110 高普考高考三級 水土保持工程 集水區經營與水文學 考古題詳解

核心觀念

生態系服務是生態系透過其結構與功能，直接或間接對人類福祉所提供的利益。評估集水區生態系服務，須先辨認服務項目與受益對象，再量化服務的實際供給量，最後以適當方法衡量其價值。

依「千禧年生態系統評估」（Millennium Ecosystem Assessment, MA）架構，生態系服務分為四類：

1. 供給服務：生態系直接提供的產品，例如水、木材、農林漁產品、燃料及基因資源。集水區常見項目包括可供利用的水資源、林產物及農產品。
2. 調節服務：生態系調節自然過程所帶來的利益，例如水源涵養、洪水調節、水質淨化、土壤侵蝕控制、碳吸存及氣候調節。
3. 文化服務：生態系提供的非物質利益，例如景觀美感、休閒遊憩、環境教育、科學研究、精神與文化價值。
4. 支持服務：維持其他生態系服務所需的基礎生態過程，例如土壤形成、養分循環、初級生產及棲地維持。支持服務通常透過供給、調節或文化服務間接影響人類福祉。

評估時也可用「總經濟價值」概念整理價值來源，包括直接使用價值、間接使用價值、選擇價值及非使用價值。此架構有助於辨認市場交易未能呈現的利益，例如水源涵養、物種保育與存在價值。

解題方法：先量化服務，再評估價值

集水區生態系服務評估，可依下列順序進行：

1. 界定評估範圍與情境：明確界定集水區邊界、評估期間、服務受益者，以及比較情境，例如現況與開發或治理方案。
2. 盤點服務項目與受益者：依土地利用、生態系類型及集水區功能，辨認服務類別；例如森林涵養水源、坡地植生減少土壤流失、濕地淨化水質、溪流提供遊憩。
3. 量化服務供給量：以水文、生態與土壤資料，估算各服務的物理量，例如年供水量、減少的土砂量、碳吸存量、污染物去除量或遊客人次。此步驟不可只用土地面積取代服務量，因為相同面積的服務供給會受位置、坡度、植生與管理方式影響。
4. 選擇價值評估方法：依服務是否有市場價格、是否能觀察到替代行為，以及服務性質選擇方法。
5. 計算並彙整價值：將服務量乘以單位價值或套用適當的經濟評估模型，呈現單項價值與總價值。不同服務的計算應採一致的價格基準年與時間尺度，避免重複計算。

集水區生態系服務的價值評估方法

一、直接市場價格法

適用於有市場交易價格的供給服務，例如木材、農林產品及部分水資源。可用市場價格乘以實際產量估算毛價值；若要衡量淨效益，須扣除生產、採集及運輸等成本。

其中，$V$ 為價值，$P$ 為單位價格，$Q$ 為服務產品數量。價格與產量應反映集水區實際可利用的產品，不能將不可採取或不可供利用的自然存量全數視為市場效益。

二、替代成本法與重置成本法

當生態系服務可由工程或人工設施替代時，可用提供相同功能所需的成本估算其價值。

核心觀念

**概念模式（conceptual model）**是依據集水區水文與土砂運移的因果關係，將複雜的自然過程簡化為一組相互連結的水文、地形、植生及土壤變數，再以數學關係或指標估算集水區反應的模式。它保留主要作用機制，但不必像物理模式一樣詳細求解每一處的水流與土粒運動。

本題重點是說明兩條推估鏈：

1. **降雨逕流：**降雨特性與下墊面條件，決定降雨有多少轉為逕流、逕流何時抵達出口。
2. **泥砂產量：**降雨沖蝕、坡面易蝕性及地形條件，決定土砂產生量；植生覆蓋與河道輸送條件則影響土砂能否到達集水區出口。

概念模式結合環境指標的優點，是能將較容易取得的資料轉為空間化的相對風險或產量估算；限制則是指標與實際水砂量之間須有合理機制或觀測資料校正，指標分數不能直接視為實測水量或土砂重量。

解題方法

一、建構降雨逕流概念模式

先整理降雨與集水區環境資料，例如：

• **降雨指標：**降雨量、降雨強度、延時、前期降雨量。
• **地形指標：**集水區面積、坡度、坡長、地形濕度指數（TWI）、至河道距離。
• **下墊面指標：**土地利用、植生覆蓋、土壤質地與入滲能力、不透水面比例。
• **水文指標：**前期土壤含水狀態、逕流係數、集水時間或河川流量觀測。

