第三章 河川水文

課程內容

• 河川環境與水文學

• 降雨與逕流

• 水位與流量

• 水文常用公式、曲線及頻率分析概要

河川環境與水文學

• 水文學– 定義

• 1959年美國科學技術聯邦委員會:「水文學為研究地球上有關水之發生、循環、分布、物理化學特性、對環境之反應，包含其對生物反應之科學」。

– 大學必修水文學之科系• 水利工學系、水土保持系、環境工程系、土木工程系、生物系統工程系、海洋工程系、河海工程系等

– 高等考試必考科別• 水利工程科、水土保持科、環境工程科

– 衍伸學科(水利工程系及水土保持系加開之選修課程)

• 應用水文學、工程水文學、水文統計學、地質水文學、地下水文學

研究水文學目的

• 運用水文分析方法，有效正確推估某地區之水資源，以作為開發利用、水害消減等興利除弊之依據。

• 景觀系學生欲探討河川生態及景觀規劃，必須了解雨量、逕流、河川特性(包括水位及流量) 且必須看懂簡易之水文分析計算、水文歷線及水文統計等，俾便與水利工程師溝通時得無障礙，得以做充分之安全考量。

• 河川環境與水文學之關係• 河川環境必須探討者有水位、流速、流量、含砂量、水質、沖刷、河床質、河川地形、地下水、河川生態系統、生態基流量…等，與水文學有密不可分的關係。

• 水循環立體圖

– 颱風侵台路徑

降雨與逕流

• 降水與降雨• 降水(Precipitation)之項目除雨(Rain)外尚包括雪

(Snow) ,露(Dew),霜(Frost),雹(Hail),霰(Sleet)等。

• 台灣常以降雨(Rainfall)概稱

• 雨量觀測• 分為自記與非自記與雷達等，有關雨量之觀測方法及設站地點、雨量資料補遺及校正、平均雨量求法、及相關數理演算推估曲線製作等均由水文工程師負責，景觀設計師至少應有擷取既有資料並知曉含義之能力。

• 紀錄解讀• 見講義

• 雨量計

1) 量筒式

2) 傾斗式

3) 稱重式

4) 虹吸式

量筒式

傾斗式

稱重式

虹吸浮筒式

• 逕流(Runoff)

降雨－降雨損失（Water loss) ＝逕流

其中降雨損失包括水面蒸發、土壤蒸發、植物蒸散、入滲、截留及窪蓄等。可分為

地表逕流(Surface runoff)地表下逕流(Sub-surface runoff)地下水逕流(Groundwater runoff)

水位與流量

• 水位– 定義

• 由某一基準面至河川某定點水面間之高程稱為河川水位(Stage) ，基準面可採用平均海平面、河口最低水位或河床底面。

– 觀測• 浮筒水位計

• 超音波水位計

• 雷達水位計

– 記錄解讀• 見講義

北港溪南北通橋浮筒水位站

←浮筒式自記水位記

←橋墩式自記水位塔

南港溪觀音橋超音波水位站 超音波自記水位記

• 流速– 測定

• 以流速儀觀測之(最常用且最準確法)

– 計算

• 流量– 測定

– 計算

↓中斷面法 ↓平均斷面法

↓中斷面法 ↓平均斷面法

• 流量計算範例

單位:cms(即m3/sec)

水文常用公式、曲線、頻率分析

• 流域平均雨量求法– 算術平均法

• 將流域內各雨量站記錄累加再以站數除之，因未考慮水文站控制範圍及地形變化與海拔高，準確性差。

– 徐昇多邊形法(最常用)• 將n水文站連接構成多個三角形，再做三角形各邊之垂直平分線交於一點即外心，連接各外心成多邊形網，該多邊形面積即每水文站所控制範圍。以下公式計算之

– 高度平均多邊形法、等雨量線法(二法手續繁瑣,不常用)

∑

∑

−

== n

ii

n

iii

A

APP

1

1

徐昇法

∑

∑

−

== n

ii

n

iii

A

APP

1

1

• 雨量組體圖– 表示降雨量(mm/hr)對時間(小時)的變化之圖稱之

• 有效降雨組體圖• 將暴雨所造成的雨量減去初期降雨損失及入滲損失，所剩下的雨量稱為有效雨量(Effective rainfall)或超滲雨量(Excess rainfall) ，由超滲雨量所繪出的組體圖稱為有效雨量組體圖(Effective rainfall hyetograph)

• 降雨強度公式

• 入滲;滲漏;中間流;入滲率;入滲容量;總入滲量• 入滲(Infiltration) －地面水經土壤表面向下滲入地中的現象

• 滲漏(Percolation)－入滲後水在土中繼續向下運動的現象

• 中間流(Interflow)－入滲後水地表下比較淺的土層處作平行於地表面之水平流動。

• 入滲率(Infiltration rate)－單位時間之入滲量

• 入滲容量(Infiltration capacity)－土壤可能之最大入滲量,以f表之

• 總入滲量(Cumulative infiltration)－某一時間之總入滲量,以F表之

• Horton入滲曲線模式– Horton(1930)提出

• 範例

– 某集水區在降雨前之土壤水分條件，其入滲容量fp可表示為fp=0.4+4.1e-0.35t，其中fp之單位為in/hr，t之單位為hr:

