湖南省水府庙水库流域洪峰与汛期面雨量关系分析

何宁 游枭雄 戴劲 黄娟 黄昕怡

收稿日期：2023-11-30

基金项目：湖南省气象局重点课题（XQKJ20A008） 。

作者简介：何宁（1990—），女，湖南湘潭人，高级工程师，主要从事天气预报与预警工作。

摘 要：通过收集、整理2014—2019年娄底市、涟源市、双峰县、湘乡市4个国家气象站、区域自动气象站和水文站的历史降水数据并入库，建立流域面雨量预报模型，获取流域临界面雨量阈值。结果表明：（1）依据30mDEM高程数据对流域进行子流域分区；将各分区分别编号为L1：湘乡段、L2：涟源段、L3：双峰段。（2）分析了各子分区水文站点水位、流量与面雨量关系，表明水府庙水库站流量预报关键为上游L2涟源段前1～2 d面雨量。提取了超警水位面雨量和流量阈值，为风险预警提供依据。（3）分析了水府庙入库流量和上游面雨量关系，并拟合计算公式，为水库调度提供依据。

关键词：流域；汛期；面雨量；洪峰；流量；水府庙水库

中图分类号：TV121 文献标识码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

水府庙水库为湘中地区最大水库，总库容量5.6亿m3（蓄水水位为94 m），位于湘江一级支流涟水中游双峰县溪口下游0.5 km的双峰、湘乡、娄星三县（市、区）交界处，水库控制流域面积3 160 km2，多年平均流量68.5 m3/s，汇入水库的主要支流有涟水和孙水河，水库多年平均来水量为21.6亿m3，年来水量最大为40.1亿m3，最小为8.21亿m3，水库总库容5.6亿m3，正常蓄水位94 m，相应库容3.7亿m3，相应水库面积

44.5 km2，死水位85.5 m，有效库容2.6亿m3，属不完全季调节水库[1]。

水库以灌溉、防洪为主，兼顾发电、航运、供水、养殖等综合利用效益。受上游淹没限制，设计未预留防洪库容，只能利用正常高水位以上库容滞洪调蓄，削减部分洪峰，并考虑下游湘乡允许安全泄量和测水错峰，以尽量减少下游洪水灾害。对湘潭市自动站点近10年的暴雨天数进行统计得出，流域湘乡段沿岸的洋潭电站、潭市镇、东山暴雨天数均在6 d以上，特别是湘乡市中沙镇出现暴雨天数最多，为10 d左右，水府庙水库引水坝的建成，以致涟水在娄底-湘潭交界处几乎没有落差，为沿河两岸的农田灌溉、工农业生产用电提供了有利条件，但同时加剧了洪涝灾害。2014—2019年涟水流域湘潭段共计出现洪水过程11次，其中2017年6月下旬—7月上旬出现降水集中期，湘江流域湘潭以上面平均降雨263 mm，湘潭、娄底、衡阳、永州、郴州普降大到暴雨，流域湘乡站上游娄底站、双峰站全面超警，湘乡段干、支流水位上涨，6月26日00：30，湘乡站迎来了45.28 m的洪峰水位；7月1日受上游涟水流域和湘乡北部大暴雨及特大暴雨影响，水府庙水库15孔全开泄洪，下泄流量历史最大3 860 m3/s，湘乡站14：00超警戒水位47.00 m，20：00超保证水位48.5 m，7月2日06：30出现洪峰水位49.54 m，超历史最高水位0.01 m，洪峰流量4 750 m3/s，超历史最大流量220 m3/s，造成湘潭市受灾人口达121 855人，因洪涝灾害死亡2人，失踪2人，农作物受灾面积17 639.9 hm2，倒塌房屋338间，直接经济损失28 597万元。

