调洪演算数值计算软件在康家沟灰场改造中的应用

吴江江，张永华，王胜利，吕涛，张悦，覃源

（1.中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，陕西西安 710054；2.西安理工大学，陕西西安 710048）

调洪演算数值计算软件在康家沟灰场改造中的应用

吴江江1，张永华1，王胜利1，吕涛1，张悦2，覃源2

（1.中国能源建设集团陕西省电力设计院有限公司，陕西西安 710054；2.西安理工大学，陕西西安 710048）

利用吴江江等人编译设计出的拦洪坝调洪演算数值计算软件对大唐略阳发电厂康家沟灰场改造中的拦洪坝进行调洪演算。通过与传统的试算法和图解法进行对比发现，使用该软件能够快速、灵活、方便地进行调洪计算，很大程度地提高了设计人员的效率，且可以精确合理地确定坝高及排水构筑物的尺寸，使得整个工程造价最小，有很大的经济效益。

调洪演算；数值计算；软件开发；拦洪坝

一般在山谷中建造拦灰坝或者尾矿坝时，为了防止暴雨洪水对拦灰坝或者尾矿坝造成危害，都需要在坝的上游建造相应的拦洪坝，确保拦灰坝或者尾矿坝的绝对安全[1]。拦洪坝调洪演算只需要考虑暴雨洪水量，不需要考虑河道的来水量，这不同于一般的水库调洪演算。进行水库调洪演算是水库设计的非常重要的一部分，同时也是洪水灾害管理中重要措施之一，当一定防洪标准的设计洪水入库后，水库调洪计算是为了找出能满足防洪要求的防洪库容、泄洪建筑物型式和尺寸。在水库建成后，调洪计算便是为了寻求合理的、较优的水库汛期控制运用方式。近几年调洪演算方法在国内外迅速发展起来。传统的调洪演算方法列表试算法、半图解法等过于繁琐、复杂，因此人们在试算法与列表法等传统方法的基础上，探讨了一些新方法，包括MATLAB的应用、EXCEL的应用、神经网络的应用等[2]。进行调洪演算目的是当水工建筑物或下游防护对象的防洪标准一定的情况下，根据水文分析计算提供的洪水过程线、库容与坝高关系、库水位与泄流量的关系等，通过计算，推求水库最大下泄流量、最大泄流量对应的洪水量、最大库容以及最高洪水位等。本文通过编译设计调洪软件来对某拦洪坝进行调洪演算，很大程度上减少了工作量以及节省很多时间，也能计算出更精确的数值。

本软件通过对传统调洪演算所用的数解法和图解法进行改进和解析，利用计算机高级语言工具对雨水过程、泄水过程，以及坝高和库容的关系数值离散化，运用三次样条插值函数对计算辅助曲线进行拟合，通过反解，拟合出的六次多项式曲线函数，得到每次迭代所需数值[3]。对整个的计算过程运用软件编译工具进行交互式界面设计，最终设计出只需要读入库容关系数据、雨水过程数据和泄水过程数据就可以直接输出计算结果文件。

1 水库调洪演算

1.1 水库调洪演算原理

水库调洪演算原理就是水库水量平衡（见图1）。水库调洪的过程就是在Δt时段内，入库水量、出库水量和水库蓄水量的变化过程。水量平衡方程

式中：Δt为计算时段长度；Qt，Qt+1为t时段初、末的来水量；qt，qt+1为t时段初、末的泄流量；Vt，Vt+1为t时段初、末水库库容。

图1 水库调洪演算示意图Fig.1 Schematic diagram of reservoir flood routing

若泄洪建筑物为无闸门表面溢洪道，则下泄流量q的计算公式为

式中：ε为侧收缩系数；m为流量系数；B为溢洪道宽；h1为堰上水头。

若泄洪建筑物为孔口出流，则下泄流量计算公式为

式中：μ为孔口出流系数；ω为孔口出流面积；h2为孔口中心水头。

式（2）或式（3）反映的是泄流量q与泄洪建筑水头h之间的函数关系，可以将其转换为泄流量q与库水位Z之间的关系：q=f（Z），而已知库容V与库水位Z的关系：V=f（Z），可进一步求出水库下泄流量q与水库库容V的关系，即

1.2 水库调洪计算理论

1.2.1 列表试算法

列表试算法因为需要进行多次试算，且属于循环计算过程，因此一般使用Excel来完成。近几年，人们将试算法编成程序，通过迭代进行计算，试算法得到广泛应用[4-5]。列表试算法步骤如下：

