Excel VBA在溢洪道水面曲线计算中的应用

第７期　２０１０年７月　广东水利水电　ＧＵＡＮＧＤ０ＮＧ　ＷＡＴＥＲ　ＲＥＳ０ＵＲＣＥＳ　ＡＮＤ　ＨＹＤＲ０Ｐ０ＷＥＲ　Ｎｏ．７　Ｊｕ１．２０１Ｏ　Ｅｘｃｅｌ　ＶＢＡ在溢洪道水面曲线计算中的应用　谭毅源，李寿禄，杨黎明，张丽坚　（楚雄市欣源水利电力勘察设计有限责任公司，云南楚雄摘６７５０００）　要：针对溢洪道水面曲线的特点，采用Ｅｘｃｅｌ电子表格与ＶＢＡ程序相结合的计算方法，具有计算速度快、计算精度高的　特点，将该方法用于小石桥水库工程中，取得了较好的工程效益。　关键词：溢洪道；水面曲线；Ｅｘｃｅｌ　ＶＢＡ；程序　中图分类号：ＴＶ１３３．１　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００８一Ｏ１１２（２０１０）Ｏ７—００２４—０２　溢洪道水面线计算是水利工程中最常见的设计计　算之一，属于明渠恒定非均匀渐变流的计算问题，现有　比能差值；平均水力坡度Ｊ　，其中：　寺（　＋　的水面曲线计算方法很多，有分段求和法、数值积分法、　水力指数法、图解法等ｕ　。分段求和法因概念清晰、方　法简单而被工程界广泛采用。然而大多数工程设计人　）、ｅ＝÷（Ｃ２＋Ｃ　）、詹＝÷（Ｒ２＋Ｒ　）分别为流段的　平均速度、谢才系数平均数和平均水力半径，带脚标１　的符号为上游断面水力参数，带脚标２的符号为下游断　面水力参数，其中：ｈ　为已知，ｈ　为下游断面未知水深。　采用二分法计算＿３］，将差分方程改为下列函数表达式：　Ｅ（ｈ２）＝（Ｅｌ—Ｅ２）＋（ｉ—Ｊｆ）‘Ａｓ　（３）　员在使用计算机进行溢洪道水面曲线计算时，只是简单　地使用Ｅｘｃｅｌ电子表格进行计算，试算过程中还是需要　人工反复填人试算的计算数值，仍然需要花费许多时　间，并不能真正发挥计算机的优势。在Ｅｘｃｅｌ电子表格　计算的基础上编制简单的ＶＢＡ程序，就可以轻松地实　设试算水深ｈ下限与ｈ上限，则：　现试算自动化，不但可以节省大量时间，而且还可以提　高计算结果的精度。　１计算原理　明渠恒定非均匀渐变流的基本微分方程为　，ｈ２＝—｝（ｈ上限＋ｈ下限）　（４）　（５）　Ｆ（ｈ上限）＝Ｅ　Ｊ—Ｅ（ｈ上跟）＋（ｉ一厶～上限）‘Ａｓ　＝　２　ｎ２　Ｆ（ｈ　）＝Ｅ　一Ｅ（ｈ　）＋（ｉ一　一　）・Ａｓ＝卢（６）　（１）　ｉｄｓ＝ｃｏｓ０ｄｈ＋（Ｏｔ＋　）ｄ（　一）十　ｄｓ　ｚｇ　＾　若　、卢同号，令ｈ上限＝ｈ２；　若Ｏｄ，／３异号，令ｈ下限＝ｈ２；　式中　ｉ为溢洪道底坡；ｄｓ为微分流段；　为明渠底坡与　水平面的夹角；ｄｈ为流段内上下游水深变化量；　为动　能修正系数；　为局部水头损失系数；　为断面平均流　速；ｇ为重力加速度；ｑ为流量；Ｋ为流量模数。　取Ｏｌ＝１，并忽略局部水头损失影响，简化后差分　得：　ＡＥｓ一继续二分，直到ｌ　ｈ上限一ｈ下限Ｊ≤允许误差为止。　分段求和法将流程划分为若于流段，每一段用试算　法求流段长度得到水面线，该法适用于棱柱体和非棱柱　体渠道。分段求和法的计算精度与流段的长度ＡＳ划分　有关，ＡＳ越小，精度越高，计算工作量越大。溢洪道水　面曲线的计算一般是已知上游陡坡起点水深和流段距　：　：　一Ａｓ　ａｓ　歹　（２）　离，逐段求解下游水深。