河盆系統 (Drainage Basin System)

A 簡介

1. 河盆的概念

由分水線所包圍的河流集水區域，稱為河盆，又稱流域或

集水區(catchment area)。

每條河流都有自己的河盆，一個大河盆可以按照水系等級分為數個小河

盆。

2. 河盆的特徵

a) 河盆面積 (Basin area)

分水線所包圍的面積。

河盆面積影響﹕→ 河流的流水量 (面積越大，流量越高。)

→徑流形成過程 (河盆面積大，河流氾濫機會較低，河流枯歇機會較低、河流流量穩定。河盆面積細

小，河流流量變化大。)

b) 河盆形狀 (Basin shape)

長條形的河盆，水文曲線時滯較長，洪峰流量較少。

圓形河盆，水文曲線時滯較短，洪峰流量較高。

c) 河盆長度 (Basin length)

河盆長度是指河盆的軸長，即河源到河口的直線或幹流長度。

如果兩個河盆面積相等，河盆長度越長，水的流程越長，洪峰流

量較少，洪水威脅較小。

d) 河盆高度 (Basin height)

由河源至河口的高度。

影響降水中雨和雪的分佈量、徑流流速、地表溫度和蒸發率。

e) 河盆坡度 (Basin gradient)

影響地表徑流、下滲、土壤水、地下水的分佈、土壤流失和河流

含沙量。

3. 水系形態 (Drainage Pattern)

在一個集水區內，大小河流構成胍絡相通的系統，稱為水系。

a) 水系特徵 (Drainage characteristics)

i) 河流長度(Stream length)→河源到河口的長度。

ii) 河網密度(Drainage density)→河流的總長度(幹流和支流)與該河盆的總面積之比。

河流的總長度(幹流和支流)

DD ＝ ------------------------------------------------

河盆的總面積

河網密度反影河網的疏密程度。受氣侯(降水、蒸發)、地質、地貌、土壤和植被影響。

河網密度大反映降水量高、坡度大或土壤透水性低。

iii) 河網頻率(Stream frequency)→河段總數與河盆總面積的比較。

河段總數

SF ＝ -----------------------------------

河盆總面積

b) 水系型式(Drainage Pattern)

河流幹流與支流的平面排列形式。

反映河盆內的岩石特性，地質構造和植被特性。

常見水系型式﹕

i) 樹枝狀水系→幹流支流成銳角相交(

ii) 直角狀水系→幹流支流均以直角交匯或轉折。常見於有互相垂直交叉的斷裂 、節理區域。

iii) 方格狀水系→支流互相平行，且和幹流垂直的水系。多發育於軟硬相間的岩石地區，支流發育於弱層岩石之上。

iv) 放射性水系→河流從一中央高地向四週流下的類型。常見於火山錐、圓形山丘中。

v) 向心狀／輻合狀水系→在盆地地區，河流由四周山嶺流向盆地

中心。

c) 水系規律

i) 河流等級(Stream Ordering)

根據美國地理學家斯特拉勒(A.N. Strahler)的方法，將河流支流按以下原則分類﹕

→所有由分水嶺發源而無支流的小河道為第一級河段(1st order stream)。

→凡兩道第一級河段相遇、匯合而成之河道稱為第二級河段(2nd order stream)。以此方法，餘此類推。

→較低級河段遇到較高級河段時，並不對匯合之河段等級產生任何影

響。

整個水系的等級，以其最高級的河道來命名。如在一個水系中，最高

等級為四級河道，則這水系被稱為四級水系。河流等級亦帶出河盆等

級的命名，上述河道出現的河盆被稱為四級河盆。

ii) 水系的分叉比(分叉率)﹕Bifurcation Ratio

某一級河道的數目

分叉比(RB) ＝ -------------------------------------

較高一級河道的數目

在任何一個河盆內，水系的平均分叉比，接近一個常數，一般為

３ 握孜﹛C

(iii) 霍頓四大定律 (Horton's Laws of Stream Characteristics)

