基于列表试算法的X水库洪水调节计算软件开发

　　摘 要：X水库为某水库简化模型，对其进行洪水调节计算，能够得到该水库在不同频率的入库洪水过程线下对应的兴利库容和防洪高水位，该计算过程及所得结果对于对于该水库适时进行控制和分配下游用水、提高水的综合利用作用等方面具有重要的作用和意义。本文通过运用洪水调节计算“列表试算法”的基本原理，结合Visua Basic 6.0软件编程，根据洪水调节计算软件的开发过程，编写适合洪水调节计算的软件。

　　关键词：X水库;洪水调节;列表试算法

　　正文：某河是渭河南岸较大的一级支流，发源于秦岭北麓太白山区，流域面积778.7km2，干流全长51.5km，河道比降1/60～1/70。流域内林木茂盛，植被良好，水流清澈，水质优良。该河干流上有一水文站A，控制流域面积686km2。拟在该河干流上修建一水库X，其坝址位于水文站上游1.5公里处，控制流域面积673km2。该水库将承担着下游和渭河的防洪任务，下游的防洪标准为20年一遇洪水，水库设计标准为100年一遇洪水，校核标准为1000年一遇洪水。本文以该简化模型，结合下泄流量与库容、水位的关系，运用列表试算法，对洪水调节计算进行分析并编程，得到可以计算出水库兴利库容的软件。

　　一、X水库水文资料整理与分析

　　根据已知的拟建X水库的水文资料，可初步梳理已知条件，并对数据进行初步的处理如下：

　　1.拟建X水库的防洪限制水位是788.5m即起调水位为788.5m;

　　2.水库的总泄流量等于溢洪道下泄流量与输水洞下泄流量之和：q泄总=q堰+q洞。其中：溢洪道为开敞式无闸门，堰型为曲线型实用堰，断面为矩形，宽度为30米，堰顶高程为788.5m，泄流能力利用堰流公式计算：q堰=??1×??×??1.5=48??1.5;水库输水洞在汛期按其输水能力泄洪，输水洞进口高程为722m，内径为4m，设计流量为70m3/s。分析以上已知洪水资料发现，起初时段平均来水量???小于时段平均下泄量???，时段初水库水位可能下降，在水位达到788.5m之前，下泄流量一直保持为70m3/s;之后天然来水流量逐渐增加，水位逐渐上涨，当水位超过788.5m后，水库按q=48*(z-788.5)^1.5+70的规律下泄。

　　3.0.1%、1%、5%的入库洪水过程线

　　已知不同频率的天然来水过程线，利用已知的数据作图，可根据图像得知天然来水的大致过程与趋势。

　　4. 水文资料中水库的容积特性曲线如下：

　　将容积特性曲线读成分散点，为提高精度读取了45组数据，运用Origin软件进行数据处理并对分散点进行曲线的拟合，并利用Excel將估读的数据与曲线拟合数据进行对比，得出误差百分比，验证拟合结果的准确性。结果如下，拟合的水库的容积特性曲线方程为：

　　V=F(Z)=1.798*z2-2597.59*z+938525.13

　　二、基本原理及列表试算法过程简介

　　1.基本原理

　　洪水在水库中运行时，水库沿程的水位、流量、过水断面、流速等均随时间而变化，其流态属于明渠非恒定流，满足明渠非恒定流基本方程，即圣维南方程组，但利用圣维南方程组难以求出精确解，故常用瞬态法、差分法和特征线法等近似解法求解，包括两个方

　　程，即水量平衡方程和泄洪量方程：

　　q=f(v)

　　Q1、Q2——分别为计算时段初、末的入库流量，m3/s

　　q1、q2——分别为计算时段初、末的下泄流量，m3/s

　　V1、V2——分别为计算时段初、末水库的蓄水量，m3

　　Δt—为计算时段，s

　　第一个式子为水量平衡方程，表明一个计算时段的入库水量与下泄水量之差即为该时段水库蓄水量的变化。第二个式子为水库的蓄泄量方程，表示各个时刻的泄流量与水库蓄水量之间的对应关系。

