110 高普考高考三級 水土保持工程 考古題詳解

核心觀念

本題考查山坡地不當開發所造成的水土流失，如何沿著「土壤流失—坡地與河川環境改變—生態及人類生活受損」的因果鏈，說明其環境衝擊。水土流失不只是表土減少，也包括土壤被沖蝕、搬運與堆積後，對坡地、河道、水質及下游土地造成的連鎖影響。

解題方法

可依水土流失發生後的影響範圍，由源頭向下游分層作答：

1. 坡地與土壤：說明土壤流失、地力下降及坡地穩定性受損。
2. 河川與水庫：說明泥砂進入水體後造成的淤積、水質與水域生態變化。
3. 下游與人類生活：說明洪水、排水、灌溉及公共設施受影響的情形。

作答時應交代具體因果，不宜只羅列「水質變差、災害增加」等結果。

水土流失對環境的負面衝擊

一、表土流失，土壤生產力降低 表土通常富含有機質與植物所需養分。遭雨滴打擊或地表逕流沖蝕後，表土及養分流失，土層變薄、土壤肥力下降，降低農林作物生長與植生恢復能力；裸露地面又會加劇後續沖蝕，形成惡性循環。

二、坡地穩定性降低，崩塌與土砂災害風險提高 坡面植被及表土遭破壞後，土壤保水、固土能力下降；開挖、填土及排水不當也會改變坡面受力與水流路徑。強降雨時，坡面沖蝕可能擴大，並增加淺層崩塌、土石流等土砂災害的發生風險。

三、地表逕流增加，洪峰與沖刷作用加劇 植被減少及土壤入滲能力下降，會使雨水較快轉為地表逕流，縮短集流時間並提高洪峰流量。

核心觀念

本題結合土石流平衡泥砂體積濃度與合理化公式計算洪峰流量。計算時先由溪床坡度、泥砂與水的密度比及內摩擦角求平衡濃度，再將平衡濃度代入土石流流量公式。

題目所列泥砂、水的「單位重」數值為 $2.3$ 與 $1.0$，量綱應視為相同單位下的比值；濃度公式中實際使用的是泥砂與水的密度比 $\sigma/\rho=2.3/1.0$。

解題方法

1. 計算平衡泥砂體積濃度

採用 Takahashi 平衡濃度公式：

$C_d=\frac{\rho\tan\theta}{(\sigma-\rho)(\tan\phi-\tan\theta)}$

其中 $\theta=9^\circ$ 為溪床坡度，$\phi=38^\circ$ 為泥砂內摩擦角，$\sigma=2.3$、$\rho=1.0$。代入得：

此值小於題給靜止土體最大泥砂體積濃度 $C^*=0.75$，因此採用 $C_d=0.195$。

2. 計算清水洪峰流量

植被極為裸露，依常用逕流係數取 $C=0.9$。合理化公式為：

核心觀念

地滑地排水的目的，是降低地下水位與孔隙水壓、減少滑動土體所受的水壓作用，進而提高土體抗剪強度與坡地穩定性。治理時須同時處理地表逕流與地表下地下水；選擇地下排水工法，則要依地形、地質、地下水分布、滑動面深度及施工可及性判斷。草溝則須兼顧排水、減蝕、促滲與生態功能。

（一）地表及地表下排水聯合運用的理由（5 分）

1. 地表排水控制雨水入滲與坡面逕流。 以截水溝、排水溝等設施攔截坡頂及坡面逕流，迅速導離治理區，可減少雨水滲入土體，也可避免地表水沖刷坡面或集中灌入裂隙。

2. 地表下排水降低地下水位與孔隙水壓。 地滑體內的地下水、滯水層水及沿裂隙流動的水，無法只靠地表排水排除。設置盲溝、橫向排水管、集水豎井或排水廊道，可截排滑動體內地下水，降低孔隙水壓，增加有效應力與抗剪強度。

