108 高普考高考三級 水土保持工程 土壤沖蝕原理與控制 考古題詳解
第 一 題10 分
請說明造成管蝕（Pipe Erosion）的原因。
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核心觀念
管蝕（pipe erosion，又稱土壤管蝕或隧道蝕）是地下水沿土體內的裂隙、孔隙或其他弱面集中流動，逐步剝離並帶走土粒，在土體內形成管狀空洞的侵蝕作用。管蝕發展後，管道可能擴大、延伸；上方土層失去支撐時會塌陷，進而形成陷穴或蝕溝。
本題考查管蝕的發生機制與促成條件，重點是說明「水流集中進入土體、滲流帶走土粒、地下通道逐步擴大」的因果關係。
解題方法
可依「土體條件、水流條件、起始通道、侵蝕發展」四個面向作答：
- 土體容易分散或被帶走：土壤結構鬆散、膠結力弱，或土粒級配不良、細粒容易被滲流帶走時，抗沖蝕能力較低。
- 滲流集中且具有足夠水力作用：降雨入滲、地下水流動或坡面匯水進入土體後，若滲流集中、流速或水力坡降足以克服土粒間的束縛力，便會使土粒剝離、移動。
第 二 題20 分
請說明溪岸岸坡崩塌的類型及其對應的力學機制。
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核心觀念
溪岸崩塌是岸坡土體在重力及水力作用下，整體或局部失去穩定而發生的質量移動。河水沖刷坡腳會使岸坡失去支撐；地下水滲流、孔隙水壓升高或河水位快速下降，則會降低土體有效應力與抗剪能力。岸坡穩定可用安全係數概念表示：
當 時，抗力不足以下滑動力，岸坡即可能破壞。說明崩塌類型時，應依破壞面形狀、土體運動方式及主要受力機制分類。
解題方法
依「破壞面與運動型態」逐一整理，再指出各類型如何由坡腳淘刷、土體自重、剪力或拉力造成。溪岸常見崩塌可分為平面滑動、旋轉滑動、懸臂崩塌及楔形滑動；實際河岸也可能先淘刷、後滑動，形成複合破壞。
一、平面滑動
土體沿近似平面或既有弱面向河道滑移，常見於有層理、節理、裂隙或土層界面的岸坡。岸坡後方常出現張力裂縫，裂面向下延伸並與滑動面連接。
其力學機制是沿滑動面上的剪應力超過土體抗剪強度。以莫爾－庫倫強度表示：
其中 為有效凝聚力、 為滑動面正向應力、 為孔隙水壓、 為有效摩擦角。孔隙水壓升高會降低有效正向應力 ，使抗剪強度下降；坡腳淘刷或坡面變陡則會增加下滑作用。
二、旋轉滑動（圓弧滑動、滑崩）
岸坡土體沿弧形滑動面整體下滑並旋轉，常見於較均質、較厚的土層。崩體常向河道移動，滑動後坡面可見弧形後緣及階梯狀地形。
第 三 題20 分
請闡述前期土壤含水量（Antecedent soil moisture content）對於紋溝沖蝕（rill erosion）的發生與發展之影響。
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核心觀念
前期土壤含水量是降雨或地表逕流發生前，土壤原有的含水狀態。它會同時影響兩件事：逕流形成與集中流量，以及土壤抵抗水流沖蝕的能力。因此，不能只用「土壤越濕，沖蝕越大」概括；紋溝發生與發展取決於水流作用力和土壤抗沖蝕能力的共同變化。
紋溝（rill）是坡面逕流集中後形成的小型沖蝕溝，其沖蝕作用主要由溝內水流的水力剪應力控制。常用的紋溝土壤剝離關係表示為：
其中， 為紋溝剝離率， 為紋溝可蝕性， 為水流剪應力， 為土壤臨界剪應力。若 ，水流剪應力未達土壤開始剝離的門檻，紋溝剝離不易發生。
解題方法：分別說明水流與土壤的變化
作答時先指出前期含水量的雙重作用，再依「紋溝發生」與「紋溝發展」說明其影響，最後交代作用方向會受土壤性質及含水範圍影響。
一、對紋溝發生的影響
前期含水量高時，土壤可供入滲的空間通常較少，土壤儲水餘裕降低；在降雨強度超過入滲能力，或土壤已接近飽和時，較容易形成地表逕流。逕流量與坡面流深增加後，水流更容易沿地形微低處集中，使局部剪應力達到臨界值，促進紋溝起始。
前期含水量低時，乾燥土壤通常有較大的入滲與儲水空間，初期逕流可能較少，因而延後坡面逕流集中及紋溝發生。但乾土受雨滴或水流快速濕潤時，團粒可能發生崩解、分散，增加可被水流帶走的細粒；乾燥土壤的表面結皮、裂隙及結構狀態也會改變逕流形成，不能只由初始含水量判定紋溝一定較晚發生。
二、對紋溝發展的影響
第 四 題20 分
請闡述蝕溝控制（gully control）與野溪治理（torrent control）在治理規劃上的差異。
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核心觀念
