107 高普考普通考試 水土保持工程 土壤沖蝕及水土保持概要 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評量考生對台灣特殊地質條件下「土壤沖蝕歷程」與「惡地地形發育機制」之綜合理解與專業論述能力。核心觀念涵蓋：

1. 泥岩物理與礦物特性：台灣西南部（古亭坑層）與東南部（利吉層）泥岩具膠結不良、黏土礦物遇水易膨脹分散、乾燥易龜裂收縮之崩解性（Slaking）。
2. 水蝕演進機制：依循流水沖蝕之基本發育階序：雨滴飛濺沖蝕（Splash erosion）$\rightarrow$ 片狀沖蝕／面蝕（Sheet erosion）$\rightarrow$ 細溝沖蝕（Rill erosion）$\rightarrow$ 蝕溝沖蝕（Gully erosion）。
3. 管湧與重力沖蝕複合作用：沿裂隙入滲產生之管湧沖蝕（Piping / Tunnel erosion）、表層軟化滑落（Slump）及泥流（Mudflow）。
4. 土壤流失通用公式（USLE）之關聯參數：高土壤沖蝕性因子（$K$ 值極大）與植生覆蓋缺乏（$C$ 值接近 $1.0$）加速沖蝕循環。

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解題方法

申論題型宜採「因果鋪陳、階段演進、地貌總結」的三段式架構切入：

1. 背景特性（成因分析）：先簡短交代青灰色泥岩之岩性（乾縮濕脹、極易泥化與崩解、鹽分高），說明其為沖蝕營力之脆弱受體。
2. 沖蝕發展型態（主體推展）：依照沖蝕營力與地表水流集中程度，條列說明自微觀到巨觀的發育歷程（飛濺 $\rightarrow$ 逕流面蝕 $\rightarrow$ 細溝與蝕溝 $\rightarrow$ 管狀伏流與邊坡坍塌）。
3. 終極地貌與危害（情形歸納）：說明沖蝕最終形成的「惡地（Badlands）」地貌特徵（如刃嶺、鋸齒狀邊坡、殘丘），以及高濁度泥流、水庫淤積等下游環境衝擊。

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選項分析

本題為申論題（非選擇題），閱卷評分重點在於能否完整鋪陳「沖蝕階段演進」與「泥岩特殊沖蝕機制（如伏流管湧、泥化滑落）」，各部分評分權重分析如下：

• 泥岩地質與物理特性（約佔 $20\%$ 配分）：若漏未說明「乾裂」、「遇水崩解泥化」等特徵，無法突顯以泥岩為例之專屬性。
• 沖蝕發展型態與階段（約佔 $50\%$ 配分）：評分核心。必須精確寫出飛濺沖蝕、片狀沖蝕、細溝沖蝕、蝕溝沖蝕及重力沖蝕之先後發展序列。
• 特殊沖蝕情形與惡地地貌產出（約佔 $30\%$ 配分）：針對「管狀沖蝕（Piping）」、「泥流」及「惡地（月世界）」之描述，為取得高分之關鍵鑑別點。

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解題技巧

1. 記憶口訣與名詞串聯：記誦發育序列「濺 $\rightarrow$ 面 $\rightarrow$ 細 $\rightarrow$ 溝 $\rightarrow$ 伏 $\rightarrow$ 崩」，閱卷委員閱卷速度快，標題直接點出沖蝕專有名詞（Splash, Sheet, Rill, Gully, Piping, Mass Movement）即可穩拿基本分。
2. 避開常見陷阱：切忌通篇僅描寫「月世界很荒涼、草木不生」等地理遊記式詞彙，必須回歸《土壤沖蝕學》之力學、水文學與土壤物理學名詞。
3. 篇幅配置技巧：試卷作答約佔一頁半（約 30～35 行），各沖蝕階段以小標題分項並列，並簡述每一階段的水理機制。

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【答案】

核心觀念

本題旨在測驗考生對水土保持工程核心經驗模式——「通用土壤流失公式」（Universal Soil Loss Equation, USLE）的基本假設、理論邊界以及在臺灣特殊水文地質環境下之實務應用限制。

