Discharge relationships within drainage basins

🌊 流域內的流量關係：學習筆記

各位地理學家好！歡迎來到自然地理學中最基本（也與洪水關係最密切！）的課題之一：流量關係 (Discharge Relationships)。

本章我們將探討水如何在流域內移動，以及最關鍵的問題：河流流量對降雨的反應速度。這門科學有助於我們理解洪水風險、管理水資源並預測環境災害。別擔心，即使起初覺得複雜，我們會將圖表和專業術語拆解開來，逐一擊破！

1. 理解流量與河流流量歷線

1.1 什麼是流量 (Discharge)？

流量 (Discharge, Q) 很簡單，就是單位時間內流經河流斷面的水體體積。
通常以每秒立方米 (m³/s) 為單位，亦稱為立方米每秒 (cumecs)。

我們使用以下基本公式來計算流量：
\( Q = A \times V \)
其中：

• \( Q \) = 流量 (m³/s)
• \( A \) = 河道橫截面積 (m²)
• \( V \) = 水流速度 (m/s)

1.2 什麼是河流流量歷線 (Hydrograph)？

河流流量歷線 (Hydrograph) 是一張顯示河流流量隨時間變化的圖表，通常用於反映降雨事件（暴雨流量歷線）或全年的流量變化（年度流量歷線）。

1.3 暴雨流量歷線 (Storm Hydrograph) 的組成部分

暴雨流量歷線對於理解短期的洪水行為至關重要。它在時間軸上繪製了降雨量 (Precipitation) 和河流流量 (River Discharge)。

各組成部分的逐步拆解：

1. 基流 (Baseflow)： 這是河流平時穩定的背景流量，由地下水（地下水流）補給。即使在近期沒有降雨的情況下，這也是維持河流持續流動的水量。
2. 上升線 (Rising Limb)： 圖表中流量增加的部分。這是由於地表徑流和快速的壤中流流入河道的輸入量增加所致。
3. 降雨高峰 (Peak Rainfall)： 暴雨事件中強度最高的時刻（通常顯示在主圖表上方的獨立柱狀圖或標記軸上）。
4. 流量高峰 (Peak Discharge)： 河流因暴雨而達到的最高流量水平。這是最大水量的時刻。
5. 滯後時間 (Lag Time)： 降雨高峰與流量高峰之間的時間差。
   • 關鍵點： 滯後時間越短，洪水風險形成得越快。短的滯後時間通常表示水透過地表徑流迅速到達河流。
6. 下降線 (Falling Limb / Recession Limb)： 當暴雨輸入的水量逐漸減少時，圖表中流量下降的部分。
7. 暴雨徑流 (Storm Flow)： 高於基流的流量部分。這是直接由暴雨事件產生的水（包括地表徑流、壤中流以及快速回流到河道的滲透水）。

1.4 年度流量歷線 (Annual Hydrographs)

如果說暴雨流量歷線展示的是數小時或數天，那麼年度流量歷線則展示了整整一年（例如 12 個月）的流量模式。

這類流量歷線有助於我們理解流量的季節性變化，通常能清晰顯示：

• 高流期（例如季候風季節或春季融雪期間）。
• 低流期（例如夏季乾旱或冬季結冰期間）。
• 年度氣溫週期（影響蒸散量）與河流流量之間的聯繫。

2. 影響流量歷線的因素：為什麼不同河流反應各異？

流量歷線的形狀和時間安排（特別是高峰高度和滯後時間長短）完全取決於兩大類因素：氣候和流域特徵。

2.1 氣候影響

氣候因素決定了進入系統的水量以及被立即流失的水量。

a) 降水類型與強度

• 類型： 雪和冰將水儲存起來。在融化事件發生前，流量保持較低；一旦融化，大量水體迅速釋放，導致流量高峰尖銳但延遲。雨水則會產生即時反應。
• 強度： 高強度（大雨）意味著水到達的速度超過了土壤的吸收能力（超過了入滲容量）。這導致地表徑流 (Overland flow) 增加，滯後時間縮短，且流量高峰變高。

b) 溫度、蒸發、蒸騰與蒸散量

• 高溫： 增加了蒸發 (Evaporation)（地面/水面水分轉為水氣）和蒸騰 (Transpiration)（植物釋放水分）的速率。
• 蒸散量 (Evapotranspiration, ET)： 由蒸發和蒸騰共同造成的水分流失。高蒸散量（常見於炎熱夏季）減少了可用於徑流的水量，導致基流和流量降低。
• 低溫： 若氣溫低於冰點，水分會以雪或冰的形式儲存，從而減少即時流量。

c) 先前濕度 (Antecedent Moisture)

