第三节 水库建设洪水设计
从朱庄流域历史记载的历次洪水分析看，绝大多数洪水为暴雨所致，水库上游多次形成暴雨中心，这是由于该流域内的地理环境和气候所造成的。
从地域上讲，流域西侧是南北走向的太行山脉，起着屏障作用，流域东南方向是夏季多台风的太平洋；从气候环境讲，本流域是东南潮湿季风和西北干冷季风的交汇区域，台风（一般发生在每年的7月下旬—8月上旬）在东南沿海登陆后，形成低气压沿西北而上，到达太行山东麓，这时很容易遇到南下的冷性低温槽，形成雨区。
1956年7月29日—8月5日，邢台全区连降大雨，西部山区平均降水量达450mm。8月30日在朱庄站下游端庄水文站实测洪峰流量621m3/s，当日即达到南和东关，虽全力护堤，但左岸仍在县城南、东关西、丰华庄、张庄等处决口。由于河水猛涨，造成新中国成立以来最严重的一次洪涝灾害。邢台地区全区淹没村庄2200个，倒塌房屋36万余间，死伤500余人，为做好抗洪救灾工作，邢台地区行署抽调大批干部深入灾区慰问，并领导抗洪救灾工作。
1963年8月上旬，邢台全区普降暴雨，暴雨中心在内丘县獐貘一带，最大24h降水量932.0mm，最大3d降水量1457.5mm，最大7d降水量达2050.0mm，造成山洪爆发。此次洪水为近百年来所罕见，致使几座中型水库失事，平原地区一片汪洋。这是自1922年有水文气象资料以来所没有的特大洪水，相当于1953年大洪水的4倍多。全区各河水量均超过设计水位，河道漫决2271处，总长161km，京广铁路沙河大桥被冲毁，断绝铁路运输月余，在8月6日朱庄水文站洪水流量达8360m3/s。这次大洪水，邢台地区92.8%的人口和85%耕地被淹，被淹村庄4726个，死亡1635人，伤1.51万人，倒塌房屋275.3万间，占全区原有房屋的49%，造成80座小水库垮坝，中型水库5座，就有4座倒坝或失去蓄水能力，被淹村庄中28个，沿大沙河的高庙、韩庄、姚庄全部被冲毁。
“56·8”、“63·8”两次暴雨，皆由于台风在东南沿海（福建、浙江一带）登陆后，形成低气压，或外围气团。该气团向北运动，遇到太行山东侧的冷气团，而形成暴雨，然后沿太行山东麓北上到燕山山脉，再沿燕山南麓东去离开河北省区域。其暴雨中心：“56·8”在狮子坪，“63·8”在獐貘。该流域的洪水一般特点为量大、峰高、历时较短。这是由于该流域的地形地貌特征所致。水库以上各支流源头较短（大都在30km内），河道纵坡较大（大都在30‰左右）形成源短流急的态势。且流域内植被少，土层薄，径流系数较大，多年平均值为0.491，这样的地貌，一旦遭遇暴雨5～6h，便可形成洪峰。
1 设计洪水
设计洪水是指为防洪等工程设计而拟定的、符合指定防洪设计标准的、当地可能出现的洪水，即防洪规划和防洪工程预计设防的最大洪水。设计洪水的内容包括设计洪峰、不同时段的设计洪量、设计洪水过程线、设计洪水的地区组成和分期设计洪水等。可根据工程特点和设计要求计算其全部或部分内容。
根据工程的性质和水文资料条件采用不同的计算方法。在一般情况下，采取多种途径计算，综合分析论证和合理选用成果。常用的计算方法有直接法和间接法。
直接法：即根据流量资料推求设计洪水。当工程所在地或其附近有较长的洪水流量观测资料，而且有若干次历史洪水资料时，逐年选取当年最大洪峰流量和不同时段（如1d、3d和7d等）的最大洪量，分别组成最大洪峰流量和不同时段最大洪量系列，然后进行频率分析，以确定相应于设计标准的设计洪峰和时段设计洪量。最后，选择典型洪水过程线，按求出的设计洪峰和各时段设计洪量，对典型洪水过程线进行同频率或同倍比放大，作为设计洪水过程线。