基本水量平衡可表示為：

其中 $P$ 為降雨量，$Q$ 為逕流量，$F$ 為入滲量，$ET$ 為蒸發散量，$\Delta S$ 為地表及土壤蓄水量變化。概念模式依土壤、植生、坡度及前期濕潤程度，估計降雨的入滲、蓄留與逕流分配。

若以簡化事件模式估算有效降雨，可採用 SCS-CN 概念：

其中 $Q$ 為直接逕流深，$P$ 為降雨深，$I_a$ 為初期損失，$S$ 為最大潛在蓄留量；$S$ 可由曲線數 $CN$ 推估：

（以上採公制單位，長度以毫米表示。）$CN$ 可依土地利用、土壤水文分組及前期濕潤狀態決定，植生良好、入滲能力高時，通常 $CN$ 較低；地表硬化或土壤飽和時，$CN$ 較高。若需要估算洪峰，可再以有效降雨搭配單位歷線或集水時間概念，推估逕流歷線及洪峰流量。

二、以環境指標推估泥砂產量

泥砂推估須區分坡面土壤流失量與抵達集水區出口的泥砂產量。坡面產生的土砂會受植生攔截、坡面沉積與河道輸送能力影響，未必全部到達出口。

坡面土壤流失可用通用土壤流失公式（USLE）作為概念基礎：

核心觀念

本題考查的是把「集水分區面對土砂災害時，承受衝擊、維持基本功能並恢復或調適的能力」，轉成可比較的量化指標。評估單元是集水分區；分析架構由上而下分為「面向（aspect）→項目（project）→指標（index）」。

韌性高，表示分區即使遭遇崩塌、土石流或大量土砂移動，仍較能降低損害、維持重要功能，並在災後恢復與改善。評估結果可用來比較分區、辨識弱項及排列治理優先順序。

解題方法：建立階層並量化

一、設定面向

可依韌性的不同功能分成三個面向：

面向名稱可依研究目的調整，但應涵蓋災害前、災害中及災害後的能力。

二、各面向拆解為項目與指標

指標須能以資料衡量，且指標方向要明確。以下為可採用的架構例：

崩塌率、土砂量等指標若代表暴露或脆弱程度，數值愈高通常代表韌性愈低；預警、避難與治理能力等指標，數值愈高通常代表韌性愈高。因此須先統一指標方向，避免把高風險誤算成高韌性。

三、標準化指標並計算綜合分數

核心觀念

本題考查以遙測與地理資訊系統（GIS）分析集水區土地利用變遷，並進一步辨識變遷集中發生的「熱點區位」。熱點不是單一土地斑塊發生變化就算成立，而是指土地利用變遷量較高的空間單元，在地理位置上形成具統計顯著性的群聚。

土地利用變遷可能改變地表不透水程度、植生覆蓋、土壤入滲與地表逕流，進而影響洪峰流量、土壤沖蝕、崩塌及水源涵養。因此，萃取熱點時宜同時考量「變遷量」與「變遷發生的位置」，並可再與坡度、河網、崩塌潛勢或淹水潛勢等資料套疊，以找出優先調查或管理區位。

解題方法

一、準備並統一多期資料

取得不同時期的土地利用圖或衛星影像，選用至少兩個時期，例如 $t_1$、$t_2$。分析前應使資料具備一致的：

• 座標系統、範圍與空間解析度；
• 土地利用分類架構與分類精度；
• 影像季節或判釋基準，降低季節差異造成的誤判。

再以集水區界線裁切資料，確保分析範圍一致。

二、辨識土地利用變遷

將兩期土地利用圖進行疊圖比較，建立「前期類別—後期類別」的轉移矩陣。矩陣列表示前期土地利用類別，欄表示後期類別；對角線代表未變遷，非對角線代表類別轉換。

例如，林地轉為建地、農地轉為建地、植生地轉為裸露地等，均可列為變遷類型。除計算各類轉換面積外，也可計算變遷率：

其中，$A_{i,t_1}$ 與 $A_{i,t_2}$ 分別為土地利用類別 $i$ 在前後期的面積。若要分析所有類別轉換，可另計各轉換類型的面積及其占集水區面積比例。

