Excel在水文水利分析与计算中的应用_别君霞.pdf

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1、 20091No14四 川 水 利Excel在水文水利分析与计算中的应用别君霞,刘力军,张 红(四川省水利水电勘测设计研究院规划设计分院,四川 德阳,618000)=摘 要M icrosoft Excel软件具有强大的数据分析、统计、模拟计算等功能,Excel在水文水利计算中具有广阔的应用空间,本文通过关系曲线拟合、水库径流调节计算两个典型案例进行分析,使我们看到 Excel在应对繁琐的水文水利分析与计算问题时,如何将冗繁的计算过程简单化、可视化、清晰化。=关键词M icrosoft Excel 关系曲线拟合 规划求解 水库径流调节 迭代计算 M icrosoft Excel强大的分析计算功能

2、、友好的设计界面、及时交互的人机对话场景,在水文水利计算工作中具有广阔的应用空间。Microsoft Ex2cel作为通用的计算机办公平台,经历了 Ex2cel510、Excel97、Excel2000、Excel2002、Excel2003、Excel2007等版本的更新换代,目前广泛应用的2003、2007版本已经相当稳定成熟。本文将以关系曲线的拟合、水库径流调节计算两个典型案例,说明 Excel在水文分析与计算中的应用。1 关系曲线图的绘制 111 问题引入在水文水利计算中,利用有限的已知数据量去分析计算或预测未知的数据相当普遍,其关系曲线的绘制一般采用曲线拟合法进行。大型灌区的小型水利

3、设施数量多、分布广,一般采用/复蓄系数0法计算可供水量。按照小型水库、山平塘、石河堰的有效容积,根据不同来水频率的典型调查情况,确定其相应的复蓄次数(小型水库、塘堰供水系数如表 1)。根据调查的复蓄次数与径流频率的关系点绘供水系数曲线,可以反插其他频率的供水系数。采用手工方式在方格纸上点绘实测数据点,是一项非常繁杂的工作,而且插值受到人为因素的影响,精度也要打折扣。利用 Ex2cel2007软件,可以比较轻松地进行曲线拟和。表 1某灌区不同典型年不同工程类型复蓄系数调查成果工程类型径流频率 P(%)102030405060708090石河堰0166 017 0172 0175 0178 018

4、50190 1951山平塘0181 017 0165 0160 0155 0152 0150 0 145 0143小型水库0183 0175 0172 0168 0165 0163 0160 0 155 0153 112 曲线拟合在 Excel2007中,只要输入两组相关数据,点取/插入0)/图表 0中选择/xy散点图 0,根据提示就可以轻松地绘出频率 供水系数(P K)关系的散点图(如图 1)。在点汇 P K关系图后,可以根据散点的分布情况初步确定散点图函数图像的线型,如石河堰的图像为指数函数图像线型,函数的一般式为:y=AeBX+C图 1 频率供水系数(P K)相关图#51#别君霞,刘力军

5、,张 红:Excel在水文水利分析与计算中的应用20091No14 山平塘、小型水库的函数图像为幂函数图像线型,函数的一般式为:y=AxB+C通过利用 Excel2007,可以轻松实现对 P K关系曲线的拟合,找到最接近实际的函数参数,从而确定函数关系式。以石河堰的关系曲线拟合为例,在 Excel2007中应用规划求解的方法进行曲线拟合。/规划求解 0是一组命令的组成部分,这些命令有时也称作假设分析工具。借助/规划求解 0,可求得工作表上目标单元格中公式的最优值。/规划求解 0将对直接或间接与目标单元格中公式相关联的一组单元格中的数值进行调整,最终在目标单元格公式中求得与期望值最为接近的结果。

6、/规划求解 0通过调整所指定的可变单元格中的值,从目标单元格公式中求得所需的结果。曲线拟合实际上就是找一条曲线,使得所有点到拟合线的拟合插值的平方和最小,对于指数函数,即:d=Eni=0(yix-yi)2=Eni=1(AeBx+C-yi)2为最小。在 Excel中可以很直观的实现这一过程。首先在列 A、B中分别输入调查的 P、K数据,在计算参数单元格中分别输入参数的初值,本文给 A、B、C输入的初值分别为-115、-0105、5,在列 C中按 K=(AeBx+C)2方程输入/=BS|3*EXP(CS|3*A7)+DS|30,在列 D中输入/=(B7-C7)20,在 D列数据尾输入/=SUM(D

7、7BD15)0(如图 2所示)。图 2 Excel计算过程图 3 参数求解操作 单击/M icrosoft Office按钮 0,单击/Excel选项 0,单击/加载项 0,在/管理0框中,选择/Excel加载宏 0,在/可用加载宏0框中,选中/规划求解加载项 0复选框,然后单击/确定 0。单击/数据/选项卡,选取0规划求解/,在/设置目标单元格0框中键入目标单元格/S|DS|160,在/等于 0单选按钮中选择/最小值 0选项,可变单元格即 A、B、C参数。所在的位置/S|BS|3:S|DS|30。单击/求解 0,则最佳的参数率定结果显示如图 2所示,整个过程要求计算满足 Eni=0(AeBx

