110 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

本題考查集水區土砂收支（sediment budget）中，土壤遭受侵蝕後，究竟有多少泥砂能通過集水區出口，以及有多少泥砂在集水區內沉積、攔蓄或被整治工程控制。

設：

• $E$：集水區總侵蝕量或土砂生產量（gross erosion）
• $Y$：集水區出口之泥砂產出量或輸砂量（sediment yield）
• $D$：泥砂在集水區內沉積、攔蓄或未能輸出之數量

在不考慮外來泥砂輸入及集水區內既有泥砂大量再沖刷的情況下，土砂收支為：

$$E=Y+D$$

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一、集水區泥砂遞移率（SDR）

1. 定義

集水區泥砂遞移率（sediment delivery ratio, SDR）係指集水區出口之泥砂產出量，占集水區總侵蝕量或土砂生產量的比例：

$$SDR=\frac{Y}{E}$$

亦可表示為：

$$SDR=\frac{\text{集水區出口輸砂量}}{\text{集水區總侵蝕量}}$$

SDR反映集水區內所產生的泥砂，經坡面、溝渠及河道搬運後，實際抵達出口的效率。

2. 值域與意義

在一般土砂收支定義下：

$$0\leq SDR\leq 1$$

其意義如下：

• $SDR=1$：集水區內產生的泥砂全部抵達出口，途中幾乎沒有沉積或攔蓄。
• $SDR=0$：所產生的泥砂均未抵達出口，全部留存於集水區內。
• $0<SDR<1$：部分泥砂抵達出口，部分泥砂在坡面、河道、沖積扇、滯洪空間或整治設施內沉積。

SDR越大，表示集水區的泥砂輸送效率越高，出口輸砂問題越嚴重；SDR越小，表示集水區內泥砂沉積、攔蓄或滯留的程度越高。

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二、土砂整治率（CR）

1. 定義

土砂整治率（completeness ratio, CR）係指集水區內未能輸出至出口、而在集水區內沉積、攔蓄或受到整治控制的泥砂量，占總侵蝕量的比例：

$$CR=\frac{D}{E}$$

由於：

$$D=E-Y$$

因此：

$$CR=\frac{E-Y}{E} =1-\frac{Y}{E}$$

所以：

$$\boxed{CR=1-SDR}$$

CR可理解為集水區對泥砂的「留存、沉積及整治完成程度」。

2. 值域與意義

在一般土砂收支定義下：

$$0\leq CR\leq 1$$

其意義如下：

• $CR=0$：集水區內沒有泥砂留存或整治效果，所產生泥砂全部輸出，故$SDR=1$。
• $CR=1$：集水區內所有泥砂均被沉積、攔蓄或整治，沒有泥砂抵達出口，故$SDR=0$。
• $0<CR<1$：部分泥砂受到集水區內部沉積或整治控制，另一部分則輸送至出口。

CR越大，表示集水區內泥砂被攔蓄或沉積的比例越高；CR越小，表示泥砂較容易通過集水區出口。

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三、SDR與CR的關係

由定義可知，SDR與CR針對的是同一批土砂的兩種互補結果：

$$\text{輸出比例}+\text{留存或整治比例}=1$$

因此：

$$SDR+CR=1$$

可整理如下：

情形	SDR	CR	意義
泥砂全部輸出	$1$	$0$	幾乎沒有沉積或整治

核心觀念

本題考查臺灣不同侵蝕作用的「發生時空分布」及其防治原理，重點包括：

1. 風蝕受乾燥、強風、地表裸露及土壤鬆散程度控制。
2. 水蝕受降雨強度、降雨量、坡度、坡長、土壤性質及植被覆蓋控制。
3. 防治措施須配合侵蝕作用的動力來源與地形條件，不能將風蝕與水蝕的工程配置混為一談。

風蝕主要包括土粒的滾動、躍移與懸浮；水蝕則包括雨滴打擊、逕流沖蝕、細溝沖蝕、淺溝沖蝕及蝕溝沖蝕。以通用土壤流失公式表示水蝕時，可用：

$$A=RKLSCP$$

其中 $A$ 為平均土壤流失量，$R$ 為降雨沖蝕指數，$K$ 為土壤可蝕性，$LS$ 為坡長與坡度因子，$C$ 為覆蓋與管理因子，$P$ 為水土保持措施因子。本題雖非計算題，但可藉此說明臺灣水蝕嚴重的根本原因在於颱風豪雨所造成的高 $R$ 值，以及山坡地較大的 $LS$ 值。

