例談徑流相對於降水的滯後性

最新 08-30

例談徑流相對於降水的滯後性

728地理工作室耿立平馮勝輝

一、一道正答率很低的試題

例1.（2016年江蘇卷第27題）閱讀材料，回答下列問題。

材料一湄公河發源於中國青海省，注入南海，在中國境內稱瀾滄江，出境後稱湄公河。瀾滄江─湄公河流域資源豐富，人口眾多，但經濟社會發展水平並不高。

材料二略。

材料三左圖為瀾滄江─湄公河示意圖，右圖為流域內三城市的氣候資料圖。

（1）略。

（2）湄公河的補給水源主要依賴，其徑流變化的最顯著特徵是，其中下游的最低水位通常出現在月份。

（3）略。

（4）略。

答案：（2）降水(雨水) 水位季節變化大 4(或3、4)

本題作為典型試題入選我校今年高二文科班世界地理教學模塊學案習題。該題第（2）題第3空，某文科班作業共上交58份，只有3位同學答對，調查後發現，這3位同學又全部都是「蒙對」的。學生普遍錯誤的認為湄公河下游的最低水位通常出現在12、1或2月份，很顯然，學生是通過右圖和兩地的氣候資料圖判讀其為熱帶季風氣候，和表示景洪、萬象、巴色和金邊四個城市中的任意兩個城市的氣候特徵，而且和兩地降水量低值都出現在12月到翌年2月，這本身沒有錯誤，但是以此得出湄公河下游的最低水位通常出現在12、1或2月份卻與參考答案不相符，很多同學對此百思不得其解。

這是因為，流域降水與徑流的產生在時間上並不同步，確切的來說，相對於降水，徑流的產生時間要相對滯後。對於這一現象，在2016年之前的高考題中其實早有體現，只是不少地理教師和學生並沒有意識到。

二、試題縱向分析，融會貫通

例2.（2011年江蘇卷第21題，雙選）下圖為同一降水過程形成的自然狀態的洪水過程線、自然狀態的地下徑流過程線、城市化後的洪水過程線和修建水庫後的洪水過程線示意圖。讀圖回答問題。

人類活動影響下形成的洪水過程線是（）

A． B. C． D.

答案：AC

本題主要考查水循環過程、水文（徑流）變化特徵及影響因素。流量最小且變化幅度最小，為自然狀態的地下徑流過程線，因為自然狀態的地下徑流受外界的影響較小，相對比較穩定；相比較而言，的流量峰值最大，為城市化後的洪水過程線，因為城市化後植被覆蓋度下降，蓄水能力降低；的流量峰值最小，為修建水庫後的洪水過程線，因為水庫有較強的調蓄功能；為自然狀態的洪水過程線。故正確答案為AC。

以上是大部分地理教師對本題的解析，只是不少人忽視了對試題背景及圖中橫坐標的解讀。圖中橫坐標表示的是時間（單位未知），從左往右時間由早到晚，試題背景是某流域內的河流在經歷一段相同的強降水後，在不同的下墊面因素組合中產生的不同表現形式的徑流（洪水）過程：

：發生強降水事件後，城市化後的下墊面蓄水能力較低，降水在短時間內形成地表徑流（洪水），流量迅速增大，降水結束後，因為下墊面蓄水較少，所以徑流量迅速降低─來的快，去的也快。

：發生強降水事件後，自然狀態的下墊面蓄水能力較強，降水在較短時間內形成地表徑流（洪水），流量增大，降水結束後一段時間後，因為下墊面蓄水較多，所以徑流量開始降低。

：發生強降水事件後，修建水庫後的下墊面蓄水能力很強，降水在較長時間後形成地表徑流（洪水），流量緩慢增大，降水結束較長一段時間後，因為下墊面蓄水很多，所以徑流量緩慢降低─來的慢，去的也慢。

上述三種徑流（洪水）過程相比較而言，的洪峰流量最大，的洪峰流量居中，的洪峰流量最小，而且最大流量出現的時間先後順序不同。但是三者共同之處在於，最大流量都是出現在強降雨之後（時間單位未知）。

