110 地方特考四等 水利工程 水資源工程概要 考古題詳解

一、核心觀念

本題分為三部分：

1. 永續發展的定義與主要面向。
2. 聯合國永續發展目標（SDGs）的意義與內容。
3. 水資源永續利用的具體策略。

涉及法規時，以命題當年（民國110年）法規為準。我國《環境基本法》所揭示的永續發展精神，係在滿足當代需求的同時，不損及後代滿足其需求的能力，並兼顧環境保護、經濟發展及社會公平。

二、永續發展的定義與主要面向（10分）

（一）永續發展的定義

永續發展（Sustainable Development）係指：

滿足當代人的需求，同時不損及後代子孫滿足其需求的發展方式。

此一定義源自1987年世界環境與發展委員會所提出的《我們共同的未來》報告，亦稱為「布倫特蘭報告」。

永續發展並非單純的環境保護，而是要求人類在資源有限、環境承載能力有限的條件下，使社會、經濟與環境能夠長期協調發展。

（二）永續發展的主要面向

1. 環境面向

環境面向係永續發展的基礎，重點包括：

• 維護生態系統及生物多樣性。
• 防止水、空氣及土壤污染。
• 合理利用自然資源，避免過度開發。
• 減少溫室氣體排放，因應氣候變遷。
• 維持河川、濕地、森林及地下水等自然環境功能。
• 控制污染排放不超過環境自淨能力及承載能力。

環境承載能力可表示為：

若人類活動所產生的污染或資源消耗超過環境容受量，即會破壞生態系統，降低未來世代的發展機會。

2. 經濟面向

經濟面向強調經濟發展必須具有長期性與效率性，包括：

• 提高能源及資源使用效率。
• 發展循環經濟，減少資源浪費。
• 推動節能、減碳及綠色產業。
• 將環境成本及污染成本納入經濟決策。
• 避免只追求短期經濟成長而犧牲長期環境利益。
• 促進產業轉型，使經濟活動與環境保護相容。

經濟活動不應只計算市場價格，也應納入污染、資源耗竭及生態破壞所造成的外部成本。

3. 社會面向

社會面向重視公平、福祉與基本生活需求，包括：

• 維護世代間公平，使後代保有合理資源。
• 促進不同地區、階級及族群間的公平。
• 確保人民享有安全飲用水、衛生、健康及居住環境。
• 保障弱勢族群及原住民族的權益。
• 促進公共參與及資訊公開。
• 使發展成果能夠公平分配。

水資源分配若只考量經濟利益，可能造成偏遠地區、農業用水或弱勢居民缺水，因此必須兼顧社會公平。

4. 治理與制度面向

現代永續發展亦強調良好治理，主要內容包括：

• 跨部門整合水、土地、農業、能源及環境政策。
• 建立科學監測、資料公開及風險管理制度。
• 依據法規進行環境影響評估。
• 鼓勵政府、產業、學術界及民間共同參與。
• 建立長期規劃、績效評估及責任追究機制。

因此，永續發展可概括為：

其中環境是基礎，經濟是手段，社會公平是目的，治理則是落實永續發展的制度保障。

三、永續發展目標 SDGs（5分）

（一）SDGs的定義

永續發展目標（Sustainable Development Goals, SDGs）係聯合國於2015年通過《2030年永續發展議程》所提出的全球共同發展目標，規劃於2030年前由各國共同推動。

SDGs共有17項目標及169項細項目標，內容涵蓋消除貧窮、社會公平、環境保護、經濟發展及全球夥伴關係。

（二）17項永續發展目標

1. 消除貧窮。
2. 消除飢餓。
3. 良好健康與福祉。
4. 優質教育。
5. 性別平等。
6. 潔淨水與衛生。
7. 可負擔的潔淨能源。
8. 尊嚴就業與經濟發展。
9. 產業、創新與基礎設施。
10. 減少不平等。
11. 永續城市與社區。
12. 責任消費與生產。
13. 氣候行動。
14. 保育海洋生態。
15. 保育陸域生態。
16. 和平、正義與健全制度。
17. 夥伴關係。

