湖南省水府廟水庫流域洪峰與汛期面雨量關(guān)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(yù)報與預(yù)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(xiāng)市4個國家氣象站、區(qū)域自動氣象站和水文站的歷史降水?dāng)?shù)據(jù)并入庫，建立流域面雨量預(yù)報模型，獲取流域臨界面雨量閾值。結(jié)果表明：（1）依據(jù)30mDEM高程數(shù)據(jù)對流域進(jìn)行子流域分區(qū)；將各分區(qū)分別編號為L1：湘鄉(xiāng)段、L2：漣源段、L3：雙峰段。（2）分析了各子分區(qū)水文站點水位、流量與面雨量關(guān)系，表明水府廟水庫站流量預(yù)報關(guān)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(fēng)險預(yù)警提供依據(jù)。（3）分析了水府廟入庫流量和上游面雨量關(guān)系，并擬合計算公式，為水庫調(diào)度提供依據(jù)。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

水府廟水庫為湘中地區(qū)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(xiāng)、婁星三縣（市、區(qū)）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(yīng)庫容3.7億m3，相應(yīng)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(diào)節(jié)水庫[1]。

水庫以灌溉、防洪為主，兼顧發(fā)電、航運、供水、養(yǎng)殖等綜合利用效益。受上游淹沒限制，設(shè)計未預(yù)留防洪庫容，只能利用正常高水位以上庫容滯洪調(diào)蓄，削減部分洪峰，并考慮下游湘鄉(xiāng)允許安全泄量和測水錯峰，以盡量減少下游洪水災(zāi)害。對湘潭市自動站點近10年的暴雨天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計得出，流域湘鄉(xiāng)段沿岸的洋潭電站、潭市鎮(zhèn)、東山暴雨天數(shù)均在6 d以上，特別是湘鄉(xiāng)市中沙鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨天數(shù)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(nóng)田灌溉、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用電提供了有利條件，但同時加劇了洪澇災(zāi)害。2014—2019年漣水流域湘潭段共計出現(xiàn)洪水過程11次，其中2017年6月下旬—7月上旬出現(xiàn)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(xiāng)站上游婁底站、雙峰站全面超警，湘鄉(xiāng)段干、支流水位上漲，6月26日00：30，湘鄉(xiāng)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(xiāng)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(xiāng)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(xiàn)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(zāi)人口達(dá)121 855人，因洪澇災(zāi)害死亡2人，失蹤2人，農(nóng)作物受災(zāi)面積17 639.9 hm2，倒塌房屋338間，直接經(jīng)濟(jì)損失28 597萬元。

由于洪水造成的損失重大，如何有效預(yù)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(yù)報的關(guān)鍵參數(shù)，也是各級政府組織防汛抗洪以及水庫調(diào)度等決策的重要依據(jù)[2]。國內(nèi)外針對流域精細(xì)化降水預(yù)報的研究主要集中在精細(xì)化降水預(yù)報技術(shù)、流域降水預(yù)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(fù)雜的天氣形勢，為減少洪澇災(zāi)害對人民財產(chǎn)損失，相關(guān)部門應(yīng)在全面提高精細(xì)化預(yù)報質(zhì)量的基礎(chǔ)上，加快推進(jìn)流域氣象風(fēng)險預(yù)警技術(shù)的研究，探索過程性降水與洪水之間的關(guān)系，建立科學(xué)、合理的流域面雨量閾值，為流域風(fēng)險預(yù)警業(yè)務(wù)提供技術(shù)支撐。

1 水文氣象概況

水府廟水庫流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)濕潤氣候類型，受季風(fēng)的影響，春溫多變，夏秋多旱，嚴(yán)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(jié)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(xiàn)洪水多為單峰形，雙峰形和多峰形較少。洪水消退規(guī)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(jìn)行水文分析，通過匯流計算模型，計算河流的河道建立數(shù)字河網(wǎng)，分析流域的集水區(qū)域面積，提取流域的邊界信息；利用遙感數(shù)據(jù)以及實際的河流調(diào)查資料，對建立的數(shù)字流域信息進(jìn)行校正，形成基于子流域邊界的流域區(qū)劃的面雨量產(chǎn)品。依據(jù)30 m DEM高程數(shù)據(jù)對流域進(jìn)行子流域分區(qū)（圖1），將各分區(qū)分別編號為L1：湘鄉(xiāng)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(jìn)行歷史洪水調(diào)查：2005年漣水上游發(fā)生大洪水，婁底站洪峰流量2 000 m3/s，洪峰模數(shù)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(fā)生大洪水，漣水中游段湘鄉(xiāng)站出現(xiàn)實測最大流量