綜上所述，該題經過深入解讀後，我們可以得出結論：相對於降水來說，徑流的變化要相對滯後。

但是，相對於降水來說，徑流相對滯後多長時間呢？我們來看例3：

例3.（2011年安徽卷第26題）下圖為某河流局部水系及甲地平均徑流量曲線和降水量柱狀圖。

甲地徑流峰值顯著滯後於降水峰值的主要原因是（）

A.蒸發旺盛 B.河道彎曲

C.地勢起伏 D.濕地調儲

答案：D

本題設問明確指出「甲地徑流峰值顯著滯後於降水峰值」。據圖來看，降水的峰（谷）值出現在每年的12（7）月，而徑流的峰（谷）值出現在翌年4（當年12）月，徑流峰值比降水峰值滯後了約4個月，而徑流谷值比降水谷值滯後了約5個月。那麼，其他河流是否也如同該河流一般，徑流變化相對於降水要滯後數月之久呢？我們來看例4：

例4.（2012年上海卷第11題）下圖表示某河流水文測站春夏秋冬四季氣溫、降水量和徑流分配狀況。

該地河流的徑流量最低的月份出現在（）

A. 1月 B. 2月 C. 11月 D. 12月

答案：A

圖中上部柱狀表示河流的徑流分配，下部柱狀表示流域的降水量。讀圖可知徑流量最低（高）為1（7）月，降水最低（高）為12（6）月，故該河流徑流峰（谷）值比降水峰（谷）值滯後了約1個月。

顯然，例3與例4兩個河流都體現出徑流變化相對於降水的滯後性，但是滯後的時間並不一致。

為此，筆者通過中國知網粗略查詢關於徑流相對於降水的滯後性論文，其中文獻[1]以廣東梅江為例，利用該流域1960-2013年的氣候和水文數據分析，結果發現梅江流域徑流對降水具有滯後效應，多年平均滯後時間為21天；文獻[2]以山東黃河三角洲徒駭河為例，利用該流域1971-2008年的氣候和水文數據分析，結果發現徒駭河流域徑流對降水具有滯後效應，多年平均滯後時間約為11天。其他論文分析結果不再闡述。

綜上所述，我們了解到一個基本事實：相對於降水來說，徑流的變化要相對滯後，但是滯後時間並不一致，因河而異。那麼，湄公河下游徑流比降水滯後多長時間呢？

三、例1答案的查證

文獻[3]選取下湄公河（緬甸以下的湄公河河段）7個測站（圖1）1960-2004年的水文數據，各個測站多年月平均徑流的分析結果如圖2所示。可以明顯看出，各個水文測站的多年月平均徑流量均在9月至翌年4月呈下降趨勢，3、4月份達到最低，之後呈上升趨勢。而河流水位的變化，從本質上來說是由於流量的變化所致，一般來說，流量變大，水位也隨之升高，反之亦然。所以，據文獻[3]我們可以得出以下結論：下湄公河幹流河段的最低水位出現在3、4月份。

但是，例1設問為湄公河下遊河段，而湄公河幹流上、中、下游的劃分並沒有公認的標準。我們完全可以用文獻[1]所研究的下湄公河來替代湄公河下游，換言之，我們說湄公河下游的最低水位出現在3、4月份也並無不妥。

需要指出的是，例3、例4提供了流域的月均降水和流量變化對比圖，徑流相對於降水的滯後時間一目了然，然而例1中卻沒有這些信息，單憑例1中提供的文字材料和圖，我們根本不足以判斷出湄公河下游徑流相對於降水滯後的大致時間，所以例1第（2）題第3空的設問顯得過於粗糙，也是絕大多數學生出錯的重要原因。

四、知識橫向類比，觸類旁通

如果教師能夠引導學生主動有效的提取、概況、歸納同類知識之間的共同要素和共同特徵，掌握同類知識的基本原理、基本規律，使同類知識條理化、系統化和體系化，實現知識類化，觸類旁通，最終達成知識類比遷移，幫助學生建立完整、系統的地理知識體系，將會有效的促進新知識學習。

徑流相對於降水的滯後性可以類比太陽輻射和氣溫之間的關係。我們知道，一般來說，若無明顯的天氣過程干擾，一個區域的太陽輻射強度在正午達到一天中的最大值，但是由於地面的熱量傳輸給大氣需要一定的時間，近地面氣溫一般在14時（地方時）左右才出現最高值，最高氣溫出現的時間比最高太陽輻射強度出現的時間滯後約2小時；最低氣溫一般出現在日出前後，要比日落時間滯後數小時之久。類似的原因，北半球中、高緯度大陸地區月平均氣溫最高（低）值一般出現在7（1）月份，比最高（低）太陽輻射強度出現的時間（夏至日或冬至日）滯後約1個月。