三、建立空間分析單元及變遷指標

將集水區劃分為網格、固定大小的分析單元，或以土地利用斑塊、子集水區作為分析單元。每個單元至少計算一項土地利用變遷指標，例如：

• 變遷面積或變遷比例；
• 變遷斑塊數、斑塊密度；
• 由植生地轉為建地、裸地等特定轉換面積；
• 綜合多種土地利用轉換後的變遷強度。

以單元 $i$ 的變遷比例為例：

若各類轉換對水文或地文的影響程度不同，可設定轉換權重 $w_k$，計算加權變遷指標：

其中，$C_{ik}$ 為單元 $i$ 中第 $k$ 種土地利用轉換的面積比例，$w_k$ 依研究目的設定。例如，林地轉為建地可設定較高權重，用來凸顯不透水面增加對逕流的影響。權重須交代依據，避免僅憑主觀指定。

四、以空間統計萃取熱點

一、核心觀念

本題考查莫拉克颱風後，集水區大規模崩塌造成野溪河道淤積時，如何兼顧通洪安全、土砂處理、河道穩定及保全對象安全，並以可量化指標檢核清疏成效。

野溪具有溪床坡度陡、溪床變動大、水量變化大等特性。清疏不是單純把河床挖深，而是依集水區水文、水理、河道地形及土砂來源，選定有災害風險的河段，恢復必要的通洪能力，並妥善安置清疏土石。

以命題當年（民國 110 年）法規為準，主要依據包括《水土保持技術規範》及《野溪淤積土石清疏作業要點》；前者將野溪清疏分為清淤與疏通，平時清疏應設計深槽斷面，緊急清疏以疏通為原則，清出土石則應妥善利用或處理。相關法規後續已有修正，以下仍依命題當年規定說明。

二、解題方法

可依「調查診斷 → 排定優先順序 → 規劃清疏斷面與工法 → 處理清疏土石 → 監測評估」作答。先說明清疏的適用時機與原則，再分述執行對策，最後從水理、土砂、工程、經濟及環境面向評估效益。

三、野溪清疏對策

（一）調查集水區與河道現況

清疏前應調查集水區面積、崩塌地分布與土砂來源、河道縱橫斷面、河床坡度與材料、橋梁及既有構造物、歷年沖淤變化，以及聚落、道路、農地等保全對象。並進行水文、水理分析，掌握設計洪水流量與現況通洪能力，據以判斷淤積是否造成斷面縮減、流路偏移或局部壅塞。

（二）以保全對象與災害風險排定清疏優先序

優先處理淤積已妨礙排洪，且威脅聚落、道路、橋梁、公共設施或農地的河段。針對橋梁上下游、河道瓶頸、急彎、匯流口及易形成堵塞的位置，應確認土砂是否會造成洪水漫溢、岸坡淘刷或橋基受損。

無保全標的、通洪尚稱足夠且具有生態或河道穩定功能的河段，則以觀察與維護為主，避免不必要的全面挖除。

（三）區分緊急清疏與平時清疏

1. **緊急清疏：**颱風、豪雨後出現阻水、堵塞或急迫安全問題時，以疏通水路、排除局部障礙及恢復基本通洪功能為主，避免在不穩定河況下大幅改變河床。
2. **平時清疏：**依集水區水文、水理分析規劃清疏斷面。依命題當年《水土保持技術規範》，平時清疏先設計足以排放重現期距二年至五年降雨強度之深槽斷面，再視實際需要漸次擴大通洪斷面。

清疏斷面應順應原有流心與河道地形，維持縱坡與河床穩定，避免只在局部深挖而造成上下游落差、集中流速、河床沖刷或岸坡崩塌。清疏範圍及深度應有設計依據，不宜任意挖至基岩或改變自然河道型態。

（四）因地制宜選擇清疏策略與工法

清疏規模須配合集水區的土砂供應與河道特性：

• **大型集水區、土砂來源多：**採分年、分期清疏並持續追蹤，避免期待一次清疏即可達成長期沖淤平衡。
• **中小型集水區：**可先辦理災後清疏，待河況穩定後轉為巡查維護，淤積再達危險程度時續辦。
• **大型集水區且河道狹窄、坡陡：**以保全對象附近的急迫河段、小規模清疏及緊急疏通為主，降低施工風險。
• **已有治理構造物的河段：**重視構造物維護及其上下游淤積狀況，依實際淤積辦理清疏。

（五）妥善處理清疏土石