Excel试算法在北疆供水工程设计中的应用探讨

李铭杰

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)



Excel试算法在北疆供水工程设计中的应用探讨

李铭杰

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)

Microsoft Excel是常用的办公软件，计算功能强大、结果准确，其同样可以用于水利水电工程渠道水力设计计算中，且可以大大简化计算过程并提高计算结果的精确度，满足水利水电工程设计计算的复杂性要求。基于此笔者对Excel软件所具有的试算功能及单变量求解功能在供水工程渠道水力计算中的应用进行了探讨。实践证明，Excel试算法简单方便、计算速度快、可以保证计算污渠的准确性，大大提高了水利工程主渠道水力计算工作的效率。

Excel试算法；试算-图解法；工程设计；渠道；水力计算

1 概 述

梯形渠道是水利水电工程中常用的渠道形式，其水力要素有水深、底宽、边坡系数、糙率系数、底坡、过水断面面积、湿周、水力半径、谢才系数、流量等，在水利水电工程渠道设计过程中，常常需要进行渠道过流能力的校核、断面尺寸的设计等，这都需要进行大量的试算，试算法涉及参数多、计算工作量大、计算结果准确性差。Microsoft Excel作为常用的一款办公软件，其所具有的图表处理功能和数据分析功能同样可以用于水利水电工程渠道设计中参数的确定，既能大大简化计算过程，又能保证计算结果的准确性。

2 Excel试算法制作水利计算单元格

利用Excel试算法进行渠道水力计算单元格制作时，需事先预设单元格数值和公式表达式，在计算时直接输入试算值，便可得到水力计算结果，如果计算结果与实际值无限接近，则说明输入的试算值就是所求结果[1]。

2.1 渠道水力计算的基本公式

在进行水利工程渠道水力计算时，按照几何公式和经典经验公式进行各项水利要素的计算，基本公式主要包括过水断面面积公式、湿周公式、水力半径、谢才系数和流量计算公式，按照《渠道防渗工程技术规范》(SL18-2009)，在不同的断面形式下，所采用的渠道过水断面面积ω、水力半径R计算公式有所不同，详见表1。

2.2 单元格公式的表达式

Excel单元格设置中单元格公式的表达式详见表2，在水利工程设计中，一般将A设为试算所求项，而将B、C、D、E设为已知项，F、G、H、I设为计算过程项，J为对比项，按照经典经验公式计算过程项和对比项的单元格公式，在三行中分别进行Excel单元格计算公式的输入见表3。

3 实际应用

3.1 工程概况

北疆供水工程一期自2006年完工后至今已运行10a，渠道全长580km，根据工程地形地质条件，为降低渗漏损失并加强渠道抗冲性能，设计采用等腰梯形断面和浆砌石衬砌，边坡系数m取1.00，底坡i取0.00125，底宽b取6.00m，设计流量25-85m3/s，水利坡降0.07‰-0.20‰，渠道糙率系数为0.025，安全超高0.5m，水深h加上安全超高即为渠堤高度。断面结构型式主要为宽浅式，衬砌结构均由边长30cm的正六边形混凝土预制板进行砌筑。目前，随着供水工程渠道沿线用水户的增多及用水量的增大，渠道输水能力日益下降，为了保证渠道沿线水量的供应，提高渠道输水能力迫在眉睫。

表1 渠道过水断面面积ω、水力半径R计算公式表

表2 Excel单元格的设置

表3 Excel单元格的计算公式

3.2 试算-图解法求解

为了便于试算法的运用，可将水力学基本公式整理为高次方程[2]，形式如下：

(1)

高次方程很难通过直接求解法确定水深h，实际运算中，可以事先设定不同的h值，通过式(1)计算出相应的Q值，绘制h-Q曲线，在流量已知时，通过曲线便可查找出对应的h值，如图1所示。

图1 试算-图解法h-Q曲线

3.3Excel试算法求解

新建MicrosoftExcel工作表并打开，按照表2进行水力计算表格的设计，并根据所建立的Excel单元格，将该供水工程已知数据添加在单元格B3、C3、D3和E3中，进行试算时，将所需试算的数值输入A3单元格并选择设计的断面形式，则流量Q的值会自动显示在J3单元格中，选中A3、B3、C3、D3、E3、F3、G3、H3、I3、J3单元格，并利用Excel的填充功能进行填充，将试算值依次输入A4、A5、A6、A7、A8…等单元格，所对应的J4、J5、J6、J7、J8…单元格会将求得的流量计算结果自动显示出来，当流量Q无线趋近目标值，则表明计算过程结束，计算过程详见表4。

表4 Excel试算法计算过程与结果

3.4 单变量求解

本供水工程采用梯形断面形式，设边坡系数m取1.00，底坡i取0.00125，底宽b取6.00m，设计流量27m3/s，水利坡降0.002，渠道糙率系数为0.025，则可以利用Excel的单变量求解功能计算水深h，步骤为：

选择工具栏中的“单变量求解”工具，出现相应的对话框，在“目标单元格”栏中输入单元格引用，此处为“流量Q”；在断面形式列选择“梯形”，并在对应的单元格输入参数值，如选择C6单元格输入b值“6.00”,选择C7单元格输入流量Q值“41.57”，选择C8单元格输入m值“1.00”，选择C09单元格输入n值“0.025”，选择C10单元格输入i值“0.00125”，在“目标值”框中输入所需结果，并在“可变单元格”框中输入数值所在单元格引用，单击确定，便可求得结果，水深h=2.80m[3]。

4 结 论

综上所述，运用Excel试算法所计算的水深与运用基本公式所求得的水深相差1个流量以上，而且传统的试算-图解法计算量大、涉及参数多且计算精确度较差，而Excel试算法简单便捷、结果准确，大大减少了参数的重复计算，提高了设计工作效率。Excel试算法在北疆供水工程中得到了应用，实践证明，该程序方法简单方便、计算速度快，可以保证计算结果的准确性，大大提高了水利工程渠道水力计算工作的效率。Excel是微软公司office办公软件组件之一，其具有强大的计算功能、图表文字综合处理功能和数据分析功能，但遗憾的是，关于Excel在水利工程设计中的运用方面的理论和实践都相当欠缺，作为水利工作者，必须积极探索Excel等计算机软件在水利水电工程设计中的实际应用。

[1]雷丰泽，史香玲.用MicrosoftExcel单变量求解进行明渠均匀流水力计算初探[J]，水利科技与经济，2011(11)：100-101.

[2]胡建春，何茜.基于MicrosoftExcel试算法在明渠工程设计中的应用[J]，浙江水利水电学院学报，2015(09)：47-49.

[3]李家瑞.Excel在工程设计中的应用[J]，河南水利与南水北调，2011(18)：129-130.

1007-7596(2017)03-0116-03

2017-02-27

李铭杰(1984-)，男，新疆乌鲁木齐人，工程师，从事水利工程运管及施工工作。

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