108 地方特考三等 水土保持工程 土壤沖蝕原理與控制 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評量考生對水力沖蝕（Water Erosion）歷程中「逕流沖蝕」之物理本質與動力機制的掌握程度，核心觀念包含：

1. 逕流沖蝕之本質與水文成因：荷頓超滲透逕流機制（Hortonian Overland Flow，降雨強度 $i$ 大於土壤入滲率 $f$ 形成表面逕流）與水流連續性。
2. 水動力學剝蝕與輸送機制：地表水流對土壤表面施加之基底剪切應力（Shear Stress / Tractive Force）與土壤臨界剪切應力（Critical Shear Stress）之消長關係，以及推移力對土粒的剝離（Detachment）與搬運（Transport）。
3. 沖蝕營力之系統因子：統整控制沖蝕之五大環境因子（水文氣候、地形、土壤、植生、人為管理），對應通用土壤流失公式（USLE）之物理意涵。

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解題方法

1. 分段切入：針對題目兩大核心「意義」與「影響因子」依序立論，層次分明。
2. 「意義」之論述架構：從「定義」出發，推進至「水動力機制」（引入剪切應力公式 $\tau_0 = \gamma R S$ 與臨界剪切應力 $\tau_c$ 說明剝離與搬運條件），再輔以「沖蝕型態演變」（薄層沖蝕 $\rightarrow$ 細溝沖蝕 $\rightarrow$ 蝕溝沖蝕），展現水土保持工程的專業深度。
3. 「影響因子」之系統化分類：捨棄零散條列，採學理標準的「五大構面」（水文與氣候、地形特徵、土壤特性、植生與覆蓋、人為活動與水土保持措施）展開，並結合水力學（流速、糙率）與土壤力學特性進行機理解析。

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選項分析

本題為申論題型，無選項。評分關鍵在於能否精準區隔「逕流沖蝕」與「雨滴擊濺沖蝕」之動能來源差異，並能以水動力學及水土保持原理完整論述影響因子。

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解題技巧

1. 審題重點：切勿將逕流沖蝕單純等同於廣義的土壤沖蝕；雨滴打擊沖蝕（Splash Erosion）提供初始分散與剝離能量，但逕流沖蝕（Runoff Erosion）的核心在於「流動水體之水力剪應力」所造成的剝離與長距離搬運。
2. 拿分亮點：引入流體力學之剪切應力公式 $\tau_0 = \gamma R S$（或 $\tau = \rho g h S$）與曼寧公式（Manning's formula）$V = \frac{1}{n} R^{2/3} S^{1/2}$，說明坡度、逕流水深及地表糙率如何直接影響沖蝕動力，能大幅提升答題專業度。
3. 架構避坑：影響因子切忌僅寫出「雨很大、坡很陡」等口語描述，務必使用「降雨強度與延時」、「坡長與坡度」、「入滲容量與質地結構」等國家考試標準術語。

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【答案】

一、逕流沖蝕的意義

(一) 定義 逕流沖蝕（Runoff Erosion）指當降雨強度超過土壤入滲容量時，地表超滲水分聚集成表面逕流（Overland Flow），水流在沿坡面下洩的流動過程中，藉由其水動力剪切應力對土粒產生「剝離（Detachment）」與「輸送（Transport）」的物理作用。

(二) 動力機制

1. 水力剪切力作用： 坡面流動水體對土壤表層施加之基底剪切應力（$\tau_0$）表示為： $\tau_0 = \gamma R S$ （式中，$\gamma$ 為水之單位容積重，$R$ 為水力半徑，坡面薄層流通常以水深 $h$ 代替，$S$ 為坡降）。
2. 剝離與搬運臨界：

核心觀念

本題測驗「水蝕作用機制（Mechanics of Water Erosion）」之基礎理論，為水土保持工程類科《土壤沖蝕原理與控制》最核心的基礎申論題。考點涵蓋：

1. 水蝕動力：外營力能量來源，包含降雨動能（雨滴打擊力）與逕流水力能量（流速與剪應力），輔以重力作用。
2. 水蝕過程：泥砂動力學之質量傳輸三階段——分離（Detachment）、運移（Transportation）、堆積（Deposition）。
3. 水蝕型態：地表水流由分散至集中、空間尺度由微觀至巨觀之侵蝕演進階段（擊蝕、面蝕、細溝侵蝕、蝕溝侵蝕及溪岸侵蝕）。

