110 地方特考三等 水利工程 水資源工程學 考古題詳解

核心觀念

本題考查「永續發展」在水資源工程中的具體應用。核心是將水利系統視為「社會—經濟—環境」相互作用的系統，判斷人類用水、排水及污染負荷是否超過自然環境的承載能力。

永續發展包含三項基本原則：

1. 滿足當代社會與經濟發展需求。
2. 不破壞自然環境及生態系統。
3. 不損害後代滿足其需求的能力。

水資源工程中的「環境承載力」，是指河川、湖泊、地下水層、集水區及其他生態系統，在維持其基本功能與自淨能力的前提下，所能承受的取水、排水、污染、土地開發及能源消耗總量。

本題不是計算題，宜採用「系統功能＋環境限制＋世代責任」的方式作答。

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(1) 供水系統之環境永續性

1. 定義

供水系統之環境永續性，是指在滿足都市、工業、農業及生態基本用水需求的同時，取水量、輸配水過程及相關設施所造成的環境負荷，不超過水源與水文生態系統的長期承載能力，使水源水量、水質、生態功能及補注能力得以維持，並保留後代使用水資源的權利。

簡言之：

供水系統必須「取用得當、使用有效、水質安全、生態不受破壞，且能長期維持」。

2. 供水量不得超過可永續利用量

供水規劃不能只以最大需水量作為取水依據，必須考慮河川基流、地下水補注量、枯旱年水量及生態基流量。

可永續利用水量可概念表示為：

$$Q_{\text{可利用}} \leq Q_{\text{天然補注或可供水量}}-Q_{\text{生態需求}}-Q_{\text{安全保留量}}$$

地下水利用亦須符合長期水量平衡：

$$\Delta S=R_{\text{補注}}-Q_{\text{抽取}}-Q_{\text{自然排泄}}$$

其中，$\Delta S$ 為地下水儲量變化量。若長期抽取量大於補注量，將造成地下水位下降、地層下陷、海水入侵及溪流基流減少，均屬不具環境永續性的供水方式。

3. 維持水源水質及水體生態

供水系統須保護水源區，降低農業、工業、都市及畜牧活動造成的污染。水源水質惡化會增加淨水處理需求，並提高能源、藥劑及污泥處理負荷。

此外，水庫攔蓄、河川取水及跨流域引水可能改變：

• 河川流量及季節流況；
• 泥砂輸運；
• 魚類洄游及棲地；
• 河口濕地與沿海生態；
• 地下水與地表水的交互作用。

因此，供水系統必須保留合理的生態基流，並透過水源保育、環境流量管理及生態補償，避免以供水安全為由完全犧牲河川生態功能。

4. 提高用水效率，降低單位供水負荷

環境永續性不只在於開發新水源，更重要的是降低需求與輸水損失，包括：

• 減少自來水漏水率；
• 推動節水設備及分級水價；
• 使用再生水及雨水貯留；
• 工業製程採循環用水；
• 農業採用精準灌溉；
• 加強用水回收及分區管理。

供水系統效率可用概念式表示：

$$\eta_{\text{供水}}= \frac{\text{有效使用水量}}{\text{原水取水量}}$$

提高 $\eta_{\text{供水}}$，可在同等服務水準下減少取水量與能源消耗。

5. 降低能源消耗與溫室氣體排放

抽水、加壓、淨水及輸水設施均消耗能源。環境永續的供水系統應採取合理管線配置、重力輸水、高效率抽水機、再生能源及分散式水源，以降低單位供水量的能源需求與碳排放。

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(2) 排水系統之環境永續性

1. 定義

排水系統之環境永續性，是指在收集、輸送、處理及排放都市污水、工業廢水、農業逕流及雨水的過程中，使污染物、洪水流量及水文改變所造成的環境負荷，不超過受納水體的自淨能力、污染容受量與防洪承載力，並維持河川、湖泊、地下水、河口及海岸生態系統的正常功能。

簡言之：

排水系統必須「排得安全、處理有效、污染不超量、水循環不被破壞」。

2. 污染負荷不得超過受納水體容受能力

排放污染物的基本負荷可表示為：

$$L=Q\times C$$

其中，$L$ 為污染負荷，$Q$ 為排放流量，$C$ 為污染物濃度。

排水系統的永續條件並非只看排放濃度是否低於排放標準，還須考慮受納水體的流量、水質背景、污染總量及自淨能力：

$$L_{\text{排放總量}}\leq L_{\text{水體可容受量}}$$

即使個別排放口符合管制標準，當同一河川承受多個排放源時，累積污染負荷仍可能造成優養化、溶氧降低、毒性物質累積及生態劣化。因此，應採取流域污染總量管制及水質目標管理。

