吉辛望 ，佟德軍

（1.海河水利委員會引灤工程管理局，河北 遷西 064309；2.河北省唐秦水文局，河北 唐山 063000）

0 前言

潘家口水庫位于河北省遷西縣境內(nèi)灤河干流中游，控制流域面積 33700 km2。水庫大壩為混凝土低寬縫重力壩，中間部分設(shè)有 18 孔溢洪道，用 15 m ×15 m 弧形閘門控制。31＃和 32＃壩段為底孔壩段，共設(shè) 4 個底孔（其中1＃底孔后改建為防汛自備電站進水口），用 4 m×6 m 弧形閘門控制。壩后建有混合式電站 1 座，由 1 臺 150 MW 常規(guī)機組（1＃機）和 3 臺 90 MW 抽水蓄能機組（2?！?＃機）組成。水庫大壩下游 6 km 處，另建有 1 座混凝土攔河壩，形成一個與電站尾水連成一體的抽水蓄能機組反調(diào)節(jié)池（下池）。

下池蓄水及抽水蓄能機組運行后，原壩下測流斷面即行廢止，水庫（上池）出庫流量改由發(fā)電洞、溢洪道、泄洪洞工作（泄流）曲線（即水力學(xué)法）進行計算。這種多類型、多孔洞出流的水情處理過程，涉及 10 多類原始數(shù)據(jù)，需翻閱、查算 6 種關(guān)系查算表，參加計算的數(shù)據(jù)多達(dá) 50 余組。水情信息傳輸?shù)臅r效性和原始數(shù)據(jù)的正點采集，要求水情計算及拍報必須在盡可能短的時間內(nèi)完成。采用傳統(tǒng)手工方法計算，工作量大且易出錯，遲報、錯報現(xiàn)象難以徹底消除。為此，開發(fā)了基于 Windows 平臺的潘家口水庫水情信息處理系統(tǒng)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理及水、雨情信息傳輸?shù)淖詣踊?/p>

1 系統(tǒng)功能

潘家口水庫水情信息處理系統(tǒng)，不僅需要處理逐日的水情信息并產(chǎn)生水情日報表，還需將逐日和瞬時采集到的水文信息及計算成果存入數(shù)據(jù)庫，用來在下月初和第二年年初生成并打印月、年成果表。因此，它實質(zhì)上是一個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件。鑒于 Object Pascal 具有代碼效率高、使用方便及速度快等特點，故將其作為開發(fā)平臺，并以 Delphi 7.0 為編程工具，Access 為數(shù)據(jù)庫，ADO 為數(shù)據(jù)庫引擎。最終開發(fā)出的軟件，經(jīng)安裝生成一個擴展名為“.exe”的 Windows 應(yīng)用程序。系統(tǒng)運行后的主數(shù)據(jù)表界面如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)主數(shù)據(jù)表畫面

1.1 數(shù)值計算

（1）依據(jù) 1?！?＃機組發(fā)電運行后的表底讀數(shù)計算日發(fā)電量，進而求得發(fā)電用水量（流量）；依據(jù) 2?！?＃機組抽水運行后的表底讀數(shù)計算抽水耗電量，求得抽水水量（流量），并以負(fù)值表示。以發(fā)電用水量（流量）與抽水水量（流量）的代數(shù)和作為發(fā)電洞日平均出庫流量。