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一、臺灣風蝕及揚塵的主要季節與區域

（一）主要季節

臺灣風蝕及揚塵主要發生於秋末至翌年春季，尤以冬季及早春較為明顯，原因包括：

1. 東北季風盛行：冬季東北季風風速較強，能將裸露地表的細砂及粉土吹起。
2. 降雨較少、土壤乾燥：冬季與春季部分地區雨量偏少，土壤含水量降低，土粒間凝聚力減小。
3. 作物收穫後地表裸露：農田休耕、整地或作物收穫後，地表缺少植被保護。
4. 河川枯水期及河床裸露：河川水位降低後，河床及河灘形成大面積鬆散砂土，遇強風容易產生揚塵。
5. 沿海地區風力及砂源充足：海岸沙丘、砂洲與海埔新生地常具有大量易被搬運的細砂。

因此，風蝕旺季可概括為「冬季東北季風、乾燥少雨、地表裸露」的時期。

（二）主要區域

臺灣風蝕及揚塵主要集中於西部平原、沿海地區及主要河川下游，尤其是：

1. 西部沿海地區：包括桃園、新竹、苗栗沿海，以及彰化、雲林、嘉義、臺南、高雄等沿海地帶。
2. 雲嘉南地區：地勢平坦、冬季東北季風強，且農地、河床與海岸砂地較多，為揚塵較常見的區域。
3. 河川下游、河口及河床裸露地：如濁水溪、北港溪、八掌溪、急水溪及曾文溪等下游河段，在枯水期容易形成裸露砂地。
4. 海埔新生地、砂丘及砂洲：土壤顆粒較粗、植被建立不易，容易產生砂塵搬運。
5. 裸露農地與工地：整地、休耕或施工造成地表鬆散，遇強風時也會出現局部揚塵。

臺灣風蝕的空間特徵可概括為「西部、沿海、平原、河床及裸露地」。

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二、臺灣水蝕的主要季節與區域

（一）主要季節

臺灣水蝕主要發生於春末至秋季，尤其集中在五月至十月的梅雨及颱風豪雨期間，主要原因如下：

1. 梅雨鋒面降雨：短時間內可產生連續性降雨，使坡面逕流增加。
2. 颱風及熱帶性低氣壓豪雨：降雨強度大、延時長，容易造成坡面沖蝕、土石流及河道輸砂。
3. 午後對流雷雨：局部短延時強降雨，常造成都市周邊裸露地、道路邊坡及山坡地沖蝕。
4. 地表植被遭破壞：山坡開發、道路施工、農業墾殖及濫伐，使土壤直接暴露於雨滴及逕流作用。
5. 颱風前後土壤含水量高：土壤飽和後抗剪強度降低，除水蝕外，也容易引發崩塌及土石流。

因此，水蝕旺季可概括為「梅雨、颱風及強降雨集中發生的雨季」。

（二）主要區域

水蝕主要發生於臺灣中、高海拔山區、丘陵地及坡度較大的地區，包括：

1. 中央山脈及雪山山脈地區：坡陡、地形起伏大，豪雨時逕流集中，水蝕及崩塌嚴重。
2. 東部山區及縱谷兩側：花蓮、臺東山區降雨量大，且地形陡峻，容易產生坡面沖蝕與河川輸砂。
3. 北部及東北部山區：宜蘭、基隆、臺北近郊山區受東北季風、梅雨及颱風影響，降雨量較高。
4. 中南部丘陵及山坡地：包括新竹、苗栗、臺中、南投、嘉義、臺南、高雄及屏東的丘陵、山區與農業坡地。
5. 道路邊坡、崩塌地、土石流潛勢溪流及工程裸露地：這些地區植被覆蓋不足，排水集中，常成為水蝕起始位置。

水蝕的空間特徵可概括為「山區、丘陵、陡坡、降雨多及地表裸露地」。

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三、風蝕與水蝕防治方法的共同點

（一）減少土壤裸露

風蝕與水蝕均以地表裸露為重要成因，因此可採用：

• 種植草本、灌木及喬木。
• 播撒草籽或鋪設草皮。
• 覆蓋稻草、木屑、椰纖、地工織物或其他覆蓋材料。
• 採用覆蓋作物、輪作及合理休耕。
• 儘量縮短整地後至植被恢復前的裸露時間。

植被覆蓋可降低風速、固定土粒、吸收雨滴能量，並增加土壤入滲能力。

（二）提高土壤抗蝕能力

可透過下列方法增加土粒穩定性：

• 增加土壤有機質及團粒結構。
• 避免過度耕犁與不當整地。
• 維持適當土壤含水量。
• 使用有機覆蓋物或土壤改良材料。
• 以植物根系固結表土。

（三）配合土地利用及施工管理

防治不能只依靠單一工程，應配合：

• 避免在強風季節進行大面積裸地施工。
• 避免在豪雨季節進行大規模山坡開挖。
• 依地形及土壤條件規劃農業、道路及建築用地。
• 分期施工、分區開挖，並同步進行植生復原。
• 加強裸露地、河床、工地及道路邊坡的巡查與維護。