1. USLE 模式基本定義： USLE 是由美國農業部農業研究署（USDA-ARS）Wischmeier 與 Smith 於 1965 年提出（1978 年修訂），用於推估坡面長期平均土壤沖蝕量之經驗經驗式： $A = R \cdot K \cdot L \cdot S \cdot C \cdot P$ 式中：

• $A$：年平均土壤流失量（單位面積土壤沖蝕量，$\text{t/ha/yr}$ 或 $\text{metric ton/ha/year}$）
• $R$：降雨沖蝕指數因子（Rainfall and runoff erosivity factor）
• $K$：土壤沖蝕性因子（Soil erodibility factor）
• $L$：坡長因子（Slope length factor）
• $S$：坡度因子（Slope steepness factor）
• $C$：覆蓋與管理因子（Cover and management factor）
• $P$：水土保持處理因子／支持實施因子（Support practice factor）

2. 法規依據： 以命題當年（民國 107 年）法規為準，依據當時《水土保持技術規範》第 35 條規定，整地工程之土壤流失量估算，原則上即採用通用土壤流失公式或修正式通用土壤流失公式（RUSLE）。（註：現行《水土保持技術規範》歷經修正，其估算精神與計算式仍沿用此一體系）。

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解題方法

本題為經典的二段式申論問答題，切入點應分為「理論假設之適用範疇」與「臺灣在地環境之適用衝突」兩大構面：

1. 第一部分：說明適用範圍 從 USLE 最初建立之「標準試驗區條件」（坡度 $9\%$、坡長 $72.6\text{ ft} \approx 22.13\text{ m}$、連續休耕裸露地）反推其適用邊界。必須從「沖蝕類型」、「時間尺度」、「地形地貌」與「泥砂運移階段」四個維度明確劃定界線。

2. 第二部分：分析在臺灣使用常發生的問題 以臺灣特殊的自然環境（造山帶地質脆弱、坡陡流急、颱風豪雨極端集中）對比美國中西部大平原之溫和農地條件，從「地形過陡導致外推失真」、「主導沖蝕型態不合」、「單場極端降雨無法估算」、「本土化試驗參數欠缺」等四大面向深度剖析。

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選項分析（申論論點深度剖析）

本題為申論題型，閱卷重點在於考生能否精準命中評分標準中的核心論點。以下針對本題兩大問之答題論點進行嚴謹之剖析：

一、USLE 適用範圍之四大邊界分析

1. 沖蝕類型邊界（僅限面蝕與細溝蝕）：

• 正確定位：USLE 僅能推估由雨滴打擊引起的「濺蝕（splash erosion）」、薄層漫流引發的「面蝕／片蝕（sheet erosion）」以及初步微小水流切割的「細溝蝕（rill erosion）」。
• 限制排除：不適用於「蝕溝沖蝕（gully erosion）」、河道沖刷（stream bank/bed erosion）以及重力崩塌、地滑、土石流等「塊體運動（mass wasting）」。

2. 時間尺度邊界（長期平均值，非單場暴雨）：

• 正確定位：$R$ 因子係多年降雨動能乘上最大 30 分鐘降雨強度（$EI_{30}$）之長期累加平均值，故公式輸出之 $A$ 僅代表「多年平均土壤流失量」。
• 限制排除：不可直接用於推估「單一場次颱風暴雨」的即時沖蝕量（若需推估單場沖蝕量，應改用修正版 MUSLE 模式）。

3. 地形與空間尺度邊界（中緩坡農地與均勻坡面）：

• 正確定位：適用於坡度平緩至中度（一般建議小於 $18\% \sim 20\%$）之均勻斜坡面。
• 限制排除：不適用於坡度超過 $20\%$（約 $11.3^\circ$）之極陡坡，亦不適用於具有窪蓄、沉積階地之複雜不規則複合坡面。

4. 產砂機制邊界（總沖蝕量，非集水區出砂量）：

• 正確定位：計算結果為坡面單元的「土壤脫離並被運移之總量」。
• 限制排除：未扣除坡趾、窪地或植被阻攔沉積的泥砂，因此不等於集水區出口的「泥砂生產量（Sediment Yield）」，必須搭配泥砂遞送率（Sediment Delivery Ratio, $SDR$）修正。