（2）依據(jù)上、下池水位人工觀測值，按各自庫容曲線分別插值計算上、下池庫容。

（3）實時計算多個不同工況的溢流閘的泄流量，對全日多個泄流時段的泄流量進行統(tǒng)計，求得溢流閘日平均泄流量。

（4）實時計算多個不同工況的泄洪洞的泄流量，對全日多個泄流時段的泄流量進行統(tǒng)計，求得泄洪洞日平均泄流量。

（5）依據(jù)有功功率及運行小時數(shù)，按給定公式計算自備電站日平均出流量。

（6）將以上各計算結(jié)果相加，得到日平均總出庫流量。

（7）依據(jù)日平均總出庫流量和水庫（上池）蓄水變量，計算日平均入庫流量。

（8）將上述計算結(jié)果按本次計算所在記錄位置追加至數(shù)據(jù)庫；在下個旬初、月初、年初開始時刻，分別計算旬、月、年統(tǒng)計值。

1.2 報表生成

（1）水情計算完畢后，同時編制水情日報表；

（2）每月 1 日，生成上月水情月報表（含月統(tǒng)計值）；

（3）年初按各水情因子分別生成上一年的年報表。

1.3 數(shù)據(jù)維護

系統(tǒng)提供了對主數(shù)據(jù)表等各類表的維護功能，主要用于特殊情況下對數(shù)據(jù)表記錄的批量修改或添加，包括追加、修改、插入、刪除等。在進行數(shù)據(jù)維護操作時，鼠標(biāo)停留在相關(guān)按鈕上，即顯示對其功能的提示信息，以方便用戶操作。其中，對于“刪除”操作，系統(tǒng)會要求用戶進行確認(rèn)，以避免誤操作。數(shù)據(jù)庫維護界面如圖2 所示。

1.4 報文及報表輸出

在報文區(qū)，提供了剪貼板編輯功能，藉此功能，即使是采用不同水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)編寫的報文，也都能順利實現(xiàn)二次編輯。報文編輯區(qū)界面如圖3 所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫維護界面

圖3 報文編輯區(qū)界面

2 數(shù)據(jù)庫、函數(shù)及控件

2.1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

Microsoft Access 數(shù)據(jù)庫是庫表結(jié)構(gòu)。根據(jù)任務(wù)需要，在數(shù)據(jù)庫里建立了以下 3 類數(shù)據(jù)表：

（1）程序系統(tǒng)表

主要包括主數(shù)據(jù)表和溢洪閘、泄流洞、發(fā)電洞瞬時數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)空表。當(dāng)程序運行中判斷需要創(chuàng)建新表時，即自行復(fù)制為相應(yīng)表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。此外，系統(tǒng)表還包括程序運行所需的一些初始信息。

（2）各種曲線表

主要存放上庫容和下庫容曲線、泄流洞和溢流閘泄流量查算表、發(fā)電機組效率曲線等關(guān)系表的數(shù)據(jù)（節(jié)點），供程序運行時調(diào)用。

（3）用戶數(shù)據(jù)表

主要包括存放有各水文要素實測值的主數(shù)據(jù)表，及存放溢流閘、泄流洞和發(fā)電洞運行參數(shù)的其他數(shù)據(jù)表。主數(shù)據(jù)表每日生成 1 條記錄。為提高檢索速度和保證數(shù)據(jù)安全，以系統(tǒng)日期為準(zhǔn)，每月生成 1 張主數(shù)據(jù)表。溢流閘、泄流洞和發(fā)電洞數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)量較少，故每年只分別產(chǎn)生 1 張相應(yīng)數(shù)據(jù)表。

2.2 主要函數(shù)

2.2.1 上、下池庫容曲線插值函數(shù)

函數(shù)定義：function kr1 ( h:variant):variant; //上庫容插值函數(shù)function kr2 ( h:variant):variant; //下庫容插值函數(shù)按照上、下池庫容曲線的趨勢，在能控制曲線走向的前提下，選取一定數(shù)量的節(jié)點，存放在數(shù)據(jù)庫中的相應(yīng)數(shù)據(jù)表內(nèi)。根據(jù)曲線的線性，分別用直線內(nèi)插和一元三點插值公式進行插值，經(jīng)驗證滿足精度要求。

直線內(nèi)插公式：

一元三點插值公式：

式中：X, Xi, Xi+1, Xi+2分別為庫容曲線上的水位節(jié)點；Y, Yi, Yi+1, Yi+2分別為庫容曲線上的蓄水量節(jié)點；H 為插值點的水位；V 為插值點的相應(yīng)蓄水量。

2.2.2 溢流閘泄流量計算函數(shù)

