選修單元 7A（自然地理）：河流景觀 —— 調查河道特徵的變化
歡迎閱讀單元 7：河流景觀的實地考察溫習筆記！在卷三（地理研習：實地考察與英國面臨的挑戰）中，你將需要回答與自己進行過的河流實地考察相關的題目。如果一開始覺得實地考察有點艱深，千萬不要擔心；考試主要考核你運用日常地理技能來理解標準探究的六個階段。只要將探究步驟逐一拆解，無論是短題目計算，還是長達 8 分以至 12 分的評估題，你都能應付自如！
備註：如欲了解完整的探究架構，請參閱「實地考察探究過程：訂立問題、收集數據、數據呈現、數據分析、結論及評估」章節。本章將重點探討沿河道變化的專題調查。
---階段一：確立探究問題與假設
每次地理探究都始於明確的目標。在本選修單元中，指定的探究任務是調查河道由上游至下游的河道特徵變化。
地理理論：布拉德肖模型（Bradshaw Model）
為了提出合理的探究問題，地理學家會參考一項基礎理論 —— 布拉德肖模型（Bradshaw model）。此模型預測了河流由源頭（上游）流向河口（下游）時，各項河流特徵會如何變化：
隨河流流向順流增加（向游遞增）的特徵：
• 河道寬度（Channel width，受側蝕作用及流量增加影響）
• 河道深度（Channel depth，受下游的下蝕作用影響）
• 平均流速（Mean velocity，隨著河道變得更寬闊和平滑，河床與河岸的摩擦力減少）
• 總流量（Discharge，每秒流經特定斷面的水體體積，隨支流匯入而增加）
• 搬運量（Load quantity，沉積物搬運總量）
隨河流流向順流減少（向下游遞減）的特徵：
• 河床載荷沉積物粒徑（Bedload particle size，沉積物因磨蝕（attrition）及磨損（abrasion）而變小）
• 河床載荷沉積物稜角分明度（Bedload particle angularity，沉積物因磨蝕作用而變得更圓潤光滑）
• 河床粗糙度（Channel bed roughness，上游巨大而粗糙的巨石在下游被磨蝕成粉砂和細沙）
• 河道坡度（Slope gradient，河谷越往下游越趨平坦）
擬定可測試的假設
假設（Hypothesis）是指你可以運用數據測量來進行驗證的預測。以下是河流實地探究的經典假設例子：
• 假設一：「河道橫切面面積隨下游距離增加而增大。」
• 假設二：「平均河床沉積物粒徑隨下游距離增加而減小，圓度則隨之增加。」
• 假設三：「平均水流速度隨下游距離增加而加快。」
健康與安全：風險評估
在涉水進入河流之前，地理研究人員必須評估潛在危險並制定預防措施：
• 危險：濕滑石塊與不平坦河床 \(\implies\) 風險：滑倒、跌倒、扭傷或骨折 \(\implies\) 預防措施：穿著抓地力良好的堅固鞋履（如雨靴或登山靴），並步步為營，小步行走。
• 危險：水流湍急或河水過深 \(\implies\) 風險：被水沖倒、遇溺 \(\implies\) 預防措施：涉水前先用測距桿探測水深；切勿進入深過膝蓋的水域；隨身攜帶救生繩索。
• 危險：水源性傳染病（例如威爾氏病／鉤端螺旋體病 Leptospirosis） \(\implies\) 風險：細菌感染疾病 \(\implies\) 預防措施：用防水膠布貼好開放性傷口；進食前使用消毒搓手液清潔雙手；切勿飲用河水。
• 危險：惡劣天氣（暴雨或極端低溫） \(\implies\) 風險：體溫過低或突發山洪暴發 \(\implies\) 預防措施：密切留意天氣預報；穿著防水衣物；下水前檢查上游水位變化。
重點提示：河流實地考察旨在探討河道各項變量是否符合理論模型（例如布拉德肖模型）。周詳的計劃需要建基於清晰、可測試的假設，以及全面的風險評估。
---階段二：數據收集方法
實地考察需要收集不同類型的數據：第一手數據（Primary data）（由你在實地親自測量收集）、第二手數據（Secondary data）（由他人收集，如地圖或歷史水災記錄）、定量數據（Quantitative data）（數值測量）以及定性數據（Qualitative data）（描述性觀察）。
抽樣策略
你不可能測量河流中的每一顆卵石或每一毫米的水深，因此必須選取樣本（Sample）。實地考察主要採用以下三種抽樣策略：
