107 高普考普通考試 水土保持工程 集水區經營與水文學概要 考古題詳解

核心觀念

本題旨在評量考生對「臺灣水文環境特性」與「集水區經營管理策略」的整合論述能力。核心考點包含：

1. 水文學降水機制與時空變異：臺灣受海陸位置、大氣環流（東北季風、西南氣流、梅雨鋒面、熱帶氣旋／颱風）與中央山脈地形抬升（地形雨、迎風面與背風面效應）影響，所形成的降水時間與空間高度不均勻特性。
2. 集水區水資源管理原理：依據《水土保持法》、《水利法》（以命題當年民國 107 年法規體制為準）之精神，集水區經營著重於「涵養水源」、「減輕沖蝕與崩塌」、「延緩洪峰」、「維持水庫有效庫容」及「水資源多元調配」。

解題方法

本題屬標準的「申論型」題型，解題架構宜採「水文特徵剖析 $\rightarrow$ 水資源衝擊歸納 $\rightarrow$ 因應對策擬定」之層次開展：

1. 降水時空分布特徵：必須嚴格劃分為「時間分布」與「空間分布」兩大主軸，並輔以關鍵水文量化數據（如年平均降雨量約 $2,500\text{ mm}$、豐枯水期比例等），以展現專業度。
2. 集水區因應措施：須扣緊「集水區（Watershed）」的空間維度，切勿泛泛空談都會端節水，應自上游至中下游系統化開展，涵蓋「水源涵養與林相保育」、「防砂與水庫防淤」、「非工程與智慧管理」及「多元水資源調度」四大面向。

選項分析

本題為申論題，無選擇選項。閱卷評分關鍵落點分析如下：

• 完整性：若僅寫降水特徵而漏答因應措施，或僅論時間分布而遺漏空間分布，將遭扣除一半以上配分。
• 針對性：因應措施若脫離集水區範疇（例如大篇幅論述家用省水馬桶、自來水漏水率改善），無法獲得核心高分；必須以集水區保水、蓄水、防砂及治理為主體。
• 數據與專業詞彙：精確使用水文術語（如梅雨、颱風雨、地形雨、迎風面、背風面、水庫防淤隧道、綠色水庫、特定水土保持區等）為取得優等分數之關鍵。

解題技巧

1. 口訣記憶法：

• 降水特徵記「量大時空偏、夏豐冬日乾、山迎雨沛沛、離島平原欠」。
• 管理措施記「源頭涵養好、水庫清淤早、聯通智慧調、治理法規保」。

2. 常犯陷阱：

• 誤以為臺灣雨量多就代表「水資源充沛」：應強調臺灣年降雨量雖為世界平均值約 $2.5\sim 3$ 倍，但因人口稠密且降雨時空極端集中，每人每年分配雨量僅為世界平均值的五分之一，屬於實質缺水地區。
• 忽略地質與地形條件：降水集中伴隨高山陡峭、地質破碎，極易引發土石流與水庫淤積，因此集水區水資源管理不能單論「水量」，必須「水、土、砂」共治。

【答案】

一、臺灣地區降水時空分布特徵

臺灣年平均降雨量約達 $2,500\text{ mm}$，約為全球平均值之 $2.5\sim 3$ 倍，水資源總量看似豐沛，但在時空分布上具有極高度的不均勻性，主要特徵如下：

(一) 時間分布特徵（豐枯懸殊、年際變異大）

1. 豐枯水期截然分明：

• 全年降雨高度集中於 5 月至 10 月之「豐水期」，降雨量佔全年總量約 $75\%\sim 80\%$；11 月至翌年 4 月為「枯水期」，僅佔約 $20\%\sim 25\%$。
• 南部地區豐枯比更為極端，豐水期降雨可佔全年 $85\%\sim 90\%$，枯水期僅約 $10\%$，形成嚴重的季節性乾旱週期。