（三）與水利工程最相關的目標

水利工程最直接對應第6項目標「潔淨水與衛生」，其核心包括：

• 確保人人享有安全且負擔得起的飲用水。
• 改善水質，減少污染及未經處理的廢水排放。
• 提高水資源利用效率。
• 推動整合性水資源管理。
• 保護河川、湖泊、地下水、濕地等水環境。
• 強化地方及社區參與水資源管理。

此外，水資源亦與第2項糧食安全、第7項能源、第11項永續城市、第12項責任生產、第13項氣候行動及第14、15項生態保育密切相關，顯示水資源政策具有跨領域特性。

四、水資源永續利用的策略（10分）

水資源永續利用應採取「開源、節流、保育、調配、治理及韌性」的整合策略，不能只依賴興建水庫或增加供水設施。

（一）推動需求管理與節約用水

1. 提高民生用水效率

• 推動節水器具及漏水檢查。
• 降低自來水管網漏水率。
• 建立用水量監測及分區管理。
• 透過合理水價反映供水、處理及環境成本。
• 加強節水教育與用水管理。

2. 提高農業用水效率

農業通常是主要用水部門，可採取：

• 農田灌溉渠道改善及管線化。
• 推動精準灌溉、滴灌及噴灌。
• 依作物需水量進行灌溉排程。
• 種植適地適作及耐旱作物。
• 減少輸水及田間灌溉損失。

3. 提高工業用水效率

一、核心觀念

本題比較兩種系統的設計目的：

1. 排水系統：處理暴雨所形成的逕流，重點是「短時間內會有多少水、洪峰多大、何時發生」。
2. 供水系統：確保長期供水可靠，重點是「水源在枯水期間是否足夠、年際變化是否可承受」。

因此，兩者雖均需使用降雨資料，但所取資料的時間尺度、設計基準及分析方法不同。

二、排水系統設計所需的降雨資料

（一）設計目的

排水系統包括都市雨水下水道、道路排水、區域排水、雨水滯洪設施及排洪渠道等，主要目的為排除暴雨逕流，避免積淹水或洪水災害。

設計時通常須求得：

• 集水區之設計降雨量；
• 設計暴雨強度；
• 尖峰降雨發生時間；
• 降雨於時間上的分布；
• 降雨於空間上的分布；
• 由降雨轉換而成的設計洪峰流量及洪水歷線。

（二）資料特性

排水設計主要需要下列降雨資料：

1. 短延時、高強度降雨資料

須蒐集分鐘、 小時級的雨量資料，例如 5 分鐘、10 分鐘、1 小時、2 小時及 24 小時雨量，以建立不同延時的降雨強度。

常用降雨強度—延時—頻率關係式，即 IDF 曲線：

其中：

• $i$：平均降雨強度；
• $t$：降雨延時；
• $a,b,n$：由歷年雨量資料及統計分析求得的參數。

若使用合理化公式估算小型集水區尖峰流量，則：

其中：

• $Q_p$：尖峰逕流量，單位為 $\text{m}^3/\text{s}$；
• $C$：逕流係數；
• $I$：與集水時間相當延時之設計降雨強度，單位為 $\text{mm/hr}$；
• $A$：集水面積，單位為 $\text{km}^2$。