1. 系統抽樣（Systematic sampling）：以固定、相等的間距進行測量（例如：沿橫切面每隔 0.5 米測量一次水深，或順流而下每隔 2 公里設定一個考察點）。
• 優點： 操作簡便規律；能消除個人主觀偏差。
• 局限： 若關鍵地形剛好落在測量間距之間，可能會被遺漏。
2. 隨機抽樣（Random sampling）：利用隨機數目表或隨機產生器選取取樣點（例如：在坐標網格上隨機選擇坐標位置）。
• 優點： 完全客觀公正，不帶偏見。
• 局限： 取樣點可能純粹因巧合而聚集在某些區域，導致忽略了重要的河段。
3. 分層抽樣（Stratified sampling）：將河流劃分為不同子群或區域（例如：上游、中游和下游，或淺灘與深潭），然後在各區按比例選取特定數量的樣本。
• 優點： 確保河流中各類具代表性的區域均被顧及。
• 局限： 事前需要對考察地點有充分的了解才能劃分組別。
分步測量方法
1. 測量河道寬度
• 所需器材：測距桿兩支、捲尺。
• 測量方法：將一支測距桿立於左岸水邊，另一支立於對面右岸水邊（測量水面寬度）。將捲尺在水面稍上方緊緊拉直於兩支標桿之間。
• 確保準確度：保持捲尺水準，且必須與水流方向保持垂直（成 \(90^\circ\) 角）。切勿讓捲尺下墜浸入水中。
2. 測量河道深度
• 所需器材：米尺（或帶有刻度的測距桿）。
• 測量方法：沿著剛才拉直的測量寬度的捲尺，橫越河道以規律的系統間距（例如每隔 20 厘米或 50 厘米，視乎河寬而定）記錄水深。
• 確保準確度：將尺的窄邊迎向水流方向，以減少水流衝擊尺面湧起造成的讀數誤差；確保米尺輕觸河床，切勿用力插入鬆軟的泥濘中。
3. 測量水流速度
你可以使用數碼水流計或浮標法來測量流速：
• 方法 A：數碼水流計（葉輪式）
將水流計葉輪放入水中，正對上游方向，置於約水深 \(60\%\) 的位置（即平均流速所在的水深）。直接從儀器讀取數碼流速讀數。
• 方法 B：浮標法（秒錶與浮標）
用捲尺沿河岸量度出一段固定距離（例如 10 米），並標記起點線與終點線。在起點線上游輕輕放入漂浮物（例如橙或小型狗餅乾）。當浮標漂過起點線時啟動秒錶，越過終點線時按下停止。利用公式計算流速：\(\text{流速 (m/s)} = \frac{\text{距離 (m)}}{\text{時間 (s)}}\)。在河道不同橫截面（左側、中間、右側）至少重複測試三次，然後計算平均值。
• 浮標系數： 由於表面水流受河床摩擦力較小，表層流速偏高，因此表層浮標測得的數值通常需要乘以修正系數（約 \(0.85\)），以估算河道的平均流速。
4. 測量河床載荷特徵（大小與圓度）
• 所需器材：米尺或游標卡尺、鮑爾斯圓度量表（Powers' Scale of Roundness）。
• 測量方法：在橫切面各個系統水深測量點上，閉上眼睛（或把頭轉向一側以避免選取偏差），伸手撿起剛好位於鞋尖前方的石塊。
• 測量大小：使用游標卡尺或米尺測量石塊的最長軸（即 a 軸），單位為毫米。
• 測量圓度：將石塊與標準鮑爾斯圓度量表進行比對（分為 1 至 6 級，1 = 極具稜角，6 = 極圓潤），並評定等級分數。
定性數據與第二手數據
• 定性數據：附帶標註的河道與河谷兩壁實地素描（field sketches），以及記錄河道形態特徵、沉積物分選情況和河岸植被的照片。
• 第二手數據：1:25,000 或 1:50,000 英國地形測量局（OS）地圖，用作測量河流坡度及與源頭的距離；英國環境署（Environment Agency）互動水災地圖，用作查核水災風險區域及歷史河流流量記錄。
重點提示：精準的實地數據取決於器材的適當選用、規範的操作技術（如尺身側向迎流、拉緊捲尺）、避免抽樣偏差，並結合第一手實地測量與第二手地圖數據。
---階段三：數據處理與呈現
記錄在紀錄板上的原始數字，需要經過數學運算處理，並透過地理呈現圖表轉化為可視化資訊。
數值與統計計算
1. 平均深度與橫切面面積：
要計算河道橫切面面積（Cross-Sectional Area, \(\text{CSA}\)），首先求出橫切面上所有測量點的平均深度：
\(\text{平均深度} = \frac{\text{所有深度測量值總和}}{\text{深度測量次數}}\)
然後估算河道橫切面面積：