美國水文學家霍頓(Horton)根據河道各種特性，制定了一系列的定律。他是第一個人用數量統計分析方法去分析地貌形態。

他研究了美國數十個河盆，發現了在任何一個河盆內，各級河段的數

量、河段的平均長度、河盆的面積、河段的坡度與河段的等級之間，

存在著幾何級數的關係。後來人們把他上述的發現，稱為霍頓四大定

律。

1. 河段數目定律 (The Law of Stream Number)

在任何一個河盆內，不同等級的河段數目與等級名次成一反比的

關係。河道等級與河段數目的比例，接近一個常數(隨分叉比常數倍遞增)。

在不同的河盆，這個常數比例會有差異，受氣候、地質、植被等

因數影響。

例子 p分叉比率為３，主幹河段為第６級，各級河段的數目應

為﹕ 六級 1, 五級 3, 四級 9,

三級 27, 二級 81, 一級 243

2. 河段長度定律 (The Law of Stream Length)

在任何一個河盆內，河段累積平均長度隨等級成一列幾何級數。

第一級河段與第二級河段的平均長度成常數倍遞增。

ｎ級河段的平均長度

河段長度比例 (RL) ＝ ---------------------------------------------

ｎ 高e段的平均長度

例子 眾]RL＝2.6，一級河段的平均長度為1.3千米，計算二至五級河段的平均長度。

3. 河盆面積定律 (The Law of Basin Areas)

河盆平均面積隨等級成一列幾何級數。

第一級的河盆面積按面積比例(Ra)成常數遞增。

ｎ級河段平均河盆面積

河盆面積比例 ＝ -------------------------------------------------

ｎ 偺讀e段平均河盆面積

例子 假設Ra ＝３，１級河段平均河盆面積＝1.3Ｋｍ２，

計算２至５級河段的平均河盆面積。

4. 河段比降定律 (The Law of Stream Gradients)

各級河段比降，從上游到下游逐漸變緩。

在一定的河盆範圍內，河段平均比降成一系列遞減的幾何級數。

ｎ級河段的平均比降

河段比降 (Rs) ＝ ------------------------------------------------

ｎ＋１級河段的平均比降

例子 假設Rs＝1.8，第一級河段的平均比降＝1.2，

計算２至５級河段的平均比降。

Ｂ 河盆系統

河盆是大氣通過水文過程對地表作用的結果。由降水而引致徑流的產生，令地

表水不斷地在河道中流動，在流動的過程中改變了地表形貌，而塑造成各種各

樣的地貌。

1. 河盆系統的輸入

a) 物質輸入

降水、空氣中的氧氣、二氧化碳等。風化作用產生的物質。

影響河流的流量和運動力量(流速)。

b) 能量輸入

太陽輻射，能令河盆中水的形態產生變化，也能令河盆中的能量和水量產

生空間分佈差異，影響河盆中的各種作用。

長度

河段比降 ＝ ----------------------

高度

Ａ﹕河段起點

Ｂ﹕河段終點

Ａ

長度

高度

０ Ｂ

重力作用或地心吸力，令水由高處向下流動，影響河盆中的作用。

2. 河盆系統的過程

當降水進入河盆後，一部份水滲入成為地下水，另一部份被蒸發或蒸騰回

空中，其餘水體在重力作用下順著坡面流動，形成地面徑流。

地面徑流在流動的過程中，不斷侵蝕地表，並帶走風化物，使地表形態發

生變化。

地面徑流最後匯集到河中，河流亦同時收集從土壤及岩石中來的表層流和

地下水流，令水量增加。

河流內的流水量產生侵蝕、搬運和沉積等作用，一方面消耗了本身能量，

另一方面又改造了河道及河盆內各種地形。

最後，大部份的水體及其搬運物質都隨河流注入海中，只有少數河流流入

內陸湖泊或消失於荒漠中。

3. 河盆系統的輸出

河盆系統的輸出主要有三類﹕熱能、沉積物和水分。

熱能﹕長波輻射、潛熱(蒸發和蒸騰)。

水分﹕

徑流→所有離開河盆的流水，包括地面徑流、表層流、河流和地下水流。

蒸發和蒸騰。

沉積物﹕河道中帶走的河盆一切物質，包括泥沙、礫石、以及細小的懸浮

物質，亦包括水分中的溶解物質。這些物質隨著河水離開河盆進入海洋及

湖泊。

Ｃ 河盆的水分循環

1. 降水(Precipitation)

