浅析Excel在水利设计中的应用

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　　摘要：
　　水利工程是关系国计民生的大事，因此，如何做好水利设计工作受到了越来越多的关注与重视。为了有效地提高水利设计的工作效率，设计人员把具有强大电子表格处理能力的Excel引入了水利设计工作中。Excel以自身所具有的制表、数据计算、数据统计分析、数据图表制作、打印以及发布远程数据等强大功能，在水利设计工作中表现出了极大的优势。本文主要在对Excel进行简单介绍的基础上，就其在水利设计中的应用问题进行了相关的研究探讨，以供同行参考。
　　关键词：Excel；水利设计；应用
　　在进行水利设计时，每一次的设计都要对大量的原始数据进行相应的处理计算，在得出正确结果的基础上进行相应的设计工作。而每一项设计内容的计算工作都十分的繁琐与复杂，并且在结果检查时也十分的费时。因此，对于从事水力设计工作的人员来说急需引入到一种辅助设计的方法与工具，来提高设计工作效率。Excel的引入为解决以上的问题，提供了有效的途径。Excel作为一种数据处理工具，以其强大的功能与使用技巧，在水利设计中表现出了不可替代的优势。
　　一、 Excel概述
　　Excel是微软公司开发的一个电子表格处理软件，它是Office的一个组件。它能够在Windows以及MS―DOS操作系统下进行良好的运行。Excel的主要功能在于为用户提供一个拥有电子数据表（Spreadsheet）、图表（Chart）和数据库（Database）等三种功能的操作环境。Excel在具体的使用过程中，能够为用户提供制表、数据计算、数据统计分析、数据图表制作、打印以及发布远程数据等服务功能，而它与文本处理软件最大的差别就在于它能够运算复杂的公式和函数，并且有条理的显示运算结果。
　　Excel所具有的公式与函数运算的功能，使其在数据处理方面具有较大的优势作用。Excel中的函数一共有11类，包括数据库函数、日期与时间函数、工程函数、财务函数、信息函数、逻辑函数、查询与引用函数、数学与三角函数、统计函数、文本函数以及用户自定义函数。其中工程函数大约有近40个，大致分为三类：对复数进行处理的函数、在不同数字系统间进行数值转换的函数以及在不同度量系统中进行数值转换的函数。并且其“分析工具库”能够提供工程工作表函数。其中的自定义函数，在所进行的运算较复杂时，Excel内置函数不能满足要求时，用户可以自定义函数来完成。
　　Excel的以上功能能够有效地解决水利设计中的一些计算问题，有效地提高水利设计工作的效率。
　　二、 Excel在水利设计计算中常用的功能
　　（一） 相对引用
　　Excel中的相对引用是指单元格的引用会随着公式所在单元格位置的改变而改变。公式中的相对单元格引用包括公式和单元格的引用以及单元格相对位置的引用等内容。当公式所处单元格位置发生改变时，相应的引用也会发生改变，并且在进行多行或多列公式复制时，引用会自动的进行调整。在Excel的默认状态下，新公式所用的是相对引用。
　　（二） 绝对引用
　　在进行单元格的复制或移动时，一般不希望引用的单元格地址发生变化，成为绝对引用。绝对引用是在指定位置进行单元格的引用，当公式所处的单元格的位置发生变化时，绝对引用的位置能够保持不变，并且在进行多行或多列公式复制时，绝对引用也不会进行调整。
　　（三） 拖动填充
　　Excel中的拖动填充是一种重要的计算工具。它是利用拖动鼠标的方式对单元格进行填充，当位于选定区域右下角的鼠标指针变成黑色十字形式，按住鼠标并进行拖动，当将所需单元格填充完毕时，放开鼠标。在拖动过程中，如果单元格中有引用时，则引用的相对单元格会随着发生变化，而绝对引用的单元格则不会发生变化。
　　（四） 单变量求解
　　单变量求解作为一种假设分析工具，是在已知单个公式的预期结果，而确定此公式结果的输入值未知的情况下，进行使用。单变量求解可以通过工具菜单上的“单变量求解”反求输入值来实现。在Excel中进行单变量求解时，Excel会对特定单元格中的值不断地进行调整，直到达到所需的结果为止。
　　三、 Excel在水利设计中的应用
　　（一） 天然河道水面曲线计算
　　考虑到天然河道具有的水断面形状和堤坡沿程变化，而河道糙率不仅沿程变化，且在同一河段上还随水深变化而变化等特点，因此，天然河道水面曲线常用分段法进行计算。对河道进行分段是要根据水断面形状、底坡及粗糙率大致相同的原则进行。计算时，对河道分段越多计算出的结果就越精确，但同时计算的工作量也越大。在具体进行计算时，可以使用以下等式，有下游向上游逐段的进行推算。
　　
　　其中的河道设计流量Q、河段糙率n、河道局部阻力系数ξ、计算河道长度ΔL和下游控制断面的水位Z1都是已知的。由于等号右端均为已知量，因此设其为A，设左端为Z1的函数。计算时假设Z1，代入式子计算，当左右两端相等时，此时的Z1即为所求值。在计算时，要不断地假设调整Z1，直至等式两端相等为止。就这样在Excel中进行逐段的计算，就可以求得河道各断面的水位。
　　在具体计算中平均局部阻力系数的取值与河道断面变化情况有关，在顺直河段及不发生回流的河段，ξ取0；在发生回流的急剧扩散的河段，ξ取负的0.5到1.0；在发生回流的逐渐扩散的河段，ξ取负的0.3到0.5。在Excel中进行计算时，在表格的第一行根据等式建立关系式，然后假设一个水位，从整理的断面资料中查出过水面断面面积A和水力半径R输入，其余数据自动计算更新并给出误差值，试算而得到最终结果。
　　（二） 水库调洪计算
　　水库调洪计算的基本原理是逐时段联立求解水库的水量平衡方程和水库的蓄泄方程。水库的水量平衡方程为：
　　
　　其中Q1、Q2是计算时段初、末的入库流量， m3/s；q1、q2是计算时段初、末的水库下泄流量，m3/s；V1、V2是计算时段初、末的水库蓄水量，m3；ΔV是计算时段内水库蓄水量的变化量，m3；Δt是计算时段，s。在进行计算时，当已知水库洪水过程线时，Q1、Q2均为已知，而计算时段Δt的选择要能够对洪水过程线的形状进行准确的反应。利用已知的数据进行计算后，只剩V2 、Q2 是未知数，为了求解，需建立第二个方程，即水库蓄泄方程：q=f(v)，但由于水库的容积曲线（G~V）并没有具体的函数表达形式，因此，不能给出q=f(v)的具体函数式，在具体使用中只能用列表或图示的方法将其进行表示。将以上的两个方程进行联立，对V2 、Q2进行求解，就能得到与入库洪水过程相应的水库蓄水过程和泄流过程。
　　在具体计算时，通过在Excel中进行列表试算，可逐时段求出水库的蓄水量和下泄流量。在进行计算时，首先由已知条件假设q2的值，根据方程求的V2的值，然后根据V2的值查q~V曲线得出q2′的值，看q2′与q2是否相符，若二者不相符，则重新假设q2直到相符为止。然后将上一段末的q2 、V2 作为下一时段的q1 、V1的值，重复以上的计算过程，然后依次进行，逐段进行试算求得水库泄流过程和相应的水库蓄水量。
　　结论：
　　综上所述，将Excel应用到水利设计中，能够有效地提高水利设计的工作效率。
　　
　　注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开

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