函數(shù)定義：

function fff ( a:real ): real; //查表求 ? 值

function mmm ( h:real ): real; //查表求 m 值

function jisuan ( h:real;e:real ): real; //計算溢流閘流量

function ylzcb ( h:real;e:real ): real; //單孔溢流量查算

function xlz ( riqi:integer ): real; //遍歷泄流數(shù)據(jù)庫

為方便用戶使用，程序提供了 2 種溢流閘流量計算方式，即公式法和查表法，可任選其一，默認(rèn)方式為查表方式。

溢流閘泄流量公式：Q = ?（H, e），

式中：Q 為溢流閘瞬時泄流量；H 為水頭（壩前水位減堰頂高程）；e 為閘門開度。

（1）查表法

查表法，是使用原有的 H-e-Q 關(guān)系表直接查讀流量。將 H-e-Q 關(guān)系表存放在數(shù)據(jù)庫中的曲線表中，程序根據(jù)壩上水位和閘門開度可查出相應(yīng)的泄流量。 H-e-Q 關(guān)系表是個三維表，而 Microsoft Access的數(shù)據(jù)表是二維表，故存放時需增加 1 字段，以實現(xiàn)三維查詢。對于關(guān)系表中的空缺處，則采用在數(shù)據(jù)庫相應(yīng)數(shù)據(jù)欄填入特殊標(biāo)記字符串的方式，程序讀取后自行判定并提示采用公式法計算。

（2）公式法[1][2]

式中：M 為堰流流量系數(shù)，由 WES 標(biāo)準(zhǔn)剖面堰 M =? ( m, H ) 關(guān)系查得；m 為孔流流量系數(shù)，m = 0.8 e/H + (0.25 - 0.357 e/H ) cos α；s 為溢流閘開啟孔數(shù)（開度須相同）；B 為單孔溢流閘門寬度；α 為弧形閘門下弦線與水平線夾角，α = arc cos ((c - e)/r )，c 為閘門軸至堰頂垂直距離，r 為弧形閘門半徑；? 為垂直收縮系數(shù)；F 為橫向收縮系數(shù)，F(xiàn) = 0.9 -{0.2[ξk+ ( s -1)ξe]H }/s B，ξk= 0.05，ξe= 0.45；g 為重力加速度。

當(dāng) e / H ≤ 0.75 時為孔流，否則為堰流。

溢流閘日平均泄流量計算：溢流閘日泄流量為各單次泄流量折合日平均流量之和。

式中：Q泄為泄流閘日平均泄流量；Qi1為第 i 次泄流開始時刻瞬時流量；Qi2為第 i 次泄流終了時刻瞬時流量；△ti為第 i 次泄流歷時。

2.2.3 泄洪洞泄流量計算函數(shù)

函數(shù)定義：

function chaxian ( h:real ): real; //泄洪洞泄流曲線插值函數(shù)

function fsd ( riqi:integer ): real; //遍歷泄洪洞數(shù)據(jù)庫

泄洪洞泄流量 Q = ? (H)，采用查表法計算，即：將現(xiàn)有壩前水位與泄洪洞泄流量關(guān)系曲線節(jié)點存入數(shù)據(jù)庫相應(yīng)數(shù)據(jù)表中，由程序讀取水位級節(jié)點，按直線內(nèi)插求得相應(yīng)泄流量。

泄洪洞日平均泄流量計算方法與泄流閘相似，為各單次泄流量折合日平均流量之和。

2.2.4 發(fā)電洞出流量計算函數(shù)

函數(shù)定義：

procedure TForm 7.Button 2 Click (Sender: TObject );//事件

function aq ( ah:real;var ah1,ah 2,ah 3:real ): real;//效率曲線插值函數(shù)

function fdd ( riqi:integer ): real; //遍歷發(fā)電洞數(shù)據(jù)庫發(fā)電洞出流量，按機組發(fā)電量，用下式[3]計算：

式中：Q電為發(fā)電洞日平均出流量；P為電功率，以1日的電功值除以24得之；J為效率，J= ? (H)。效率曲線保存在數(shù)據(jù)庫相應(yīng)數(shù)據(jù)表中，由程序根據(jù)當(dāng)前壩前水位插值求得；H為水頭，由壩前水位減去發(fā)電機尾水位（即下池平均運用水位，采用139.00m）求得。

2.2.5 日平均出庫流量計算函數(shù)

日平均出庫流量為上述各單項出庫流量之和。

2.2.6 數(shù)字組格式化函數(shù)