河盆水分的主要投入。降水總量、強度及其空間分佈對河道徑流的形成和

變化都有直接影響。

降水量影響徑流量的大小。降雨強度對洪水和搬運物(泥沙)的數量有很大影響。降雨的籠罩面積和暴雨中心的移動方向對洪水的形成影響很大，籠

罩面積大和暴雨中心由上游移向下游容易形成洪水。

2. 截留(Interception)

植物枝葉攔截降水的現象。

部份雨水穿過枝葉隙落入地面，稱為貫穿降水(林內雨)。另一部份沿枝幹流入地表，稱為幹流或莖流。

截留的作用﹕ →增加蒸發、減少到達地表的降水，減少地表徑流的作用。

→延遲降水到達地面的時間，令下滲增加，減少表面徑流。

截留影響年徑流量，茂密的植被一年中截留的水量可達年降水量的25-30%。

截留受下列因素影響﹕

→植物的疏密程度。植物生長茂密，植被面積大，截留總量大。

→植物的類別。闊葉林＞灌木層＞針葉林。

→降雨量越大，截留量越大。

→當降雨量相同時，降雨時間越長，截留量越大。

3. 下滲／滲潤 (Infiltration)

水從土壤表面進入土壤內的運動過程。

下滲決定地表徑流的多少，也影響土壤水和地下水的增長，從而影響表層

流和地下水流

下滲率／下滲強度

在一固定的單位面積，單位時間內滲入土壤的水量。以毫米／分鐘為單

位。

下滲能力

在固定土壤條件下，最大的下滲率。下滲能力隨時間而遞減。

影響下滲的因素：

土壤特性、顆粒大小、含水量、岩石節理、裂隙......等。

降雨特性：強度大、雨量多，下滲上升。降雨時間長，下滲總量增加。

地貌﹕坡度大，下滲量少。

植被：阻滯地表徑流及降落的雨水，增加下滲時間，下滲量上升。

人類活動：加速下滲作用，如翻土、植林等。亦可以減少下滲作用，如用

三合土覆蓋地面，飼養動物踐踏土壤等。

4. 徑流

雨水降到地面，沿地表或地下從高處向低處流動的水流，稱為徑流。

按徑流的形成和流經路線，徑流可分為三類：地表徑流、表層流和地下水

流。

a) 地表徑流→降落於地表的雨水，經各種損失後，在坡面上和河槽上流動的

水流。地表徑流可以分為兩類：表面徑流和河道徑流。

表面徑流→雨水降落太快，以致水不能向下滲入土壤孔隙，過剩的水量就

作為地表水層順著斜坡向下流動，稱為表面徑流。

河道徑流→表面徑流最終流入河道，沿著槽狀的窪地，在重力作用向較低

處移動。河道徑流的來源有四：直接降落河道的雨雪、河道兩側的表面徑

流、土壤上層的表層流和地下水流。

b) 表層流→土壤上層形成的水流。流速較地下徑流快，但較表面徑流慢。

表層流在飽和土層中形成，當下滲水流受阻積蓄，形成臨時飽和帶，從而

產生表層流。

c) 地下徑流

下滲水最後聚集於不透水岩層之上，或把透水岩層中的孔隙充滿，造成水

飽和帶，該水飽和帶的表面稱為潛水面。

在飽和帶中，水體緩慢橫向移動，形成地下徑流或基本徑流。

由於地下水的流動緩慢，對降雨作出的反應遲緩。地下水需要相當長的時

間才流至河槽裏，所以地下徑流對河流流量起了調節作用。

5. 蒸發和蒸騰

河盆系統的水分產出，影響河盆中的水分流量。受氣候、植被等因素影

響。

C 水文曲線圖

水文曲線圖的形成過程

降雨後，河流流量產生變化，其變化大約可分為下列數個階段：