3. 維持河川自淨能力與生態功能

排水系統不得將河川視為單純的廢水輸送管線。排放水體須維持適當的溶氧、溫度、酸鹼值、懸浮固體及營養鹽濃度，避免破壞水生生物棲地。

需控制的主要污染項目包括：

• 生化需氧量及化學需氧量；
• 懸浮固體；
• 氮、磷等營養鹽；
• 重金屬及有毒物質；
• 病原菌；
• 高溫排水及鹽分；
• 微量新興污染物。

污水處理程度應配合受納水體的水質目標及用途，不能僅以最低處理標準作為唯一依據。

4. 雨水排水應兼顧防洪與水文永續

傳統排水系統多以「儘速排除」為目標，但大量鋪面會造成：

核心觀念

本題考查「氣候變遷衝擊評估」與「淹水調適策略」的分類思考。淹水風險並非只取決於降雨量，也與人口、財產及公共設施暴露程度，以及系統本身的脆弱性有關。

可用下列概念表示：

$$\text{淹水風險} \approx \text{危害度} \times \text{暴露度} \times \text{脆弱度}$$

其中：

• 危害度：洪水發生的頻率、深度、流速、範圍及持續時間。
• 暴露度：人口、住宅、產業、交通、供水、電力等位於淹水危害範圍內的程度。
• 敏感度：系統受到洪水後容易受損的程度。
• 調適能力：系統預防、承受、應變、恢復及學習的能力。

因此，淹水調適措施的切入方向包括：

1. 降低洪水危害。
2. 降低暴露程度。
3. 降低系統敏感度。
4. 提升應變與恢復能力。

本題沒有指定特定地區、洪水重現期或工程條件，故應採用「調適措施類別完整列舉，再配合實例說明」的答題方式。

解題方法

可依照淹水調適的管理順序，將措施分為「避開、抵禦、適應、撤離與恢復」五大類，再補充自然為本及制度治理措施，使答案涵蓋工程、土地利用、建築、預警、保險與社會治理等面向。

調適措施不宜只寫堤防、抽水站等硬體工程，因為單一工程通常只能降低特定規模洪水的危害，無法完全消除極端降雨、都市開發及管理失靈所造成的風險。

一、避開洪水危害：土地利用與空間規劃措施

此類措施的核心是降低暴露度，使重要人口、財產及公共設施不要配置於高淹水風險區。

主要措施

• 劃設淹水潛勢區、洪泛區及高風險地區。
• 限制高風險地區的住宅、醫院、學校及重要工業設施開發。
• 將高淹水風險區規劃為公園、滯洪池、農業用地或生態保育區。
• 以都市計畫及土地使用管制控制開發強度。
• 進行開發許可審查，要求開發行為不得增加下游洪峰流量。
• 保留河川用地、排水廊道及自然蓄洪空間。
• 對既有聚落進行分期搬遷或土地使用轉型。

實例

在河川兩側劃定洪泛區，禁止新建大型集合住宅及地下商場；既有低度利用農地則轉作滯洪空間。此措施直接減少暴露人口與財產，是最根本的風險降低方法。

二、抵禦洪水危害：結構性工程措施

此類措施透過工程設施降低洪水水位、流量、流速或淹水範圍，屬於傳統防洪策略。

主要措施

• 河堤、防洪牆及護岸。
• 水庫、滯洪池、調洪池及離槽式蓄洪設施。
• 分洪道、截流道及排洪隧道。
• 河道疏濬、瓶頸段改善及橋梁通洪能力提升。
• 都市雨水下水道、箱涵及抽水站擴建。
• 閘門、閘壩及防潮水閘。
• 海堤、離岸堤及沿海防洪設施。
• 抽水機組及備援電力系統。
• 提高河川、區域排水及都市排水系統的設計標準。

實例

對低窪都市設置滯洪池，於暴雨期間暫存雨水，待尖峰流量過後再慢慢排放；在沿海地區設置防潮閘門，於颱風暴潮時關閉河口，避免海水倒灌。

工程措施的限制

工程設施具有保護標準及容量上限。若僅依賴堤防，容易產生「安全感增加而加速開發」的現象；當洪水超過設計規模時，損失反而集中。因此工程措施須搭配土地管制、預警及避難措施。

三、容納洪水：建築與土地使用適應措施

此類措施不是完全阻止洪水，而是使系統在淹水情況下仍能維持基本功能，並降低受損程度。

主要措施

• 提高建築物地坪及一樓樓板高度。
• 將重要設備、配電盤、機電室及資料中心設置於較高樓層。
• 採用防水閘門、防水牆及可拆式擋水板。
• 建築物入口設置止水設施。
• 使用防洪門、防水材料及耐淹建材。
• 一樓規劃為停車場、儲藏室或可淹水空間。
• 地下室設置防水、止回及抽水設備。
• 道路、橋梁及重要管線提高設計高程。
• 自來水、電力、通信及污水設施採防淹及備援設計。
• 對農業採用耐淹作物、調整播種期及改善田間排水。

實例

將變電站、抽水站控制盤及自來水加壓設備設置在淹水高程以上；住宅一樓採用可沖洗、耐淹材料，並在出入口設置防水閘門，使洪水退去後能迅速恢復使用。

四、降低暴露與受損：撤離、遷建及風險移轉措施

當某些地區的洪水風險過高，且長期防護成本大於保護效益時，應採取撤離、遷建或風險移轉。

主要措施

• 高風險聚落遷建。
• 受災嚴重房屋購買、補償或拆除。
• 避免在反覆淹水區進行永久性重建。
• 透過保險、再保險及災害基金分散財務損失。
• 建立公共設施及重要產業的營運中斷保障。
• 建立災後補助、低利貸款及重建財源。