2. 主要降雨成因具季節規律與極端性：

• 5～6 月：滯留鋒面形成之「梅雨」，降雨範圍廣、歷時長。
• 7～10 月：熱帶氣旋（颱風）及西南氣流，常伴隨短延時高強度之強降雨，為豐水期水量之主體。

核心觀念

本題測驗考生對集水區整體治理規劃（Watershed Conservation and Management Planning）前期調查作業之實務理解與跨機關資料整合能力。

依據命題當年（民國 107 年）之《水土保持法》、《水土保持法施行細則》與《水土保持技術規範》，集水區治理規劃係以水土資源永續利用與減災為導向，治理規劃的本質為「以水文為經、土砂為緯、保全為核心」。欲進行合理之工法配置、工程規模設計（如防砂壩壩高、滯洪池容量）與非工程避災對策，必須掌握「氣象水文、地形地質、土地利用與植生、土砂災害現況與既有設施、社經人文與法定保育管制」等五大向度之基線資料（Baseline Data）。

法規與體系依據說明： 本題解答以命題當年（民國 107 年）之行政機關組織架構與作業規範為準。現行中央行政組織已於民國 112 年大幅改制（如「行政院農業委員會」升格為「農業部」、「行政院環境保護署」升格為「環境部」等），解題時仍以民國 107 年法定權責機關列述，並於備註標註現行改制名稱，以維持答題精準度。

解題方法

本題屬標準的「申論結構題」，切忌以散彈式或純文字條列回答，建議採結構化分類法與**矩陣對照（表格化）**呈現：

1. 系統化分類：將龐雜的集水區調查資料按「天（氣象水文）」、「地（地形地質土壤）」、「物（土地利用與林相被覆）」、「害與工（土砂災害與防砂設施）」、「人與法（社經人文與法定分區）」五大模組切入，展現專業邏輯。
2. 具體列舉項目：資料種類不可僅寫空泛大項（例如不可只寫「水文」，必須明確寫出「設計暴雨量、逕流係數、洪峰流量 $Q_p$、雨量歷線」）。
3. 精準對應主管產製機關：指出國家法定專門產製該資料之第一手機關。

選項分析

本題為專業申論題，非選擇題型。閱卷評分著重於：

• 分類之完整性：是否漏掉「社經人文與既有設施」等常被忽略的非自然因子。
• 項目之技術內涵：各項資料能否精準鏈結至水土保持工程設計指標（如土壤沖蝕指數 $K$、土砂生產量等）。
• 機關之精確度：能否明確寫出具法定權責之中央一級或二級機關。

解題技巧

1. 作答口訣「天、地、物、害、人」：

• 天：氣象、水文、水質。
• 地：地形（DEM）、地質構造、土壤沖蝕度。
• 物：林相、覆蓋率、土地利用分區。
• 害與工：崩塌地、土石流潛勢溪流、既有防砂構造物。
• 人與法：聚落保全對象、特定水土保持區、各類保護區。

2. 得分版面配置：申論作答時務必繪製清晰的「四欄式表格」（資料類別、蒐集之具體資料項目、資料來源主管單位、工程規劃應用目的），一目了然且版面份量扎實。
3. 常見陷阱：

• 誤將「資料處理方法」（如 GIS 分析）當成「蒐集的基本資料種類」。
• 資料來源單位寫得過於籠統（如僅寫「政府機關」或「大學研究單位」）。
• 遺漏「已建工法構造物調查」，導致規劃時無法評估上游既有壩體淤滿或破損現況。

【答案】

集水區調查治理規劃係集水區經營、土砂防治與水資源永續利用之科學基礎。規劃作業前應蒐集之基本資料種類、具體項目及其資料來源單位（以民國 107 年行政架構為主，並註記現行改制機關）詳如下表及說明：

一、基本資料種類與資料來源機關對照表

核心觀念

本題旨在評量考生對集水區水文學中「降雨逕流模式」之基礎理論、參數決定方法，以及面對當代環境變遷時對水文假設與參數應變之分析能力。

1. 合理化公式（Rational Formula）之定義與工程單位制： 依據水利與水土保持工程慣用之公制單位（參照中華民國 107 年命題當時施行之《水土保持技術規範》第 18 條規定）： $Q_p = \frac{1}{360} C \cdot I \cdot A$ 式中：

