A. 何謂防洪設計標准和設計洪水推求設計洪水有哪些途徑和方法
防洪設計標准指防洪工程抗禦洪水能力的規定限度。防洪水工建築物設計時，選用過於大的洪水作為設計依據，雖然安全，但不經濟；若選擇的洪水偏小，投資雖然減少，但不安全或達不到預期的防洪要求。因此，需權衡安全和經濟兩個方面，為工程的防洪能力規定一個恰當的限度，即防洪設計標准。符合此標準的洪水即為設計洪水。防洪設計標准一般用洪水出現的概率或重現期表示。個別工程和有些地區的防洪規劃，也有以防禦某次大洪水作為防洪設計標準的。通常分為正常運用設計標准（簡稱設計標准）和非常運用設計標准（簡稱校核標准）兩種。當洪水超過正常運用設計標准時，工程的正常運用將遭到破壞；當洪水超過非常運用設計標准時，工程的安全將受到威脅。不同規模和不同重要性的工程分別採用不同的防洪設計標准。中華人民共和國於1978年頒布了《水利水電樞紐工程等級劃分及設計標准》（山區、丘陵區部分）(SDJ12-78)（試行），表中所列的是永久性水工建築物正常運用的洪水標准。對於特別重要的工程，在上述文件中規定以可能最大洪水作為校核標准。
設計洪水，為防洪等工程設計而擬定的、符合指定防洪設計標準的、當地可能出現的洪水。即防洪規劃和防洪工程預計設防的最大洪水。設計洪水的內容包括設計洪峰、不同時段的設計洪量、設計洪水過程線、設計洪水的地區組成和分期設計洪水等。可根據工程特點和設計要求計算其全部或部分內容。
設計洪峰、洪量和洪水過程線的計算
根據工程的性質和水文資料條件採用不同的計算方法。在一般情況下，採取多種途徑計算，綜合分析論證和合理選用成果。常用的計算方法有：
①直接法
即根據流量資料推求設計洪水。當工程所在地或其附近有較長的洪水流量觀測資料，而且有若干次歷史洪水資料時，逐年選取當年最大洪峰流量和不同時段（如 1天、3天和7天等）的最大洪量，分別組成最大洪峰流量和不同時段最大洪量系列，然後進行頻率分析，以確定相應於設計標準的設計洪峰和時段設計洪量。最後，選擇典型洪水過程線，按求出的設計洪峰和各時段設計洪量，對典型洪水過程線進行同頻率或同倍比放大，作為設計洪水過程線。
②間接法
即根據雨量資料推求設計洪水。當工程所在地及其附近洪水流量資料系列過短，不足以直接用洪水流量資料進行頻率分析，但流域內具有較長系列雨量資料時，可先求得設計暴雨,然後通過產流和匯流計算,推求設計洪峰、洪量和洪水過程線。該法假定，一定重現期的暴雨產生相同重現期的洪水。
③地區綜合法
如果工程所在地的洪水流量和雨量資料均短缺，可在自然地理條件相似的地區，對有資料流域的洪水流量、雨量和歷史洪水資料進行分析和綜合，繪製成各種重現期的洪峰流量、雨量、產流參數和匯流參數等值線圖，或將這些參數與流域自然地理特徵(流域面積和河道比降等)建立經驗關系，然後藉助這些圖表和經驗關系推算設計地點的設計洪水。
指當河流設計斷面發生設計頻率的洪水時，其上游各控制斷面和區間相應的洪峰、洪量和洪水過程線，它表示下游斷面的設計洪水和上游各個控制斷面設計洪水之間的關系。在制定流域開發方案、分析單一水庫的防洪作用和研究梯級水庫或水庫群的聯合調洪作用時，需分析設計洪水的地區組成。為了分析和比較設計洪水不同地區組成的防洪效果，常需擬定若干種地區組成方案，經調洪演算和綜合分析，從中選取能滿足工程設計要求的，作為設計的依據。
計算方法
設計洪水的地區組成的計算方法有：
①典型年法。即從實測資料中選出若干次在地區組成上具有一定代表性的（如洪水主要來自上游,或主要來自區間,或在全流域均勻分布）、對防洪不利的大洪水作為典型洪水，以設計斷面某一時段設計洪量為控制，按同一倍比對各斷面及區間同一時段的典型洪水進行放大，求得各斷面及區間相應的洪量或洪水過程線。