间接法：即根据雨量资料推求设计洪水。当工程所在地及其附近洪水流量资料系列过短，不足以直接用洪水流量资料进行频率分析，但流域内具有较长系列雨量资料时，可先求得设计暴雨，然后通过产流和汇流计算，推求设计洪峰、洪量和洪水过程线。该法假定，一定重现期的暴雨产生相同重现期的洪水。
朱庄水库设计洪水采用1956—1974年资料系列。分别计算出不同保证率的最大洪峰流量和最大3d、5d、15d洪水总量。并对该流域1963年、1956年两次较大洪水年份特征值进行计算。计算结果见表2-1。
表2-1 朱庄水库设计洪水成果表
2 设计洪水流量过程线
设计洪水过程线是符合一定设计标准的洪水流量随时间变化的曲线。它的洪峰流量或（和）时段洪水总量通常要求等于设计洪峰流量或（和）设计时段洪水总量。推求的方法是用设计洪峰流量或（和）设计时段洪水总量作为控制，对实测或虚拟的典型洪水过程线用同一倍比（设计洪峰流量与典型洪水的洪峰流量之比或设计时段洪水总量与典型洪水的时段洪水总量之比）进行放大，也可用变倍比放大，使各时段洪水总量符合同频率设计时段洪水总量而得。可作为确定工程规模、核算工程安全的依据。
由流量资料计算设计洪水过程线此类计算是以实测的典型洪水过程线作为放大的典型。典型洪水过程线的选择要能代表流域上大洪水的一般特性，并选择峰高量大，洪峰发生时期偏后的洪水作为典型。设计洪水过程线的计算方法有两种，即同倍比放大法和同频率放大法。同倍比放大法用同一个放大比值放大典型洪水过程线。同频率放大法用设计洪峰和几个不同时段的设计洪量同频率控制放大典型洪水过程线。朱庄水库建库前设计洪水过程见表2-2。
表2-2 朱庄水库设计洪水过程表
续表
3 可能最大洪水计算
3.1 可能最大暴雨
可能最大暴雨（PMP）最初提出的定义是指流域降水的物理上限，PMP的现行定义是：“现代气候条件下，一定历时的理论最大降水量。这种降水量对于特定地理位置给定暴雨面积上，一年中的某一时期内在物理上是可能发生的。”可能最大暴雨是一种不采用概率的设计暴雨，主要用于推求设计流域的可能最大洪水。推求可能最大暴雨在理论上的困难是既难于确切论证它是可能发生的，也难于论证它是不可能被超过的。
目前，各地所用估算可能最大暴雨的方法有20余种，归纳起来，则不外水文气象法和数理统计法两种途径。
水文气象法是从暴雨的气象成因着手，进行分析计算。该法认为形成洪水的暴雨是在一定的天气形势下产生的，因而可应用气象学和天气学的理论及水文知识，将实测典型暴雨或暴雨模式加以极大化，求出相应的暴雨，作为可能最大暴雨。
所谓实测典型暴雨是指能够反映设计流域特大暴雨特性，并对工程防洪威胁最大的实测特大暴雨。根据资料情况，它可以是实测的当地暴雨，也可以是从气候一致区移置而来的移置暴雨，或者是将几场实测暴雨组合起来的组合暴雨。
暴雨模式是把实测暴雨的天气系统概化为一个理想的模型，从而建立一种特定形式的包含主要物理因子的降水方程式。
极大化则是指分析影响降水的主要因子，并探求其可能最大值，然后将实测暴雨的因子放大，以推求可能最大暴雨。
目前使用的水文气象法有当地暴雨法、暴雨移置法、暴雨组合法、水汽辐合上升指标法、水汽净输送量法、综合指标法、湿不稳定指示量法、积云模式法和对流模式法等方法。
数理统计法是应用频率分析的原理来推求可能最大暴雨。目前使用的有统计估算法和频率计算法等方法。
