基于Excel技 术平台设计小面积坡面洪峰流量

杨 钦 ，邹文安 ，王 诚

（1.吉林省水利科学研究院，吉林 长春130022；2.吉林省水文实验研究所，吉林 长春130033；3.松辽水利委员会移民开发中心，吉林 长春130021）

1 概述

在小面积坡面设计洪峰流量工程设计中，常用的方法有：

1）水科所法。主要是围绕各时段设计暴雨、暴雨时程分配，计算前期影响雨量、推算净雨深，以及根据入渗损失参数、产流历时、汇流历时和汇流参数等，推算洪峰流量。该方法相对完善，应用较多，但计算过程较繁琐。

2）地区综合法。实际上是由流量资料推求设计洪水一种算法。利用区域多年的最大流量、各时段最大洪量和变差系数等成果，推求设计最大流量、各时段最大洪量；再利用洪水历时、洪量等成果，推算洪水总历时、洪水过程线，根据设计倍比系数推求洪水过程线。该方法理论依据充分，也较符合实际，但需要较多历史资料，计算过程复杂。

3）单位线法。实际上是一种蓄满产流模型，它是由降水径流关系推算净雨深、由实际发生的洪水过拟合洪水设计单位线。该模型理论依据科学合理，符合实际，精度高，常用于水文短期洪水预报。不足之处是对历史场次降水、洪水资料要求较多，且洪水单位线不宜移植。

4）经验公式法和罗斯托莫夫法。是基于无资料地区设计洪峰流量的一种算法，这两种算法考虑影响因素不多，计算方法简单，但计算结果受人为影响较大。

5）铁院法。实际上是由暴雨资料推求设计洪水一种算法，也是对罗斯托莫夫法改进的一种算法。该方法是通过设计暴雨、区域地理水文等参数，分析确定土壤稳定下渗率、推算汇流参数；再根据暴雨指数、稳定下渗率、设计雨力、汇流参数等，试算径流系数，推算汇流时间，进而设计坡面洪峰流量。该方法比较直观、简单、容易理解，相对来讲，理论依据充分，符合实际，应用较广泛。

本次着重分析研究由暴雨资料推求小面积坡面设计洪水（即铁院法）过程。

2 铁院法小面积坡面设计洪峰流量算法

2.1 工程控制区域地理、水文基本参数

本算法需要的地理、水文基本参数主要包括：工程控制面积F(km2)、坡面长度L0(km)、坡面坡度J0(%)、坡地汇流糙率n、暴雨指数N1，N2和主要土壤质地等。

2.2 设计暴雨

根据工程所在区域和水文图集等资料，查算最大24 h多年平均降水量H24、多年变差系数Cv，Cs/Cv采用经验数3.5。根据工程设计的频率，在皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数表中查得对应的KP值，利用下式设计暴雨H24j（时段为24 h）。

式中：KP——设计频率的模比系数；H24——24 h多年平均降水量，mm。

2.3 设计雨力

当汇流历时小于等于60 min时，设计雨力Sp计算公式为

当汇流历时大于60 min时，设计雨力Sp计算公式为

2.4 全面汇流时间参数

坡地全面汇流时间参数K0采用下面公式计算

2.5 产峰径流系数

产峰径流系数C需试算求得，试算方法为：假定产峰径流系数C，计算两个汇流参数特征值A，B，通过试算产峰径流系数，使A，B即（5）式与（6）式相等或相近，那么，产峰径流系数C即为所求。

式中：μ为稳定下渗率，mm/min。

2.6 坡地全面汇流时间

坡地全面汇流时间τ0采用公式⑺计算

2.7 坡地洪峰流量

坡地洪峰流量Qm采用下面公式计算

3 基于Excel平台小面积坡面设计洪峰流量的应用

由于本算法计算量较大，且产峰径流系数C需要试算，计算较繁琐，为此，以Excel为技术平台，建立计算模板，能够很好地解决这个问题。

模板设计思路是利用Excel工具表中单元格能够定位的特点，把已知工程控制区域的地理、水文基本参数、查算暴雨特征值以及中间计算成果等数据定位赋值到各单元格，再利用Excel内置的加减乘除、指数等函数、逻辑函数等，把这些单元格和小面积坡面设计洪峰流量的计算公式定位链接起来，建立起能够进行一次性运算设计洪峰流量模板。

本文以吉林省中部某个河流为例，建立Excel技术平台的设计洪峰流量计算模板。该河流集水面积240 km2，坡面平均长度2.34 km，坡面坡度1.78%，坡地汇流糙率为0.1，土壤质地以壤土为主；多年平均最大24 h降水量为72 mm，多年变差系数为0.54，暴雨指数分别为0.55，0.72等。

3.1 工程控制区域地理、水文基本参数

将已知的有关地理、水文基本参数直接在单元格中赋值，见图1中的单元格B5～J5，B9～F9等。其中，J5是根据工程控制区域主要土壤质地在表3中选取对应数值，I9是根据控制区域面积和经验来界定，并用坡地全面汇流时间τ0来检验（见图2中的表6）。

3.2 设计暴雨计算

计算设计暴雨H24=KPH24，对应的单元格为G9=F9·C9，见图1。

3.3 设计雨力计算

设计雨力计算首先需要判断汇流历时是否小于等于60 min，小于等于60 min设计雨力采用公式（2），否则选用公式（3）。

模板采用 Excel中的逻辑判断函数 IF(logical_test，value_if_true，value_if_false)来实现的，对应窗口代码为“=IF(I9＜=60，G9/(60^(1-G5)·24^(1-H5))，C9/1 440^(1-H5))”，见图1中的单元格H9。

3.4 计算坡地全面汇流时间参数

坡地全面汇流时间参数K0是计算全面汇流时间τ0的中间参数，计算公式如⑷所示，对应窗口代码为“=680·(F5·C5)^0.6/D5^0.3”，见图 2 中的单元格 B22。

3.5 产峰径流系数试算

产峰径流系数C是通过人工赋值（试算），使汇流参数特征值A，B相等或相近（对应计算公式⑸、公式⑹），那么，C即为所求。见图2表5中的单元格I27，公式⑸、公式⑹对应单元格分别是F27、J27，对应窗口代码分别为“=C27·(D27/E27)^(1/(1-0.4·B27))”、“=(1-I27)·I27^(0.4·B27/(1-0.4·B27))”。

3.6 坡地全面汇流时间

用τ0表示，见图2表6中的单元格F32，对应计算公式⑺，对应窗口代码为“=(B22/(B32·C32)^0.4)^(1/(1-0.4·E32))”。

3.7 坡地洪峰流量计算

用Qm表示，见图2表6中的单元格I32，对应计算公式⑻，对应窗口代码为“=16.67·C32·B32·H32/G32”，计算结果是985 m3/s。

4 模版优缺点

1）优点：实用性较强；直观、易懂，便于理解“铁院法”小面积坡面设计洪峰流量算法；人机交互性能好，运算数据、成果具有可视性，便于适时掌握模板各有关数据、成果变化规律。

2）缺点：Excel工作表中链接公式保护性不强，界面不够美观。