二、臺灣應用時常發生之四大問題剖析

1. 坡度因子（$S$）於陡坡推估失真：

• 臺灣山坡地多在 $30\%$ 以上，甚至大於 $55\%$（三級坡至六級坡）。原始 USLE 的 $S$ 經驗多項式在陡坡區外推時，沖蝕量呈現等比級數暴增，導致估算數值嚴重偏高且不合理。

2. 主要泥砂來源與公式假設不符：

• 臺灣集水區出砂主要來自新期造山帶引發之地質崩塌、深層滑動、蝕溝發展與土石流（重力塊體運動佔比常超過 $70\% \sim 80\%$）。若僅以 USLE 推估，會嚴重「低估」集水區實際總產砂量。

3. 極端氣象（颱風、短延時強降雨）無法反映：

• 臺灣降雨極端集中，全年度 $80\%$ 以上的沖蝕常由少數一至兩場颱風或梅雨豪雨造成。

本題為民國 107 年公務人員普通考試「水土保持工程」類科《土壤沖蝕及水土保持概要》之申論試題。以下為標準參考書等級之詳解：

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核心觀念

1. 通用土壤流失公式（USLE）架構： Wischmeier 與 Smith 提出之通用土壤流失公式為： $A = R \cdot K \cdot L \cdot S \cdot C \cdot P$ 式中：

• $A$：單位面積年土壤流失量（$\text{t/ha/yr}$ 或 $\text{ton/acre/yr}$）。
• $R$：降雨及逕流沖蝕指數因子（Rainfall and runoff erosivity factor, $\sum EI_{30}$）。
• $K$：土壤可蝕性因子（Soil erodibility factor）。
• $L$：坡長因子（Slope length factor）。
• $S$：坡度因子（Slope steepness factor）。
• $C$：植生覆蓋與管理因子（Cover and management factor）。
• $P$：水土保持處理因子（Support practice factor）。

2. 土壤可蝕性因子 $K$ 的標準定義： $K$ 值係指在標準試區（Unit Plot）​條件下，單位降雨沖蝕指數（$R$ 單位）所引起的單位面積土壤流失量。 其物理意義為土壤本身的內在抗蝕能力，值越大代表土壤越容易被沖蝕。

3. 標準試區（Unit Plot）之基準規格： 為單獨分離出 $K$ 因子，試驗小區必須設定在基準狀態，使得地形因子與管理因子皆為 $1.0$：

• 坡長：$72.6\text{ ft}$（約 $22.13\text{ m}$），使 $L = 1.0$。
• 坡度：均勻坡度 $9\%$（約 $5.14^\circ$），使 $S = 1.0$。
• 地表覆蓋與管理：維持連續裸露休閒（Continuous fallow）​狀態，無植生覆蓋，定期順坡耕作以打破結皮並抑制雜草，使 $C = 1.0$。
• 水土保持處理：無任何等高耕作、敷蓋或梯田等保土措施，使 $P = 1.0$。

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解題方法

透過現地自然降雨試驗推求 $K$ 值，核心邏輯是控制其他因子為 $1$（或透過公式校正去除），直接量測土壤流失量 $A$ 與降雨沖蝕指數 $R$，再經由回歸分析求取 $K$。具體實施步驟如下：

一、 現地逕流沖蝕試區（Runoff Plot）設置

1. 選址與規格建置：

• 選擇目標土壤類型具代表性之現地坡面。
• 依據標準試區尺寸劃定：長度 $22.13\text{ m}$、坡度 $9\%$、寬度通常取 $1.8\text{ m} \sim 2.0\text{ m}$。

2. 邊界隔離與收集系統：

• 試區周圍設置隔板（鍍鋅鐵板或混凝土側牆），插入土中防止外側逕流匯入與試區內泥砂側漏。
• 下坡端設置集流槽（Collection trough）、沉砂箱／沉砂桶與分流器（如 Coshocton 分流輪或多槽分流桶），確保所有沖出之逕流與泥砂完整被收集。

二、 試驗地面管理與條件控制

• 試區保持「連續裸露休閒」狀態。
• 隨時清除雜草，並在雨後適時沿坡向進行耕耘鬆土，防止硬皮發育並維持土壤自然裸露結構，確保： $L = 1.0,\quad S = 1.0,\quad C = 1.0,\quad P = 1.0$