指暴雨事件開始之前土壤和地面的濕潤程度。

• 高先前濕度（土壤飽和）： 如果土壤已經濕透（像吸飽水的海綿），其孔隙已滿。入滲率低，幾乎所有新的降雨會立即轉化為地表徑流。這導致滯後時間極短，且流量高峰極高。（洪水風險高！）
• 低先前濕度（土壤乾燥）： 如果土壤乾燥，初期能吸收大量水分。入滲率高，導致滯後時間較長，流量高峰較低且平緩。

重點總結（氣候）： 在已經飽和的地面上進行長時強降雨，是引發突發性洪水和尖銳流量歷線的完美配方。

2.2 流域特徵（物理與人為因素）

這些因素描述了河流集水區的物理景觀。

a) 大小與形狀

• 大小： 較大的流域收集的水量更多，導致總流量更大。然而，它們通常具有較長的滯後時間，因為水從邊緣流向中央測量點需要更長時間。
• 形狀：
  • 圓形流域： 流域各處的水幾乎同時到達測量點，導致滯後時間短，流量高峰高且猛烈。
  • 長條形流域： 水流分散，行程時間不同，導致滯後時間長，流量高峰較低且溫和。

b) 水系密度 (Drainage Density)

水系密度是所有河道（溪流和支流）的總長度除以流域總面積。簡單來說，它衡量的是流域的「管道系統」有多發達。

• 高密度： 地區內溪流河流眾多。水進入河道前在地表流動的距離較短。這意味著傳輸速度更快，滯後時間更短，流量歷線更猛烈。
• 低密度： 河道較少。水必須在地表流動更長距離，增加了阻力，導致滯後時間變長。

c) 土壤與岩石的孔隙度與滲透性

這些因素控制了水分的入滲量及其在地下的運動速度。

• 孔隙度 (Porosity)： 岩石/土壤中能夠容納水分的空隙 (pores) 百分比。（就像海綿）。
• 滲透性 (Permeability)： 岩石/土壤讓水分通過的能力。（就像過濾器）。

• 不透水岩石/土壤（如黏土、花崗岩）： 入滲率低，地表徑流高。結果：猛烈的流量歷線（滯後時間短，高峰高）。
• 高滲透性岩石/土壤（如白堊、砂岩）： 入滲率高，儲水能力強。水分進入地下水儲存庫，導致平緩的流量歷線（滯後時間長，高峰低）。

d) 坡度 (Gradient)

• 陡坡： 水在重力作用下迅速向下流動，導致快速的地表徑流和壤中流。結果：滯後時間短，高峰高。（想像水在陡峭的屋頂上飛奔）。
• 緩坡/平原： 水流緩慢，給予更多時間進行入滲和儲存。結果：滯後時間較長，高峰較低且平緩。

e) 植被類型（土地覆蓋）

植被在減緩水流和增加入滲方面起著巨大作用。

• 森林/茂密植被（如造林）：
  • 它們截留 (intercept) 降雨（水分儲存在葉片上）。
  • 根系增加了土壤的孔隙度，促進了入滲和壤中流。
  • 高蒸騰速率降低了流域整體的含水量。
  • 結果：高峰低，滯後時間長。（流量歷線變得「緩和」或扁平）。
• 裸露土壤或草地： 截留和入滲能力低。結果：徑流速度快，滯後時間短。

f) 土地利用（人類影響）

人類活動通常透過減少入滲和加快水流速度，使流量歷線變得「更加猛烈」（這直接連結到教學大綱 1.4：人類影響）。

• 城市化： 用不透水表面（混凝土、道路、屋頂）取代自然土壤。這會急劇減少入滲，增加地表徑流，並利用人工排水系統（溝渠/下水道）將水迅速輸送到河流。
  • 結果： 最極端、猛烈的流量歷線——滯後時間極短，高峰巨大。
• 毀林： 去除了保護性植被覆蓋，減少了截留，並增加了土壤侵蝕和地表徑流。