114 高普考高考二級 水利工程 高等水文學 考古題詳解

核心觀念

本題考查水利署在氣候變遷與淨零轉型下，如何整合「水文資訊、水資源經理、防洪治理、跨機關協作及中央地方分工」。作答時宜由中央主管機關的法定職掌出發，再說明與其他機關的分工，以及如何把流域資料轉化為調度、建設與防災決策。

法規部分以命題當年（民國 114 年）法規為準。主要依據包括《經濟部水利署組織法》、《水利法》、《災害防救法》及《氣候變遷因應法》。本題沒有數值計算公式，重點在掌握「水文監測與分析—政策規劃—執行管理—跨域協調」的治理鏈。

解題方法

以「職掌、協作、層級、轉型」四個面向分段作答：

1. 先交代水利署的中央主管機關角色及水文、水資源、防洪職掌。
2. 再以環境、農業、能源、國土等部會為例，寫清楚共同議題與分工。
3. 由流域尺度說明中央機關、地方政府及區域水資源單位間的協調與執行方式。
4. 最後把淨零趨勢轉化為水資源政策方向，並指出推動時的取捨與挑戰。

（一）水利署在水文、水資源政策推動上的核心角色與責任

水利署隸屬經濟部，負責全國水利政策及相關業務之規劃、執行與督導。依《經濟部水利署組織法》第二條，其主要職掌包括水利政策與法規研擬、水利計畫推動、水文調查與資訊管理、水權管理與用水計畫審議、水資源調查及開發利用、用水調度、水庫安全管理，以及水旱災防護與應變。

具體而言，其核心責任可分為以下幾項：

1. 建立水文資訊基礎：辦理降雨、河川流量、地下水、水庫蓄水及水情監測，維護水文觀測與資料系統，進行水文分析、預報及資料服務。這些資訊支援水資源規劃、河川治理、旱情判斷及洪水預警。
2. 規劃水資源經理與調度：掌握供需情勢，辦理水資源調查、開發、保育及利用規劃，管理水權、審議用水計畫，並在枯旱期間協調跨區、跨標的調度。
3. 提升供水韌性：綜合運用水庫、地下水、再生水、海淡水、伏流水及跨區供水管網等水源，並推動節水、漏水改善、備援設施及需求管理，降低單一水源失效的風險。
4. 辦理水旱災防護與河川治理：規劃河川、海岸及排水治理，推動滯洪、分洪、逕流分擔與出流管制，並提供水情資訊及技術支援，協助災害應變。
5. 兼顧水庫與集水區管理：督導水庫安全與營運，推動集水區保育、水源涵養及水庫淤積管理，使供水、防洪、生態及水庫安全相互配合。

因此，水利署不只負責興建水利設施，也須以可靠水文資料為基礎，統合水源開發、需求管理、風險治理及水資源公平分配。

（二）與其他部會的協作關係

水循環跨越行政機關權責，水利署須依各機關法定職掌合作，並透過行政院跨部會協調機制及個案計畫整合資訊、預算、工程與管理措施。

1. 環境部：在水質、水污染防治、河川與水庫水環境、生態保育及環境影響評估等議題協作。水利署負責水量、水利設施及河川治理規劃；環境部負責環境品質與污染管制。水資源開發或河川工程須納入水質、生態及環境影響考量。
2. 農業部：農業灌溉用水、農田水利設施、集水區水土保持、森林保育及糧食安全均與水資源密切相關。水利署負責整體水源調度及水資源規劃，農業部則就農業用水、灌溉管理及農地水土保持等業務協作；旱象期間須協調灌溉與民生、產業用水需求。
3. 經濟部能源署：能源政策及再生能源設施可能涉及用水、河川水域或水庫操作。水利署提供水文、水資源及水利設施條件，並協調用水、水域使用及防洪安全；能源署依其權責推動能源政策，雙方須兼顧能源供應與水資源承載能力。
4. 內政部國土管理署：國土計畫、都市計畫、土地使用、都市排水與建築管理均會影響逕流及淹水風險。水利署提供流域、河川、排水與水文資料，協調防洪治理及逕流管理；國土管理署則在土地使用與都市發展規劃中納入防洪及排水要求。
5. 行政院與跨部會平台：涉及跨流域建設、重大水資源調度、流域整體治理或災害應變時，透過行政院協調平台整合政策、資源與權責，避免單一部會各自規劃造成工程重疊或治理缺口。

核心觀念

本題考查都市化對設計雨強與尖峰流量的影響。已知原設計暴雨延時 $t=60$ 分鐘，IDF（降雨強度－延時－頻率）關係式為：

都市化使集流時間縮短 $20\%$，因此設計延時隨集流時間變為原來的 $80\%$。計算尖峰流量則採用合理化公式：

其中 $Q_p$ 為尖峰流量（$\mathrm{m^3/s}$）、$C$ 為逕流係數、$I$ 為平均降雨強度（$\mathrm{mm/hr}$）、$A$ 為集水區面積（$\mathrm{ha}$）。在集水區面積與其他條件不變時，尖峰流量與 $CI$ 成正比。

