基于VBA的大斷面水位流量關系計算程序設計與開發

袁 超

(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

水位流量關系是水電站工程設計中關鍵性的基礎工作，計算成果的可靠性對水能計算、樞紐消能防沖、確定機組安裝高程、施工設計等方面存在一定影響[1]。由于水工建筑物下游水位流量關系和河道水面線確定失當，導致工程局部破壞甚至危害主體建筑物安全等事故經常發生[2]。水文觀測資料證明，河道中任何斷面的水位與流量關系，受泥沙淤積、河床沖刷、回水頂托、洪水波漲落等因素影響，都不是單一曲線，而是一多值對應的曲線族[2-3]。國內學者針對水位流量關系曲線計算方法做了大量的研究工作。羅銘等人推導了山區河流水位流量關系曲線計算公式[4]。馬經安總結了單一水位流量關系曲線高水延長的常用方法[5]。楊克君等人分析了復式河槽流量計算的各種方法[6]。孫孝波、程銀才等人對受洪水漲落影響的水位流量關系單值化方法進行了研究[7-8]。王昕、池宸星、吉辛望等人介紹了計算機軟件在水位流量曲線定線方面的應用[9-11]。在水利水電工程前期設計階段，壩廠址河段尚無水位流量觀測資料，常用水力學方法推求壩址斷面水位流量關系曲線。大斷面測量數據成果存儲格式主要為.dwg和.xlsx，橫斷面形式有單式和復式兩種。利用Excel自帶功能推求大斷面水力參數，計算難度較大，因此，針對Excel表格數據，編制一款單(復)式斷面水位流量關系曲線計算程序是十分必要的。本文基于VBA技術，根據曼寧公式進行水位流量關系曲線計算程序設計與開發,為快遞、高效計算水利水電工程設計斷面水位流量關系曲線提供借鑒。

1 曼寧公式簡介

曼寧公式是1889年由美國水利學者曼寧提出的，反映水流與河床的部分關系以及河床內部諸因素間的相互關系[12]。該公式適用于河道順直、河底平坦、河床沖淤變化小等河槽控制條件好的河段[5]。計算公式為:

式中：Q為斷面平均流量，m3/s；V為斷面平均流速，m/s；A為過水斷面面積，m2；n為河床糙率；R為水力半徑，m；S為水面比降。

過水斷面面積與水力半徑的計算公式如下：

×[L(i)-L(i-1)]

(2)

式中：Z為計算水位，m；L(i)為設計斷面起點距，m；H(i)為河底高程，m；X為濕周，m；R為水力半徑，m。

2 程序設計

2.1 功能設計

根據水電工程水位流量關系曲線計算要求，進行程序功能設計，具體如下：

(1) 大斷面累距和高程數據輸入采用Excel數據區域選擇方式；

(2) 分單式、復式兩種斷面形式計算；

(3) 可設置不同水位計算步長；

(4) 可計算給定水位點對應的水力要素；

(5) 水位流量曲線計算成果輸出采用Excel表格和圖形。

2.2 界面設計

(1) 界面設計基本原則是保持與Excel軟件界面風格保持統一，以下拉式菜單的方式嵌入Excel軟件，如圖1所示。

圖1 水位流量關系曲線程序下拉式菜單

(2) 大斷面數據(累距和高程)、特征高程點、復式斷面左右分界點(累距和高程)的均以數據區域選擇的方式輸入，其余參數按列表選擇框的方式輸入，具體見圖2。

圖2 水位流量關系曲線程序計算界面

(3) 計算結果輸出以數據列表和圖形的形式展示，數據保存采用Excel表格和圖形，具體見圖3～4。

圖3 水位流量關系曲線程序計算結果圖形界面

圖4 水位流量關系曲線程序計算結果表格界面

2.3 算法設計

采用曼寧公式計算水位流量關系曲線的編程難點在于給定不同水位下復式斷面的水力要素計算，為此采用過程設計思路，將水力要素計算作為一個過程進行封裝，參數變量為水位H0、高程H、累距L、過水面積A、河寬W、水力半徑R、濕周P，計算過程如下：

SubHp(H0AsVariant,H()AsDouble,l()AsDouble,AreaAsDouble,WidthAsDouble,RadiusAsDouble,PerimeterAsDouble)

DimjAsInteger

DimdAsDouble

Forj= 1ToUBound(H) - 1

IfH(j) >H0AndH(j+ 1)

d= (l(j+ 1) -l(j)) * (H0-H(j+ 1))/(H(j) -H(j+ 1))

Area=Area+ 0.5 * (H0-H(j+ 1)) *d

Perimeter=Perimeter+ (d^2 + (H0-H(j+ 1))^2)^0.5

Width=Width+d

ElseIfH(j) <=H0AndH(j+ 1) <=H0Then

d=l(j+ 1) -l(j)

Area=Area+ 0.5 * (2 *H0-H(j) -H(j+ 1)) *d

Perimeter=Perimeter+ (d^2 + (H(j) -H(j+ 1))^2)^0.5

Width=Width+d

ElseIfH(j) H0Then

d= (l(j+ 1) -l(j)) * (H0-H(j))/(H(j+ 1) -H(j))

Area=Area+ 0.5 * (H0-H(j)) *d

Perimeter=Perimeter+ (d^2 + (H0-H(j))^2)^0.5

Width=Width+d

EndIf

IfPerimeter> 0Then

Radius=Area/Perimeter

Else

Radius= 0

EndIf

Nextj

EndSub

3 實例驗證

根據某工程壩址大斷面測量資料，數據格式為.xlsx，打開大斷面Excel數據表格，通過加載宏添加本程序，在水文工具菜單中選擇水位流量關系激活本程序，分別選擇大斷面累距與高程數據系列，勾選復式斷面復選框，并選擇左右端點，設置計算步長、糙率、比降等參數，點擊計算按鈕完成計算，結果圖4和圖6所示。點擊保存按鈕，可將計算結果保存為Excel數據表格和圖形。與已有計算成果對比，本程序計算結果是準確的。

圖5 水位流量關系曲線程序計算結果圖形界面

圖6 水位流量關系曲線程序計算結果

4 結 語

經實例檢驗，基于VBA技術開發的大斷面水力學參數與水位流量關系曲線計算程序計算結果準確，可用于水電工程設計斷面水位流量關系計算。本程序中數據輸入、程序計算及成果輸出均基于Excel數據表格，具有操作簡便、可移植性、計算高效等特點，具有較好的工程實用價值。