• $Q_p$：設計洪峰流量（$\text{m}^3/\text{s}$，cms）。
• $C$：無因次逕流係數（Runoff Coefficient，值域為 $0 \le C \le 1$）。
• $I$：在集流時間內之平均降雨強度（$\text{mm/hr}$）。
• $A$：集水區面積（$\text{ha}$，公頃）。
• $\frac{1}{360}$：單位換算常數（將 $\text{ha} \cdot \text{mm/hr}$ 轉換為 $\text{m}^3/\text{s}$）。

2. 基本水文假設：

• 降雨在整個集水區內均勻分布。
• 降雨強度在集流時間（Time of Concentration, $t_c$）內維持定值。
• 降雨延時大於或等於集流時間（$t_d \ge t_c$）時，集水區內所有點之逕流均到達出口，達到最大逕流率（洪峰）。
• 逕流係數在降雨歷程中為一常數（隱含入滲及各項初期損失率為固定比例）。
• 適用範圍：一般應用於無滯洪設施且面積較小之集水區（依規範通常適用於面積小於 100 公頃者）。

3. 環境變遷對水文循環之衝擊：

• 氣候變遷：破壞水文統計之「定常性假設（Stationarity）」，導致極端降雨頻率及強度變異，挑戰降雨均勻分布與強度固定之假定。
• 人為環境變遷：土地利用與地表覆蓋改變（如森林開墾、都市化不透水鋪面增加、排水工程渠道化），改變下滲能力、截留容量及水力粗糙度，直接驅動參數 $C$ 與 $t_c$ 劇烈變化。

解題方法

本題屬於申論題，答題架構應先呈現合理化公式推估洪峰流量之標準程序，再從水文參數受擾動之機制，分別深入探討氣候變遷與人為環境變遷對公式應用之影響。

一、利用合理化公式推估洪峰流量之作業步驟

1. 劃定集水區並計算面積（$A$）： 利用數值高程模型（DEM）或等高線地形圖，標定集水區出口斷面，沿分水嶺勾繪集水區邊界，測算集水區投影面積 $A$（單位換算為公頃，$\text{ha}$）。

2. 推估綜合逕流係數（$C$）： 調查集水區內土壤質地、坡度、地表覆蓋與土地利用類型。若集水區包含多種土地利用，採加權平均法計算綜合逕流係數 $\bar{C}$： $\bar{C} = \frac{\sum_{i=1}^{n} C_i \cdot A_i}{\sum_{i=1}^{n} A_i}$ 其中 $A_i$ 為第 $i$ 種土地利用型態之面積，$C_i$ 為其對應之逕流係數。

3. 計算集水區之集流時間（$t_c$）： 集流時間為水滴由集水區水力最遠點流至出口所需之時間，包含漫地流時間（$t_o$）與渠道流時間（$t_f$）： $t_c = t_o + t_f$ 漫地流時間常採用 Rziha 公式、Kerby 公式或 Kraven 公式；渠道流時間則利用水力學公式（如 Manning 公式）計算流速與長度換算求得。

4. 查取設計降雨強度（$I$）： 依據水土保持工程之防洪保護標準選定設計重現期距（例如 10 年、25 年或 50 年一遇）。依合理化公式之理論核心，取降雨延時等於集流時間（$t_d = t_c$），查閱鄰近雨量站之「降雨強度-延時-頻率曲線」（IDF 曲線）或計算公式，代入求得對應之設計降雨強度 $I$（$\text{mm/hr}$）。

5. 計算設計洪峰流量（$Q_p$）： 將上述求得之 $\bar{C}$、$I$ 及 $A$ 代入 $Q_p = \frac{1}{360} \bar{C} I A$，求得設計洪峰流量。

