(一) 水庫集水區
曾文水庫為曾文溪流域上游水系所匯集而成的重要水庫，位於臺灣南部嘉義縣曾文溪流域主流柳藤潭谷地，其集水區位於嘉義地區水系，曾文水庫上游集水面積達481 平方公里，全屬山嶺區，集水區形狀由東北而西南，呈狹長之袋形，縱長約41 公里，最寬處約17 公里，壩址河床標高約110 公尺。
曾文水庫集水區內全區地勢陡急、峻峭，愈往上游，地勢益增急劇傾斜，區域內除樂野、達邦、大埔等數處小型盆地外，餘均屬山地。河床亦因地勢關係，呈現陡急現象，沖蝕作用旺盛，輸砂作用強烈，使得上游地區兩岸地形更顯陡峻。全區平均標高約963 公尺，平均坡度為54.4%，源頭附近坡降達1/3，溪流平均坡降達1/65，壩址附近緩為1/186。
資料提供：經濟部水利署 2010 曾文溪水系流域影像圖 
(二) 集水區水系
曾文水庫的上游集水區，是由曾文溪、草山溪、二寮溪( 草蘭溪) 流域水系所匯集而成。曾文水庫集水區範圍內的水系，以曾文溪、草山溪、達那伊谷溪、烏奇那溪及鍾連溪為較大溪流，其餘皆為短急之小溪流。其中，曾文溪主流貫穿中央部位，主要支流有：長谷川溪、中坑溪、伊斯基安那溪、達德安溪、烏奇那溪、塔乃庫溪、山美坑溪、塔庫布央溪、沙力基溪、埔仔寮溪、陀亞奇伊溪、雷公溪、竹坑溪、水底寮溪、草蘭溪及東西坑溪等。
曾文水庫集水區水系圖 | 所屬流域 | 周長(公尺) | 流域面積(公頃) | 溪流長度(公尺) | 平均坡度(度) |
|---|
| 山美坑溪 | 10,821.90 | 647.5 | 1,637 | 26.14 |
| 中坑溪 | 17,715.40 | 1,265.9 | 5,446 | 27.47 |
| 水底寮溪 | 13,742.10 | 840.3 | 1,993 | 26.24 |
| 火燒寮溪 | 12,045.70 | 659.5 | 1,431 | 22.63 |
| 伊斯基安那溪 | 24,233.40 | 3,289.3 | 7,366 | 30.19 |
| 竹坑溪 | 15,823.10 | 953.6 | 4,142 | 25.63 |
| 沙力基溪 | 33,043.00 | 4,536.6 | 11,284 | 26.08 |
| 東西坑溪 | 17,600.00 | 1,096.0 | 4,405 | 26.63 |
| 長谷川溪 | 27,841.70 | 2,866.2 | 8,952 | 28.09 |
| 陀亞奇伊溪 | 15,355.40 | 1,096.9 | 2,441 | 25.35 |
| 埔仔寮溪 | 16,535.80 | 1,411.0 | 3,367 | 25.35 |
| 烏奇那溪 | 26,267.80 | 3,143.2 | 7,839 | 28.71 |
| 草蘭溪 | 24,017.10 | 2,312.2 | 6,965 | 25.27 |
| 曾文溪 | 98,083.90 | 10,679.0 | 32,122 | 27.33 |
| 塔乃庫溪 | 22,210.60 | 2,227.2 | 7,326 | 31.29 |
| 塔庫布央溪 | 22,782.20 | 1,956.8 | 7,594 | 29.86 |
| 達德安溪 | 13,601.50 | 915.2 | 1,700 | 26.67 |
| 雷公溪 | 15,837.10 | 1,086.9 | 2,436 | 23.27 |
(三) 氣候水文
1、氣溫
曾文水庫位處臺南市楠西區與嘉義縣大埔鄉交界處，其環境受到水岸地文、集水區水系以及臺灣南部氣候水文的交互影響。由於曾文水庫地處北迴歸線以南，屬於溫暖濕潤的熱帶季風氣候區，日照充足，夏季長而冬季短，冬夏溫差較小，年平均溫度為24.3℃中5 月至10 月之月均溫皆在27.7℃以上，尤以7、8 月28.6℃最高，12 月至翌年2 月間月均溫較低，平均最低溫度為攝氏17.8℃。
整體而言，流域內山區溫度較平地低，自5 月開始氣溫逐月上升，其中以6、7、8月天氣最熱，直到10 月氣溫才逐漸下降。
曾文氣象站各項氣象資料統計 
資料來源：
1、經濟部水利署南區水資源分署。
2、經濟部水利署南區水資源分署，2020年，曾文水庫第五次定期安全評估總報告。。
2、降雨
曾文水庫集水區夏季因印度洋低壓，帶來豐沛雨量，且因受中央山脈地形影響，嘉南平原與阿里山地區位於臺灣西部之迎風面，降雨量及頻率為全臺之冠。歷年集水區平均年降雨量可達3,000 毫米，每年5 至9 月的降雨量佔全年80% 以上。
曾文水庫集水區現有觀測之雨量站，有曾文、水山、樂野、里佳、表湖、馬頭山、龍美、三角南山及大棟山等9 站。統計結果顯示，曾文全流域年降雨量約2,350 毫米，年降雨量在山區為3,000 至3,500 毫米之間，在平地近海處則在1,000 至1,500 毫米之間，雨量分佈隨地勢升高而遞增。
曾文水庫上游集水區面積平均年降雨量為2,768 毫米，自每年2 月份開始，由東北季風轉為西南季風，降雨逐漸增多，且多集中於5 月至9 月，平均年降雨量為2,306 毫米，占全年降雨量之83.3%，約佔全年總雨量之80% 以上。在5 至6 月的梅雨鋒面及7 至9 月的颱風侵襲下，常有豪大雨的發生。有關曾文水庫及其集水區歷年及即時的氣象資訊，可在中央氣象局網站查詢。
近三十年來，曾文水庫上游集水區，受到重大颱風來襲或豪雨事件所造成3 日最大累積雨量超過200 毫米，計有58 場降雨事件。前6 大降雨事件分別為：莫拉克颱風，2009 年8 月，降雨量1,479.3 毫米；艾妮絲颱風，1981 年8 月，降雨量992.6 毫米；敏督利颱風，2004 年6 月，降雨量979.3 毫米；海棠颱風，2005 年7 月，降雨量930.3 毫米；賀伯颱風，1996 年7 月，降雨量796.4 毫米；0609 豪雨，2006 年6 月9 日豪雨，降雨量783.2 毫米。
曾文全流域年等雨量線圖 曾文水庫集水區雨量統計 