\(\text{橫切面面積 } (m^2) = \text{河道寬度 } (m) \times \text{平均深度 } (m)\)
2. 河流流量：
流量（Discharge, \(Q\)）是指每秒流經特定橫斷面的水體體積，單位為立方米/秒（\(m^3/s\) 或 cumecs）：
\(\text{流量 } (Q) = \text{橫切面面積 } (m^2) \times \text{平均流速 } (m/s)\)
3. 百分比變化：
當比較樣點一（上游）和樣點二（下游）時，題目可能會要求你計算某項變量的增減百分比：
\(\text{百分比變化} = \frac{\text{新數值} - \text{原數值}}{\text{原數值}} \times 100\)
範例：若樣點一的寬度為 \(2.5\text{ m}\)，樣點二為 \(4.0\text{ m}\)：
\(\text{百分比變化} = \frac{4.0 - 2.5}{2.5} \times 100 = \frac{1.5}{2.5} \times 100 = 60\%\text{ 增長}\)。
4. 集中趨勢與離散程度度量：
• 平均數（Mean）：所有數值的算術平均值。
• 中位數（Median）：數據由小至大排列時處於正中間的數值。
• 眾數（Mode）：出現頻率最高的數值（例如沉積物圓度最常見的組別）。
• 全距（Range）：最大值與最小值之間的差（\(\text{最高值} - \text{最低值}\)）。
• 四分位距（IQR）：中間 \(50\%\) 數據的範圍（\(Q_3 - Q_1\)），能剔除極端離群值的影響。
呈現技巧
不同類型的數據需要配合適當的呈現方式：
• 河道橫切面圖（Channel Cross-Sections）：繪畫在方格紙上，橫軸（\(x\) 軸）代表橫跨河道的距離，縱軸（\(y\) 軸）則表示自水面起向下延伸的深度。將各點連起來便能展示河床輪廓。
• 常犯錯誤提醒： 切記深度是從水面向下延伸！請確保縱軸頂端為 0，數值越往下越大。
• 配有最佳擬合線的散佈圖（Scatter Plots with a Line of Best Fit）：最適合用來展示雙變量數據（bivariate data）（即兩個連續變量之間的關係）。例如：將「距源頭距離 (km)」標在 \(x\) 軸，將「平均石塊大小 (mm)」標在 \(y\) 軸。繪製一條趨勢線（最佳擬合線）能清晰顯示正相關或負相關關係。
• 長條圖與直方圖（Bar Charts and Histograms）：非常適合用來展示離散數據或分組數據，例如各個考察點中符合各個鮑爾斯圓度等級的石塊頻數。
• 地理資訊系統（GIS）與定位圖表（Located Graphs）：將小型橫切面圖或長條圖直接疊加在 OS 地圖或數碼地圖層上的實際取樣坐標位置。這能把河道形態變化與當地地形特徵及土地利用緊密連結。
重點提示：橫切面面積與流量是利用寬度、深度和流速計算出來的。在散佈圖上運用最佳擬合線展示雙變量數據，有助於找出數據間的相關性。
---階段四：數據分析與合理解釋
分析是指描述圖表中所呈現的規律與趨勢，並運用地理知識去解釋為甚麼會出現這些規律。
解釋預期趨勢（結合地理理論）
• 為甚麼河道橫切面面積越往下游越大？ 在下游地區，眾多支流匯入主流，使河流總水量（流量）大增。河流擁有更多動能對河岸進行側蝕以及對河床進行下蝕，形成更寬更深的河道。
• 為甚麼水流速度越往下游越快？ 雖然上游河谷坡度較陡峭，但上游河道淺窄、粗糙且佈滿巨石。這會產生巨大的摩擦力（friction），阻礙水流。到了中下游，河道更寬、更深且較平滑，這意味著相對於整體水量而言，接觸濕周（wetted perimeter）的水體比例減少。水力摩擦力減小，使水流速度得以加快。
• 為甚麼河床沉積物粒徑變小而圓度增加？ 當石塊順流移動時，它們不斷互相碰撞並與河床撞擊。這種磨蝕作用（attrition）會磨掉尖銳的稜角（使石塊變得更圓），並將較大的碎塊撞碎成細小顆粒。化學上的溶蝕作用（solution）亦會溶解易溶的岩石成分。
識別及解釋異常值（Anomalies）
異常值（Anomaly）是指偏離整體趨勢或模式的數據點（即散佈圖上的離群點）。
• 異常值示例： 下游某地點的流速突然急跌，或者在下游河段發現異常巨大且稜角分明的巨石。
• 可能的解釋原因：
