利用VBA对水库水位～库容曲线计算

（唐山市水利规划设计研究院，河北 唐山 063000）

近年来由于计算机技术迅猛发展，以及“3S”（GIS、RS和GPS）技术的引入，水位～库容曲线计算方法一般是通过航测获得水库DEM （Digital Elevation Model，即数字高程模型），然后利用ArcGIS进行分析计算。主要计算方法是利用ArcToolbox中的相关工具，如栅格计算器、填挖方工具、表面体积计算工具等。ArcGIS作为一款成熟的商业地理信息系统分析软件，可完全胜任此分析计算，但当计算分析水位间距较小时，操作步骤较复杂，人工输入重复较多，耗时较长。

本文以上关水库为例，采用与ArcGIS相同计算原理，将水库DEM数据导出excel能够识别的数据格式，然后通过运行编写的相应VBA代码，一次性全部获得水位～库容计算数值。

1 计算原理与方法

1.1 基于DEM的水库库容计算方法

数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型，在测绘、水文、工程建设等领域有着广泛的应用。DEM分辨率是作为刻画地形精确程度的一个重要指标，主要是指DEM最小的单元格的长度。因为DEM是离散数据，所以（X，Y）坐标其实是一个一个的小方格，每个小方格上标识出其高程。每个方格单元的高程为方格面积范围内的地形拟合高程hi。假设用获取的方格宽度为d的DEM来计算给定高程H水位的库容，在给定高程水位的范围内形成三维立体表面，每个格网单元到给定高程水面的形状为四棱柱，则每个格网的下面为地面，上面为给定高程的水面，分别计算出每个四棱柱单元的体积（计算公式如下），然后累加即成为给定高程水位的总库容。在上述规则方格DEM立体模型中，分别用不同的高程面进行切割，便可计算出任意高程水位的库容。

四棱柱体积公式：Vi=d2×（H-hi）

总库容公式：V总=ΣVi

顺便可知当前给定高程水位的水面面积的计算公式为：S总=d2×选中栅格数［1］

1.2 Excel可识别数据格式说明

DEM转换成的Excel可识别的ASCII数据格式：

式中 i，j分别为DEM数据的列、行数；（x，y）为DEM顶角坐标；d为DEM的分辨率；9999代表DEM方格单元为空；h（j，i）为DEM每个方格的高程值，其所有数据组成为一个j×i的高程矩阵。

对应于上述格式，水位～库容曲线计算代码：

需要替换输入所求库容对应的相应水位范围（h0～ht），DEM的行列数（nrows和ncols）和分辨率d，即可完成计算。

2 应用

本次利用上关水库DEM数据，采用上述方法进行库容曲线计算。

上关水库位于河北省遵化市的魏进河上，坝址位于遵化市西北部的鲶鱼关，坝址以上控制流域面积175km2，坝顶高程148.2m，宽6m。本次上关水库DEM获得，水面以上地形数据采用航测，水下地形数据采用水深仪人工实测，具体如图1上官水库数字正射影像图 （DOM）和图2上官水库数字高程模型图（DEM）。

图1 上官水库数字正射影像（DOM）

图2 上官水库数字高程模型（DEM）

2.1 DEM数据前处理

首先，为避免库区以外的栅格单元参与计算造成错误，将DOM和DEM进行叠加显示，利用ArcGIS等值线功能在DEM上圈出水库坝高高程包络范围，然后根据DOM的影像资料进行局部修整、裁切，删除水库范围之外的栅格，处理后的上官水库数字高程模型如图3（DEM）。

图3 上官水库数字高程模型图（DEM）（处理后）

2.2 格式转换与导入

将处理过的DEM数据利用ArcToolbox的由栅格转出工具，转为ASCII数据格式，然后用windows自带的记事本打开，查看DEM栅格属性，其中行数1183，列数2704，分辨率2m，然后将高程矩阵复制黏贴进excel对应单元格，用DEM栅格属性值赋值于VBA代码中相应常量值，所求库容对应的水位范围115.2～148.2m，步长0.1m，运行VBA代码，即可完成计算。

2.3 水位～库容曲线成果

利用VBA对水位～库容曲线进行计算完成后，水位及对应库容值将自动填入相应单元格，excel折线图绘制水位库容曲线如图4。

图4 水位库容曲线

3 结语

利用VBA对水位～库容曲线计算，可有效避免繁琐重复的人工输入，方便快捷，且整个过程数据、代码透明，发现问题便于随时修改、更正，得到的结果与ArcGIS相应工具计算得到的结果完全一致，但效率较ArcGIS提高很多，可完全满足工程规划设计需要。

参考文献：

［1］王媛媛，段建刚，孙连洪.基于规则格网DEM计算水库库容方法研究［J］.2013（11）：9-10，19.

［2］赵新华，王沛，等.基于航空摄影测量的新安江水库水域面积及库容变化分析［J］.大坝与安全， 2016，26（4）：74-76.

［3］杨中华，陈琳.基于GIS的水库库容测量方法的研究与实践［J］.测绘通报，2002（11）.

［4］马文祥.基于GIS的中小水库地形和库容测量实践［J］.测绘通报，2006（8）： 66-68.

［5］张建新，程琳，王光谦，等.堰塞湖最大库容及库容曲线分析计算［J］.水文，2009，5（29）： 63-66.