②同頻率地區組成法。指根據防洪要求，選定某一時段一個分區的洪量與設計斷面的洪量為同頻率，其餘各分區的相應洪量和某一次洪水的地區組成作為典型，進行分配，並以同頻率洪量和分配的時段洪量作為控制，放大典型過程線作為設計洪水和各地區的相應洪水過程線。
根據流量資料計算 依據實測或調查洪水流量資料，分析洪水的某些特徵值的出現頻率，推求設計洪水的頻率分析方法，已被許多國家廣泛採用。中國現行設計洪水計算規范規定，當設計斷面或其上下游有20年以上實測洪水資料，並有歷史洪水調查和考證資料時，可根據流量資料分析計算設計洪水。其主要步驟如下：
（1）資料的搜集整理及插補延長。流量資料的插補延長多採用與長系列站的資料建立相關的方法。此外，還要重點復核大洪水資料的可靠性。
（2）歷史洪水調查及考證。包括野外洪痕、洪水發生年代、時間的調查，以及洪峰、洪量的推算；進行歷史文獻記載的考證，藉以確定歷史洪水的排位順序，估計其重現期。
（3）系列代表性分析。一般通過與鄰近地區長系列站資料的對比分析，以及根據實測及調查考證的歷史洪水資料，分析洪水豐枯年變化情況、大洪水出現的周期、不同年段大洪水出現的頻次以及分段計算的統計參數的變化情況等，以判別系列代表性的好壞。
（4）進行洪水頻率計算。
（5）成果的合理性檢查。常用的檢查方法：①本站洪峰流量及不同時段洪量的頻率分析成果相互比較；②與上下游及鄰近地區河流的頻率分析成果相比較，以分析判斷統計參數和設計值是否符合地區變化規律；③與通過暴雨推求的設計成果和比較。
（6）根據設計要求，推求設計洪水過程線、分期設計洪水或施工設計洪水、擬定設計洪水的地區組成等。
根據雨量資料計算 暴雨是形成洪水的主要因素，許多流域暴雨觀測年限大於流量觀測年限。中國現行設計洪水計算規范規定，當設計斷面所在流域及鄰近地區的雨量站有20年以上實測暴雨資料，並且有實測或調查大暴雨和多次可供產流匯流分析用的暴雨洪水對應觀測資料時，可根據暴雨資料，採用頻率分析方法，計算流域設計暴雨，通過流域產流匯流計算（參見暴雨徑流關系、單位線），推求相應頻率的設計洪水。
此外，對於短缺暴雨洪水資料的小流域，可採用推理公式（參見小流域設計洪水）、經驗公式或單位線等推求設計洪水。
經驗表明，在有條件的情況下，採用幾種方法推算設計洪水，並根據資料的長短與可靠程度，有側重地對計算成果綜合分析，合理確定具體工程的設計洪水數據，是提高成果精度的有效方法。
以實際年洪水作為設計洪水 世界各地大江大河較多地採用某一實際發生過的大洪水作為設計洪水。如1954年長江洪水是近百年長江中下游出現的一次最嚴重的全流域型大洪水。在《長江流域綜合規劃簡要報告》（1990年修訂）中，長江中下游平原區以1954年實際洪水作為主要防禦對象。考慮上游水庫建設情況、中下游防洪情況和中下游防洪狀況，確定以1954年洪水實際最高洪水位為基礎，適當提高堤防設計水位。
分期設計洪水
指年內不同季節或時期，如豐水期、平水期、枯水期、或其他指定時期的設計洪水。在水庫調度運用、施工期防洪設計或其他需要時，要求計算分期的設計洪水。分期的原則是：①要使各分期的洪水不僅在成因上，而且在數量級和洪水特性等方面有明顯差異。一般根據洪水成因，把全年劃分為暴雨洪水期、凌汛期和融雪洪水期等。在可能條件下，暴雨洪水期還可進一步劃分為梅雨期和台風雨期等。②滿足工程設計的需要。例如，為選擇截流時間，合理安排施工計劃，常需求出枯水期、平水期和洪水期的設計洪水或分月設計洪水。分期一般不宜短於一個月。分期設計洪水的計算方法原則上與全年設計洪水的計算方法相同，但其計算成果一般誤差較大，要作認真的合理性分析。