剛降雨時，河流流量並不明顯變化，因為大多數雨水落在河盆其他地方，

需要一段時間才能到達河道。

當地表徑流和表層流開始進入河道時，流量開始增加，形成漲水翼。

降雨停止後，河流流量繼續上升，直至最高峰。這時的流量，稱為洪峰流

量。最大降水量與洪峰流量的時間差異，稱為時滯或滯後時間。

洪峰流量過後，河流流量減少，水位下降，形成退水翼。

由於表層流和基本徑流不停補給河流，造成河水流量減慢過程較慢，令退

水翼的坡度比漲水翼緩慢。

流量(米3／秒)

洪峰流量

(滯後時間)

Ａ Ｂ Ａ：漲水翼

Ｂ：退水翼

(風暴徑流)

(暴雨) (基本徑流)

時間(小時)

當洪水全部通過後，河流流量回復至基本徑流水位。

在水文曲線圖中，洪峰流量和滯後時間對河流和鄰近地區人類活動有很大

的影響。

影響水文曲線洪峰流量和滯後時間的因素：

1. 河盆面積、形狀、地形。

2. 降水類型和特性，如時間性、強度、數量等。

3. 溫度，夏季和冬季差異。

4. 植被的類量、種類、分佈。

5. 岩石特性，如結構、透水性、節理、礦物顆粒等。

6. 土壤特性、質地、結構、類型。

7. 河流特性，如河網密度、河道頻率、支流數目等。

河道子系統(Channel Sub-system)

河盆的降雨，減去了土壤吸收和蒸散外，最後以不同的途徑匯集到長條狀

的溝槽中，最後朿縛在這溝槽中流動，稱為河道徑流。河盆作為一個系

統，河道便是其中一個子系統。

Ａ 河道系統：投入、過程、產出

1. 投入／輸入

能量投入：太陽能、重力能

物質投入： 水 →直接降雨、表面徑流

→表層流(土壤水)

→地下水流(地下水)

→冰雪融化的補給

固體物質→泥沙、礫石、亦包括溶解的礦物。

→來源有三：i) 坡面水流沖刷(河盆侵蝕)，受坡面性質影響。

ii) 流水侵蝕河岸及河床，帶起礫石物質。受滲水性質影響。

iii) 河岸以上地區的塊體移動，在短時間內帶進大量的固體物質。

2. 過程

河流的不同作用：侵蝕、搬運、沉積作用。

3. 輸出／產出

水以三種方式離開河道：蒸發蒸騰、流進海洋、滲入河床。(氾濫？)

固體物質：隨水帶進海洋及湖泊的泥沙，沉積作用造成的沉積物。

Ｂ 河道的水流

1. 層流(Laminar Flow)(片流、面流)

水體在流動過程中保持相對位置不變的一種水流。

流速低，動能少，極少在自然環境中出現。

在十分平滑的河床和水中不帶有任何固體狀的物體時才出現。

2. 湍流(Turbulent Flow)(紊流)

水體作不規則的運動，不斷改變運動的速率和方向。

流速較快，產生於河床較粗糙的河道。主要由於摩擦力而引起。

C. 河道水流的流速

水流的流速反映了河道能力的強弱。

流速越高，能量越大，河流所起的作用也越強。

影響流速的因素：

i) 河道的剖面形狀

河道橫剖面的不同位置，流速有明顯的不同。

河盆橫剖面的形狀可以用水力半徑(Hydraulic Radius)來表示。

河道橫剖面面積 (A)

水力半徑(ＨＲ)＝----------------------------------------------------

濕周界(WP)

