湖南省水府廟水庫流域洪峰與汛期面雨量關系分析

何寧 游梟雄 戴勁 黃娟 黃昕怡

收稿日期：2023-11-30

基金項目：湖南省氣象局重點課題（XQKJ20A008） 。

作者簡介：何寧（1990—），女，湖南湘潭人，高級工程師，主要從事天氣預報與預警工作。

摘 要：通過收集、整理2014—2019年婁底市、漣源市、雙峰縣、湘鄉市4個國家氣象站、區域自動氣象站和水文站的歷史降水數據并入庫，建立流域面雨量預報模型，獲取流域臨界面雨量閾值。結果表明：（1）依據30mDEM高程數據對流域進行子流域分區；將各分區分別編號為L1：湘鄉段、L2：漣源段、L3：雙峰段。（2）分析了各子分區水文站點水位、流量與面雨量關系，表明水府廟水庫站流量預報關鍵為上游L2漣源段前1～2 d面雨量。提取了超警水位面雨量和流量閾值，為風險預警提供依據。（3）分析了水府廟入庫流量和上游面雨量關系，并擬合計算公式，為水庫調度提供依據。

關鍵詞：流域；汛期；面雨量；洪峰；流量；水府廟水庫

中圖分類號：TV121 文獻標識碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

水府廟水庫為湘中地區最大水庫，總庫容量5.6億m3（蓄水水位為94 m），位于湘江一級支流漣水中游雙峰縣溪口下游0.5 km的雙峰、湘鄉、婁星三縣（市、區）交界處，水庫控制流域面積3 160 km2，多年平均流量68.5 m3/s，匯入水庫的主要支流有漣水和孫水河，水庫多年平均來水量為21.6億m3，年來水量最大為40.1億m3，最小為8.21億m3，水庫總庫容5.6億m3，正常蓄水位94 m，相應庫容3.7億m3，相應水庫面積

44.5 km2，死水位85.5 m，有效庫容2.6億m3，屬不完全季調節水庫[1]。

水庫以灌溉、防洪為主，兼顧發電、航運、供水、養殖等綜合利用效益。受上游淹沒限制，設計未預留防洪庫容，只能利用正常高水位以上庫容滯洪調蓄，削減部分洪峰，并考慮下游湘鄉允許安全泄量和測水錯峰，以盡量減少下游洪水災害。對湘潭市自動站點近10年的暴雨天數進行統計得出，流域湘鄉段沿岸的洋潭電站、潭市鎮、東山暴雨天數均在6 d以上，特別是湘鄉市中沙鎮出現暴雨天數最多，為10 d左右，水府廟水庫引水壩的建成，以致漣水在婁底-湘潭交界處幾乎沒有落差，為沿河兩岸的農田灌溉、工農業生產用電提供了有利條件，但同時加劇了洪澇災害。2014—2019年漣水流域湘潭段共計出現洪水過程11次，其中2017年6月下旬—7月上旬出現降水集中期，湘江流域湘潭以上面平均降雨263 mm，湘潭、婁底、衡陽、永州、郴州普降大到暴雨，流域湘鄉站上游婁底站、雙峰站全面超警，湘鄉段干、支流水位上漲，6月26日00：30，湘鄉站迎來了45.28 m的洪峰水位；7月1日受上游漣水流域和湘鄉北部大暴雨及特大暴雨影響，水府廟水庫15孔全開泄洪，下泄流量歷史最大3 860 m3/s，湘鄉站14：00超警戒水位47.00 m，20：00超保證水位48.5 m，7月2日06：30出現洪峰水位49.54 m，超歷史最高水位0.01 m，洪峰流量4 750 m3/s，超歷史最大流量220 m3/s，造成湘潭市受災人口達121 855人，因洪澇災害死亡2人，失蹤2人，農作物受災面積17 639.9 hm2，倒塌房屋338間，直接經濟損失28 597萬元。