3. 兩者處理的水源與位置不同，功能互補。 地表排水主要處理地表逕流及入滲來源；地表下排水主要處理已進入地層的地下水。僅做地表排水，仍可能有既存地下水持續軟化滑動面；僅做地下排水，降雨逕流仍可能入滲或沖刷坡面。因此應聯合配置。

4. 聯合治理能降低降雨造成的水壓波動。 強降雨期間，地表水入滲與地下水補注同時增加。地表設施先減少補注量，地下設施再排除地層內既有及新補注的地下水，可使排水治理更完整。

（二）地滑地地表下排水工法的選用原則（10 分）

1. 盲溝（French drain）

盲溝是在地表下開挖溝槽，填入級配良好的透水材料，必要時配置透水管及濾層，以截集並導排地下水。

• 適用於地下水埋深較淺、含水層或滲水帶位置明確，且可由地表開挖施工的區域。
• 常配置於坡趾、坡面滲水處或地下水匯集帶，攔截淺層地下水。
• 施工簡單、費用較低，適合淺層且範圍較局部的排水需求。
• 若滑動面深、地下水位低或排水區域很深，單靠盲溝難以有效截排；設計時須注意濾層，避免細料流失及溝體淤塞。

2. 橫向排水管（Transverse collecting conduit）

橫向排水管由坡面或集水位置鑽設，穿入含水層或滑動體內，利用管線將地下水導出；常配合集水井或排水溝形成集排系統。

• 適用於含水層或地下水流路可由鑽探掌握，且能從坡面布設鑽孔的地區。
• 可依地層與滑動面位置調整孔位、方向、長度及高程，對深部或局部地下水具有較直接的截排效果。
• 適合地形不利於大面積開挖、但仍可由坡面施工的場址。
• 鑽孔需能穿入目標含水區，並維持適當坡度以利排水；孔位偏離含水層、管孔堵塞或出水口遭掩埋，都會降低效能。

3. 集水豎井（Drainage well）

集水豎井為設於坡地中的垂直井體，可穿越含水層或滑動體，再利用井內集水及排水管，將地下水排出；必要時可由井內向外鑽設水平排水孔。

• 適用於地下水埋藏較深、需由深部集水，且地質條件與井體施工安全可掌握的地區。
• 可集中收集較大範圍或不同深度的地下水，也能作為維修、檢查及施作水平排水孔的平台。
• 當坡面直接鑽孔不易定位或需要由井內向周圍含水層排水時，可考慮採用。
• 井體須有足夠穩定性與排水能力，施工及維護成本較高；井內淤積、井壁失穩或排水出口受阻均須納入設計考量。

核心觀念

防砂壩的防砂功能可分為貯砂、土砂生產調節及土砂流失抑制。本題第一小題計算壩體上游淤砂形成的貯砂量；第二小題計算豪雨洪水期間，壩上游因淤砂坡度暫時變陡而增加的土砂生產調節量。

以命題當年（民國 110 年）法規為準，《水土保持技術規範》第 98 條列出防砂壩防砂量包含貯砂量、土砂生產調節量及土砂流失抑制量；第 99 條以原河床坡度的二分之一至三分之二作為設計淤砂坡度原則。本題已指定淤砂坡度為原溪床坡度的二分之一。

解題方法

將原溪床視為直線坡面，壩上游淤砂區的縱剖面可用三角形表示。若原溪床坡度為 $I_0$、淤砂坡度為 $I_s$、有效壩高為 $H$，淤砂區縱向長度為：

淤砂區縱剖面積為 $\frac{1}{2}HL$，乘上溪流平均寬度 $B$，即為貯砂量：

本題給定 $H=6.5\ \mathrm{m}$、$I_0=0.05$、$I_s=0.5I_0=0.025$、$B=25\ \mathrm{m}$。

（一）防砂壩貯砂量

先求淤砂長度：

再求貯砂量：

（二）年內土砂生產調節量