B. 水利水文計算探討
水利工程建設目的在於通過各種施工調節、改變區域水量分布狀況和地區水利條件，使之符合工業、農業及其他各部門的需要。水利工程從修建到運用，一般要經過規劃設計、施工、管理三個階段，每一個階段都需要進行水文水利計算工作。水文工作中的水利計算、水文預報及水資源評價都為工程在各階段提供了所需數據，而水文水利計算就是這些數據的基礎，通過分析，定出工程規模和建築尺寸，編制水量調度方案，並對工程的經濟性和安全性連個方面進行權衡並制定對策，力求在復雜的問題中得到規劃設計和調度運行的最優方案。本次設計就是從這一方面出發，通過對興利調節、防洪調節和水能計算等各種任務的運算，求得死庫容、興利庫容、防洪庫容和保證出力等，使得到的成果能運用到生產當指閉雀中。
1流域概況
某水庫位於黃河某支流的中游，控制面積為5370km2。壩址以上流域大部分屬於石山區和山路丘陵地，川地甚少。壩址以下大部分屬黃土丘陵地區，河道開闊，灘地多。
該地區氣候多變，完全受季風支配，每年六月以後夏季季風開始活躍，南方暖濕空氣不斷北遷，形成多雨氣候。多年平均年降雨量一般為600～800mm，主要集中於七、十月，其降雨量佔全年降水量的60%以上，大洪水主要集中在七、八月。由於降水量在年內分配極不均勻，容易造成春秋兩季乾旱。
該區工農業發展緩慢，工業在公民經濟中比重較小，農業一種職業為主，約占農業總產值的59.6%。
為提高該地區工業和農業生產，解決經濟發展中的需水問題，急需修建此水庫。
2水庫興利調節計算
天然情況下的河川徑流，有著年內和年際的變化，且地區間的分布也不平衡，因此無法滿足國民經濟各用唯早水部門對水資源利用的要求。為解決這種供與需的矛盾，人們通過修建各種水利工程（如水庫、引水渠、分洪蓄洪工程等）對河床徑流進行控制，並按各用水部門的要求對其進行時間和空間上的重新分配，已解決來水與用水在時間上不相適應的矛盾，這就是所謂的徑流調節。
為興利目的進行的徑流調節稱為興利調節；為防洪進行的調節稱為防洪調節或洪水態並調節。水庫來水、用水和蓄水都是經常變化的，水庫由庫空（死水位）到庫滿（正常蓄水位）再到庫空，循環一次所經歷的時間，稱為調節周期。按調節周期的長短來分，興利調節可劃分為日調節、周調節、年調節和多年調節等類型。以灌溉為主的水庫常為年調節或多年調節。
3設計年徑流的分析與計算
在一個年度內通過河流某一過水斷面的水量，稱為這個斷面以上流域的年徑流量，簡稱年徑流。年徑流可以用年平均流量Q（通常以sm/3計）、年徑流總量W（通常以萬3m計）。根據水量的大小，大致可分為三種年型：年水量接近多年平均年徑流量的年份稱為平水年，年水量較多的年份稱為豐水年，年水量較少的年份稱為枯水年。
年徑流分析計算的目的就是為滿足國民經濟各用水部門的需水要求，提供在設計條下的年徑流資料。就是推求在各種徑流資料情況下的設計年徑流量及其年內分配過程，用來預估未來工程進行期間的徑流情勢，並以此作為水庫興利調節計算的基本資料。
對於有充分實測徑流資料的情況，經過審查、分析、還原修正等一系列工作符合要求，即可運用頻率計算方法來分析年徑流量的年際變化規律。
3.1.1統計參數的意義及其對頻率曲線的影響
從對國內外大量的年徑流系列分析的實踐表明，皮爾遜Ⅲ型（P-Ⅲ型）分布能和經驗頻率分布較好的配合，故我國目前大多數採用P-Ⅲ型曲線的分布來分析研究年徑流兩大額年際變化規律，眾所周知，P-Ⅲ型分布的三個參數通常可用矩法公式計算，其公式如下：