由于洪水造成的损失重大，如何有效预报洪水一直是气象、水文部门研究的重点，而流域面雨量是流域洪水预报的关键参数，也是各级政府组织防汛抗洪以及水库调度等决策的重要依据[2]。国内外针对流域精细化降水预报的研究主要集中在精细化降水预报技术、流域降水预报和流域面雨量计算等3个方向。对于流域面雨量研究，由于地面气象站的空间分布不均匀，人们提出了多种针对站点降水观测资料的空间插值方法来估算面雨量。面对日益复杂的天气形势，为减少洪涝灾害对人民财产损失，相关部门应在全面提高精细化预报质量的基础上，加快推进流域气象风险预警技术的研究，探索过程性降水与洪水之间的关系，建立科学、合理的流域面雨量阈值，为流域风险预警业务提供技术支撑。

1 水文气象概况

水府庙水库流域属中亚热带季风湿润气候类型，受季风的影响，春温多变，夏秋多旱，严寒期短，暑热期长，雨量充沛，流域的平均年降水量为1 367.6 mm，

但季节分布不均，4—6月为雨水集中时段，占全年降雨量的40%～50%，7—9月雨水较少。水库多年平均流量68.5 m3/s，多年的平均水量为21.6亿m3/s，一般洪水洪峰流量为1 500 m3/s，实测最大洪水流量为3 916 m3/s（2005年），流域出现洪水多为单峰形，双峰形和多峰形较少。洪水消退规律，一般为2～3 d，如洪峰集中者，一天左右就可以消退完毕，双峰形洪水的第2次洪峰间隔时间一般为1～2 d。

2 流域的划分

基于DEM模型，按照自然流域法对DEM模型进行水文分析，通过汇流计算模型，计算河流的河道建立数字河网，分析流域的集水区域面积，提取流域的边界信息；利用遥感数据以及实际的河流调查资料，对建立的数字流域信息进行校正，形成基于子流域边界的流域区划的面雨量产品。依据30 m DEM高程数据对流域进行子流域分区（图1），将各分区分别编号为L1：湘乡段、L2：涟源段、L3：双峰段。

3 暴雨及洪水过程分析

长委会洞工处、长勘院对涟水中游段进行历史洪水调查：2005年涟水上游发生大洪水，娄底站洪峰流量2 000 m3/s，洪峰模数1.37，水府庙入库流量3 920 m3/s，出库流量2 960 m3/s。2010年涟水上游同时发生大洪水，涟水中游段湘乡站出现实测最大流量

4 520 m3/s，洪峰模数0.75。水府庙入库流量3 170 m3/s，

出库流量2 800 m3/s。2017年涟水流域发生特大洪水，娄底站洪峰流量3 240 m3/s，洪峰模数2.22，洪峰水位104.61 m，超警戒水位4.37 m，超实测历史最高洪水位2.61 m。湘乡站洪峰流量4 750 m3/s，洪峰模数0.78，水府庙入库流量5 350 m3/s，出库流量3 860 m3/s，水库调度削减洪峰28%。

3.1 洪峰与暴雨强度关系分析

2014—2019年共出现11次洪水过程的洪峰（超当地水文站警戒水位）流量与流域站点当天及前1～2 d面雨量分析发现（表2），流域发生1 000 m3/s以上的洪峰，当天或前1～2 d一般有强降雨过程发生，累积面雨量达60 mm以上，或最大日面雨量≥80 mm；低于

1 000 m3/s的洪峰中，累积面雨量在40～60 mm之间；洪峰出现时间一般滞后暴雨1～2 d。

由此可见，当流域出现累积面雨量达60 mm以上，或日最大面雨量≥80 mm时，其后1 d流域将有流量达1 000 m3/s以上洪峰产生；若当累积面雨量有30～

60 mm的较强降雨过程时，其后1～2 d内流域将有洪峰产生。因此，可将流域日面雨量≥80 mm的降雨过程作为大洪水预报临界值；将过程累积面雨量为40～

60 mm的降雨过程作为可致洪的预报临界值[3]。

3.2 水府庙水库水位与面雨量、流量关系分析

水府庙水库流域每年的暴雨主要出现在4—9月的汛期内，通过对2014—2019年水府庙水库水位及流域降雨量分析，水府庙水库汛期多年平均水位91.14 m，

流域汛期多平均年降水量为848.4 mm，从图2和图3可看出，水府庙水库水位和流域降水过程之间有着紧密的联系，当流域地区降雨量较多时，水府庙水位较高，特别是6月下旬开始水位陡然上涨，并超过多年平均水位，对应流域范围内6月下旬至7月上旬的暴雨天气，反之，则水府庙水位较低。