4 520 m3/s，洪峰模數(shù)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(fā)生特大洪水，婁底站洪峰流量3 240 m3/s，洪峰模數(shù)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(xiāng)站洪峰流量4 750 m3/s，洪峰模數(shù)0.78，水府廟入庫流量5 350 m3/s，出庫流量3 860 m3/s，水庫調(diào)度削減洪峰28%。

3.1 洪峰與暴雨強(qiáng)度關(guān)系分析

2014—2019年共出現(xiàn)11次洪水過程的洪峰（超當(dāng)?shù)厮恼揪渌唬┝髁颗c流域站點當(dāng)天及前1～2 d面雨量分析發(fā)現(xiàn)（表2），流域發(fā)生1 000 m3/s以上的洪峰，當(dāng)天或前1～2 d一般有強(qiáng)降雨過程發(fā)生，累積面雨量達(dá)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(xiàn)時間一般滯后暴雨1～2 d。

由此可見，當(dāng)流域出現(xiàn)累積面雨量達(dá)60 mm以上，或日最大面雨量≥80 mm時，其后1 d流域?qū)⒂辛髁窟_(dá)1 000 m3/s以上洪峰產(chǎn)生；若當(dāng)累積面雨量有30～

60 mm的較強(qiáng)降雨過程時，其后1～2 d內(nèi)流域?qū)⒂泻榉瀹a(chǎn)生。因此，可將流域日面雨量≥80 mm的降雨過程作為大洪水預(yù)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(yù)報臨界值[3]。

3.2 水府廟水庫水位與面雨量、流量關(guān)系分析

水府廟水庫流域每年的暴雨主要出現(xiàn)在4—9月的汛期內(nèi)，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(lián)系，當(dāng)流域地區(qū)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(yīng)流域范圍內(nèi)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(qū)當(dāng)天、前1～3 d面雨量，根據(jù)圖中Pearson相關(guān)系數(shù)分析可以看出（圖略），各水文站流量均與所在分區(qū)前2 d面雨量累積有較高的相關(guān)性，因此可通過分析各面雨量、流量與水位的關(guān)系，估計出各分區(qū)將達(dá)到警戒水位的面雨量閾值以及流量閾值，為流域風(fēng)險預(yù)警提供參考[4-5]。

根據(jù)上述分析所得出的統(tǒng)計關(guān)系結(jié)論，結(jié)合各水文站警戒水位，可估算出各水文站對應(yīng)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(guān)性最好，其中L2子流域漣源段面雨量相關(guān)性最高，為0.81、0.65，前1 d次之，當(dāng)天的面雨量與流量的相關(guān)性最弱。綜上表明水府廟水庫站流量預(yù)報關(guān)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(yù)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(qū)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(tǒng)計預(yù)報回歸方程。設(shè)X1、X2分別代表洪峰出

現(xiàn)日前1 d和前2 d漣水流域L2分區(qū)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(qū)前1～2 d

的面雨量之間存在著顯著的回歸關(guān)系。通過回歸方程R方、ANOVA分析，可得回歸方程具有統(tǒng)計學(xué)意義，但模型是否具有準(zhǔn)確的預(yù)測性，還需要進(jìn)一步通過

殘差相關(guān)性分析確認(rèn)，通過Durbin-Watson檢驗，查閱

Durbin-Watson表得到，樣本量n=10，控制變量數(shù)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(jù)判定規(guī)則，本回歸方程沒有自相關(guān)性，模型構(gòu)建良好。

此外，查看到殘差的分布趨近于正態(tài)曲線的分布，再結(jié)合正態(tài)P-P圖分析，數(shù)值的分布近似于直線，說明殘差的正態(tài)性良好。在滿足殘差無自相關(guān)性、服從正態(tài)分布的前提下，說明該回歸方程具有良好的預(yù)測性。

4 結(jié)論

通過收集、整理2014—2019年婁底市、漣源市、雙峰縣、湘鄉(xiāng)市4個國家氣象站、區(qū)域自動氣象站和水文站的歷史降水?dāng)?shù)據(jù)并入庫，建立流域面雨量預(yù)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(jù)30 m DEM高程數(shù)據(jù)對流域進(jìn)行子流域分區(qū)；將各分區(qū)分別編號為L1：湘鄉(xiāng)段、L2：漣源段、L3：雙峰段。

（2）分析了各子分區(qū)水文站點水位、流量與面雨量關(guān)系，表明水府廟水庫站流量預(yù)報關(guān)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(fēng)險預(yù)警提供依據(jù)。

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

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