由于洪水造成的損失重大，如何有效預報洪水一直是氣象、水文部門研究的重點，而流域面雨量是流域洪水預報的關鍵參數，也是各級政府組織防汛抗洪以及水庫調度等決策的重要依據[2]。國內外針對流域精細化降水預報的研究主要集中在精細化降水預報技術、流域降水預報和流域面雨量計算等3個方向。對于流域面雨量研究，由于地面氣象站的空間分布不均勻，人們提出了多種針對站點降水觀測資料的空間插值方法來估算面雨量。面對日益復雜的天氣形勢，為減少洪澇災害對人民財產損失，相關部門應在全面提高精細化預報質量的基礎上，加快推進流域氣象風險預警技術的研究，探索過程性降水與洪水之間的關系，建立科學、合理的流域面雨量閾值，為流域風險預警業務提供技術支撐。

1 水文氣象概況

水府廟水庫流域屬中亞熱帶季風濕潤氣候類型，受季風的影響，春溫多變，夏秋多旱，嚴寒期短，暑熱期長，雨量充沛，流域的平均年降水量為1 367.6 mm，

但季節分布不均，4—6月為雨水集中時段，占全年降雨量的40%～50%，7—9月雨水較少。水庫多年平均流量68.5 m3/s，多年的平均水量為21.6億m3/s，一般洪水洪峰流量為1 500 m3/s，實測最大洪水流量為3 916 m3/s（2005年），流域出現洪水多為單峰形，雙峰形和多峰形較少。洪水消退規律，一般為2～3 d，如洪峰集中者，一天左右就可以消退完畢，雙峰形洪水的第2次洪峰間隔時間一般為1～2 d。

2 流域的劃分

基于DEM模型，按照自然流域法對DEM模型進行水文分析，通過匯流計算模型，計算河流的河道建立數字河網，分析流域的集水區域面積，提取流域的邊界信息；利用遙感數據以及實際的河流調查資料，對建立的數字流域信息進行校正，形成基于子流域邊界的流域區劃的面雨量產品。依據30 m DEM高程數據對流域進行子流域分區（圖1），將各分區分別編號為L1：湘鄉段、L2：漣源段、L3：雙峰段。

3 暴雨及洪水過程分析

長委會洞工處、長勘院對漣水中游段進行歷史洪水調查：2005年漣水上游發生大洪水，婁底站洪峰流量2 000 m3/s，洪峰模數1.37，水府廟入庫流量3 920 m3/s，出庫流量2 960 m3/s。2010年漣水上游同時發生大洪水，漣水中游段湘鄉站出現實測最大流量

4 520 m3/s，洪峰模數0.75。水府廟入庫流量3 170 m3/s，

出庫流量2 800 m3/s。2017年漣水流域發生特大洪水，婁底站洪峰流量3 240 m3/s，洪峰模數2.22，洪峰水位104.61 m，超警戒水位4.37 m，超實測歷史最高洪水位2.61 m。湘鄉站洪峰流量4 750 m3/s，洪峰模數0.78，水府廟入庫流量5 350 m3/s，出庫流量3 860 m3/s，水庫調度削減洪峰28%。

3.1 洪峰與暴雨強度關系分析

2014—2019年共出現11次洪水過程的洪峰（超當地水文站警戒水位）流量與流域站點當天及前1～2 d面雨量分析發現（表2），流域發生1 000 m3/s以上的洪峰，當天或前1～2 d一般有強降雨過程發生，累積面雨量達60 mm以上，或最大日面雨量≥80 mm；低于

1 000 m3/s的洪峰中，累積面雨量在40～60 mm之間；洪峰出現時間一般滯后暴雨1～2 d。

由此可見，當流域出現累積面雨量達60 mm以上，或日最大面雨量≥80 mm時，其后1 d流域將有流量達1 000 m3/s以上洪峰產生；若當累積面雨量有30～

60 mm的較強降雨過程時，其后1～2 d內流域將有洪峰產生。因此，可將流域日面雨量≥80 mm的降雨過程作為大洪水預報臨界值；將過程累積面雨量為40～

60 mm的降雨過程作為可致洪的預報臨界值[3]。

3.2 水府廟水庫水位與面雨量、流量關系分析

水府廟水庫流域每年的暴雨主要出現在4—9月的汛期內，通過對2014—2019年水府廟水庫水位及流域降雨量分析，水府廟水庫汛期多年平均水位91.14 m，

流域汛期多平均年降水量為848.4 mm，從圖2和圖3可看出，水府廟水庫水位和流域降水過程之間有著緊密的聯系，當流域地區降雨量較多時，水府廟水位較高，特別是6月下旬開始水位陡然上漲，并超過多年平均水位，對應流域范圍內6月下旬至7月上旬的暴雨天氣，反之，則水府廟水位較低。