濕周界﹕水流與河道橫剖面接觸的界面

水力半徑越大，流速越快。河道剖面面積顯示河流的流量，水流與河道橫

剖面接觸的界面反映河流的摩擦力。河流流量越大，河流流速越快。水流

與河道橫剖面接觸的界面越小，摩擦力越小，流速越快。

快

慢 最快 慢

最慢

例子﹕

河道Ｘ ６０米２

ＨＲ＝---------------

河流 ２２米

＝ ２‧７３米

６米 ６米

１０米

ii) 河道的粗糙度

河道的流速受摩擦力影響，摩擦力越大，流速越慢。

河道的粗糙度影響摩擦力。粗糙度越大，摩擦力越大，流速越慢。

曼寧公式(Manning's Formula)可用作計算粗糙度系數：

Ｒ０‧６７ Ｓ０‧５

Ｖ＝-----------------------------------

ｎ

Ｖ＝平均流速 Ｒ＝水力半徑

河道Ｙ ６０米２

ＨＲ＝-------------------

３４米

＝１‧７６米

河流

２米 ２米

３０米

Ｓ＝河道坡度 ｎ＝粗糙度系數

例子： Ｖ＝２０米 Ｒ＝２米 Ｓ＝２‧８

ｎ(粗糙度系數) ＝ ？

(從上列方程式可見水力半徑、河道坡度和粗糙度系數對流速的影響。)

人們可根據下列資料估計粗糙度系數：

河床物質

河床形狀 植被狀況 砂粒和砂礫 粗砂礫 礫石

整齊 沒有 0.020 0.030 0.050

起伏不定 沒有 0.030 0.040 0.055

整齊 少量 0.040 0.050 0.060

起伏不定 少量 0.050 0.060 0.070

高度不規則 沒有 0.055 0.070 0.080

高度不規則 廣泛 0.080 0.090 0.100

iii) 河道的坡度

坡度越大，流速越快，主要是因為重力作用影響。

問題：試描述和解釋下圖中河流流速的變化。

Ｄ 河流作用

河流作用包

括侵蝕作

用、搬運作

用和沉積作

用。

這三個作用

是不能分開

的，侵蝕作

用後，跟著

便會發生搬運作用，被搬運的顆粒最後會停頓下來。所以三個作用只是時

間上和位置上的差異。

i) 侵蝕作用：河流水流破壞地表並掀起地表物質的作用。

不同方向的侵蝕作用：向源侵蝕、下蝕作用和側蝕作用。

方式：水力作用(hydraulic action)、磨蝕作用(corrasion)、磨耗作用(attrition)和溶蝕作用(solution)。

a) 水力作用(hydraulic action)

水流的流動壓力，對河床起了直接沖刷侵蝕的作用。

侵蝕固結能力較差的沖積物，如礫砂、粉砂和黏土等。

令河岸岩石裂隙擴大、崩解。

b) 磨蝕作用(corrasion)

坡度 流速

河源(上游)

河口(下游)

河流中被挾帶的岩石顆粒撞擊河床，使其受侵蝕的過程。

侵蝕岩基的重要作用。

河流磨蝕的力量受流速、所挾帶物質的性質和數量、被磨蝕岩石的性質和

構造影響。

c) 磨耗作用(attrition)

河流挾帶的岩石顆粒互相碰撞摩擦，使體積變小和變圓的侵蝕作用。

d) 溶蝕作用(solution)