三、 觀測資料之收集與量測

試驗需歷經多年之自然降雨（通常至少 3 至 5 年以上以涵蓋氣候豐枯變異），並針對每一場沖蝕性降雨觀測下列數據：

1. 降雨量及降雨強度記錄：

• 試區旁設自記雨量計，連續記錄各降雨事件之降雨歷線。
• 篩選沖蝕性降雨事件（一般指單場降雨量達 $12.7\text{ mm}$ 以上或 15 分鐘降雨量達 $6.35\text{ mm}$ 以上）。

2. 土壤沖蝕流失量量測：

• 於降雨事件結束後，量測集砂系統中之逕流水體積與沉降泥砂重量。
• 經充分攪拌取樣後置於烘箱以 $105^\circ\text{C}$ 烘乾稱重，換算為該場次單位面積之乾土流失量 $A_i$（$\text{t/ha}$ 或美制單位）。

四、 降雨沖蝕指數 $R$ 之計算

針對每一場次沖蝕性降雨，依據雨量歷線計算該場降雨之總動能 $E$ 與最大 30 分鐘降雨強度 $I_{30}$：

核心觀念

本題考查水土保持工程中​「陡坡邊坡穩定與生態工程整合」​之核心實務，具體涵蓋：

1. 自由梁格框工法（Free-frame Cribwork）機制：利用現場噴凝土或預鑄梁格框，結合岩栓（土釘/錨筋）錨定於坡面，主要功能在於提供表層土體被動抗力、防止淺層滑動，並利用框內空間進行綠化。
2. 陡坡極端微氣候與植生微環境：陡坡（坡度通常大於 $45^\circ$ 或 $1:1$）具有逕流流速快、入滲率低、保水保肥不易、日照輻射強烈及蒸發散旺盛等嚴苛物理環境。
3. 客土基材之物理平衡與植生演替：客土厚度與自重對抗下滑力之平衡機制、客土與風化岩面之介面黏著強度，以及草、灌、喬植物群落向原生相演替之生物學原理。
4. 法規與規範依據：以民國 107 年版《水土保持技術規範》第 151 條至第 155 條（邊坡植生工程）、第 166 條（格框護坡工程）為技術基準。

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解題方法

本題為典型的「成因剖析與對策研擬」申論題，切入點應採取系統性要因歸納法，切忌零碎列舉。解題架構區分為「失敗原因」與「改善方法」兩大主軸，各依循四個關鍵維度對應鋪陳：

1. 力學與構造維度：重力下滑力、基材脫落、錨定與支承問題。
2. 水文與氣候維度：降雨沖蝕、集中逕流、乾旱蒸發、保水問題。
3. 土壤與基材維度：配比不良、厚度不足、養分流失、酸化或硬化。
4. 植物生態與養護維度：物種耐受性、深根性不足（花盆效應）、養護期缺水。

透過「問題機制 $\rightarrow$ 改善措施」一對一明確呼應，使評閱委員一目了然。

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選項分析

本題非選擇題，考題核心著眼於四項破壞因子與機理之評估：

1. 重力下滑與界面剪力破壞因子：框內客土厚度增加雖利於植物扎根，但自重增加會導致下滑剪應力 $\tau = \gamma \cdot z \cdot \sin\theta \cdot \cos\theta$ 增大。若底部未設托土支承，遇水飽和即沿岩面脫落。
2. 水力沖刷與侵蝕因子：坡頂未截水或坡面逕流集中，導致雨滴打擊與逕流剪應力超過客土容許抗蝕力，基材被掏空。
3. 植物生理限制因子（花盆效應）：岩層風化不全且未鑽孔打通節理，根系無法穿透進入深層母岩，侷限於格框內部淺層客土，根團糾結萎縮，枯水期無深層水源支撐。
4. 演替退化因子：全採用單一生長快速之外來禾草（如百喜草），速生後迅速耗竭基材養分，缺乏木本植物遮蔭與固土，2～3 年後全面退化枯死。