實例

對長期遭受洪水侵襲且無法以合理成本防護的低窪聚落，規劃整體遷村；對仍留在風險區的民眾，要求投保洪水保險，以分散災害造成的經濟損失。

五、自然為本及生態系統調適措施

此類措施運用自然系統的蓄水、滯洪、入滲及消波功能，兼具防洪與生態效益。

主要措施

核心觀念

本題考查「水庫容量分析」中的水量平衡與調蓄容量決定，需同時滿足：

1. 各期最低蓄水量需求；
2. 各期最低供水量需求；
3. 各期最低調洪空間需求；
4. 各期入流量所造成的蓄水變化。

題目未給定初始蓄水量，依水庫長期容量分析的標準假設，採用一個循環規劃期，亦即第四期結束時的蓄水量等於第一期開始時的蓄水量。

令：

• $S_t$：第 $t$ 期開始時水庫蓄水量；
• $C$：水庫總容量；
• $R_t$：第 $t$ 期供水量；
• $I_t$：第 $t$ 期入流量；
• $F_t$：第 $t$ 期最低調洪空間需求。

水量平衡式為：

$$S_{t+1}=S_t+I_t-R_t$$

若考慮溢流，則可寫成不等式：

$$S_{t+1}\leq S_t+I_t-D_t$$

其中 $D_t$ 為第 $t$ 期最低供水量需求。

各期蓄水量還必須符合：

$$S_t\geq L_t$$

以及調洪空間限制：

$$C-S_t\geq F_t$$

亦即：

$$S_t\leq C-F_t$$

因此，本題適合採用「線性規劃法」分析；手算時則可利用逐期水量平衡與上下限條件求解。

解題方法

各期資料如下：

時期	1	2	3	4
最小蓄水量 $L_t$	2	4	1	3
最小供水量 $D_t$	6	5	4	6
最小調洪空間 $F_t$	4	1	3	3
入流量 $I_t$	4	10	1	7

第三期所需的蓄水量

第三期開始時蓄水量為 $S_3$。第三期入流量為 $1$，最低供水量為 $4$，第四期開始時仍須保有最低蓄水量 $3$。

因此：

$$S_3+1-4\geq 3$$

整理得：

$$S_3\geq 6$$

但第三期又要求至少保留 $3$ 單位調洪空間，因此：

$$C-S_3\geq 3$$

代入 $S_3\geq 6$：

$$C\geq 6+3=9$$

所以，水庫容量至少必須為 $9$。

驗證容量 $C=9$ 是否可行

取下列各期開始時蓄水量：

$$S_1=4,\qquad S_2=2,\qquad S_3=6,\qquad S_4=3$$

且第四期結束後回到：

$$S_5=S_1=4$$

各期水量平衡如下：

第一期

$$4+4-6=2$$

故：

核心觀念

本題考查兩個重點：

1. 都市計畫發展用地是否達到逕流分擔門檻

• 依題目所給標準，發展用地之**不透水率大於 $0.8$**時，才需要辦理逕流分擔計畫。
• 不透水率定義為：

$$\text{不透水率} = \frac{\text{不透水面積}}{\text{總集流面積}}$$

2. 合理化公式（Rational Method）計算設計流量

• 設計流量公式為：

$$Q=0.278CIA$$

其中：

• $Q$：設計流量，單位為 $m^3/s$
• $C$：加權平均逕流係數
• $I$：降雨強度，單位為 $mm/hr$
• $A$：集流面積，單位為 $km^2$

本題涉及逕流分擔標準與排水設計，法規及標準以命題當年（民國 $110$ 年）為準。

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解題方法

一、判斷是否需要逕流分擔計畫

建築與交通用地為不透水舖面，面積為 $16$ 公頃；總集流面積為 $26$ 公頃。

因此不透水率為：

$$\text{不透水率} = \frac{16}{26} = 0.6154$$

題目規定不透水率必須大於 $0.8$，本計畫發展用地之不透水率為：

$$0.6154<0.8$$

故未達逕流分擔標準。

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二、決定設計重現期

每年排水系統溢淹機率，即年超越機率為 $5\%$：

$$P=0.05$$

重現期 $T$ 與年超越機率的關係為：

$$T=\frac{1}{P}$$

因此：

$$T=\frac{1}{0.05}=20\text{ 年}$$

所以應採用 20 年重現期之降雨資料。

由表可知，20 年重現期、20 分鐘延時降雨量為：

$$P_{20}=30\text{ mm}$$

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三、計算降雨強度

設計集流時間為 $20$ 分鐘，即：

$$20\text{ 分鐘}=\frac{20}{60} =\frac{1}{3}\text{ 小時}$$

因此降雨強度為：

$$I=\frac{30}{1/3} =90\text{ mm/hr}$$

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四、計算加權平均逕流係數

不透水舖面之逕流係數為 $1.0$，面積為 $16$ 公頃；草地之逕流係數為 $0.15$，面積為 $10$ 公頃。

加權平均逕流係數為：