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解題方法

本題題幹明確要求說明「動力」、「過程」與「型態」三要素。解題架構採「三段式破題與展開」：

1. 動力篇：從物理學之能量形式切入，區分「雨滴擊濺之動能」與「地表漫地流／逕流之沖刷水力與剪應力」，並寫出水力剪應力代表公式 $\tau = \gamma R S$，展現水利工程專業背景。
2. 過程篇：依時間與力學作用順序，闡述土壤顆粒如何由團聚體中被脫離、受水流搬運，直至水力輸送能量不足時產生沉降沉積。
3. 型態篇：依「水力集中程度」與「地貌演進順序」由淺入深條列五大水蝕型態（擊蝕 $\rightarrow$ 面蝕 $\rightarrow$ 細溝侵蝕 $\rightarrow$ 蝕溝侵蝕 $\rightarrow$ 溪岸侵蝕），並點出各型態的特徵與對農事耕作之影響（如能否以常規耕犁撫平）。

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選項分析

本題為申論題，無選項分析。考生作答時應以邏輯層次、條列分明為原則，各子題分項論述。

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解題技巧

1. 記憶口訣：

• 過程三部曲：「離、運、沉」（分離、運移、沉積）。
• 型態演進五階段：「擊、面、細、溝、岸」（擊蝕、面蝕、細溝、蝕溝、溪岸）。

2. 拿分亮點：

• 動力部分適度寫出物理與水力學關係式（例如雨滴動能 $KE = \frac{1}{2} m v^2$、流體底床剪應力 $\tau = \gamma R S$），能迅速拉開與一般考生的分數差距。
• 區分「細溝（Rill）」與「蝕溝（Gully）」之界線在於「一般農耕機具是否能予以撫平消除」，此為水保規範與閱卷委員極為看重的定義標準。

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【答案】

水蝕（Water Erosion）指土壤顆粒受降雨及地表逕流之作用，自母體脫離、被搬運並沉積於他處之地表退化過程。其動力、過程與型態分述如下：

一、造成水蝕之動力（Agents and Driving Forces）

水蝕之外營力主要來自「降雨」與「逕流」所轉化之機械能，輔以「重力」作用：

1. 雨滴打擊力（降雨動能，Raindrop Impact Kinetic Energy）：

• 降雨以終端速度（Terminal velocity）落下時帶有龐大動能（$KE = \frac{1}{2}mv^2$）。
• 雨滴撞擊裸露地表瞬間產生垂直衝擊力與向外飛濺之橫向剪力，足以粉碎土壤團粒、分散土粒，並擊破土壤表層孔隙形成結皮（Surface crusting），降低入滲率。

2. 地表逕流沖刷力（Runoff Energy and Shear Stress）：

核心觀念

本題測驗「土壤風蝕力學」（Soil Wind Erosion Mechanics）中土粒受風力搬運的動力機制。根據 Bagnold（1941）與 Chepil（1945）建立之經典風蝕理論，土壤顆粒在風力作用下的移動模式，主要取決於顆粒粒徑大小、重力、大氣紊流升力以及顆粒間撞擊動能傳遞。標準分類分為三種型式：

1. 躍移（Saltation）：中等粒徑，為風蝕之核心主導機制。
2. 懸移（Suspension）：微細粒徑，隨大氣亂流浮游於高空，傳輸距離最遠。
3. 潛移／地表蠕移（Surface Creep）：粗大粒徑，沿地表滾動或滑動。

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解題方法

本題為經典名詞定義與機制申論題。作答切入點應採「結構化分項說明」，每一型式均必須交代下列四項量化與質化關鍵要素：

1. 適用粒徑範圍（Particle Size Range）。
2. 物理運動機制與動態特徵（Kinetic Mechanism & Trajectory）。
3. 佔風蝕總搬運量之重量百分比（Mass Percentage）。
4. 相互鏈結關係：點出「躍移是引發懸移與潛移之樞紐」。

最後附上綜合對照表，使閱卷委員能迅速掌握關鍵數據。

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選項分析

本題為公職專技三等考試之申論問答題，無待測選項。考生作答時若僅條列三種名詞，僅能得基本分數；必須完整交代各型式之「粒徑範圍」、「移動軌跡與機制」及「佔總搬運量比例」，方能取得完整分數。