函數(shù)定義：

function ws ( q:real ): real; //流量有效位數(shù)函數(shù)

function gsh ( h1,h:string ): string; //格式化水位字串，相同整數(shù)位省略

function gsjs ( t:real ): string; //格式化降水量字串

function ny(t:integer): string; //天數(shù)轉(zhuǎn)換成X月X日

格式函數(shù)的設(shè)置，主要是為控制計算結(jié)果的有效位數(shù)，使其滿足規(guī)范要求。水位、降水量格式函數(shù)主要用于轉(zhuǎn)換輸出界面的顯示格式和報表的數(shù)據(jù)格式。

2.3 控件

本軟件使用的控件主要包括以下幾類：

（1）數(shù)據(jù)訪問及數(shù)據(jù)感應(yīng)控件；

（2）人機交互和界面控制控件；

（3）報表和其他用途控件。

3 主要特點

潘家口水庫水情信息處理系統(tǒng)，具有以下主要特點：

（1）人性化處理方式

軟件能自動處理各類偶然事件，如：可根據(jù)系統(tǒng)日期，自行判斷報表所屬類型；對閏年、閏月等的出現(xiàn)，也可自動判斷并進行相應(yīng)處理。

鑒于水情信息處理的實時性，在數(shù)據(jù)讀取和記錄指針定位時，直接讀取電腦系統(tǒng)時鐘，避免用戶指針定位錯誤。

（2）人機交互能力強

軟件對各主要參（系）數(shù)給出默認(rèn)值，同時提供相應(yīng)修改功能。用戶根據(jù)需要，可選擇使用手工輸入或使用加法器對這些參（系）數(shù)進行修改，以適應(yīng)水情處理計算需求。

（3）界面直觀，操作簡便

軟件界面友好，提供單表和雙表2 種顯示模式，用戶可根據(jù)個人習(xí)慣任選其一；提供有多個快捷按鈕，除輸入數(shù)據(jù)時需用鍵盤外，其它操作均可通過點擊鼠標(biāo)完成，使用起來方便、快捷。

（4）安全性高

軟件考慮了數(shù)據(jù)庫存放數(shù)據(jù)的安全性要求，提供了對數(shù)據(jù)記錄進行刪除操作的提示、確認(rèn)功能；用戶界面只顯示當(dāng)前操作對應(yīng)的表格及選項，其它無關(guān)表格或選項不顯示，可有效防止誤操作。軟件核心系統(tǒng)表部分，在用戶界面不可見。

4 結(jié)語

潘家口水庫水情信息處理系統(tǒng)軟件開發(fā)完成后，進行了測試。軟件的測試，主要針對涉及各種曲線的計算模塊進行。重點對發(fā)電洞出流量計算進行了對比測試。按 1＃機發(fā)電、蓄能機發(fā)電、蓄能機抽水 3 種工況分別進行測試，有效樣本分別為 31、44 和 39 個。通過測試，確定 1#機發(fā)電、蓄能機發(fā)電、蓄能機抽水 3 者流量修正系數(shù)依次為 1.00、0.88 和 0.62。同時對月報表的產(chǎn)生和輸出功能進行了測試。測試結(jié)果表明，月報表能正常生成及打印，月統(tǒng)計值準(zhǔn)確無誤。

通過 2005 年汛期以來的運行，證明軟件性能可靠，功能較為完善。由于考慮了各種復(fù)雜條件下的出流情況，使得計算過程更加合理，計算結(jié)果能夠滿足潘家口水庫與其下游大黑汀水庫及區(qū)間支流潵河 3 者間達(dá)成水量平衡的要求。水情處理所需時間大幅縮短，滿足了水情傳遞的時效性要求。

2006 年，新的《水情信息編碼標(biāo)準(zhǔn)》開始實施。利用軟件提供的剪貼板編輯功能及輸出的水情報表，可方便地實現(xiàn)與新的水情收、發(fā)報系統(tǒng)的整合，使水情處理及傳輸效率提高到一個全新的水平。

[1]華東水利學(xué)院. 水工設(shè)計手冊[M]. 北京：水利電力出版社，1987，12.

[2]莫斯特柯夫. 水力學(xué)手冊[M]. 北京：水利出版社，1956，11.

[3]湖北省水利學(xué)校. 水文資料整編[M]. 北京：水利電力出版社，1979，11.