计算时将整个溢洪道流段．ｓ分　为　蛩，即△ｓ．，△ｓ　，△ｓ，，…△　，ｎ为分段数目　。　２计算程序编制　式中　△ｓ为计算流段；Ｅ　＝　－＋　、Ｅｚ＝　ｚ＋　ＯＬ／）２分　别为流段的上、下游断面的断面比能；Ａ　为两端断面　溢洪道水面曲线计算通常都是对水面曲线分类中ｂ　收稿日期：２０１０—０３—２５；　修回日期：２０１０—０４—２１　作者简介：谭毅源（１９８３一），男，硕士，助理工程师，从事水利水电工程规划及设计工作。　・２４・　２０１０年７月　第７期　谭毅源，等：Ｅｘｃｅｌ　ＶＢＡ在溢洪道水面曲线计算中的应用　型曲线进行计算，本文只讨论这种情况，由水力学可知ｂ　型曲线上游以临界水深线　一Ｋ线为渐近线，下游则以　正常水深线Ⅳ一Ⅳ结束。从上游往下游计算，则陡坡段　的起点断面为第１个已知断面，水深为临界水深　。　计算时只需把数值求解部分编制成程序即可，其它　的计算部分完全可用Ｅｘｃｅｌ电子表格完成。根据公式　（２）～（６）计算，列出各个断面的断面桩号、底坡ｉ、糙率　凡、底宽ｂ、过水断面面积Ａ、湿周　、水力半径　、速度　和水力坡度．，等。编制程序以Ｈ　为下限、Ｈ　为上限　进行计算，ｌ　ｈ上限一ｈ下限ｌ≤Ｏ．００１时计算结束。　本文编制的程序为：　Ｓｕｂ　ＳＭＸＪＳ　Ｆｏｒ　ｉ＝１０　Ｔｏ　１７　Ｈ０＝１．０４７　‘上限　ＨＩ＝０．５２１　‘下限　Ｃｅｌｌｓ（ｉ，３３）＝Ｈ０‘单元格Ｃｅｉｌｓ（ｉ，３３）储存　上限值　ｅ＝１　‘给ｅ赋初值　Ｄｏ　Ｕｎｔｉｌ　ｅ＜０．００１　‘当ｌ　ｈｏ—ｈ１　ｌ≤０．００１　时结束当前流段计算，进入下一流段，反之则继续计算　当前流段　Ｈ２＝（Ｈ０＋Ｈ１）／２　Ｃｅｌｌｓ（ｉ，２０）＝Ｈ２‘单元格Ｃｅｌｌｓ（ｉ，２０）储存　下限值　Ｉｆ　Ｃｅｌｌｓ（ｉ，３６）＞０　Ｔｈｅｎ‘单元格Ｃｅｌｌｓ（ｉ，３６）　储存Ａ　Ｂ的值　Ｈ０＝Ｈ２　Ｃｅｌｌｓ（ｉ，３３）＝Ｈ０　Ｅｌｓｅ　Ｈ１＝Ｈ２　Ｃｅｌｌｓ（ｉ，２０）＝Ｈ１　Ｅｎｄ　Ｉｆ　ｅ＝Ａｂｓ（Ｈ０一Ｈ１）　Ｌｏｏｐ　Ｎｅｘｔ　ＭｓｇＢｏｘ”计算结束”　Ｅｎｄ　Ｓｕｂ　从上面代码可以看出计算程序非常简单，并不需要　花费太多的时间来学习编程，本程序ＥＸＣＥＬ截图如下：　３实例　３．１工程基本情况　小石桥水库位于云南省双柏县法裱镇双坝村，水库　总库容为３７９．８６万ｍ　，最大坝高为２４．２ｍ，工程为小　（一）型水库，２００９年除险加固中新建右岸溢洪道，溢洪　道进口底板高程为２　１４５．８０ｍ，为无闸门控制宽顶堰，　溢洪道断面为矩形，最大下泄流量为１０．０３ｍ　／ｓ。取糙　率为ｎ＝０．０１５。平面布置情况如表１。　表１溢洪道平面布置情况　３．２水面曲线计算　根据水力学首先计算出０＋７４．５６断面的正常水深　＝０．３２３ｍ，以该水深作为计算的下限值，即初始水　深，其次计算出第１陡坡段起点０＋Ｏ５．００的临界水深　Ｈ　＝１．０ｄ７ｍ，该水深为已知的第１个断面水深。采用　本文程序计算，结果见表２。　３．３结果分析　将计算结果与ＰＣ１５００的计算结果作比较，ＰＣ１５００　即水利水电工程设计计算程序集，是目前业内普遍使用　和认可的水利计算软件。对比结果见表３。　从表３可以看出，本方法计算结果与ＰＣＩ５００计算结　果相差较小，最大绝对误差为一０．