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解題技巧

1. 粒徑與比例記憶錨點：

• 躍移（居中）：粒徑 $0.05 \sim 0.5\text{ mm}$，佔比最高（約 $50\% \sim 75\%$）。最易被風吹動的敏感粒徑約為 $0.1 \sim 0.15\text{ mm}$。
• 潛移（最粗）：粒徑 $0.5 \sim 1.0\text{ mm}$（或至 $2.0\text{ mm}$），佔比次之（約 $5\% \sim 25\%$）。
• 懸移（最細）：粒徑 $< 0.05\text{ mm}$（粉粒與黏粒），佔比最低（約 $3\% \sim 15\%$，極端粉塵暴時略增）。

2. 觀念防陷阱（衝擊啟動效應）： 細如粉粒或黏粒（$< 0.05\text{ mm}$）的土壤，由於顆粒間具凝聚力（Cohesion）且完全沉浸於貼地層的層流邊界層（Laminar Sublayer）中，不易直接被風吸附吹起；其懸移之啟動，大多是由躍移顆粒重力撞擊地面時所激盪揚起。此因果關係為高分關鍵點。

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【答案】

土壤顆粒受風力侵蝕而移動時，依顆粒粒徑、風速動能與運動軌跡，主要分為躍移、懸移與潛移三種型式，分述如下：

一、躍移（Saltation）

1. 粒徑範圍：約 $0.05 \sim 0.5\text{ mm}$，以細砂為主（其中

核心觀念

本題核心在於考查「人為引水灌溉所誘發之水力沖蝕與邊坡重力沖蝕機制（Irrigation-Induced Erosion）」。 在《土壤沖蝕原理與控制》中，灌溉沖蝕屬於人為加速沖蝕（Accelerated Erosion）的一環。主要涉及以下力學與水文學理論：

1. 水滴打擊動能與飛濺沖蝕理論：噴灌時水滴動能（Kinetic Energy, $KE = \frac{1}{2}mv^2$）打擊裸露地表，破壞土壤團粒結構，產生表面封皮（Surface Sealing/Crusting），使入滲率 $f$ 銳減。
2. 水流剪應力與水力沖刷力學：明渠或溝灌流動水流對床面施加之底床剪應力（Shear Stress）為 $\tau = \gamma R S$（其中 $\gamma$ 為水單位重，$R$ 為水力半徑，$S$ 為水力坡降）。當 $\tau$ 大於土壤臨界剪應力（Critical Shear Stress, $\tau_c$）時，即引發床面與溝壁之剝蝕與掏刷。
3. 入滲與逕流機制：當灌溉強度（Application Rate, $i$）大於土壤入滲率（Infiltration Rate, $f$）時，產生霍頓超滲逕流（Horton Overland Flow），造成漫地流沖蝕。
4. 滲流力與有效應力原理：過量灌溉使地下水位上升，孔隙水壓（Pore Water Pressure, $u$）增加，依據泰勒有效應力原理 $\sigma' = \sigma - u$ 及庫倫破壞準則 $\tau_f = c' + \sigma' \tan\phi'$，土壤抗剪強度下降，誘發坡地崩塌與重力沖蝕；滲流坡降過大時則引發管蝕（Piping）。

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解題方法

本題為標準申論題型，切入點應採「雙軸向架構」切入論述，才能獲取高分：

1. 縱向軸（依灌溉工法之水力特性劃分）：針對「噴灌」、「溝灌（畦溝灌溉）」、「淹灌（漫灌）」三種主要地表灌溉方式，分別剖析其所對應的表面沖蝕型態（飛濺沖蝕、細溝沖蝕、溝蝕、面蝕）。
2. 橫向軸（依土體力學與地下水文衍生問題深化）：由地表沖蝕延伸至坡地水土保持的核心議題——探討「內部管蝕（Piping）」、「地下水位上升誘發之重力沖蝕（崩塌、地滑）」以及「土壤物理性退化（結皮與次生鹽漬化分散作用）」。
3. 作答步驟循序漸進：定義沖蝕起因 $\to$ 分析受力力學 $\to$ 列舉具體沖蝕形態 $\to$ 補充下游危害，層次分明。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，無固定選項。閱卷評分重點之對應分析如下：