二、氣候變遷對合理化公式應用之影響

1. 破壞水文統計之定常性假設（Stationarity）： 合理化公式中降雨強度 $I$ 係依據長期歷史觀測資料繪製之 IDF 曲線推估。氣候變遷導致極端降雨事件之頻率與強度顯著攀升，使歷史統計曲線無法代表未來水文極端態勢，易造成設計降雨強度 $I$ 之嚴重低估，進而低估防洪結構物之設計規模。

2. 挑戰降雨在延時與空間上的均勻假設： 短延時強降雨（如突發性午後強對流雷雨、熱帶低壓短時間降雨）之時空異質性極高。合理化公式要求「降雨均勻分布於整個集水區且在 $t_c$ 期間強度恆定」，但強對流系統尺度往往小於集水區，且暴雨中心強度呈高度非線性驟升驟降，使公式推估洪峰之理論假設脫離實際水文歷程。

3. 土壤初期入滲條件極端化： 乾旱頻率與高溫加劇導致地表土壤含水量前期條件（Antecedent Soil Moisture）呈現極端乾燥或暴雨連日飽和之兩極化狀態。固定之逕流係數 $C$ 假設入滲率與逕流率呈固定線性比例，無法動態反映因高溫乾旱引發之土壤斥水效應或連續降雨造成之全飽和超滲現象。

三、人為環境變遷對合理化公式應用之影響

1. 土地開發導致逕流係數（$C$）顯著增大： 山坡地開闢農園、道路闢建及都市化擴張，砍除原始林地並大幅增加不透水鋪面（如建物屋頂、瀝青混凝土道路），破壞地表植生截留與下滲能力，使集水區綜合逕流係數 $\bar{C}$ 大幅提高，造成總逕流量與洪峰流量激增。

核心觀念

1. 降水深度－延時－頻率（DDF）關係與超越機率

• 超越機率（Exceedance Probability, $P$）與重現期距（Return Period, $T$）：兩者互為倒數關係，即： $T = \frac{1}{P}$ 當超越機率 $P = 0.04$ 時，對應之重現期距 $T = \frac{1}{0.04} = 25 \text{ 年}$。
• 降水強度（Rainfall Intensity, $I$）定義：單位時間內的降水深度，公式為： $I = \frac{D}{t}$ 式中 $D$ 為降水深度（$\text{mm}$），$t$ 為降雨延時（$\text{hr}$），$I$ 單位為 $\text{mm/hr}$。

2. 合理化公式（Rational Formula）

• 集水區面積 $A = 100 \text{ ha} = 1.0 \text{ km}^2 \le 10 \text{ km}^2$（或 $1000 \text{ ha}$），符合合理化公式之小集水區適用限制。
• 洪峰流量計算公式（公制單位）：
• 若集水區面積單位採用公頃（$\text{ha}$）： $Q_p = \frac{1}{360} C \cdot I \cdot A$
• 若集水區面積單位採用平方公里（$\text{km}^2$）： $Q_p = \frac{1}{3.6} C \cdot I \cdot A$ 式中 $Q_p$ 為設計洪峰流量（$\text{m}^3/\text{s}$ 或 $\text{cms}$），$C$ 為無因次逕流係數，$I$ 為降水強度（$\text{mm/hr}$），$A$ 為集水區面積。

解題方法

第一部分：計算降水強度 $I$

1. 確定對應之重現期距曲線： $T = \frac{1}{P} = \frac{1}{0.04} = 25 \text{ 年}$ 需查讀 DDF 圖中超越機率 $P = 0.04$（即 $T = 25$ 年頻率）之曲線。

2. 查讀 DDF 曲線圖之降水深度 $D$： 在 DDF 圖中橫軸找到降雨延時 $t = 2 \text{ hr}$，垂直向上對應至 $P = 0.04$ 之曲線，再水平對應至縱軸讀取降水深度。 圖形於延時 $2 \text{ hr}$ 與超越機率 $0.04$ 曲線之格線交點對應降水深度為 $D = 100 \text{ mm}$（若原卷掃描檔因線條模糊無法精確目視，本題依考題標準格線交點設定 $D = 100 \text{ mm}$ 作答）。