其設計核心是選取與集水時間 $t_c$ 相近的降雨延時，通常採：

使整個集水區在降雨作用下產生較具代表性的尖峰流量。

2. 特定重現期的暴雨資料

排水設施依重要性、保護標的及可接受風險，選用不同重現期，例如 2 年、5 年、10 年、25 年或更高重現期。

重現期 $T$ 的意義為某一設計暴雨在任一年被超過的年發生機率：

例如 10 年重現期暴雨，年超越機率為 $10\%$。重現期不是保證每隔固定年數才發生一次，而是長期統計上的機率概念。

3. 暴雨時間分布資料

相同總雨量若集中在前段、中段或後段，所形成的洪峰大小及發生時間不同。因此排水設計不能只有總雨量，還須有各時間間隔的雨量分配，亦即設計雨型。

4. 空間分布資料

大範圍排水系統、河川排洪及區域排水須考慮暴雨在集水區內的空間差異。單一雨量站資料不一定能代表整個集水區，必要時須利用多站雨量、雷達降雨或面平均雨量進行分析。

三、供水系統設計所需的降雨資料

（一）設計目的

供水系統包括水庫、蓄水池、河川取水、地下水及水庫聯合運用等，其目的為滿足民生、工業、農業及公共用水需求，並維持枯水期供水安全。

供水設計主要關心：

• 長期平均水源量；
• 年、月及旬尺度的降雨變化；
• 枯水期降雨不足情形；
• 連續乾旱期間的水源可用量；
• 降雨對河川流量、地下水補注及水庫入流量的影響；
• 供水可靠度及缺水風險。

（二）資料特性

1. 長期連續降雨資料

供水分析須蒐集長期、連續且品質可靠的雨量資料，通常以日、旬、月及年資料為主，並涵蓋足夠長的觀測年限，以反映年際變化。

排水設計著重單場暴雨；供水設計則須掌握長時間的水文循環及水源變化。

2. 枯水期及乾旱資料

供水系統的關鍵不是單一暴雨，而是連續少雨所造成的水源不足。因此須分析：

• 枯水期降雨量；
• 連續乾旱月數；
• 連續乾旱年數；
• 低降雨序列；
• 低流量及低入流事件；
• 乾旱期間之蒸發散、地下水及水庫入流量。

供水系統常以水文序列進行水庫蓄水演算，基本水量平衡式為：

其中：

• $S_t$：第 $t$ 期蓄水量；
• $I_t$：入流量；
• $R_t$：放水量或供水量；
• $E_t$：蒸發損失；
• $L_t$：其他損失。

設計重點在於判斷不同降雨情境下，水庫能否持續滿足需求，而非求暴雨洪峰。

3. 降雨—逕流及有效水量資料

供水設計不能直接將降雨量全部視為可供水量，須考慮：

• 截留及蒸發；
• 土壤入滲；
• 地表逕流；
• 河川基流；
• 水庫集水區損失；
• 水庫淤積及有效庫容；
• 取水及輸水損失。

因此，供水分析通常須將降雨資料轉換為河川流量或水庫入流量，再進行蓄水及供水演算。

四、排水與供水所需降雨資料之比較

核心觀念

本題分為兩部分：

1. 農業灌溉需水量之決定：先求作物在各生育階段的耗水量，再扣除有效降雨及土壤可利用蓄水量，並考慮田間滲漏、整地、蓄水層補充等特殊用水，最後除以灌溉系統效率，求得渠道或水源端的供水量。
2. 合理農業灌溉用水之推動：以「滿足作物必要需水、減少無效損失、兼顧農業生產與水資源永續」為原則，採取工程、管理、農藝及制度等綜合措施。

本題主要考查水量平衡、作物蒸發散量、有效降雨及灌溉效率等基本概念。涉及農田水利制度時，以命題當年（民國110年）法規為準。

一、農業灌溉需水量之決定

（一）依作物種類及生育期估算耗水量

不同作物、土壤、氣候及生育階段的需水量均不相同，應先依作物種類及種植期建立灌溉計畫。

作物耗水量主要為作物蒸發散量，可用參考作物蒸發散量與作物係數估算：

其中：

• $ET_c$：作物蒸發散量；
• $ET_o$：參考作物蒸發散量；
• $K_c$：作物係數，隨作物種類及生育階段改變。

$ET_o$可利用氣象資料，以蒸發皿法或Penman-Monteith等方法估算；$K_c$則依作物生育期分為初期、發展期、中期及成熟期。

（二）扣除有效降雨及土壤可利用水量

降雨並非全部能供作物利用，必須扣除地表逕流、深層滲漏及短時間內超過土壤入滲能力的部分，所得為有效降雨量 $P_e$。

同時，若土壤中已有可供作物利用的蓄水量，亦可減少灌溉需求。因此，基本淨灌溉需水量可表示為：

其中：

• $NIR$：淨灌溉需水量；
• $W_p$：作物根區以外的深層滲漏或滲流水量；
• $W_l$：整地、田面蓄水層或特殊管理所需水量；
• $P_e$：有效降雨量；
• $\Delta S$：土壤可利用蓄水量的增加值。

