基于列表試算法的X水庫洪水調節計算軟件開發

摘 要：X水庫為某水庫簡化模型，對其進行洪水調節計算，能夠得到該水庫在不同頻率的入庫洪水過程線下對應的興利庫容和防洪高水位，該計算過程及所得結果對于對于該水庫適時進行控制和分配下游用水、提高水的綜合利用作用等方面具有重要的作用和意義。本文通過運用洪水調節計算“列表試算法”的基本原理，結合Visua Basic 6.0軟件編程，根據洪水調節計算軟件的開發過程，編寫適合洪水調節計算的軟件。

關鍵詞：X水庫；洪水調節；列表試算法

正文：某河是渭河南岸較大的一級支流，發源于秦嶺北麓太白山區，流域面積778.7km2，干流全長51.5km，河道比降1/60～1/70。流域內林木茂盛，植被良好，水流清澈，水質優良。該河干流上有一水文站A，控制流域面積686km2。擬在該河干流上修建一水庫X，其壩址位于水文站上游1.5公里處，控制流域面積673km2。該水庫將承擔著下游和渭河的防洪任務，下游的防洪標準為20年一遇洪水，水庫設計標準為100年一遇洪水，校核標準為1000年一遇洪水。本文以該簡化模型，結合下泄流量與庫容、水位的關系，運用列表試算法，對洪水調節計算進行分析并編程，得到可以計算出水庫興利庫容的軟件。

一、X水庫水文資料整理與分析

根據已知的擬建X水庫的水文資料，可初步梳理已知條件，并對數據進行初步的處理如下：

1.擬建X水庫的防洪限制水位是788.5m即起調水位為788.5m；

2.水庫的總泄流量等于溢洪道下泄流量與輸水洞下泄流量之和：q泄總=q堰+q洞。其中：溢洪道為開敞式無閘門，堰型為曲線型實用堰，斷面為矩形，寬度為30米，堰頂高程為788.5m，泄流能力利用堰流公式計算：q堰=？？1×？？×？？1.5=48？？1.5；水庫輸水洞在汛期按其輸水能力泄洪，輸水洞進口高程為722m，內徑為4m，設計流量為70m3/s。分析以上已知洪水資料發現，起初時段平均來水量？？？小于時段平均下泄量？？？，時段初水庫水位可能下降，在水位達到788.5m之前，下泄流量一直保持為70m3/s；之后天然來水流量逐漸增加，水位逐漸上漲，當水位超過788.5m后，水庫按q=48*（z-788.5）^1.5+70的規律下泄。

3.0.1%、1%、5%的入庫洪水過程線

已知不同頻率的天然來水過程線，利用已知的數據作圖，可根據圖像得知天然來水的大致過程與趨勢。

4. 水文資料中水庫的容積特性曲線如下：

將容積特性曲線讀成分散點，為提高精度讀取了45組數據，運用Origin軟件進行數據處理并對分散點進行曲線的擬合，并利用Excel將估讀的數據與曲線擬合數據進行對比，得出誤差百分比，驗證擬合結果的準確性。結果如下，擬合的水庫的容積特性曲線方程為：

V=F（Z）=1.798*z2-2597.59*z+938525.13

二、基本原理及列表試算法過程簡介

1.基本原理

洪水在水庫中運行時，水庫沿程的水位、流量、過水斷面、流速等均隨時間而變化，其流態屬于明渠非恒定流，滿足明渠非恒定流基本方程，即圣維南方程組，但利用圣維南方程組難以求出精確解，故常用瞬態法、差分法和特征線法等近似解法求解，包括兩個方

程，即水量平衡方程和泄洪量方程：

q=f（v）

Q1、Q2——分別為計算時段初、末的入庫流量，m3/s

q1、q2——分別為計算時段初、末的下泄流量，m3/s

V1、V2——分別為計算時段初、末水庫的蓄水量，m3

Δt—為計算時段，s

第一個式子為水量平衡方程，表明一個計算時段的入庫水量與下泄水量之差即為該時段水庫蓄水量的變化。第二個式子為水庫的蓄泄量方程，表示各個時刻的泄流量與水庫蓄水量之間的對應關系。