解題方法

（一）都市化後設計降雨強度

原設計延時為 $60$ 分鐘。集流時間縮短 $20\%$ 後，新的設計延時為：

代入 IDF 方程式：

原設計雨強為：

因此都市化後設計雨強約為 $88.60\ \mathrm{mm/hr}$，較原設計增加約：

（二）設計都市化後尖峰流量的改變率

逕流係數增加 $40\%$，故：

在集水區面積不變下，合理化公式給出尖峰流量比：

核心觀念

FAO-56 Penman–Monteith 公式以能量平衡與空氣動力傳輸共同估算參考作物蒸散量 $ET_0$。其中，能量供應決定可用於蒸發的能量，空氣動力條件則決定水氣離開地表、傳輸至大氣的效率。

式中，$R_n$ 為淨輻射、$G$ 為土壤熱通量、$T$ 為日平均氣溫、$u_2$ 為離地面 2 公尺的風速、$e_s-e_a$ 為飽和水氣壓差、$\Delta$ 為飽和水氣壓曲線斜率，$\gamma$ 為濕度計常數。公式中的 $0.408$ 用於將能量單位換算為等效水深。

解題方法

本題依公式分子辨認能量項與空氣動力項，再依各變數的物理意義，說明其對蒸發散的影響。判斷不同天氣情境時，則比較可用能量與水氣傳輸能力：前者看 $R_n-G$，後者看 $u_2$ 與 $e_s-e_a$。

（一）能量項與空氣動力項反映的物理過程

分子第一項為能量項：

它反映地表獲得的淨能量中，有多少可供水分蒸發及植物蒸散。淨輻射提供主要能量，土壤熱通量則代表傳入或離開土壤的熱量；扣除 $G$ 後的 $R_n-G$ 是可用於蒸發散的能量。

分子第二項為空氣動力項：

它反映大氣將水氣從地表帶走的能力。風速提高會加強近地面水氣交換；空氣越乾燥，地表與大氣間的水氣壓差越大，水氣傳輸的驅動力也越強。

（二）淨輻射與土壤熱通量在蒸發散中的角色

淨輻射 $R_n$ 是地表吸收的淨能量來源，包含淨短波輻射與淨長波輻射。可用能量 $R_n-G$ 增加時，通常能供應更多潛熱，使蒸發散量增加。

土壤熱通量 $G$ 表示地表與土壤之間的熱交換。當能量傳入土壤時，會減少當下可供蒸發散使用的能量；若土壤釋放熱量回地表，則可增加可用能量。因此，$G$ 的作用是調整淨輻射中實際可供蒸發散使用的部分。

（三）風速 $u_2$ 如何影響水氣交換

核心觀念

本題考水庫「運用規線」的判讀，以及水庫如何依季節性入流、供水需求與防洪需求調整蓄水。圖上的縱軸是水位，並非蓄水量；水位與蓄水量的換算須依各水庫的水位—庫容曲線。

水庫蓄水量的基本收支可寫為：

其中 $S$ 為蓄水量、$I$ 為入流量、$R$ 為放流量、$W$ 為取水量、$Sp$ 為溢流量，$E$ 為蒸發與滲漏等損失。運用規線是管理者依季節與水情設定的操作基準，協助判斷蓄水狀況及調整放水、蓄水策略。

（一）上限、下限與嚴重下限

• 上限：蓄水操作的上方管制界線。水位高於此線時，應加強檢視防洪空間，並依預報、下游承受能力及水庫操作規定調節放流；它不代表一超過就必須立刻大量放水。
• 下限：一般供水操作的警戒界線。水位低於此線，表示蓄水偏低，須節制用水、檢討供水調度，並優先維持必要民生與重要用水。
• 嚴重下限：乾旱或水情危急時的緊急界線。低於此線時，應採取更嚴格的限水與跨區調度措施，並維持必要的民生用水、設施安全及下游基本生態需求。它不是水庫的實際最低水位，也不宜直接等同於死水位。

實際操作還須考量水位變化速度、降雨與入流預報、下游洪水風險、取水需求及水庫設施限制；規線提供判斷依據，不是脫離現況的固定放流命令。

（二）兩座水庫規線型態與管理影響

先讀圖

鯉魚潭圖以旬為時間單位，全年分成 36 旬；其上限約在 3 月降至低點，之後逐步回升。石門圖以月份為單位，上限約由年初的 245 公尺降至 5～7 月的 235 公尺左右，再於下半年回升。石門的下限與嚴重下限也在 5～7 月附近降低，之後逐步升高。

型態為何不同

規線形狀由流域的降雨與入流季節性、水庫供水來源、取水需求、防洪任務及操作制度共同決定，並非每座水庫都適用同一條全年固定水位線。兩圖的時間尺度也不同：鯉魚潭按旬表示，石門按月表示，細節呈現自然不同。

鯉魚潭上限約在 3 月出現低點，反映其季節性蓄水與供水調度安排；進入後續較有利的入流季節後，上限逐漸回升。石門上限則在 5～7 月下調，顯示其運用規線在梅雨及夏季洪水期間預留較多防洪空間，待洪水風險下降後再提高蓄水目標。