河水中的酸性物質對河床可溶性岩石的溶解，導致這些可溶性岩石，以溶

液形式被帶走的過程。

ii) 搬運作用：搬運和侵蝕兩者互相連接，不能明顯分開。

侵蝕是搬運的準備，把待運的岩石弄鬆，準備搬運。

搬運是侵蝕的繼續，不進行搬運，侵蝕就無法繼續進行。

搬運可以分為機械搬運和化學搬運兩大類。機械搬運是指對各種粒徑的礫

石、砂粒和黏土的搬運。化學搬運是指對河流中溶解物的運送。

化學搬運受河水流量、河水性質和岩石礦物組成所影響。機械搬運受河流

流量、流速、搬運物的體積、河盆的地質條件影響。

搬運作用的類別：

a) 溶運作用(solution)：礦物溶解於水中，隨河水流動而移動。佔搬運總量的極少部份。

b) 推移作用(traction)：移動較大顆粒的搬運方式。粗大顆粒沿河床向前滾動或滑動的過程，影響河床侵蝕。

c) 躍移過程(saltation)：河床沙石呈跳躍式向前搬運的過程。河床撞擊河床中的泥沙顆粒，令顆粒離開河床躍起，隨水流向前移動。但因重量較大，不

能長時間懸浮，所以會沉降在河床。如此反覆進行，泥沙呈跳躍式前進。

躍移作用令砂石沖擊河床底部，引起侵蝕作用。

d) 懸浮作用(suspension)：水流挾帶細小的泥沙以懸浮狀態進行搬運。顆粒越細小，越容易受懸浮作用影響。顆粒一旦開始懸浮，就可以漂移很長距

離。懸浮作用受河流流量、流速和顆粒大小影響，佔河流綬負載量的大部

份。

iii) 沉積作用：河流的流量流速減少，令河流的搬運力降低，或入河碎屑物大增，令河中碎屑物超出河流所能搬運的限度，導致沉積作用發生。

分選作用：搬運物按顆粒大小或比重，依次從大到小，從重到輕先後沉

積。

沉積作用發生的原因：

a) 河流流入海洋、湖泊或水庫。河流進入靜水區，使河流流速減慢，形成搬運作用。

b) 坡度改變：河流由山區進入平原地帶，流速減慢，搬運力降低，沉積作用發生。

c) 河流流量減少，令河流負載能力減弱，導致沉積作用發生。河流流量減少的原因包括：旱季、河道分流、河流流過透水區、興建水庫等。

d) 沉積物數量大增，超過河流所能承載的能力。例如黃河中游地區，河流流經黃土高原，岩石鬆散，導致河流中的沉積物數量大增。

Ｅ 侵蝕速度和沉降速度

a) 侵蝕速度

河流流速達到某一速度時，使顆粒開始移動，這個速度稱為侵蝕速度。

顆粒粒徑越大，侵蝕速度越高。

但細小的黏粒，起動速度也十分高。因為黏粒的凝聚力十分大，顆粒緊密

的聚在一起，令侵蝕的阻力增大。

黏粒平滑，令河水與顆粒間的磨擦力減少，也使起動速度增加。

在侵蝕速度以上的區域被稱為侵蝕帶，它代表在特定的速度時，某一粒徑

的顆粒便會在河床上受到侵蝕。

b) 搬運帶

當顆粒被抬昇後，開始在水中懸浮或滾動時，它們就會在低於起動速度要

求的流速中繼續運動。

c) 沉降速度

當河流速度下降至某一下限時，顆粒開始沉積。

流速

(厘米/秒) 黏粒 粉砂 砂粒 礫石 中礫 巨礫

2048

1024

512

256

128

顆粒越小，沉降速度越慢。

流速與顆粒大小的關係

比較熱帶兩林、熱帶荒漠和苔原地帶的河道特徵和河流作用。

河道特徵 熱帶兩林 熱帶荒漠 苔原地帶

形狀 Ｖ形、河道闊而深，因為流量大。

闊Ｖ形，因為暴雨後，

河流侵蝕力強。 窄Ｖ形，流量

少，侵蝕力弱。

流量 大、穩定，因為全年多雨。

不穩定，暴雨後，流量

大。但暴雨過後，流量

迅速下降，形成間歇

河。。

流量少，但在夏

季融雪時，流量

增加。

流速 快，因為流量大。 暴雨後，流速快。但暴雨過後，流量下降，流

速減慢。

流速慢。

河網密度 高，因為支流多。 低。 低。

河道頻率 高。 暴雨後，高。

乾旱時，低。

低。

河盆面積 大。 大，個不明顯。 小。

河流長度 長。 短。 短。

河流作用 侵蝕力強，因為河流流量大，加上含沙量

少。

搬運和沉積作用慢。

侵蝕和搬運作用強，因

為暴雨後流量大，加上

砂粒鬆散。

沉積作用在暴雨過後亦

十分強烈。

以沉積作用為

主，因為河流流

量少，加上礫石

較多。侵蝕和搬

運能力弱。