• 必答構面一（噴灑灌溉之衝擊）：著重於水滴打擊、團粒分散、表土封皮（Crust formation）與面蝕。若僅回答表面流失而未提水滴打擊與入滲率衰減機制，此評分點會失分。
• 必答構面二（畦溝／漫灌之水流沖刷）：著重於流速過大、臨界剪應力 $\tau > \tau_c$、溝底與溝壁掏刷、細溝侵蝕（Rill Erosion）及尾水沉積問題。
• 必答構面三（坡地重力與地下水文沖蝕）：若在山坡地進行不當灌溉，過量水分引發孔隙水壓上升、基質吸力消失導致淺層崩塌（Mass Movement）及管蝕（Piping）。此點為水土保持工程類科考生與一般農工類科區隔之得分關鍵。
• 必答構面四（土壤理化性質劣化次生之沖蝕）：灌溉水質不佳或排水不良誘發鈉化（Sodification），黏粒分散，使土壤抗蝕係數（$K$ 值）惡化。

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解題技巧

1. 破題技巧：第一段切入「水力條件失衡」本質——給水率超過入滲率、水流剪應力超過臨界抗蝕力。
2. 避免常見陷阱：

核心觀念

風蝕（Wind Erosion）是指強風對地表土壤所產生的吹蝕（拔起、剝離）、搬運（跳躍、潛移、懸浮）與沉降之動力過程。

風蝕的啟動與發展，取決於風力剪應力與土壤抗蝕力之間的消長。當近地表風的摩擦速度 $u_*$ 超過土壤啟蝕之臨界摩擦速度 $u_{*t}$ 時，土粒即開始移動，並藉由跳躍（Saltation，佔總搬運量 $50\% \sim 70\%$）撞擊地表，引發連鎖的「雪崩效應」（Soil Avalanching）。

在通用風蝕方程式（Wind Erosion Equation, WEQ）中： $E = f(I, K, C, L, V)$ 其中：

• $E$：預估年平均風蝕量
• $I$：土壤可蝕性指數（Soil Erodibility Index）
• $K$：土壤表面粗糙度因子（Soil Ridge Roughness Factor）
• $C$：氣候因子（Climate Factor，與風速及土壤水分相關）
• $L$：田區未受遮蔽之連續長度（Unsheltered Distance）
• $V$：營養被覆因子（Vegetative Cover Factor）

水土保持工程控制風蝕的三大物理面向為：

1. 降低近地表風速（減小外力動力剪應力，縮短 $L$）
2. 改善土壤結構與粗糙化地表（提高啟蝕門檻 $u_{*t}$，降低 $I$，調控 $K$）
3. 維持地表被覆（隔絕流體剪應力直接作用於裸土，提高 $V$）

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解題方法

本題為經典申論題。作答切入點應依據「流體力學驅動力減弱」、「土壤本體抗蝕性提高」與「接觸界面阻隔保護」三大維度展開。

答題步驟如下：

1. 點出三大原則之主題名稱，展現清晰架構。
2. 闡明每一原則的物理作用機制（為何能減蝕）。
3. 列舉對應之水土保持工程與農藝具體措施（實務如何落實，並輔以代表性設計參數，如防風林間距、抗蝕團粒臨界粒徑等）。

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選項分析

本題為申論題，非選擇題，無選項分析。

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解題技巧

1. 記憶口訣：「降風速、促團粒（粗糙化）、密被覆」。
2. 關鍵數據佐證：在申論時寫出專業量化指標，能顯著提升給分等級：

• 不可蝕性團粒粒徑：$> 0.84\text{ mm}$。
• 防風林透風度：最適透風係數為 $40\% \sim 50\%$。
• 防風林背風側有效防護距離：約為樹高 $H$ 的 $15 \sim 20H$。

3. 避開常見陷阱：切忌只寫口語化的「多種樹、多澆水、少翻土」。必須將措施設置與物理機制（臨界摩擦速度、跳躍顆粒阻截、表面能量耗散）緊密結合。

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【答案】

控制土壤風蝕的三個主要原則及其內涵說明如下：

一、 減低近地表風速（Reduce Wind Velocity Near the Ground Surface）

1. 作用機制： 風對土粒的剪應力 $\tau$ 與風速平方成正比。當貼地風速降低，使摩擦速度 $u_*$ 小於土壤之臨界摩擦速度 $u_{*t}$ 時，土壤顆粒即無法被吹離脫落。