（四）採用植物與工程措施相結合

兩者均宜採用「植物防治為主、工程防治為輔」的綜合方法。工程措施負責立即降低侵蝕，植物措施則提供長期穩定及生態復育效果。

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四、風蝕與水蝕防治方法的差異

核心觀念

本題考查「宜農牧用地農地整坡」之規劃設計原則。農地整坡並非單純將地面整平，而是依土地利用、地形、土壤、排水及農機作業需求，塑造適宜耕作且不易沖蝕的坡面。

整坡設計須同時達成兩項目的：

1. 降低坡面逕流速度與沖蝕量，防止土壤流失。
2. 建立適合耕作、灌溉、排水及農場機械作業的地形。

涉及法規與技術依據，應以命題當年（民國 110 年）之《水土保持法》及《水土保持技術規範》為準。整坡設計的基本水土保持觀念，是使地表逕流「分散、減速、導流、安全排出」，避免逕流集中後造成沖蝕、淘刷或崩塌。

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解題方法

本題可依「調查評估—整坡配置—排水設施—坡面保護—施工管理」五個層次作答，並將「防止土壤流失」與「便於農場管理」分別融入各項設計原則。

一、先作基地調查與土地適宜性評估

整坡前應調查下列事項：

• 地形、坡度、坡向及地表高程。
• 土壤質地、土層厚度、透水性及抗沖蝕性。
• 地質構造、地下水及既有崩塌、滑動或沖蝕情形。
• 降雨、逕流方向及鄰近水路、道路與排水系統。
• 農作物種類、耕作方式、農機具規格及灌排需求。
• 鄰近土地利用與下游水土保持安全。

依調查結果決定是否適合整坡、整坡範圍及整坡程度。對於地質不良、土層過薄、地下水豐富或已有滑動危險的地區，不宜為追求平整而大幅挖填。

二、整坡形式應配合地形與農業利用

整坡完成後，坡面應具有適當且連續的坡度，不以完全水平為原則。適度坡度有助於排水，完全填平反而可能造成積水、軟弱地基及排水失效。

整坡配置應遵守下列原則：

1. 順應自然地形

儘量利用原有地形高程，減少不必要的挖方與填方，避免形成過大的邊坡、高填方或深挖方。

2. 縮短坡長、降低逕流能量

對較長或較陡的坡面，應配合分段整坡、坡面分區、緩坡帶、平台或其他水土保持設施，避免逕流長距離集中下沖。

坡面沖蝕能力與逕流速度、坡度及坡長有關。概念上可用通用土壤流失公式表示：

$A=RKLSCP$

其中 $A$ 為土壤流失量，$L$ 為坡長因子，$S$ 為坡度因子。整坡若能縮短坡長、降低有效坡度，並配合植被覆蓋及適當耕作方式，即可降低土壤流失。

3. 高程配置應利於耕作

農地高程及坡向應配合耕作區、農路、灌溉及排水設施，使農機能夠安全進出、轉彎及作業，避免產生過大高差或不連續坡面。

4. 耕作方向以等高線為原則

坡地耕作宜沿等高線方向進行，避免順坡耕作。等高線耕作可降低地表逕流的集中與流速，增加入滲時間，減少細溝沖蝕及土壤流失。

5. 避免造成鄰地或下游不利影響

整坡後不得將逕流水集中排向鄰地、道路、農田或既有脆弱坡面；排水出口應妥善銜接既有水路，並設置必要的消能及防沖蝕措施。

三、挖填方應力求平衡並維持邊坡穩定

整坡工程應儘量採取挖填平衡，以減少外運土方、借土及棄土。土方配置須注意：

• 表土應先行剝離、妥善堆置，完成整坡後回鋪於耕作面。
• 填方材料應適合，並分層填築、分層夯實。
• 填方區不得直接堆置於軟弱地基、湧水處或未處理的沖蝕溝。
• 挖填交界處應妥善處理，避免差異沉陷及裂縫。
• 挖方邊坡與填方邊坡應依土壤、地質、坡高及地下水條件決定坡度，不可任意採取過陡坡面。
• 高填方、深挖方及坡腳地區應設置擋土、護坡、截水或排水設施。
• 邊坡頂部應防止地表水流入，坡腳應防止逕流淘刷。