1）由库容坝高关系H-V曲线、洪水量过程线、下泄流量计算公式等，推求q-V曲线。

2）推求水库下泄流量过程线q-t。

3）在一张图上点绘Q（t）和q（t），推求qmax。

4）推求所需调洪库容Vmax、调节库容V¯调、最高洪水位Zmax。

1.2.2 半图解法

在手工进行水库调洪计算的时代，人们使用试算法和图解法进行计算，但相比于试算法，图解法更受青睐，因其计算比较直观精确而且不需要多次试算[5]。将水量平衡方程式（1）改写成

可以看出试算法与图解法计算步骤较多，设计洪水过程每一时段的调洪演算都需经过反复的假定、试算，计算工作量很大。但是“调洪软件”将试算法与图解法进行改进，以程序的形式省略了人工计算步骤，能快速读取数据，计算出需要的结果。

2 调洪软件开发的目的及意义

传统调洪演算方法在实际应用时存在缺陷，比如企业人员的认识水平不同，对计算方法的熟练度不同等，会使得调洪演算计算结果存在误差，从而降低了结果的可信度，因此作者自行开发了基于传统调洪演算方法的程序，并为该程序赋予了便于操作的界面。

为验证程序的可靠性，本文对康家沟灰场拦洪坝水库进行调洪演算。

2.1 实例分析

本次康家沟灰场拦洪坝水库调洪计算主要是核算现有拦洪坝高度能否满足洪水量要求，依据《火力发电厂干式贮灰场设计规程》（DL/T5488-2014），按二级灰场洪水标准来计算，二级灰场标准也就是设计洪水重现期为50 a，坝顶安全超高1.5 m；校核洪水重现期为200年，坝顶安全超高0.5 m 2种情况。

工程概况：康家沟灰场位于略阳县城西北，地处横现河乡老虎坪村，是嘉陵江的一条支沟，方向基本为南北向。康家沟灰场始建于1992年，投产于1996年，为湿式灰场。初期坝为堆石坝。其他数据如表1所示。

表1 工程资料Tab.1 Engineering data

利用“调洪演算数值计算软件”实现计算结果的步骤如下：

1）根据测量所得地形图，计算出不同坝高情况下所对应的库容，列入文本文档，待用。如表2所示。

表2 库容与坝高的关系表Tab.2 The relationship between storage capacity and dam height

2）把水文气象专业所计算出的洪水量过程数据，列入文本文档，待用。如表3，表4所示。

表3 五点法洪水量过程表（50 a一遇）Tab.3 Five-point method for flood discharge process（in 50 years）

表4 五点法洪水量过程表（200 a一遇）Tab.4 Five-point method for flood discharge process（in 200 years）

3）根据泄流水工建筑物的具体形式和情况，计算出不同洪水位下的泄流量，把所得数据列入文本文档，待用，如表5所示。

表5 泄流量与库水位的关系表Tab.5 Table of relationship between discharge quantity and reservoir water level

4）根据计算精度以及迭代过程，确定洪水量过程离散的时间间隔，本工程选用的时间间隔为0.1 h。

5）打开计算软件交互式界面，该软件在将时间变化量设置的是0.1和0.2，分别根据提示读入上述步骤准备好的数据。每读入一组数据。出现下表读取成功界面，点击ok即可。如图2所示。

三组数据都读取成功后，点击计算，便可出现图3、图4所示界面，计算出最大库容Vtz和最高洪水位Htz的值，点击ok。

图2 调洪计算软件读取数据界面Fig.2 Data reading interface of flood control calculation software

图3 调洪计算软件计算最大库容界面Fig.3 Flood routing calculation software for calculating the interface of the maximum capacity

图4 调洪计算软件计算最高库水位界面Fig.4 Flood routing calculation software to calculating the interface of the maximum reservoir water level

完成以上操作之后，界面呈现出洪水量过程Q-t线以及下泄水量过程q-t线，如图5所示。

图5 调洪计算软件绘制洪水过程线和泄水过程线界面Fig.5 Flood routing calculation software for drawing the interface of the flood hydrograph and the sluicing process

