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水文歷線,看一場雨後的河川變化

11/30/2015

 
(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)。
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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。
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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。
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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

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