驗公式計算過程項和對比項的單元格公式，在三行中分別進行Excel單元格計算公式的輸入見表3。

3 實際應用

3.1 工程概況

北疆供水工程一期自2006年完工后至今已運行10a，渠道全長580km，根據工程地形地質條件，為降低滲漏損失并加強渠道抗沖性能，設計采用等腰梯形斷面和漿砌石襯砌，邊坡系數m取1.00，底坡i取0.00125，底寬b取6.00m，設計流量25-85m3/s，水利坡降0.07‰-0.20‰，渠道糙率系數為0.025，安全超高0.5m，水深h加上安全超高即為渠堤高度。斷面結構型式主要為寬淺式，襯砌結構均由邊長30cm的正六邊形混凝土預制板進行砌筑。目前，隨著供水工程渠道沿線用水戶的增多及用水量的增大，渠道輸水能力日益下降，為了保證渠道沿線水量的供應，提高渠道輸水能力迫在眉睫。

表1 渠道過水斷面面積ω、水力半徑R計算公式表

表2 Excel單元格的設置

表3 Excel單元格的計算公式

3.2 試算-圖解法求解

為了便于試算法的運用，可將水力學基本公式整理為高次方程[2]，形式如下：

(1)

高次方程很難通過直接求解法確定水深h，實際運算中，可以事先設定不同的h值，通過式(1)計算出相應的Q值，繪制h-Q曲線，在流量已知時，通過曲線便可查找出對應的h值，如圖1所示。

圖1 試算-圖解法h-Q曲線

3.3Excel試算法求解

新建MicrosoftExcel工作表并打開，按照表2進行水力計算表格的設計，并根據所建立的Excel單元格，將該供水工程已知數據添加在單元格B3、C3、D3和E3中，進行試算時，將所需試算的數值輸入A3單元格并選擇設計的斷面形式，則流量Q的值會自動顯示在J3單元格中，選中A3、B3、C3、D3、E3、F3、G3、H3、I3、J3單元格，并利用Excel的填充功能進行填充，將試算值依次輸入A4、A5、A6、A7、A8…等單元格，所對應的J4、J5、J6、J7、J8…單元格會將求得的流量計算結果自動顯示出來，當流量Q無線趨近目標值，則表明計算過程結束，計算過程詳見表4。

表4 Excel試算法計算過程與結果

3.4 單變量求解

本供水工程采用梯形斷面形式，設邊坡系數m取1.00，底坡i取0.00125，底寬b取6.00m，設計流量27m3/s，水利坡降0.002，渠道糙率系數為0.025，則可以利用Excel的單變量求解功能計算水深h，步驟為：

選擇工具欄中的“單變量求解”工具，出現相應的對話框，在“目標單元格”欄中輸入單元格引用，此處為“流量Q”；在斷面形式列選擇“梯形”，并在對應的單元格輸入參數值，如選擇C6單元格輸入b值“6.00”,選擇C7單元格輸入流量Q值“41.57”，選擇C8單元格輸入m值“1.00”，選擇C09單元格輸入n值“0.025”，選擇C10單元格輸入i值“0.00125”，在“目標值”框中輸入所需結果，并在“可變單元格”框中輸入數值所在單元格引用，單擊確定，便可求得結果，水深h=2.80m[3]。

4 結 論

綜上所述，運用Excel試算法所計算的水深與運用基本公式所求得的水深相差1個流量以上，而且傳統的試算-圖解法計算量大、涉及參數多且計算精確度較差，而Excel試算法簡單便捷、結果準確，大大減少了參數的重復計算，提高了設計工作效率。Excel試算法在北疆供水工程中得到了應用，實踐證明，該程序方法簡單方便、計算速度快，可以保證計算結果的準確性，大大提高了水利工程渠道水力計算工作的效率。Excel是微軟公司office辦公軟件組件之一，其具有強大的計算功能、圖表文字綜合處理功能和數據分析功能，但遺憾的是，關于Excel在水利工程設計中的運用方面的理論和實踐都相當欠缺，作為水利工作者，必須積極探索Excel等計算機軟件在水利水電工程設計中的實際應用。

[1]雷豐澤，史香玲.用MicrosoftExcel單變量求解進行明渠均勻流水力計算初探[J]，水利科技與經濟，2011(11)：100-101.

[2]胡建春，何茜.基于MicrosoftExcel試算法在明渠工程設計中的應用[J]，浙江水利水電學院學報，2015(09)：47-49.

[3]李家瑞.Excel在工程設計中的應用[J]，河南水利與南水北調，2011(18)：129-130.

1007-7596(2017)03-0116-03

2017-02-27

李銘杰(1984-)，男，新疆烏魯木齊人，工程師，從事水利工程運管及施工工作。

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