分析2014—2019年水府廟水庫站每日入庫、出庫流量和子流域分區當天、前1～3 d面雨量，根據圖中Pearson相關系數分析可以看出（圖略），各水文站流量均與所在分區前2 d面雨量累積有較高的相關性，因此可通過分析各面雨量、流量與水位的關系，估計出各分區將達到警戒水位的面雨量閾值以及流量閾值，為流域風險預警提供參考[4-5]。

根據上述分析所得出的統計關系結論，結合各水文站警戒水位，可估算出各水文站對應的警戒面雨量以及警戒流量，前2 d漣水流域逐日面雨量與水府廟水庫入庫、出庫流量相關性最好，其中L2子流域漣源段面雨量相關性最高，為0.81、0.65，前1 d次之，當天的面雨量與流量的相關性最弱。綜上表明水府廟水庫站流量預報關鍵為上游L2漣水流域漣源段前1～2 d面雨量。

3.3 洪峰流量預報方程

研究前期面雨量對洪峰的影響，僅選用洪峰形成時期的樣本，剔除其余樣本，最后共得到10個有效樣本。選取漣水流域L2分區前1～2 d的面雨量，采

用線性回歸方法，建立水府廟水庫站洪峰過程最大

流量的統計預報回歸方程。設X1、X2分別代表洪峰出

現日前1 d和前2 d漣水流域L2分區日面雨量，得出洪

峰形成時入庫流量Yin回歸方程：Yin=44.543X1+20.21X2

-1507.672，回歸方程的R方為0.65，擬合效果良好；ANOVA分析，回歸模型的顯著性值為0.025，小于0.05的置信空間，說明入庫流量與L2流域分區前1～2 d

的面雨量之間存在著顯著的回歸關系。通過回歸方程R方、ANOVA分析，可得回歸方程具有統計學意義，但模型是否具有準確的預測性，還需要進一步通過

殘差相關性分析確認，通過Durbin-Watson檢驗，查閱

Durbin-Watson表得到，樣本量n=10，控制變量數量k=1，

其下臨界值LD=0.879、上臨界值UD=1.320。而本回歸方程的Durbin-Watson值為1.562，根據判定規則，本回歸方程沒有自相關性，模型構建良好。

此外，查看到殘差的分布趨近于正態曲線的分布，再結合正態P-P圖分析，數值的分布近似于直線，說明殘差的正態性良好。在滿足殘差無自相關性、服從正態分布的前提下，說明該回歸方程具有良好的預測性。

4 結論

通過收集、整理2014—2019年婁底市、漣源市、雙峰縣、湘鄉市4個國家氣象站、區域自動氣象站和水文站的歷史降水數據并入庫，建立流域面雨量預報模型，獲取流域臨界面雨量閾值。主要成果有以下幾點：

（1）依據30 m DEM高程數據對流域進行子流域分區；將各分區分別編號為L1：湘鄉段、L2：漣源段、L3：雙峰段。

（2）分析了各子分區水文站點水位、流量與面雨量關系，表明水府廟水庫站流量預報關鍵為上游L2漣源段前1～2 d面雨量。提取了超警水位面雨量和流量閾值，為風險預警提供依據。

（3）分析了水府廟入庫流量和上游面雨量關系，并擬合計算公式，為水庫調度提供依據。

參考文獻

[1] 賀科秀.水府廟水庫興利與防洪調度[J].湖南水利水電， 2010（2）：42-43.

[2] 唐杰，徐靖宇，劉紅武.湖南省中小河流域洪水預報模型的研究與應用[J].湖北農業科學，2020，59（15）：145-150，162.

[3] 胡堅，黃昕怡，何澤良，等.湘潭縣主汛期涓水流域洪峰與降水量關系分析[J].安徽農業科學，2016，44（2）：214-215，218.

[4] 趙明月.基于土地利用的水府廟水庫流域生態安全評價與生態調控研究[D].大連：遼寧師范大學，2016.

[5] 金科，王雪姣，陳甜.降雨及引江濟太調度對太湖水位變化的影響分析[J].水文，2020，40（6）：63-67.