　　2.列表试算法过程简介

　　关于调洪计算的方法有很多种，目前应用较广的是列表试算法。尽管列表试算法在人工处理时计算工作繁杂且对于长系列资料不容易实现，但是对于软件计算则十分容易，所以该洪水调节计算软件采用的就是列表试算法。列表试算法的步骤如下：

　　(1)根据已知的水库水位容积关系曲线V=f(Z)和泄流计算公式，求出下泄流量和库容的关系曲线q=f(V);

　　(2)以数据中已知的的天然来水量的Q—t关系选取计算时段，以秒为计算单位;

　　(3)对任意一个计算时段，假设水库水位z，由z和容积特性曲线拟合方程退求出对应的库容V2;然后由z和水位下泄流量关系方程推求出水库的下泄流量q2(该水库资料中，当z<防洪限制水位时，q2=70恒成立)，q2代入水量平衡方程中求得V2’;将V2与V2’进行比较，若两者相等或误差在允许范围内，则假设正确，否则应重新假设z计算直到满足要求为止。这样多次演算求得的q2、V2就是下一时段的V1，q1值;

　　(4)将计算结果绘制成曲线，供查阅。

　　对每个时段都按照上述的步骤进行列表试算，然后得出的最高水位便为所要求解的特征水位，其对应的库容便是特征库容。

　　三、编程基本思路

　　在列表试算法的基础上，进行编程与计算。在拟建X水库的基本资料中0.1%洪水与1%，5%洪水略有不同，计算时应注意。主要思路：

　　(1)时段初来水流量Q1，水位z1，库容V1，下泄流量q1已知，列入试算表格。

　　(2)洪水计算时段末来水流量已知，即Q2，采取试算，假定此时水位为初始值z=788m，代入容积特性曲线拟合方程中求得V2，再将z代入水位与下泄流量的关系式中，得出q2。

　　(3)将计算得到的q2代入水量平衡方程中求得V2’，若计算得到的V2与V2’满足判别式|V2-V2’|<=10，则说明此次试算的水位正确，V2，q2即为该计算时段末的库容与下泄流量，亦即下一个计算时段初的库容与下泄流量。

　　(4)若不满足上述判别式，则令z=z+0.01，重复进行上述计算与判别，直至满足条件。

　　(5)每个时段都按照以上的步骤进行求解，所得到的最大水位便为防洪高水位，对应的库容便为防洪库容。

　　四、编程过程注意问题

　　(1)在计算机编程的过程中，如果我们需要输入水库的水位这样一个比较大的变量时，可以运用数组，在需要时运用 For 循环进行对应值的调用，这个函数的好处就是能够处理大量的现有数据。

　　(2)在计算时，我们需要运用循环，在循环过程中的判别语句必须设置合理的精度，否则会使循环进入死循环的状态，致使软件无法输出结果。

　　(3)绘图过程中使用了Visua Basic 6.0软件自带的Mschart控件，该控件绘出不建议读取数据，可仅作为趋势判断使用。

　　五、分析整理

　　拟合水位与库容的的曲线方程优点在于计算段拟合精度较高，并且循环结束的判别条件较为准确，根据判别条件能容易找到较为精确的特征库容与特征水位。

　　该循环的缺点便是拟合公式中间段拟合度较高，而曲线两侧拟合度较低;且相对的判别误差会随着计算时段的增加而逐渐积累，计算时间段越长，误差积累越大。

　　六、结束语

　　洪水是我国主要灾害之一，所以洪水调节在我国的防洪、调度等领域发挥着至关重要作用。本文具体介绍了基于X水库的洪水调节软件的编写原理与思路，以水库X已有的的基本水文资料为依据，应用水资源规划及利用的理论和方法，根据不同频率的洪水来水过程线，运用计算机软件，对水库进行调洪演算得到基本的调洪参数特征水位，特征库容等，从而对调洪起到指导作用。

　　参考文献：

　　[1]顾胜平，田富强，徐得潜.水资源规划及利用[M].中国水利水电出版社，2009：156-163

　　[2]王贺明. Visual Basic 程序设计教程.北京高等教育出版社[M]，2009：103-115

　　作者简介：

　　秦峰(1999年1月)男，汉，河南省辉县市，本科生，研究方向：水利水电工程。

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