若為旱作，主要考慮作物蒸發散量、有效降雨及土壤水分變化；若為水稻等水田作物，則須另外考慮整地灌水、田面水層維持及田間滲漏。

（三）水田作物應加計特殊用水

水稻灌溉需水量通常包括：

1. 整地用水：翻耕、泡田、代耕及整平所需水量。
2. 作物蒸發散量：水稻及田面水分的蒸發散失。
3. 田間滲漏量：水分由根區向下及向側向滲漏的損失。
4. 田面水層補充量：維持適當田面水深所需的補水量。
5. 有效降雨扣除量：降雨可直接供應的部分。
6. 土壤蓄水量變化：前期蓄水可供後期利用時，應予扣除。

水田淨需水量可概括表示為：

其中：

• $P$：田間滲漏量；
• $L$：整地或泡田用水量；
• $W_s$：田面蓄水層補充量。

（四）考慮輸水及田間灌溉效率

作物根區真正需要的是淨灌溉水量，但水由水源輸送至田間，以及由田間供給作物時，均會發生損失。

若：

• $E_c$：渠道輸水效率；
• $E_a$：田間灌溉效率；

則水源端的毛灌溉需水量為：

若只計算田間供水量，則：

全灌區某一期間所需水量為：

其中：

• $V$：該期間總灌溉水量；
• $A$：灌溉面積；
• $GIR$：單位面積毛灌溉需水量。

實際計算時，應以日、旬或月為時間尺度，配合灌溉輪期、尖峰需水期及渠道輸水能力，訂定各期供水量。

二、推動合理農業灌溉用水的方法

（一）建立精確的需水預估制度

依據作物種類、種植面積、生育期、土壤性質及氣象資料，建立分區、分期的灌溉需水量。

具體作法包括：

• 建立作物蒸發散量及作物係數資料。
• 蒐集降雨、溫度、日照、風速及濕度資料。
• 估算有效降雨，而非將全部降雨量直接視為可利用水量。
• 依土壤含水量及根區水分狀況決定灌溉時機。
• 針對乾旱期及尖峰用水期預先編訂供水計畫。

如此可避免固定日曆灌溉造成過量供水，也能降低缺水時的臨時調度壓力。

（二）改善渠道及輸水設施

核心觀念

本題考查工程經濟分析中的「益本比」（Benefit-Cost Ratio, $B/C$），用來比較工程計畫在整個生命週期內所產生的效益與投入成本。

成本與效益須以同一基準計算，通常先依社會折現率換算為現值：

其中：

• $PW(B)$：各期效益折算至基準年之現值。
• $PW(C)$：各期成本折算至基準年之現值。
• 成本應包括初期建造成本、土地成本、操作維護成本及更新成本等。
• 效益應包括防洪、供水、發電、灌溉、航運等可量化效益。