1. 若集水區第一小時之降雨強度為5in/hr，試求第二小時開始之入滲容量。

2. 若集水區第一小時之降雨強度為2in/hr，試求第二小時開始之入滲容量。

• 率定曲線

– 定義

• 以水位為縱座標,流量為橫座槱所繪出之曲線

– 用途

• 測流量時既費時且不能測量其連續數據，又洪水來時更不易測得，若平時己繪有率定曲線，洪水過後可由曲線求得洪水流量。

– 如何使用

1) 普通小流量可由率定曲線直接查得

2) 洪水來時流量必須將率定曲線加以延伸才可查得水位

• 率定曲線之遲滯現象(Hysteresis)

• 歷線(Hydrograph) • 任何水文量與時間關係所繪成的曲線謂之

• 流量歷線(Discharge Hydrograph• 流量與時間關係所繪成的曲線謂之

• 一般研究多以河川流量為對象，故通常將量歷線簡稱為歷線

• 流量歷線分類

• 單位歷線– 定義

• 於某定延時(T小時)內均勻降落於一流域之單位有效降雨所形成之直接逕流歷線。

• 由數學觀點，單位歷線為有效雨量延時T與時間t之函數，可表示為U(T , t )

– 用途• 由某流域中以往的獨立超滲降雨與河川中的簡單流量歷線，預估未來洪水歷線

• 單位歷線之假設1. 有效降雨均勻分佈於某降雨延時內2. 有效降雨均勻分佈於整個集水區3. 代表該集水區之物理特性

• 單位歷線之限制1. 流域面積大於2000mile2或5000km2

2. 由地形引起之雨量變化不適用，因為此種雨型具有相當之流域特性，如西北雨。

• 流量延時曲線– 用途

• 表示河溪中之流量在某段時間內某種流量占全部時間之百分數

• 可用於推估生態基流量

– 繪製方法• 選取某站歷年來全部日流量資料，並按大小排序• M代表由大至小的排序，N代表總日數，因此大等於排序m之日流量Q的發生機率為P=(m/N) ×100%

• 流量座標採對數座標，發生機率(即時間百分比)為卡氏座標，將Q、P點繪於圖上。

• 最大日流量Qmax發生機率為1/N，最小日流量Qmin發生機率趨近100%，將圖上N個點連接繪製而成。

• 泥砂濃度對生態負面影響• 輸砂量及泥砂顆粒發生非自然之改變便會對生態產生負面影響。

• 小顆粒泥砂對水生族群影響– 阻塞並破壞魚類的鰓

– 破壞產卵場

– 使渠底之魚卵及昆蟲之幼蟲窒息

– 影響濁度使水質惡化

– 濃度高阻礙光線穿透，降低水體植物進行光合作用

• 合理化公式用於推估小集水區之洪峰流量

• Q=CIA

★

• 合理化公式中之降雨強度 I 之推估

tc為集流時間

tc為集流時間

• 集流時間• 水由集水區最遠處流至集水區出口處所需花費的時間

• Rziha公式

• 範例

故

• 三角型單位流量歷線• 假定單位時間暴雨所致流量過程線為三角形，基底長固定，尖峰流量隨降雨量之多寡而變，並依時間別暴雨量之多寡，可複合成一次暴雨之總洪水量歷線。

• 頻率分析– 重現期距

• 重現期距(Recurrence interval)為大於或等於某一水文事件x之平均時間間距，亦稱迴歸周期(Return period) 。

• 以T表示之，常以T年計• 等於或大於x之水文事件平均T年發生一次，其在一年內發生之機率為P=1/T 或T-1/P=1/(1-P)

– 甘保氏極端值第一類分佈法• 甘保氏認為極端值分佈適宜於洪水量分析，建議等於或超過任一值X發生之機率p可表示為

公式可整理為

σ⋅+= KXXK:頻率因子(Frequency factor)

• 都市化前後水文歷線之改變

• 集水區開發程度與洪水流量關係

• 討論• 學了以上之基本水文概念，你有無感覺對河川之規劃上較有信心?

• 在規劃一般野溪或小排水需要了解這些嗎?

簡報結束

• 水利工程師不太有機會去吸收景觀生態學之理論，更不用談有關河川廊道生態復育與棲地營造，目前各河川局有關河川環境造案件大都由具景觀專長之顧問公司承攬，形成不同領域間格格不入之現象，請問你認為景觀設計師在規劃河川時應如何掌握有關河川之重要原則？

腦力激盪