109 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

河川流量—水位率定曲線（rating curve）是在固定測站，把水位 $H$ 與流量 $Q$ 建立對應關係，以便由連續觀測的水位推估流量。曲線是否能用「單一水位決定單一流量」，取決於測站的水力條件是否穩定。

穩定均勻流時，斷面形狀、河床坡度與糙度固定，水深沿程不變，水面坡度與能量坡度可視為固定。流量可用曼寧公式表示：

其中 $n$ 為糙度係數、$A$ 為通水面積、$R$ 為水力半徑、$S$ 為能量坡度。水位改變時，$A$ 與 $R$ 隨之改變，因此 $Q$ 隨水位增加，形成穩定且單值的率定關係。

解題方法

本題可從「水位是否足以唯一代表流量」切入，分別說明均勻流與非均勻流下的控制條件及曲線特性。

• 穩定均勻流：單一、穩定的曲線。 在測站控制條件固定時，相同水位對應相同流量。曲線通常呈單調上升；實務上常以冪次式表示：

其中 $H_0$ 是零流量水位或有效控制水位，$a$、$b$ 為由測量資料率定的係數。河道斷面或控制條件改變時，原曲線仍可能需要修正。

核心觀念

集水區現況調查，是以集水區為整體單元，運用既有圖資、歷史紀錄與現地勘查，掌握自然環境、人為利用、災害問題及既有治理設施的現況，作為後續問題分析、治理優先順序判定與整體規劃的依據。

調查的重點不只是列出自然環境資料，也要確認「災害發生在哪裡、影響什麼對象、現有設施是否有效，以及治理與土地利用之間有何關係」。因此，應同時調查集水區的環境條件、土砂與水文狀況、土地利用、人文社會及既有治理情形。

解題方法

本題可依「先掌握集水區背景，再調查現地問題，最後確認受影響對象與治理條件」的順序作答。將調查面向分成下列各項，並在各面向列出具體項目，即能完整呈現調查工作的範圍。

一、集水區基本資料與區位

• 集水區位置、範圍、面積、行政區域及流域分區。
• 主流與支流水系、河道長度、集水區邊界、主要出流口及控制點。
• 高程、坡度、坡向、地形起伏、河道縱坡等地形資料。
• 交通道路、聚落及重要設施的分布。

二、地文與地質環境

• 地質、岩性、地層、斷層及地質敏感區等資料。
• 土壤種類、土層厚度、土壤性質及土地沖蝕特性。
• 坡面地形、河谷地形、地形陡峻程度及地形變化。
• 崩塌、地滑、蝕溝等地形與地質不穩定現象。

這些資料可用來判斷坡地穩定性、土砂來源及工程設施的適宜性。

三、氣象與水文

• 雨量站位置、雨量紀錄、降雨特性及颱風或豪雨資料。
• 河川流量、水位、洪峰流量、流速及水文站資料。
• 水系與排水路現況，以及逕流匯集與排泄情形。
• 水質、水源利用及相關水資源資料。

若集水區具有洪水或水源管理問題，應特別掌握歷年洪水紀錄、淹水範圍與水文變化。

四、土地利用與植生覆蓋

• 土地利用現況及其分布，例如森林、農地、聚落、道路與裸露地。
• 土地使用分區、土地權屬及相關使用限制。
• 植生種類、覆蓋情形、林相及植生破壞狀況。
• 土地利用變遷及開發、道路興建等人為活動。

土地利用與植生會影響入滲、地表逕流及土壤沖蝕，應與坡地災害及水文資料一併分析。

五、災害與土砂來源

• 崩塌地、地滑地、土石流潛勢溪流及其影響範圍。
• 坡面沖蝕、溝間沖蝕、蝕溝及裸露地分布。
• 野溪、河道沖淤、河床質及土砂堆積情形。
• 歷年颱風、豪雨、洪水、淹水及其他災害紀錄。
• 漂流木、土砂淤積及可能阻塞水流的地點。

核心觀念

本題考查集水區的年水量平衡：若忽略其他水文量損失，年降雨量會轉換為年逕流量、年入滲量與年蒸發量。

其中 $P$ 為年雨深，$R$ 為年逕流深，$F$ 為年入滲深，$E$ 為年蒸發深。題目沒有涉及法條。

解題方法

先將出口平均流量換算成全年逕流水量，再除以集水區面積，求得逕流深；接著將每日入滲量換算為年入滲深，代入水量平衡式求蒸發量。

1. 年雨深與年逕流深

集水區面積為 $1000\ \mathrm{km^2}=1.0\times10^9\ \mathrm{m^2}$，平均流量為 $10\ \mathrm{m^3/s}$。以一年 $365$ 日計，全年逕流水量為

換算為逕流深：

核心觀念

河道沖淤取決於「上游輸入的泥砂量」與「河段本身能搬運的泥砂量」是否平衡。可用河段泥砂連續概念表示：

其中 $z_b$ 為河床高程，$Q_{s,\mathrm{in}}$、$Q_{s,\mathrm{out}}$ 分別為進入與離開河段的輸砂率。進砂大於出砂時，泥砂在河段內累積，河床淤高；出砂大於進砂時，河段須由河床補足泥砂，河床因而沖刷；兩者大致相等時，河床維持動態平衡。

解題方法：先列供砂來源，再列輸砂能力因素

一、上游來砂量的可能來源

1. 坡面沖蝕：降雨與地表逕流沖刷裸露坡面，將土砂帶入支流及主流。植生破壞、坡地開發、道路開挖與施工裸露，會增加坡面土砂產量。
2. 崩塌與地滑：豪雨、地震、坡腳淘刷或地質脆弱等因素引發崩塌，崩積土進入河道後成為大量供砂來源。
3. 土石流與溪流侵蝕：土石流將大量土石輸送至下游；洪水也會沖蝕溪床、河岸與既有堆積物，補充河道泥砂。
4. 人為棄置或河道採砂：工程棄土、礦區土砂及不當棄置可增加供砂；河道採砂則會移除河床材料，改變局部供砂與河床穩定狀態。
5. 水庫及攔砂設施的攔砂作用：設施攔截上游泥砂，會減少下游河段的來砂量；設施下游若仍有較強水流，可能因供砂不足而沖刷河床。

二、河道輸砂能力的影響因素

河道輸砂能力是水流在特定河道條件下搬運泥砂的能力，主要受下列因素控制：

• 流量與流速：流量或流速增大，水流剪應力及挾砂能力通常提高；洪水期間常會發生較強輸砂與沖刷。
• 河床坡度：坡度較大時，水流能量通常較高，輸砂能力較強；坡度減緩時，輸砂能力可能降低而促進淤積。
• 河道形狀與斷面：河道寬度、深度、彎曲程度及束縮情形，會改變流速分布與局部沖淤。河道拓寬、束縮或改道也會重新分配水流與輸砂。