2.列表試算法過程簡介

關于調洪計算的方法有很多種，目前應用較廣的是列表試算法。盡管列表試算法在人工處理時計算工作繁雜且對于長系列資料不容易實現，但是對于軟件計算則十分容易，所以該洪水調節計算軟件采用的就是列表試算法。列表試算法的步驟如下：

（1）根據已知的水庫水位容積關系曲線V=f（Z）和泄流計算公式，求出下泄流量和庫容的關系曲線q=f（V）；

（2）以數據中已知的的天然來水量的Q—t關系選取計算時段，以秒為計算單位；

（3）對任意一個計算時段，假設水庫水位z，由z和容積特性曲線擬合方程退求出對應的庫容V2；然后由z和水位下泄流量關系方程推求出水庫的下泄流量q2（該水庫資料中，當z<防洪限制水位時，q2=70恒成立），q2代入水量平衡方程中求得V2；將V2與V2進行比較，若兩者相等或誤差在允許范圍內，則假設正確，否則應重新假設z計算直到滿足要求為止。這樣多次演算求得的q2、V2就是下一時段的V1，q1值；

（4）將計算結果繪制成曲線，供查閱。

對每個時段都按照上述的步驟進行列表試算，然后得出的最高水位便為所要求解的特征水位，其對應的庫容便是特征庫容。

三、編程基本思路

在列表試算法的基礎上，進行編程與計算。在擬建X水庫的基本資料中0.1%洪水與1%，5%洪水略有不同，計算時應注意。主要思路：

（1）時段初來水流量Q1，水位z1，庫容V1，下泄流量q1已知，列入試算表格。

（2）洪水計算時段末來水流量已知，即Q2，采取試算，假定此時水位為初始值z=788m，代入容積特性曲線擬合方程中求得V2，再將z代入水位與下泄流量的關系式中，得出q2。

（3）將計算得到的q2代入水量平衡方程中求得V2，若計算得到的V2與V2滿足判別式|V2-V2|<=10，則說明此次試算的水位正確，V2，q2即為該計算時段末的庫容與下泄流量，亦即下一個計算時段初的庫容與下泄流量。

（4）若不滿足上述判別式，則令z=z+0.01，重復進行上述計算與判別，直至滿足條件。

（5）每個時段都按照以上的步驟進行求解，所得到的最大水位便為防洪高水位，對應的庫容便為防洪庫容。

四、編程過程注意問題

（1）在計算機編程的過程中，如果我們需要輸入水庫的水位這樣一個比較大的變量時，可以運用數組，在需要時運用 For 循環進行對應值的調用，這個函數的好處就是能夠處理大量的現有數據。

（2）在計算時，我們需要運用循環，在循環過程中的判別語句必須設置合理的精度，否則會使循環進入死循環的狀態，致使軟件無法輸出結果。

（3）繪圖過程中使用了Visua Basic 6.0軟件自帶的Mschart控件，該控件繪出不建議讀取數據，可僅作為趨勢判斷使用。

五、分析整理

擬合水位與庫容的的曲線方程優點在于計算段擬合精度較高，并且循環結束的判別條件較為準確，根據判別條件能容易找到較為精確的特征庫容與特征水位。

該循環的缺點便是擬合公式中間段擬合度較高，而曲線兩側擬合度較低；且相對的判別誤差會隨著計算時段的增加而逐漸積累，計算時間段越長，誤差積累越大。

六、結束語

洪水是我國主要災害之一，所以洪水調節在我國的防洪、調度等領域發揮著至關重要作用。本文具體介紹了基于X水庫的洪水調節軟件的編寫原理與思路，以水庫X已有的的基本水文資料為依據，應用水資源規劃及利用的理論和方法，根據不同頻率的洪水來水過程線，運用計算機軟件，對水庫進行調洪演算得到基本的調洪參數特征水位，特征庫容等，從而對調洪起到指導作用。

參考文獻：

[1]顧勝平，田富強，徐得潛.水資源規劃及利用[M].中國水利水電出版社，2009：156-163

[2]王賀明. Visual Basic 程序設計教程.北京高等教育出版社[M]，2009：103-115

作者簡介：

秦峰（1999年1月）男，漢，河南省輝縣市，本科生，研究方向：水利水電工程。