五、教師對水文學原理的深度學習

徑流相對於降水滯後性的原因屬於水文學內容，高中地理現行課程標準對水循環的要求如下：運用示意圖，說出水循環的過程和主要環節，說明水循環的地理意義。課標對水循環內容的要求並不高，如果對該部分進行深度教學有超越課標要求之嫌。但是，地理教師首先要做到的是，對本學科基本原理不僅要知其然，而且要知其所以然，這樣非常有助於自身學科素養的提升。那麼，徑流為什麼相對於降水要滯後呢？這其中的水文學原理如下（主要參考文獻[4]）：

（1）徑流形成過程

流域的降水，從地面和地下匯入河網，流出流域出口斷面的水流，稱為徑流。以液態降水也就是降雨為例，自降雨到達地面時起，到水流流經出口斷面的過程，稱為徑流形成過程。徑流的形成是一個非常複雜的物理過程，大致可分為流域產流和流域匯流兩個過程。

產流過程是流域中各種徑流成分的生成過程，也是流域下墊面對降雨的再分配過程。降雨初期，小部分（一般不超過5%）雨水降落在河槽面上直接形成徑流，大部分降水並沒有立即產生徑流，而是消耗於植物的截留、下滲、填窪及蒸發。降雨繼續，滿足填窪後的雨水開始產生地面徑流，還可能產生坡面漫流。繼續不斷降雨，土層中的水達到飽和後，部分水沿坡地土層側向流動形成壤中徑流，當下滲水流達到地下水面後，以地下水的形式沿坡地土層匯入河槽，形成地下徑流。以上過程包含了蓄滲及坡地匯流過程。

各種徑流成分經過坡地匯流注入河網後，沿河網向下游幹流出口斷面彙集的過程，即河網匯流過程。坡地匯流和河網匯流共同組成了流域匯流（圖3）。因此，流域出口斷面的水文過程線，通常由河槽面降水、坡地表面徑流、坡地地下徑流等彙集而形成的。

圖3 流域匯流過程示意

（2）流域匯流時間

降落在流域上的雨水水滴彙集至流域出口斷面所經歷的時間稱為流域匯流時間。由於彙集至流域出口斷面的具體條件不同，不同徑流成分的流域匯流時間是不一樣的。

地面水流域匯流時間：一般等於地面水坡面匯流時間與河網匯流時間之和（槽面降水不需經歷坡面匯流階段）。坡面常為土壤、植被、岩石及其風化層所覆蓋，所以坡面阻力一般較大，流速較小，但坡面水流的流程不長，通常只有百米至數百米左右，所以坡面匯流時間一般不長，大約幾十分鐘。河網中的流速通常比坡面水流流速大得多，但河網長度更長，隨著流域面積的增大，流域中最長的河流一般為坡面長度的數倍乃至數萬倍，所以，河網匯流時間一般遠大於坡面匯流時間（除非流域面積很小）。

地下水流域匯流時間：地下水的流速一般比地面水小得多，因此，地下水流域匯流時間總是比地面水流域匯流時間大得多（如例2中的曲線）。

對於匯流時間的計算，當前，水文學研究中一般使用最大流域匯流時間和流域滯時（和平均流域匯流時間等價）來衡量一個流域或不同徑流成分的流域匯流時間大小。其計算過程不再闡述（見參考文獻[4]）。

而且，水文學實測表明，在同樣的降水條件下，不同的下墊面可以具有完全不同的徑流特徵（如例2中各曲線）；在同一流域的下墊面，不同時期徑流特徵也不是一成不變的。

參考文獻：

[1] 董才文等.1960-2013年廣東省梅江流域徑流特徵及其對降水的滯後效應 [J].水土保持通報,2016, 36,3:38-45.

[2] 董立峰等.黃河三角洲典型流域徑流變化及其對降水的滯後性分析 [J].濱州學院學報,2012,28,3: 39-44.

[3] 鍾華平等.湄公河幹流徑流變化及其對下游的影響[J].水利水運工程學報,2011,9,3:48-52.

[4] 芮孝芳.水文學原理[M].北京:中國水利水電出版社,2004.

本文已發表於《中學地理教學參考》2017年第7期（上半月）

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