整坡設計的重點不是單純減少土方量，而是在土方經濟性與長期穩定性之間取得平衡。

四、排水系統應完整配置

農地整坡後，排水系統至少應包含「截水、排水、導流及出口保護」四項功能。

1. 截水

在整坡區上方或坡頂，必要時設置截水溝，攔截坡外逕流，避免外來水流直接進入耕作區或沖刷邊坡。

2. 坡面排水

依整坡高程配置，使農地內部逕流能沿預定方向排出，避免低窪積水及任意漫流。排水坡度應足以維持流動，但不可大到造成沖蝕。

3. 導流與安全排出

排水溝、農路側溝、坡面水路及天然水道應彼此銜接，將逕流導至穩定出口。必要時設置跌水、消能池、沉砂設施或護岸，以降低流速及沖擊力。

核心觀念

本題考查防砂壩攔砂後所造成的下游河床沖刷，以及「向源侵蝕（headward erosion）」的成因與控制方法。

防砂壩攔阻大量砂石後，下游流量仍維持原有規模，但挾砂量降低，形成所謂「清水沖刷」或「飢餓水流」。下游水流因輸砂能力大於實際輸砂量，便會沖刷河床與河岸以補充砂料，造成河床下降。當壩下游產生局部深槽、跌坎或淘刷坑時，侵蝕起點會逐漸向上游移動，形成連續性的河床下切，這種由下游向上游發展的侵蝕即為向源侵蝕。

其發展關係可表示為：

$$\text{防砂壩攔砂} \rightarrow \text{下游輸砂量減少} \rightarrow \text{清水沖刷} \rightarrow \text{河床下切、形成跌坎} \rightarrow \text{侵蝕向上游移動}$$

向源侵蝕的定義與特徵

向源侵蝕是指河道局部侵蝕所形成的沖刷坑、跌坎或侵蝕陡坡，沿河床向上游逐步退縮的侵蝕現象。

主要特徵如下：

1. 侵蝕方向由下游指向上游。
2. 常由防砂壩壩趾淘刷坑、消能工末端或河床跌坎開始。
3. 侵蝕過程會使河床逐段下切，形成連續性的縱向沖刷。
4. 可能造成壩基裸露、壩體失穩、護岸破壞及上游河床銜接段淘刷。
5. 防砂壩級數不足、壩高過大、下游消能不良及河床材料抗沖蝕能力低時，現象更為明顯。

解題方法

本題宜採「成因說明＋控制原則＋工程措施」的方式作答。

控制向源侵蝕的核心，不是單純封閉某一處沖刷坑，而是降低壩下游的水流能量、縮小局部落差、固定河床高程，並使河道縱坡恢復穩定。因此，工程措施應同時處理下列三項問題：

• 防止壩趾及消能工末端局部淘刷。
• 降低壩上下游間的集中落差與流速。
• 防止侵蝕跌坎向上游退縮。

控制方法

一、在下游設置副壩或階梯式防砂壩

於主壩下游適當距離設置副壩、床固工或一系列低壩，使原本集中的高差分散於多個階段。

每一階段的有效落差降低後，水流速度與沖擊能量隨之減小，可避免在單一壩址形成深大沖刷坑。多座構造物共同控制河床縱坡，也能限制侵蝕跌坎向上游移動。

設計時應注意：

• 副壩壩頂高程須與主壩下游河床穩定高程銜接。
• 各壩間距應配合壩高、河床坡度、洪水流速及沖刷坑長度決定。
• 構造物應形成連續的階梯式縱坡，避免相鄰壩間再次產生過大落差。
• 應檢核洪水時的回水、溢流、淘刷及基礎穩定。

二、加強壩下游消能與壩趾防護

在壩下游設置護坦、消力池、消能塊、挑流或其他適當消能設施，使水流的位能及動能在安全範圍內消散，降低壩趾及下游河床的沖刷力。

壩趾及消力池末端可採用下列防護：

• 混凝土護坦或鋼筋混凝土護床。
• 漿砌石、乾砌石或大型塊石護床。
• 鋼筋混凝土齒牆、截水牆及埋設式護腳。
• 必要時設置抗沖刷塊石或柔性護床。

護坦末端不能突然終止，否則水流會在護坦與天然河床交界處集中沖刷，形成新的淘刷坑。末端應設置足夠埋深、護腳及消能銜接設施。

三、設置床固工以固定河床高程

核心觀念

本題考查 USLE 的適用範圍、單場暴雨土壤流失量之估算方法，以及 USLE 的修正與改良。

USLE 的基本式為：

$$A=RKLSCP$$

其中：

• $A$：平均年土壤流失量，通常以 $\mathrm{t/(ha\cdot yr)}$ 表示。
• $R$：降雨沖蝕指數，反映降雨動能與降雨最大強度。
• $K$：土壤可沖蝕性因子。
• $L$：坡長因子。
• $S$：坡度因子。
• $C$：覆蓋與管理因子。
• $P$：水土保持處理因子。

