水文歷線，看一場雨後的河川變化

(本篇轉載自科技部高瞻自然科學教學資源平台)

楊舒涵 國立臺灣大學土木工程學系 碩士

　　一場大雨，對地表上的河川會帶來什麼影響？河川的水變多了，我們直覺地這麼想，但是否曾經想過，河川流量變化的「過程」長什麼樣子？也就是從平時的流量，隨著降雨漸漸高漲，到高峰後又回基流的歷程。首先，我們需要知道雨水從天上降到地表後，到底會流去什麼地方。
　　雨水降至地表後，扣除因蒸發或遇到窪地、湖泊等攔截的損失，一部分的水會滲入到地表下，進入更深層則成爲地下水，隨著坡度在地下流動，另一部分因土壤水分達飽和而未入滲的超滲降水，則在地表上流動，稱為「地表逕流」或「漫地流」(Surface Runoff)，我們眼見河川裡流動的河水就是地表逕流（圖一）。而各地水文測站測得每單位時間通過的河水體積，則為河川的「流量」(Flow Rate)。

圖一 逕流示意圖。（本文作者楊舒涵繪）

　　將地表逕流流量，隨著時間的變化，繪製成圖，就是水文學上著名的「水文歷線圖 (Hydrograph)」（圖二）。水文歷線所包含的資訊，不僅僅只是流量（通過河水體積/單位時間）與時間二軸，觀察水文歷線通常也不是為了得到精確數值，而是從曲線的形狀、在時間軸上的分佈位置，得知河川對一場降雨的「反應」，是快是慢，激烈或緩和，常被用來判斷河川所處的環境，瞭解當地的土地利用，是做決策時很重要的參考指標。

圖二 不同土地開發下的水文歷線圖。（本文作者楊舒涵繪）

　　那麼如何閱讀水文歷線圖？最重要的是曲線的「形狀」所傳遞的訊息，不一樣的高峰、寬度、面積，就決定不一樣的故事。位在有豐富土壤植栽地區的河川，與都市開發地區的河川，畫出來的形狀大不相同，圖二呈現一地區都市開發前後，河川對降雨反應的變化。a曲線為一般尚未被都市開發地區的河川，當大量雨水降落地表後，水土保持良好的土地有大量的可透水面積，能保住雨水滲入地底下，因此地表逕流流量增加的速度較慢，歷線的成長坡度平緩，慢慢爬升至高峰後，再慢慢下降，短時間內降下的大量雨水，被分散在一段較長時間慢慢宣洩，河川水量不會因為暴雨，而有激烈變化。
　　再觀察圖二的b曲線，曲線寬度縮小，流量尖峰高而陡，且峰值發生的時間前移，表示河川反應的歷時短促，河水漲退變化劇烈，這樣的情形通常發生在地表滲透性較差的地區，如被不透水的水泥路所覆蓋的都市。圖二兩種水文歷線透露一個現象，就是土壤與植栽能攔住雨水，成為地表逕流增加的緩衝，而都市開發帶來的效應，就是降下的雨水幾乎無法滲入地表，使得地表逕流體積劇增，河川暴漲與洪水的風險當然提高。
　　水文歷線圖時間軸所取的範圍，短可至反應一場雨的變化歷時，稱Storm Hydrograph，如本文所介紹，常用來分析一地區發生洪水的可能性；長可至一整年，稱作Annual Hydrograph，呈現河川某一點一整年的狀態，包括降水、蒸發與逕流之間的變化與平衡，如圖三。

圖三 美國米爾克里克河1981年的Annual Hydrograph。（出自Applied Hydrology, McGraw-Hill Book

​　　臺灣的河川通常在有橋樑的地方，都設有水文測站，隨時記錄著河川狀況，這些資料隨時間的變化可以繪製成各種「歷線圖」，目的是為了觀察某對象的「變化過程」，本文介紹之水文歷線圖，其實可更精確地說「流量歷線圖」，便是其中一種觀察流量變化過程的圖。
　　水利署地理資訊倉儲中心網站，提供了臺灣各個水文測站蒐集的豐富成果，包含水位、流量、含沙量和雨量等，想瞭解更多河川的資訊，可以善加利用。

參考文獻

1. Chow, V. T., Maidment, D. R., & Mays, L. W. (1988). Applied hydrology. Singapore. McGraw-Hill Book Co。
2. 國立中興大學土木系，陳榮松教授。水文學（逕流歷線）。http://web.nchu.edu.tw/pweb/users/rschen/lesson/3296.pdf