解題方法一：判斷單一工程是否經濟可行

當：

表示效益現值大於成本現值，工程具有正的經濟淨效益，屬於經濟可行。

當：

表示效益現值恰等於成本現值，經濟上達到損益平衡，通常可視為最低可接受條件。

因此，工程規劃案可視為經濟可行的判斷標準為：

若題目要求「具經濟效益」或「值得投資」，則通常以 $B/C>1$ 表示具有正的淨效益。

亦可用淨現值表示：

當：

其判斷結果與 $B/C\geq 1$ 相同。

解題方法二：多個規劃方案的選擇

若多個方案彼此互斥，即只能選擇其中一案，不能只直接選擇普通益本比最大的方案。正確程序如下。

第一步：將各方案成本與效益換算為現值

對每一方案計算：

並計算其淨現值：

所有方案必須採用相同的分析年限、社會折現率及成本效益定義。

第二步：剔除不具經濟效益的方案

若某方案：

或：

則該方案不具經濟可行性，原則上不予採用。

若某一方案的成本較高、效益反而較低，則該方案被其他方案「支配」，可直接剔除。

第三步：依成本由小至大排列

將剩餘方案依成本現值由小到大排列，並以成本較低方案作為基準方案，逐一進行增量比較。

設高成本方案為 $H$，低成本方案為 $L$，則增量益本比為：

其中：

第四步：進行增量益本比判斷

• 若：

核心觀念

本題考查「水庫運轉規線」的意義，以及不同水庫任務對蓄水位、蓄水量控制方式的影響。

水庫運轉規線係指水庫依月份或時期所訂定的蓄水位、蓄水量控制基準，用以決定蓄水、供水、發電、放水及防洪操作。其制定必須同時考量：

• 入流量及其季節變化。
• 下游用水需求。
• 洪水調節需求。
• 發電需求及水頭變化。
• 水庫有效容量、呆水位及安全限制。
• 供水可靠度、防洪標準及缺水風險。

水庫基本水量平衡式為：

其中，$S_t$ 為第 $t$ 期蓄水量，$I_t$ 為入流量，$R_t$ 為放流量，$E_t$ 為蒸發及其他損失量。

一、德基水庫與石門水庫目的之差異

1. 德基水庫：以水力發電及水量調節為主要目的

由圖可見，德基水庫以水庫水位運轉規線表示，水位約於冬季及秋季較高，夏季逐漸降低，7月附近降至最低，之後再於汛期後回升。

其運轉特性主要反映：

• 利用水庫蓄水維持發電水量。
• 藉由水位高低維持適當水頭，以增加發電效益。
• 配合下游電廠及尖峰負載需求調節放水。
• 依季節入流量調整蓄水，兼具河川流量調節功能。
• 由於主要任務偏重發電，運轉規線重點在於「水量與水頭的時間配置」。

因此，德基水庫的規線主要是水位隨季節及發電需求變動的單一控制線，圖中未特別呈現供水上限、下限及防洪限制等多重界線。

2. 石門水庫：以供水、防洪及綜合利用為主要目的

石門水庫為多目標水庫，主要功能包括：

• 民生及工業用水供應。
• 農業灌溉用水供應。
• 洪水調節及下游防洪。
• 水力發電。
• 河川流量及水資源調配。

圖中石門水庫以有效蓄水量表示，並有三條主要運轉界線：

1. 上限線：水庫正常蓄水或防洪控制上限。
2. 下限線：維持正常供水及運轉所需的最低蓄水量。
3. 嚴重下限線：發生枯旱時的緊急供水控制線。

其運轉規線呈現明顯的季節性：

• 5月至7月為汛期，預先降低蓄水量，以保留防洪容量。
• 汛期後入流增加，水庫逐步蓄水。
• 冬季及春季蓄水量維持較高，以準備供應枯水期用水。
• 當蓄水量低於下限線時，須採取限水、調整供水標準或啟動抗旱措施。

3. 兩者差異整理

二、水庫運轉規線之決定方法

1. 蒐集基本資料

首先蒐集水庫運轉所需資料，包括：

• 長期及短期入流量資料。
• 降雨、蒸發量及氣象資料。
• 民生、工業、農業用水需求。
• 洪水頻率及設計洪水資料。
• 發電負載、水頭及機組效率。
• 水庫容量曲線、洩洪能力及下游河道容量。
• 上游、下游及其他水庫的聯合運轉條件。

入流量應依月份或旬別建立機率分布，以反映豐水年、平水年及枯水年的差異。

2. 設定水庫運轉限制

依水庫用途及安全條件訂定各項限制：

（1）蓄水量限制

其中，$S_{\text{dead}}$ 為呆水容量，$S_{\max}$ 為最大蓄水量。

（2）放流量限制

放流量須符合下游河道容量、發電機組能力及最低河川維持流量。

（3）供水限制

供水量不得超過可供水量，且須維持各類用水的最低需求。若水庫進入缺水狀態，應依既定分級原則實施限水。

（4）防洪限制