USLE 是根據長期試驗資料建立的經驗模式，主要估算坡面之長期平均年沖蝕量，適用對象以片蝕及細溝蝕為主。其結果不是單場暴雨的即時沖蝕量，也不直接代表集水區出口的輸砂量。

單場暴雨具有明顯的降雨時間分布、逕流量、洪峰流量及土壤含水狀況差異，因此必須採用暴雨事件模式或將降雨因子改為事件尺度。

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一、單場暴雨土壤流失量的可行作法

方法一：採用單場暴雨沖蝕指數計算

將年尺度的 $R$ 因子拆解為單場暴雨的降雨沖蝕指數 $R_e$，再代入 USLE：

$$A_e=R_eKLSCP$$

其中單場暴雨沖蝕指數通常依降雨總動能與最大 30 分鐘降雨強度計算：

$$R_e=E I_{30}$$

• $E$：該場暴雨總降雨動能。
• $I_{30}$：最大連續 30 分鐘降雨強度。

降雨動能可依降雨強度分段計算：

$$E=\sum e_iP_i$$

其中 $e_i$ 為第 $i$ 段降雨之單位降雨動能，$P_i$ 為該段降雨量。

再利用該場暴雨的降雨資料，配合土壤、坡度、坡長、植生覆蓋及水土保持措施資料，估算該場暴雨造成的坡面沖蝕量。

此方法的優點是仍保留 USLE 的架構，計算簡便；缺點是僅將降雨因子改為事件尺度，對逕流產生、土壤入滲、洪峰流量及集水區輸砂過程的描述仍不充分。

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方法二：採用修正通用土壤流失公式 MUSLE

MUSLE（Modified Universal Soil Loss Equation）以暴雨逕流能量取代 USLE 的降雨沖蝕指數，常用形式為：

$$Y=11.8(Qq_p)^{0.56}KLSCP$$

其中：

• $Y$：單場暴雨所產生的泥砂產量。
• $Q$：該場暴雨逕流體積。
• $q_p$：洪峰流量。
• $K、L、S、C、P$：與 USLE 相同。

實際應用時，$Q$、$q_p$、$Y$ 的單位必須與所採用的經驗係數一致；不同文獻及軟體的單位系統不同，係數不可直接混用。

MUSLE 的計算步驟如下：

1. 由設計暴雨或實測暴雨資料，推求降雨歷線。
2. 依集水區面積、土地利用、土壤入滲及逕流參數，計算暴雨逕流體積 $Q$。
3. 由集水區逕流演算，求得洪峰流量 $q_p$。
4. 調查土壤、坡長、坡度、植生覆蓋及水土保持措施，求取 $K、L、S、C、P$。
5. 將各項資料代入 MUSLE，求得該場暴雨的泥砂產量 $Y$。
6. 若欲求坡面實際沖蝕量，須視研究範圍及泥砂收支，配合輸砂率或沉積量進行修正。

MUSLE 的主要改進在於：

• USLE 使用降雨沖蝕指數，MUSLE 使用實際逕流量及洪峰流量。
• 能反映暴雨強度、逕流規模及洪峰對泥砂輸出的影響。
• 較適合單場暴雨及集水區出口泥砂產量估算。
• 不需依賴長期平均降雨沖蝕指數。

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方法三：採用暴雨事件型土壤沖蝕模式

若需較精確估算，可建立事件型土壤沖蝕模式，將暴雨過程分為若干時間間隔，逐時或逐分鐘計算：

1. 降雨量及降雨強度。
2. 入滲量與地表逕流量。
3. 坡面沖蝕率。
4. 泥砂輸移及沉積。
5. 集水區出口輸砂歷線。

此類模式可納入降雨時間分布、前期土壤含水量、地表糙度、植被變化、坡面匯流、河道輸砂及沉積等因素，適合大型集水區、重大暴雨及工程設計分析。

若資料有限，則可採用「降雨—逕流模式」先求 $Q$ 與 $q_p$，再以 MUSLE 推估泥砂量，是工程實務上兼顧簡便性與合理性的作法。

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二、USLE 的改善方式

1. 由 USLE 改為 RUSLE

RUSLE（Revised Universal Soil Loss Equation）仍採用下式：

$$A=RKLSCP$$