０１８ｍ，最大相对误差为　一５．５％，完全可以满足工程设计的需要，说明本文所采　用的计算方法可用于实际工程溢洪道水面曲线的计算。　４结语　溢洪道水面曲线从理论上来说，并不难。但手工进　行试算却要花费大量的时间，尤其做方案比选时更要反　复计算，不仅效率低，而且还容易出错。使用Ｅｘｃｅｌ　ＶＢＡ编制简单的程序即可实现试算自动化，计算一次　只需１～２ｓ，在节省时间的同时还保证了计算结果的精　度和正确率。利用Ｅｘｃｅｌ的界面　（下转第３７页）　・２５・　２０１０年７月第７期　广东水利水电　Ｎｏ．７　Ｊｕ１．２０１０　影响，因此该项目退水对下游水环境不会产生不利影响。　６结论及建议　周边用水户的利益，相反，建立库区蓄水后能大大改善　西枝江平山段的整体水环境，从而美化城市、改善供水、　优化投资环境。因此，从水资源角度上论证，工程的建　设是必要的，也是紧迫的。根据论证结果提出如下建　惠东水利枢纽工程是西枝江干流梯级开发规划的　梯级之一。工程用水主要为水力发电，根据水能计算分　析，电站所在河段水资源量能满足设计要求，工程对西　议：①对因水库建设造成淹没一些电灌设施而需重建　外，也应对库区造成影响的平山水文站进行一次性补　枝江干流的洪水及径流的改变很小，不会影响枢纽下游　现有的各项用水功能。由于坝址上游没有较大的工业　污染源加入，故蓄水后随着水环境容量的增加，水质仍　将保持优良并得到改善。工程是以改善惠东县水环境　为主的项目，工程建成后将形成西枝江、黄排河的人工　偿；②工程建成运行后，库区内大部分污染源将被截至　平山镇污水处理厂，经处理后排入西枝江，管理机构生　活区污水也要纳入城市污水处理系统，进行统一处理，　如不能接人城市纳污系统的，必须修建污水处理设施，　对生活污水及机修废水进行处理后达标排放。　参考文献：　湖，会抬高整个惠东县城平山段的水位，有利于改善惠　东县城整体水环境，在运行过程中不会产生污染源，有　利于西枝江水资源的优化配置。工程的建设仅是对水　资源的利用，属河道内用水性质，不会影响下游的水量　和水质，不会改变西枝江现有水资源状况，不会影响到　［１］　广东省水文局惠州分局．广东省惠东县西枝江水利枢纽工　程水资源论证报告书［Ｒ］．２００７．　（本文责任编辑马克俊）　（上接第２５页）　输入输出数据，既直观又方便，Ｅｘｃｅｌ本身强大的计算功　所提出的Ｅｘｃｅｌ电子表格与ＶＢＡ程序相结合的方法，　能又可以省去许多程序代码的编写工作，易于被一般的　工程人员所掌握。从计算的结果和计算速度来看，本文　可用于中小型水库溢洪道水面曲线计算，具有一定的实　用价值。　表２小石桥水库溢洪道水面曲线计算成果（Ｐ＝０．３３％）　表３小石桥溢洪道水面曲线计算成果对比　参考文献：　［３］　李庆杨．数值分析［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版社．　２００１．　［１］　吴建平，吴泽宁．明渠渐变缓流水面线计算的迭代法［Ｊ］．　河南科学，２００３，（４）：１８７—１８９．　［２］　吴持恭．水力学（上册）［Ｍ］．北京：高等教育出版社，　１９８２．　［４］张孟希．灌区改造渠道设计水面线分析研究［Ｄ］．南京：　河海大学，２００７．　（本文责任编辑马克俊）　・３７・