2.2 结果整理与分析

根据计算结果文件，整理出计算结果，如表5所示，数解法与图解法计算结果如表6、表7所示。

表6到表8 3种计算方法分别计算了洪水重现期为50年和200年的相应结果，调洪软件计算出来的结果与传统方法的计算过程相比，优点是软件只需点击读取3个已准备好的文档即已知数据，待读取成功后，点击计算按钮便可得出洪水量过程线与泄水量过程线。同时也可以在结果文档中读取其他需要的结果，包括泄水量最大时所经历的时间、最高水位Htz、最大库容Vm，以及下泄流量最大时对应的洪水量Q。而传统计算方法相比来说计算过程繁琐，容易出现错误。本文将传统调洪演算方法进行改进开发成软件，省掉过程中繁琐的工作量，同时避免了计算过程中的可能出现的错误，提高了计算结果的精确度。其中最大泄流量通过水量平衡公式迭代计算出来，某时刻来水量即Q～t通过插值计算出来。根据坝高与库容、泄流量的关系可计算出所需调洪库容以及最小坝顶高程。

表6 调洪软件计算结果Tab.6 Calculation results of flood routing software

表7 数解法计算结果Tab.7 Calculation results of the numerical solution

表8 图解法计算结果Tab.8 Calculation results by graphic method

3 结论

1）在输入数据环节，传统调洪演算方法过程复杂，容易出现输入数据错误现象，而“调洪软件”在读取数据方面有明显优势，直接点击读取数据按钮，待数据读取成功便可直接计算，避免了出现数据出错这一问题。

2）在数值法及图解法的计算过程中，需要通过公式、图表等来进行计算，过程繁琐。而“调洪软件”便于操作，省略了各种迭代、循环、试算过程，提高了计算结果精度，同时也避免了这些过程中可能出现的错误。

3）传统调洪计算方法不仅消耗设计人员大量的精力，而且要求设计人员具有丰富的水利计算和水力学计算方面的专业知识，而“调洪软件”不仅能快速、直观的呈现出需要的结果，而且可以精确合理的确定坝高及排水构筑物的尺寸，使得整个工程造价最小，有很大的经济效益。

[1]张宝琼，林赛，陈红齐.高海拔地区土石坝技术研究[J].电网与清洁能源，2014，30（8）:68-70.ZHANG Baoqiong，LIN Sai，CHEN Hongqi.Study of key technology of earth-rock dam in high altitude areas[J].Power System and Clean Engergy，2014，30（8）:68-70（in Chinese）.

[2]张国辉，郭晓丽.基于VBA的水库调洪演算程序编制[J].水资源与水工程学报，2012，23（4）:190-192.ZHANG Guohui，GUO Xiaoli.Program compilation of reservoir flood routing based on VBA[J].Journal of Water Resources and Water Engineering，2012，23（4）:190-192（in Chinese）.

[3]莫崇勋，魏炜.三次样条插值函数在调洪演算中的应用[J].水力发电，2013，39（10）:12-17.MO Chongxun，WEI Wei.Application of cubic spline interpolation function in flood routing[J].Water Power，2013，39（10）:12-17（in Chinese）.

[4]刘小良，王鑫，姚凯.明流泄洪洞弯道水流特性试验研究[J].电网与清洁能源，2014，30（8）:145-148.LIU Xiaoliang，WANG Xin，YAO Kai.The experimental study of flow characteristics of turning and high-speed open flow[J].Power System and Clean Engergy，2014，30（8）：145-148（in Chinese）.

[5]张宏军.泄洪兼导流洞布置型式与规模的分析确定[J].电网与清洁能源，2010，26（3）:86-90.ZHANG Hongjun.Analysis of spillway&diversion tunnel layout and scale determination[J].Power System and Clean Engergy，2010，26（3）：86-90（in Chinese）.

（编辑 李沈）

Application of the Numerical Calculation Software of Flood Routing in the Transformation of the Kangjiagou Ash Field

WU Jiangjiang1，ZHANG Yonghua1，WANG Shengli1，LÜ Tao1，ZHANG Yue2，QIN Yuan3
（1.Shaanxi Electric Power Design Institute，Xi’an 710054，Shaanxi，China；2.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

This paper presents a flood routing calculation of the flood detention dam in the transformation project of the ash field of the Datang Lueyang Power Plant by the numerical calculation software for flood routing complied and designed by Wu Jiangjiang et al.Compared to the traditional trial method and graphic method，this software is found to be fast，flexible and convenient in the flood regulating calculation.The method can substantially improve the efficiency of the designer and accurately determine the dam height and drainage structure size，which helps to minimize the total cost of the project，and therefore has great economic benefits.

flood routing；numerical calculation；software development；flood detention dam

国家自然基金项目（51409208）。

Project Supported by the National Natural Foundation of China（51409208）.

1674-3814（2016）10-0132-05

TV135.1

A

2016-02-19。

吴江江（1986—），男，硕士研究生，研究方向为水利工程计算。