本題考的是治理對象、治理尺度與規劃重點的差異。蝕溝控制以坡面上發育的蝕溝及其集水坡面為單元，主要處理溝頭後退、溝床下切與溝岸崩塌；野溪治理則以山坡地集水區內的自然溪谷及其溪床、溪岸為對象，須處理洪水與土砂在溪流中的生產、移動和堆積。
二者都需從集水區觀點規劃，也都可能使用排水、植生及攔砂設施；差別在於蝕溝控制著重阻止侵蝕擴大、穩定溝坡，野溪治理則著重溪流整體穩定、通洪與土砂災害防治。
依《水土保持技術規範》第64條，野溪具有長度短、溪床坡度陡、溪床變動大、流量變化大等特性；野溪治理在於防止或減輕淤積、沖蝕、淘刷及溪岸崩塌，控制土砂生產與移動，穩定流心並減少洪水、泥砂與土石流災害。本題不涉及特定法條的歷史版本適用；以下援引規範作為名詞與規劃原則的說明。
解題方法
以「治理單元 → 主要問題 → 規劃調查 → 治理目標與措施」逐項比較，即可完整回答題目。規劃不能只列工程名稱，還要說明工程要解決的侵蝕或水砂問題，以及上下游、坡面與溪床之間的關係。
| 比較項目 | 蝕溝控制（gully control） | 野溪治理（torrent control） |
|---|---|---|
| 治理對象與尺度 | 以單一蝕溝、溝頭與鄰接集水坡面為主要治理單元，通常是較局部的坡面侵蝕問題。 | 以自然溪谷及其集水區為整體考量，涵蓋溪床、兩岸、支流匯入處及上下游河段。 |
| 主要問題 | 集中逕流造成溝頭溯源侵蝕、溝床下切、溝岸崩塌及土壤流失。 | 洪水與土砂造成溪床沖淤變動、河岸淘刷或崩塌、通洪能力不足，以及泥砂或土石流災害。 |
| 規劃調查 | 調查溝頭位置與發展、溝床縱坡、溝岸地質與穩定、上游坡面逕流來源及土地利用；判斷侵蝕成因與發展方向。 | 調查集水區地形地質、降雨逕流、歷史洪水與土砂災害、溪床縱橫斷面、沖淤變化、土砂來源、橋梁及下游保全對象；必要時評估土石流影響。 |
| 規劃目標 | 優先控制溝頭與逕流來源，降低流速與沖蝕力，穩定溝床和溝岸，並恢復坡面植生。 |
第 五 題30 分
某開發基地之開發範圍為 公頃，基地範圍內之上半部 公頃保留不開發，剩餘的 公頃全面開發。基地屬於複合地形，其縱剖面及各分坡段之基本資料如下圖所示；其中， 代表分坡段的水平投影長， 代表分坡段的平均坡度， 代表作物與管理因子。
圖示資料如下：
- 不開發區：，，。
- 開發區分坡段：，；，。
- 開發區末端設置沉砂池。
已知該基地的降雨沖蝕指數 、土壤沖蝕性指數 。請依據 Foster and Wischmeier 對於複合地形的修正，並依據水土保持技術規範之規定，設計開發中的臨時沉砂池容量。
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核心觀念
本題考通用土壤流失公式（USLE）、Foster and Wischmeier 複合坡面修正，以及臨時沉砂池容量規定。USLE 計算年土壤流失量：
複合坡面須依各坡段的坡度與累積坡長分段計算。第 段的有效坡長因子為：
{(\lambda_i-\lambda_{i-1})\,22.13^m}$$ 其中 $\lambda_i$、$\lambda_{i-1}$ 分別為該段下端、上端距坡頂的累積水平距離，$m$ 依坡度選取。水土保持技術規範以每立方公尺土壤重 $1.4$ 公噸換算體積。以命題當年（民國 108 年）法規為準，臨時沉砂設施泥砂生產量採 USLE 估算值的二分之一；開挖整地部分每公頃不得低於 $250\ \mathrm{m^3}$，未開挖整地或完成水土保持處理部分每公頃不得低於 $15\ \mathrm{m^3}$；臨時沉砂池設計容量為泥砂生產量的 $1.5$ 倍。現行法規已將後者的下限修正為每公頃 $30\ \mathrm{m^3}$，本題仍依命題當年規定計算。水土保持技術規範歷史法規 **解題方法** 題目未提供開發區 $0.4$ 公頃在坡段 2、3 之間的面積分配，依兩段水平長度比例分配： $$A_2=0.4\frac{60}{110}=0.2182\ \mathrm{ha},\qquad A_3=0.4\frac{50}{110}=0.1818\ \mathrm{ha}$$ 未開發坡段 1 面積為 $0.2$ 公頃。開發段取 $C=1$，未開發段依圖取 $C_1=0.08$；題目未提供水土保持處理因子，取 $P=1$。 坡度因子採 $S=0.065+0.045s+0.0065s^2$，其中 $s$ 為百分比坡度；坡長指數在坡度大於 $5\%$ 時取 $m=0.5$，在 $3\%$ 至 $5\%$ 時取 $m=0.4$。各段計算如下： | 坡段 | 累積坡長區間 | $m$ | $S$ | $L_i$ | $C$ | |---|---:|---:|---:|---:|---:|