8、+C-yi)2为最小值时对应的参数 A、B、C的值。113 举一反三图 4 水库径流调节计算#52#20091No14四 川 水 利 关系曲线图在水文水利计算中比比皆是,水文分析与计算中的径流时面深关系曲线图,降雨径流相关关系、水位流量关系等,在水利计算中降雨蒸发资料的插补、库容曲线等均可在 Excel中进行绘制。利用 Excel的强大图表及函数的处理功能,可以改进计算方法,大大提高计算精度和工作效率。2 水库径流调节计算 211 水库径流调节计算原理水库的径流调节计算任务,是在已知河流径流过程及综合利用要求下,研究水库的水量供需平衡过程,求出水库调节流量、调节库容和供水保证率三者之间的关系,

9、为确定水库规模、工程参数、调度方案、工程效益提供依据。水库径流调节的原始数学模型是水量平衡方程式:W入-W出-W损=V末-V初即在一个计算期内水库各种水量的代数和等于水库蓄水量的变化。式中:W入、W出)分别为计算期入库、出库总水量;V初、V末)计算期开绐、终了时的库容;W损)计算期渗漏、蒸发总损失水量。212 水库径流调节计算以某一代表年为计算典型年,作为示例进行计算。将水库径流调节所需的需水、来水、水库死库容按照下图格式输入 Excel2007中。水库径流调节计算,实际上就是将水库损失、水库蓄水、水库弃水、缺水逐一确定的过程。21211 水库的有效库容由于水库的有效库容为径流调节所确定的水库

10、规模参数,需要试算,在有效库容一栏中赋初值为 1000。21212 水库月初蓄水水库蓄水一列中的水库初始蓄水量,在长系列调节计算中一般取 V初=V死+V有效/2,即在表/E60位置中输入/=C4+D4/20。21213 水库的水量损失水库各种水量损失,一般可取水库月平均蓄水的 1%2%,本次取 1%,即/D70单元格应填入/=(E6+E7)*01010。21214 水库月末蓄水、水库弃水、水库缺水水库月末蓄水应根据水量平衡方程式求得,但是由于水库的死库容即正常蓄水位库容(V死+V有效)的限定,使得必须对月末蓄水作出相应的约束:如果 V末=V初+W入-W需-W损小于死库容V死,水库水位不可能消落

11、至死水位以下,说明水库存在缺水,水库维持死水位运行;当 V末=V初+W入-W需-W损大于正常蓄水位库容,水库不能囤蓄多余的来水,需要弃水,水库维持正常蓄水位运行。因此单元格/E70应填充/=IF(E6+C7-B7-D7 CS|4+DS|4,CS|4+DS|4,E6+C7-B7-D7)0。单元格/F70、/G70应分别填入/=IF(E6+C7-B7-D7 CS|4+DS|4,E6+C7-B7-D7-(CS|4+DS|4),)0、/=IF(E6+C7-B7-D7/启用迭代计算0,在/最多迭代次数 0及最大误差中选取适当的值(如图 5)。然后,在/D70单元格中重新键入=/(E6+E7)*01010

12、,就会很快得到满足要求的迭代计算成果。图 5 选代计算操作#53#四 川 水 利20091No14水土保持汉源县生产建设项目水土流失现状与生态补偿浅析王 洁1,汪杨军2(11四川省水电勘测设计院规划分院,四川 德阳,618000;21汉源县水利局,四川 雅安,625300)=摘 要汉源县矿产和水电资源丰富,众多的生产建设项目在生产、建设过程中造成了严重的水土流失。本文在分析生产建设项目的水土流失现状、成因及危害基础上,提出了汉源县生产建设项目水土保持生态补偿机制的具体措施:加大水保/两费0的征收力;从资源费中提取资金;建立下游对上游的生态补偿机制。=关键词水土流失 生产建设项目 生态补偿 汉源

13、县 汉源县位于长江上游川西南大渡河中游两岸,为四川盆地与西藏高原、攀西干热河谷的过渡地带,幅员面积 238712km2。境内山峦起伏,沟壑纵横,海拔高程从西北部的马鞍山 4021m陡降到东部的大渡河出境处的白熊沟 550m,落差达3571m。汉源县属北温带与季风带之间的山地亚 21312 关于 Excel2007开发工具的应用利用 Excel2007中开发工具,可以提高可视化程度,进一步延伸表格的功能。水库的有效库容本身也是一个试算过程,目的是不产生缺水或者在长系列计算中满足预先设定的某一保证率,如本例中计缺水栏值为 0。图 6 水库径流调节计算成果 在开发工具选项卡中选择/插入 0,/表单控

14、件 0选择/数值调节按钮0,在单元格/E3、E40中右击/数值调节按钮0,在控制选项卡中选取链接的单元格/S|DS|4/,然后就可以通过利用/数值调节按钮 0上下调节,轻松找到满足符合要求的最小有效库容值。本例中通过向下调节,可以找到水库的有效库容为 880时为满足需水要求的最小有效库容。3 结语笔者通过应用 Excel以来,广泛总结相关应用经验,已经将 Excel应用于关系曲线拟合、水库径流调节计算、水库洪水调节计算、河道洪水水面线的推求、水文频率曲线的绘制等实例中。过程可视化、应用简单化、成果清晰化、输出美观化等突出优点,使得 Excel在水文水利分析与计算中扮演着越来越重要的角色,它为水利工作数字化、信息化也发挥了积极作用。参 考 文 献112郭元裕主编.农田水利学.北京:水利电力出版社,1986.122黄世莹,刘廷建编.数值计算方法.成都:成都科技大学出版社,1995.132叶守泽编.水文水利计算.北京:中国水利水电出版社,1994.u#54#