基于VB和Excel的水文頻率計算軟件的開發及應用

秦國民

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

Microsoft Excel是微軟公司的辦公軟件Microsoft office的組件之一，具有強大的數據存儲、處理、分析能力，廣泛應用于工程設計、管理、統計財經、金融等眾多領域，也是專業技術人員常用的工具。用戶可以使用Excel VBA開發加載宏，或使用VB、C#等工具開發基于Excel的插件(COM加載項)。加載宏較插件更容易開發，但在安全性方面不如插件。

水文頻率計算是工程水文分析計算中的重要內容，隨著計算機技術的發展，水文工作者相繼采用VB6.0、Excel、Matlab等工具編制了一些水文頻率計算軟件[1-8]。為了改善設計手段，提高工作效率，參照最新設計洪水計算規范的要求，在總結以往生產實踐的基礎上，用VB6.0開發了適用于32位Excel的功能強大的水文頻率計算軟件，以插件的形式與Excel無縫接合，從而讓繁瑣的工作變得方便快捷。

1 基本原理

水文頻率計算是根據某水文現象的統計特性，利用現有水文資料，分析水文要素量值與出現頻率(或重現期)之間定量關系的工作過程。主要是利用現有水文資料組成樣本系列，選擇合適的頻率曲線線型(中國一般有P-Ⅲ型、極值Ⅰ型等)，采用一定的曲線擬合準則確定頻率曲線參數，得到水文要素的統計規律，從而可根據需要查圖得到需要的值。

中國工程水文設計中，最常用的曲線擬合準則是目估適線法。該方法首先依據經驗點據通過矩法或其他方法估計統計參數的初始值，然后根據該初始參數繪制頻率曲線，并目視判斷頻率曲線與經驗點據的擬合情況，必要時調整參數并繪制調整參數后的頻率曲線，直到得到滿意的點線擬合結果。根據最終確定的頻率曲線推求相應于各種頻率(或重現期)的水文要素設計值。

上述目估適線過程中，主要的工作量集中在計算統計參數的初始值和根據統計參數初始值或調整值進行頻率曲線的繪制，中間有較多重復的計算和繪圖工作，以便達到目視判斷擬合效果的目的，手工計算的話相當繁瑣。針對水文頻率計算方法和內容，基于Excel提供的接口，創建VB外接程序工程[9]，編制了通用計算軟件。軟件依托于Excel運行，主要以自定義工具按鈕和必要的用戶窗體的形式實現各項功能。

2 軟件設計

2.1 主界面設計

為保持Excel主界面的簡潔，水文頻率計算的功能主要集中在“工程水文頻率適線”工具欄和頻率曲線統計參數調整窗口，如圖1、2所示。

圖1 “工程水文頻率適線”工具欄圖

圖2 頻率曲線統計參數調整窗口圖

“工程水文頻率適線”工具欄主要按鈕的功能說明如下。

(1) 分布線型選擇：選擇擬采用的分布線型，目前可供選擇的線型有P-Ⅲ型、對數P-Ⅲ型、極值-Ⅰ型(Gumbel型)；

(2) 有效數字位數：設置計算過程中的有效數字位數，對于流量系列，一般選3；

(3) 開始：點擊“開始”按鈕后，軟件根據Excel活動工作表當前選中項目自動確定要執行的功能，見表1。

表1 不同Excel當前選中項目對應的“開始”按鈕功能表

圖3 “優選參數”設置窗口圖

2.2 功能模塊

軟件主要包括統計參數計算、高精度離均系數Φp值計算、三參數優選、經驗適線、成果輸出等模塊。

(1) 統計參數計算模塊：根據用戶選中的含樣本系列的單元格，用矩法和線性矩法初估均值、Cv等統計參數，支持連序系列和不連序系列。

(2) 高精度離均系數Φp值計算模塊：參考Matlab統計工具箱中有關專用數學函數，編制高精度離均系數Φp值算法，解決了Excel 2003內部函數GAMMAINV存在數值發散區的問題[10]。

(3) 三參數優選模塊：以初估的統計參數為初始值，采用基于群體智能的自由搜索算法[11-12]，在離(殘)差平方和準則或離(殘)差絕對值和準則的適線準則下，求解與經驗點據擬合最優的頻率曲線的統計參數。

(4) 經驗適線模塊：用戶可以調整各統計參數，直到經驗點據和頻率曲線配合較好為止，也可在同一張頻率曲線圖添加多條頻率曲線，方便對比檢查成果。

(5) 成果輸出模塊：直接在Excel中輸出頻率曲線圖和水文要素設計成果表，輸出成果美觀大方，能滿足標準化、規范化的要求。

3 實 例

某水文站有1979—2013年,共35 a實測洪峰流量系列，實測最大值為4 890 m3/s。調查到1906年歷史洪水，洪峰流量6 500 m3/s，量級突出，作特大值處理。經考證，重現期為81 a。

將原始數據輸入Excel工作表，擴展選中調查考證參數區和原始數據所在單元格(2列：年份、數值)，點擊“工程水文頻率適線”工具欄的“開始”按鈕(見圖4)，程序計算完初估參數后彈出“優選參數”設置窗口，根據地區規律，Cs/Cv的上限和下限均設為5，其他參數上限和下限取默認值，即只優選均值和Cv，點擊“開始優選”，即得到頻率曲線圖(見圖5)。

圖4 數據輸入及開始計算界面圖

圖5 水文頻率計算成果輸出界面圖

4 結 論

軟件是用VB6.0編制的Excel插件，界面友好，功能齊全，并經過長期測試和反復優化，保證了其穩定、高效的優勢。較其他同類軟件，有以下特點：

(1) 集成在Excel中，數據輸入和輸出均在Excel的活動工作表完成，不需要單獨建立數據輸入文件，避免了在資料輸入、輸出格式整理上占用大量時間的問題。

(2) 采用了高精度的數值算法和高效的智能優化算法，保證計算結果的準確、可靠。

軟件在生產實踐中得到很好的應用效果，有較強的實用性。存在的一些不足，主要是目前支持線型較少，雖能滿足中國相關規范計算要求，但對國外常用線型、計算方法的支持方面有待進一步研究。