Discharge relationships within drainage basins

🌊 流域内的径流关系：学习笔记

地理学者们，大家好！欢迎来到自然地理学中最基础（也与洪水相关！）的课题之一：径流关系（Discharge Relationships）。

在本章中，我们将探索水分如何在流域内移动，以及最关键的一点：河流流量对降雨的响应速度。这是理解洪水风险、管理水资源和预测环境灾害背后的科学原理。如果一开始觉得复杂也不用担心，我们将逐一拆解图表和术语！

1. 理解流量与水文径流图

1.1 什么是流量？

流量（Discharge, Q）简而言之就是单位时间内流经河流横截面上某一点的水体体积。
通常以立方米每秒（m³/s）为单位，也称为库麦（cumecs）。

计算流量的基本关系式为：
\( Q = A \times V \)
其中：

• \( Q \) = 流量 (m³/s)
• \( A \) = 河道横截面积 (m²)
• \( V \) = 水流速度 (m/s)

1.2 什么是水文径流图（Hydrograph）？

水文径流图是一种展示河流流量随时间变化的图表，通常用于显示降雨事件带来的变化（暴雨径流图）或全年的流量变化（年度径流图）。

1.3 暴雨径流图的组成部分

暴雨径流图对于理解短期洪水行为至关重要。它绘制了随时间变化的降雨量（precipitation）和河流流量（river discharge）。

各组成部分的详细拆解：

1. 基流（Baseflow）：这是河流中正常、稳定、背景水平的流量，主要由地下水（次地表流）补给。即使近期没有降雨，也是基流维持着河流的流动。
2. 上升段（Rising Limb）：图表中流量增加的部分。这是由于地表径流和快速的壤中流（throughflow）汇入河道造成的。
3. 降雨峰值（Peak Rainfall）：暴雨事件中强度最大的时段（通常显示在单独的柱状图中或主图表上方的标记轴上）。
4. 洪峰流量（Peak Discharge）：河流对暴雨响应达到的最高流量点，即最大径流量。
5. 汇流时间/滞后时间（Lag Time）：降雨峰值与洪峰流量之间的时间差。
   • 关键点：滞后时间越短，洪水形成的风险就越快。较短的滞后时间说明水分通过地表径流等方式迅速进入河道。
6. 下降段（Falling Limb 或 Recession Limb）：图表中随着暴雨补给逐渐减弱，流量下降的部分。
7. 暴雨径流（Storm Flow）：高于基流部分的流量体积。这是直接由暴雨事件产生的水量（包含了地表径流、壤中流和快速汇入河道的入渗水）。

1.4 年度径流图

如果说暴雨径流图显示的是小时或天数的变化，那么年度径流图展示的就是一整年（例如12个月）的流量模式。

这种图表有助于我们了解流量的季节性变化，通常可以清晰地显示：

• 丰水期（例如季风季节或春季融雪期间）。
• 枯水期（例如夏季干旱或冬季结冰期间）。
• 年度气温周期（影响蒸散发）与河流流量之间的联系。

2. 水文径流图的影响因素：是什么让河流的反应各不相同？

水文径流图的形状和时机——具体指洪峰的高度和滞后时间的长短——完全取决于两类主要因素：气候因素和流域特征。

2.1 气候因素

气候因素决定了有多少水分进入系统以及有多少水分会立即损失掉。

a) 降水类型与强度

• 类型：雪和冰将水储存起来。直到融化事件发生，才会迅速释放大量水，导致洪峰尖锐但滞后。雨水则会产生即时的响应。
• 强度：高强度（暴雨）意味着水分降落的速度超过了土壤的吸收能力（超过了入渗容量）。这会导致地表径流（overland flow）增加，从而出现短滞后时间和高洪峰。

b) 温度、蒸发、蒸腾与蒸散发

• 高温：增加了蒸发（地表/水面水体变成水汽）和蒸腾（植物释放水分）的速率。
• 蒸散发（Evapotranspiration, ET）：通过蒸发和蒸腾损失水分的总和。高蒸散发（常见于炎热夏季）减少了可用于径流的水量，导致基流和总流量降低。
• 低温：如果气温低于冰点，水分会以雪或冰的形式储存，从而减少了即时流量。