各种估算可能最大暴雨的方法，都有其优缺点和适用条件。必须根据流域特征、暴雨特性和气象成因分析，以及基本资料情况，结合工程要求，来拟定一种或几种估算方法，然后加以分析比较，合理选定成果。采用朱庄流域上游1963年8月獐貘暴雨模型，计算朱庄水库可能最大暴雨，分别按直搬地形改正、直搬地形不改、直搬地形订正和等百分比法等进行计算。1996年8月獐貘暴雨模式暴雨代表性露点24.8℃，暴雨区历时最大露点28.0℃，平移后历史最大露点28.0℃，流域平均高程464.00m。朱庄水库可能最大暴雨计算成果见表2-3。
3.2 可能最大洪水
由暴雨推算设计洪水受到多因素的影响，如雨量与洪水资料的代表性，暴雨与洪水同频率的假定，设计雨型的选定，设计暴雨发生前的流域下垫面干湿程度的确定等。这样推算出来的设计洪水成果难免带有误差，因此，应当强调将当地和邻近地区的实测和调查的特大洪水以及地区内设计洪水与本流域设计洪水成果进行对比分析，以检验其合理性。
表2-3 朱庄水库可能最大降雨计算成果
续表
在可能最大暴雨条件下，其雨强及总雨量较之常遇的暴雨大而且集中，这时的产汇流规律与一般暴雨洪水有所不同。对于产流计算，因为对不考虑暴雨分布不均的流域来讲，可能最大暴雨值远超过流域最大初损值，故扣损计算误差在可能最大暴雨值中所占的百分数是很小的，这对计算误差和可能最大洪水的影响很小，可以使用较为简单的方法扣损。
对于汇流计算，流域出口断面实测的水位—流速关系曲线在最高水位部分常为常量或接近常量，仅在中、低水位时，流速才随水位变化。从理论上可以证明，当高水位相应的流速为常数时（为断面面积），因而波速与断面流速相等，汇流时间变为常量，故为线性汇流。因此，在可能最大暴雨条件下，可以采用线性汇流计算方法。如果流域内有2～3次大洪水，并证明其已经达到线性汇流的高水段，就可以用这种线性单位线去计算可能最大洪水过程。
该流域1963年8月发生特大暴雨，暴雨中心邢台市内丘县獐貘村7d降雨量达2050mm，雨量之大为我国大陆7d累计雨量最大记录。该暴雨中心位于该流域上游，采用1962年8月獐貘暴雨模式控制。朱庄水库可能最大洪水计算成果见表2-4。
表2-4 朱庄水库可能最大洪水计算成果
4 设计洪水的复核
考虑到由于水文气象资料比较短缺，不少水库在进行水文水利计算时，采用了插补延长或借用邻近流域的资料。水库投入运用后，随着运用时间的延续和人类活动的影响，水库控制流域内的各种条件和径流状况都发生了变化；由于水文系列的增长特别是在发生较大洪水后对原设计洪水标准的影响等原因，在水库建成后的运用阶段，根据水库的实际情况对原设计洪水标准进行复核，用以验证工程的安全状况。
利用流量资料进行复核。在复核前对实测洪水和历史洪水调查等资料作必要的审查和处理。在确定设计洪水过程线时，首先要对水库控制流域内洪水形成规律和气象条件、实测洪水过程线的特征（如洪水出现时间、峰型、主峰位置、上涨历时、洪量集中程度等）进行综合分析，选择能概括反映本流域内大洪水一般特征的实测资料与原设计选用的洪水典型进行对比，以峰高、量大、峰型集中和峰现时间偏迟等对工程安全较为不利的实测洪水作为复核设计洪水典型，然后把典型洪水过程线放大成相应频率的设计洪水过程线。
利用暴雨资料进行复核。暴雨是形成洪水的主要因素。经过多年水库运用实践表明，对水库设计洪水分析成果，要通过更多的途径进行复核计算，相互验证，以确保防洪调度和工程的安全运用。