1. 人為干預：人工水堰、橋樑或河道整治（例如鋪設混凝土河岸）會改變自然流速並攔截沉積物。
2. 支流匯入：剛好在調查地點上游有一條源自陡峭山坡的支流匯入，將剛崩落、巨大且具稜角的岩石帶入主流。
3. 局部地質條件：河流流經抗蝕力極強的硬岩層，形成了狹窄峽谷或多石的淺灘，打亂了典型的順流漸變模式。
4. 測量失誤：將米尺放置在巨石後方的漩渦或死水區，測量出的流速讀數必然會反常偏低。
重點提示：運用規範的地理名詞（摩擦力、濕周、磨蝕作用、流量）來解釋趨勢。在分析過程中，切記要主動找出離群值與異常現象，並嘗試推導其背後成因。
---階段五：基於證據推導結論
在這一階段，你需要回答最初設立的探究問題，並指出假設是獲得支持還是被推翻。高層次的結論必須直接引用數據中的具體數值證據。
論證不足的結論： 「河流越往下游越寬越深，所以我的假設是正確的。」（缺乏數據、精準度及深度）。
有力且具證據支持的結論： 「數據充分支持假設一。河道橫切面面積沿河流向下游穩定增加。在樣點一（距源頭 0.8 公里處），河道寬度為 1.4 米，平均深度為 0.12 米，橫切面面積為 \(0.17\text{ m}^2\)。到了樣點三（距源頭 4.2 公里處），寬度增加至 3.8 米，平均深度增加至 0.28 米，橫切面面積達 \(1.06\text{ m}^2\)。增幅超過 \(500\%\)，完全符合布拉德肖模型的理論預測。」
重點提示：下結論時切忌空泛論述。必須引述具體數值、單位、樣點名稱及已計算的變化量（例如增長百分比），以此支持你的判斷。
---階段六：批判評估
評估是對整個實地探究進行批判性檢討。你需審視數據的可靠程度，指出測量器材與方法的不足，並思考結論的有效性與普遍性。
準確度（Accuracy）對比可靠度（Reliability）
• 準確度：指測量數值與真實數值的接近程度（例如：米尺測量的是否為真正深度，抑或是陷入了泥漿之中？）。
• 可靠度：指測量結果的一致性與重複性（例如：若將流速測試重複進行三次，所得結果是否相當接近？）。
常見的方法局限與改善建議
1. 浮標法測量流速：
• 局限： 浮標容易被困在旋渦中、被雜草纏住，或受水面風向吹拂影響；使用秒錶時人類反應時間的延遲亦會帶來誤差。
• 改善建議： 改用配有葉輪的電子數碼水流計，固定在水深 \(60\%\) 處以自動錄取真實的平均水流速度。
2. 沉積物測量（石塊選取）：
• 局限： 學生往往傾向隨手撿拾較大、較顯眼的石塊，忽略了微細的粉砂或泥沙（操作者主觀偏差）；樣本數量太少（例如每站僅取 10 顆石塊）欠缺代表性。
• 改善建議： 將每站的樣本數量增加至 30 或 50 顆；使用系統取樣網格（如沉積物粒徑測量網格板或沿樣線投針法）代替主觀用手撿拾。
3. 鮑爾斯圓度量表：
• 局限： 憑肉眼觀察石塊並對照二維圖表具有極大主觀性；兩位同學對同一顆石塊可能給出不同評級。
• 改善建議： 在對照標準參考石塊建立統一標準後，由同一位同學負責評定所有樣本，或者利用數碼照片分析軟件進行客觀分類。
4. 時間與天氣的局限性：
• 局限： 實地考察只記錄了某一天內「某個瞬間」的數據。如果前一天曾經下雨，可能導致當日流量驟升，無法反映正常的季節水文狀態。
• 改善建議： 在不同季節及天氣狀況下（例如夏季基流狀態與秋季暴雨後狀態）重複進行測量，或查閱英國環境署河道水位計的長期第二手數據。
重點提示：評估絕非一句簡單的「我們做得很好」。你必須找出具體的誤差來源，評估它們對結論有效性所帶來的影響，並提出切實可行的改善方案。
---考前快速溫習清單
應考前，請確保你能夠：
• 清晰闡述布拉德肖模型的各項趨勢（哪些特徵向下游遞增，哪些特徵遞減）。
• 指出主要的河流潛在危險及相應的安全預防措施。
• 熟練說明如何運用標準實地器材測量河寬、水深、流速及河床沉積物。
• 明確區分系統抽樣、隨機抽樣與分層抽樣的分別與優劣。
• 準確計算橫切面面積、流量（\(Q = A \times V\)）、平均數、中位數、全距及百分比變化。
• 合理解釋選用河道橫切面圖以及配有最佳擬合線的散佈圖之原因。
• 為異常數值提出合理的地理成因（例如人為構築物、支流匯入、地質變化）。
• 運用數據具體數值和百分比對比，撰寫一份論據充分的結論。
• 對浮標法或鮑爾斯量表等測量方法的準確度、可靠度及局限進行深入評估。