c) 前期土壤湿度（Antecedent Moisture）

这指的是在暴雨发生之前土壤和地面的潮湿程度。

• 前期湿度高（土壤饱和）：如果土壤已经湿透（像一块湿海绵），其孔隙已满。入渗量很小，几乎所有的新降雨都会立即转化为地表径流。这会导致极短的滞后时间和极高的洪峰。（洪水风险极高！）
• 前期湿度低（干燥土壤）：如果土壤干燥，起初可以吸收大量水分。入渗率高，从而导致较长的滞后时间和较低、较平缓的洪峰。

关键总结（气候）：在已经饱和的地面上进行长时间的强降雨，是引发山洪和尖峰型水文径流图的完美“配方”。

2.2 流域特征（自然与人为因素）

这些因素描述了河流集水区的自然景观。

a) 大小与形状

• 大小：较大的流域收集的水量更多，从而导致更高的总流量。然而，它们通常具有较长的滞后时间，因为水分从边缘流向中心测量点需要更长的时间。
• 形状：
  • 圆形流域：来自流域各处的水几乎同时到达测量点，导致短滞后时间和高而尖的洪峰。
  • 长条形流域：水分分布较广，到达时间不一，导致较长的滞后时间和更低、更平缓的洪峰。

b) 水系密度（Drainage Density）

水系密度是流域内所有河道（河流和支流）的总长度除以流域总面积。简单来说，它衡量的是流域的“排水管网”有多发达。

• 高密度：该地区河流支流众多。水分在进入河道前在地表移动的距离较短。这意味着传输更快，滞后时间更短，水文径流图更尖锐。
• 低密度：河道较少。水分必须在地面移动更远，增加了阻力，导致滞后时间更长。

c) 土壤与岩石的孔隙度与渗透性

这些因素控制了水分入渗的量以及在地下的移动速度。

• 孔隙度（Porosity）：岩石/土壤中空隙（孔隙）的百分比，这些空间可以容纳水分。（就像海绵一样）。
• 渗透性（Permeability）：岩石/土壤允许水分穿过的能力。（就像过滤器一样）。

• 不透水岩石/土壤（如粘土、花岗岩）：入渗率低，地表径流高。结果：尖峰型径流图（滞后时间短，洪峰高）。
• 高渗透性岩石/土壤（如白垩、砂岩）：入渗率高，储存能力强。水分进入地下水储备，导致平缓型径流图（滞后时间长，洪峰低）。

d) 坡度（Gradient）

• 陡坡：水分在重力作用下迅速向下移动，导致快速的地表径流和壤中流。结果：短滞后时间和高洪峰。（想象水从陡峭的屋顶倾泻而下）。
• 缓坡/平原：水分移动缓慢，有更多时间进行入渗和储存。结果：滞后时间长，洪峰较低且平缓。

e) 植被类型（地表覆盖）

植被在减缓水流速度和增加水分入渗方面发挥着巨大作用。

• 森林/茂密植被（如造林工程）：
  • 它们截留（intercept）降雨（水分储存在叶片上）。
  • 根系增加了土壤的孔隙度，促进了入渗和壤中流。
  • 高蒸腾率降低了流域内的总含水量。
  • 结果：洪峰低，滞后时间长。（径流图呈现“平缓”或扁平化状态）。
• 裸露土壤或草原：截留能力和入渗容量低。结果：径流更快，滞后时间更短。

f) 土地利用（人类影响）

人类活动通常通过减少入渗和加速水流使径流图变得更加“尖锐”（这与课程大纲1.4：人类影响直接相关）。

• 城市化：用不透水表面（混凝土、道路、屋顶）取代天然土壤。这急剧减少了入渗，增加了地表径流，并利用人工排水系统（排水沟/下水道）将水分迅速排入河流。
  • 结果：出现最极端的尖峰型径流图——滞后时间极短，洪峰巨大。
• 毁林：清除了保护性的植被覆盖，减少了截留，增加了土壤侵蚀和地表径流。