均值x、變差系數Cv和偏態系數Cs是P-Ⅲ型頻率曲線方程式中的三個參數，參數值的變化，必然會影響頻率曲線的形狀和位置。因此，有必要對這三個參數的意義及其對頻率曲線的影響加以說明。
（1）年徑流流量的均值x一般稱為正常徑流量，它反映了設計斷面所在流域蘊藏的水資源的多少。均值的大小影響到頻率曲線位置的高低。Cv、Cs不變時，均值越大，則頻率曲線越陡、越高；反之，均值越小，頻率曲線越平、越低。
（2）年徑流量變差系數Cv反映年徑流量的年際變動程度或相對離散程度。相對離散程度大，則Cv大。當x、Cs不變時，Cv值越大，則頻率曲線的變化幅度越大，及頻率曲線越陡；反之頻率曲線越平。
（3）偏態系數Cs反映系列中各種大小數值偏離均值的分布情況。具體來說，其表示這些數值在均值兩邊的分布是否對稱。當系列對於均值對稱時，Cs=0，此時隨機變數大於均值與小於均值的出現機會相等，亦即均值所對應的頻率為50%。當系列對於均值不對稱時，0Cs，若正離差的立方占優勢時，0Cs，稱為正偏；反之則成為負偏。正偏情況下，隨機變數大於均值比小於均值的出現機會小，亦即均值所對應的頻率小於50%；副負偏情況下恰好相反。在水文系列中，通常是豐水年出現的機會較枯水年出現的機會多，所以多屬於正偏系列。當x和vC不變時，在正偏情況下，Cs值越大，曲線上部變得越陡，中部下凹，下部變得越平緩。
4徑流量年內分配的分析和計算
天然河流的徑流在一年內的分配是很不均勻的。即便是在同一個河流斷面，各年的徑流年內分配亦不盡相同。同時，河川徑流的年內分配特徵在不同的地區之間有很大的差別。由於同一年徑流值的不同分配形式對工程設計成果的影響不同，因此在求得設計年徑流量或設計年時段徑流量之後，還需要根據設計斷面的徑流分配特徵和水利計算的要求，確定它的分配過程。
4.1設計洪水線的推求
設計洪水過程線是具有某一設計標準的洪水過程線。洪水過程是一種隨機過程，目前，水文學中尚無完善的方法求得一定頻率的過程線。但是卻有推求設計洪水過程的思路：為適應工程要求，在實測洪水過程中尋找一次與設計的條件最為接近的洪水過程，稱為典型洪水，通過一定的方法處理後，使它的一些特徵值恰好符合設計標准，這條洪水過程線就成為設計洪水過程線
4.2 水庫調洪計算的任務和基本原理
4.2.1水庫防洪調節計算的任務
根據設計洪水計算成果，通過調洪計算，確定水庫防洪庫容、最高洪水位、壩高和泄洪建築物尺寸。其計算過程大體歸納以下幾點：
（1）基本資料的收集
資本資料收集包括：設計洪水資料、泄洪能力資料、庫容曲線及有關淹沒損失、淹沒控制高程等社會經濟資料。
（2）擬定比較方案
根據地形、工程地質、施工能力和施工設備等條件，擬定不同方案的泄洪建築物型式、位置、尺寸及其可供選擇的幾種起調水位。
（3）防洪調節計算
根據下游防洪要求和泄洪建築物特性的不同，水庫調洪計算也有所區別：下游無防洪任務時，泄洪建築物的尺寸和水庫的調洪庫容，主要由大壩等水工建築物對防洪安全的要求確定。
下游有防洪任務時，水庫的防洪庫容和相應的泄洪建築物尺寸，應在確保水庫主要建築物防洪安全的前提下，同時滿足下游防洪要求。所謂下游防洪要求，就是在一定標準的洪水前提下，通過水庫調洪和選定的閘門操作方式，控制其最大下泄量，使之不超過下遊河道的安全泄量，以保證下游防護對象的安全。
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