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解題技巧

1. 結構編排對稱性：試卷作答時，將「失敗原因」分成 4 點，「改善方法」同樣對應分成 4 點，前後使用相同標題關鍵字（如：水文、構造、基材、植生），閱卷分數最高。
2. 必用專業關鍵詞：花盆效應（Pot effect）、厚層基材噴植、先驅陽性樹種、抗沖蝕網袋、托土條/托土網、截水溝。
3. 警惕答題陷阱：不可僅寫「沒有澆水」或「雨太大」等口語化答案，必須提升至工程與生態學術語（如「缺乏灌溉系統與初期保溫被覆」、「未設截排水設施導致水流集中沖蝕」）。

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【答案】

臺灣地區陡坡自由梁格框客土植生失敗之原因與改善方法

一、可能之失敗原因

核心觀念

1. 非點源污染（Non-point Source Pollution, NPS）：又稱面源污染，指污染物非來自單一特定管線或排放口，而是廣泛散布於地表，於降雨事件中受逕流沖刷、淋溶，匯入水體的污染型態。其具隨機性、廣域性、間歇性與監測防治不易等特質。
2. 優養化（Eutrophication）：水體注入過量氮（N）、磷（P）等植物營養鹽，導致藻類過度繁殖（藻華），降低水體透明度；藻類死亡分解時消耗大量水中溶氧（DO），造成水質惡化、厭氧發臭，並威脅水生生態與自來水供水安全。評估常採卡爾森優養指數（Carlson's Trophic State Index, CTSI），指標包含透明度（SD）、葉綠素-a（Chl-a）與總磷（TP）。淡水水庫通常以「磷」為主要限制因子。
3. 水土保持與非點源污染之關聯：磷酸鹽極易吸附於土壤細顆粒（黏土、粉土）表面。集水區之土壤沖蝕與崩塌，不僅造成庫容淤積，更是將大量附著性營養鹽載運入庫的關鍵途徑。
4. 法規依據：涉及《水土保持法》、《水污染防治法》、《自來水法》（水質水量保護區）及《飲用水管理條例》等法規之劃定與管制（以命題當年民國 107 年法規為準）。

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解題方法 本題為標準的觀念與實務整合型申論題，切入策略應兼顧「水保工程」與「環境水質」專業：

1. 成因分析採「源頭 $\rightarrow$ 輸送途徑 $\rightarrow$ 受體反應」三階段展開：

• 先界定台灣高山陡坡、降雨集中的自然背景。
• 再剖析集水區人為活動（農墾、施肥、遊憩、崩塌沖蝕）產生面源污染的機制。
• 說明泥砂攜帶營養鹽注入水庫，打破水體養分平衡引發優養化。

2. 整治對策採「源頭管理（非結構性） $\rightarrow$ 逕流攔截（結構性工法/BMPs） $\rightarrow$ 庫區末端治理」層次陳述：

• 凸顯水土保持的最佳管理作業（Best Management Practices, BMPs），包括植生過濾帶、人工濕地、草溝等低衝擊開發（LID）或生態工程技術。

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選項分析 本題為申論題，無單選或複選選項。考生作答時須依題意分成「成因」與「整治」兩大主軸，各條列出 3 至 4 個核心論點，避免流於空泛或只偏重單一方面。

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解題技巧

1. 避免落入「點源」陷阱：切忌大量描寫工廠廢水管、都市下水道等點源排放，必須鎖定「集水區農業、果園、茶園、崩塌地、露營區及分散聚落」等面源特性。
2. 強化「土砂與水質之耦合關係」：閱卷老師為水保類科學者，關鍵亮點在於指出「顆粒態磷（Particulate Phosphorus, PP）吸附於沖蝕土砂」是集水區面源污染的主要傳輸載體，控制土壤沖蝕即是控制磷負荷。
3. 記憶架構化：成因記「天、地、人、水」（氣候、地形地質、土地利用、水庫滯留）；整治記「源頭減量、途中阻截、庫內處理」。

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【答案】

一、非點源污染造成水庫優養化之成因

(一) 自然水文與地形地質特性

1. 地勢陡峻與地質破碎：臺灣集水區坡陡流急、岩層脆弱，地震與風災頻繁，極易產生崩塌及沖蝕。
2. 降雨時空高度集中：梅雨與颱風帶來高強度暴雨，地表逕流沖刷能量巨大，快速淋洗地表沉積物與泥砂。