基于VBA和Excel的水库调洪计算程序开发与应用

张跃驰 庞金龙

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

在水库规划设计阶段，开展水库调洪计算，主要是为了配合枢纽布置中泄洪建筑物形式、尺寸的选择及确定满足工程安全的防洪特征水位、最大下泄流量等指标。目前水库调洪计算主要利用Excel及其迭代计算功能实现，需要手动输入公式并人工查找起蓄时刻和最高水位时刻，操作烦琐，易于出错且计算效率低。为提高调洪计算效率和准确性，本文在Excel开发环境的基础上，利用VBA编程语言开发调洪计算自动化程序，仅需输入基础参数即可实现多套方案的快速计算。

1 调洪计算基本原理和方法

调洪计算属于入库和出库水量平衡的计算问题，其计算原理可用圣维南方程组表示。但圣维南方程组在应用于水库调洪计算中，常需要做一定的简化，一般简化为以下公式进行计算：

(1)

q=f(V)

(2)

式中Q1、Q2——计算时段初、末的入库流量，m3/s；

q1、q2——计算时段初、末的出库流量，m3/s；

V1、V2——计算时段初、末的水库蓄水量，m3；

Δt——计算时段，s。

式(1)实际是水量平衡方程，即在一个计算时间段中，入库水量与下泄水量之差即为该时段中水库蓄水量的变化。式(2)为水库下泄流量与库容关系的曲线，取决于泄水建筑物的布置型式和尺寸等。

调洪计算方法有很多种，我国常用的是列表试算法和半图解法。半图解法通过与水库水位建立函数关系，利用图解代替试算，可有效降低计算量，是手动调洪计算的一种有效方法。随着计算机技术的发展，虽然列表试算法计算量较大，但便于通过计算机编程实现，是目前水库规划设计阶段最普遍采用的计算方法。

列表试算法基本步骤如下：

a.引用某一场次设计洪水过程线，选取计算时段Δt和入库流量Q1，Q2，Q3，…。

b.确定调洪起调水位Z0、起调库容V0、泄流曲线q泄=f(Z)、库容曲线Z=f(V)等基础参数。

c.试算出库流量qt对水量平衡方程进行求解，判断其与入库流量Qt和下泄能力q泄t的关系。

d.不断试算qt直至得到满足设定条件的解，同时计算蓄变量ΔVt时段末水位Zt、时段末库容Vt等。

e.继续计算下一时段，直至计算完整场洪水，累加ΔVt即得到调洪所需库容，过程最高水位即为相应场次洪水最高坝前水位。

2 基于VBA和Excel程序开发的特点及优势

目前，水库调洪计算普遍采用Excel软件及其迭代计算功能实现，由于设计洪水过程线一般以小时为时段，为保证计算精度，水库水位起涨时刻和最高水位时刻需线性插值得到，此步骤需要手动操作，耗时较长，且每次只能完成单独一组基础参数的调洪计算，对于需要多个起调水位、多个频率洪水及多条泄流曲线比选时，此方法耗时较长，且容易出错。

VBA是由Visual Basic发展而来的一种宏语言，一般依附于如Excel等Office的应用程序中，用于拓展应用程序的功能，得益于VBA与主应用程序的这种依附关系，其与主程序之间的通信简单且高效。并且VBA提供了面向对象的程序设计方法，提供了相当完整的程序设计语言，结合其强大的宏录制功能，利用VBA可以在Excel内轻松开发出功能强大的自动化计算程序。

与仅利用Excel迭代功能进行调洪计算相比，利用VBA开发通用的调洪计算程序，可结合调洪计算的特点开发更有针对性的计算函数，并通过循环实现多套组合方案的快速调洪计算，同时输出计算成果图表到Excel中，操作简单，基本不需要额外的学习成本即可掌握，可有效提高调洪计算的效率和准确性。

3 调洪计算程序设计

调洪计算程序开发以Excel和VBA开发环境为基础，采用面向对象的编程方法。基础类包括插值函数类和基本参数类，其中插值函数类主要解决二元曲线线性插值问题。新编迭代函数，利用二分法解决迭代计算问题。利用Excel操作界面和新编绘图函数完成参数的输入和成果的输出。调洪计算程序总体框图见图1。

图1 调洪计算程序总体

以单次洪水调洪过程为例，以入库流量和泄流能力为判别条件，逐时段进行调洪计算，对于典型单峰洪水，水库起蓄时刻为入库流量与最大泄流能力相等的时刻，此后入库流量大于最大泄流能力，水库水位上涨，直至入库流量与最大泄流能力再次相等时，水库达到最高水位Zmax，此后水库水位开始回落。单次调洪计算流程见图2。在单次调洪计算基础上，增加循环，可实现多个起调水位、多条泄流曲线和多场设计洪水等组合调洪计算。

图2 单次调洪计算流程

二分法即一分为二的方法，其基本原理是每次将区间从中间分成两部分，通过求解区间中间值判断函数解所处子区间，然后在对应的子区间中继续查找直至找到目标元素。采用二分法进行迭代计算可提高迭代计算效率。调洪计算涉及迭代计算分为两类：ⓐ水位上涨时段，此时出库流量qt等于最大下泄能力qmax，此时需要试算满足条件的qt，计算流程见图3。ⓑ水库最高水位时刻，此时入库流量Qt=qt=qmax，需在ⓐ的基础上嵌套试算Qt=qt的迭代计算。

图3 二分法迭代计算流程

4 工程应用实例

云南省清水河水库的工程任务以供水和灌溉为主，兼顾发电。根据清水河水库规模和坝型，校核洪水标准为P=0.05%。水库溢洪道共2孔，净宽5m，堰顶高程1386m。

调洪计算采用淤积50年库容曲线，根据淹没赔偿标准和水库防洪标准要求，本次对P=20%、P=5%、P=1%和P=0.05%四个洪水频率分别进行调洪计算。调洪计算原理是基于水量平衡，时段入库水量减时段出库水量等于时段水库蓄水变化量。采用静库容调洪，利用列表试算法进行洪水调节计算。

清水河水库不承担下游防洪任务，泄流设施为闸门控制溢洪道，水库起调水位为正常蓄水位1392m。库水位1392m时水库最大泄流能力为302m3/s，当入库洪水流量小于302m3/s时，按入库流量控泄，库水位保持1392m；当入库洪水流量大于302m3/s时，水库全部敞泄，水库开始滞洪，库水位上升。退水期入库流量小于水库泄流能力，水库又转入控泄阶段，避免对下游形成人造洪峰，库水位逐步降至1392m。利用调洪计算程序进行调洪计算，其校核洪水调洪过程见表1和图4，各频率洪水调洪成果见表2。

表1 校核洪水调洪计算过程

表2 不同频率洪水调节计算成果对比

图4 校核洪水调洪计算过程

采用基于VBA和Excel的水库调洪计算程序，单次调洪计算时长约2s，经对比，计算成果与手动计算成果一致。通过循环计算，可实现多套组合方案快速计算，极大程度提高调洪计算效率。

5 结 语

a.与目前普遍采用的基于Excel的列表试算法调洪计算相比，本计算程序针对调洪计算的特点采用二分法进行迭代计算，可将原单次调洪计算的时间从5～10min降低2s，计算效率显著提高。

b.本计算程序不需要手动设置公式，可有效避免人为错误，且易于拓展，通过循环计算可同时计算多套组合方案，通过Excel可直观便捷地输出成果图表。

c.通过云南清水河水库等工程实际应用，证实本程序计算成果与手动计算成果一致，可满足工程应用要求。