分析2014—2019年水府庙水库站每日入库、出库流量和子流域分区当天、前1～3 d面雨量，根据图中Pearson相关系数分析可以看出（图略），各水文站流量均与所在分区前2 d面雨量累积有较高的相关性，因此可通过分析各面雨量、流量与水位的关系，估计出各分区将达到警戒水位的面雨量阈值以及流量阈值，为流域风险预警提供参考[4-5]。

根据上述分析所得出的统计关系结论，结合各水文站警戒水位，可估算出各水文站对应的警戒面雨量以及警戒流量，前2 d涟水流域逐日面雨量与水府庙水库入库、出库流量相关性最好，其中L2子流域涟源段面雨量相关性最高，为0.81、0.65，前1 d次之，当天的面雨量与流量的相关性最弱。综上表明水府庙水库站流量预报关键为上游L2涟水流域涟源段前1～2 d面雨量。

3.3 洪峰流量预报方程

研究前期面雨量对洪峰的影响，仅选用洪峰形成时期的样本，剔除其余样本，最后共得到10个有效样本。选取涟水流域L2分区前1～2 d的面雨量，采

用线性回归方法，建立水府庙水库站洪峰过程最大

流量的统计预报回归方程。设X1、X2分别代表洪峰出

现日前1 d和前2 d涟水流域L2分区日面雨量，得出洪

峰形成时入库流量Yin回归方程：Yin=44.543X1+20.21X2

-1507.672，回归方程的R方为0.65，拟合效果良好；ANOVA分析，回归模型的显著性值为0.025，小于0.05的置信空间，说明入库流量与L2流域分区前1～2 d

的面雨量之间存在着显著的回归关系。通过回归方程R方、ANOVA分析，可得回归方程具有统计学意义，但模型是否具有准确的预测性，还需要进一步通过

残差相关性分析确认，通过Durbin-Watson检验，查阅

Durbin-Watson表得到，样本量n=10，控制变量数量k=1，

其下临界值LD=0.879、上临界值UD=1.320。而本回归方程的Durbin-Watson值为1.562，根据判定规则，本回归方程没有自相关性，模型构建良好。

此外，查看到残差的分布趋近于正态曲线的分布，再结合正态P-P图分析，数值的分布近似于直线，说明残差的正态性良好。在满足残差无自相关性、服从正态分布的前提下，说明该回归方程具有良好的预测性。

4 结论

通过收集、整理2014—2019年娄底市、涟源市、双峰县、湘乡市4个国家气象站、区域自动气象站和水文站的历史降水数据并入库，建立流域面雨量预报模型，获取流域临界面雨量阈值。主要成果有以下几点：

（1）依据30 m DEM高程数据对流域进行子流域分区；将各分区分别编号为L1：湘乡段、L2：涟源段、L3：双峰段。

（2）分析了各子分区水文站点水位、流量与面雨量关系，表明水府庙水库站流量预报关键为上游L2涟源段前1～2 d面雨量。提取了超警水位面雨量和流量阈值，为风险预警提供依据。

（3）分析了水府庙入库流量和上游面雨量关系，并拟合计算公式，为水库调度提供依据。

参考文献

[1] 贺科秀.水府庙水库兴利与防洪调度[J].湖南水利水电， 2010（2）：42-43.

[2] 唐杰，徐靖宇，刘红武.湖南省中小河流域洪水预报模型的研究与应用[J].湖北农业科学，2020，59（15）：145-150，162.

[3] 胡坚，黄昕怡，何泽良，等.湘潭县主汛期涓水流域洪峰与降水量关系分析[J].安徽农业科学，2016，44（2）：214-215，218.

[4] 赵明月.基于土地利用的水府庙水库流域生态安全评价与生态调控研究[D].大连：辽宁师范大学，2016.

[5] 金科，王雪姣，陈甜.降雨及引江济太调度对太湖水位变化的影响分析[J].水文，2020，40（6）：63-67.