112 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

核心觀念

「土壤沖蝕允許極限」是指在一定時間尺度內，土地可承受而不致造成不可接受之土壤生產力衰退、土壤功能退化或環境危害的最大土壤流失量。農業與水土保持文獻常以土壤流失容許量 $T$ 值表示，通常以單位面積的年平均土壤流失量表示，例如 $\mathrm{t/(ha\cdot yr)}$。

允許極限不是「完全沒有沖蝕」；自然沖蝕本來就會發生，治理目標是將沖蝕控制在可接受的範圍。套用通用土壤流失公式（USLE）或修正式通用土壤流失公式（RUSLE）評估時，可用下式表示控制目標：

其中，$A$ 為預測的年平均土壤流失量，$T$ 為該土壤的沖蝕允許極限。$T$ 是容許上限，不代表達到此流失量便沒有其他環境影響。

制定基準

制定時須依土壤特性、土地利用及保育目標評估，不能把同一數值直接套用於所有土壤。主要基準如下：

1. 土壤生成與更新速率 比較沖蝕速率與母質風化、土壤生成速率。若土壤流失長期大於土壤更新，土層會逐漸變薄，因此可將土壤生成速率作為允許流失量的重要參考。

2. 土層厚度及有效根系深度 土層深、下層土質適合植物根系生長的土壤，通常較能承受一定流失；土層淺、接近礫石層、硬盤或不利根系生長的底土時，表土流失較容易造成不可逆的生產力損失，允許極限應較低。

3. 長期土壤生產力 評估沖蝕是否會降低作物產量，或使耕作所需的土壤深度、保水能力、養分供應及土壤結構遭受長期損害。農業用途常以能否在經濟上持續維持生產力，作為設定 $T$ 值的核心基準。

4. 土壤物理與化學性質 考量土壤質地、結構、有機質、滲透與排水情形、養分含量，以及底土的物理或化學限制。表土流失後若會暴露出肥力低、易硬化、排水不良或不利植物生長的底土，允許極限應相應降低。

核心觀念

稻草席覆蓋是坡面植生尚未建立或裸露地表需要立即保護時，採用的地表覆蓋型水土保持措施。它藉由稻草席覆蓋土壤表面，減少雨滴打擊與地表逕流的沖刷能力，降低土壤顆粒被剝離、搬運及流失的機會。

本題重點是說明其控制土壤沖蝕與土壤流失的作用機制，並非計算題。核心因果關係為：

解題方法：依沖蝕過程分段說明

土壤沖蝕可從土粒的剝離、搬運與沉積來理解。作答時，依序說明稻草席如何影響降雨、地表逕流及土壤表面，再補充施工與植生方面的作用，便能完整論述其控制原理。

一、削弱雨滴打擊，減少土粒剝離

稻草席形成土壤表面的覆蓋層，直接承受雨滴打擊，降低雨滴落在裸露土面時的衝擊力。這可減少土粒被擊散、濺蝕及土壤表層結構遭破壞，也能減輕細粒土壤封閉孔隙、形成表面結皮的情形。

因此，土粒較不容易從土體表面被剝離，沖蝕源隨之減少。

二、降低逕流沖刷與搬運能力

稻草席表面粗糙，能增加地表逕流的阻力，使水流速度及沖刷作用減弱，降低其搬運土粒的能力。席面也可使逕流較分散，減少水流集中成股後形成細溝或沖蝕溝的機會。

覆蓋層減少土粒供應，而逕流沖刷與搬運能力也受到抑制，兩者共同降低坡面土壤流失。

三、增加入滲、延緩逕流形成

核心觀念

本題考查坡面形狀如何改變坡面逕流的流量、流速與輸砂能力，進而影響土壤沖蝕。判斷時應同時看水流能量沿坡向的變化及上坡來水匯集的程度，不能只比較坡度大小。

以坡長方向座標 $x$ 表示坡面位置，坡面坡度為 $S(x)$。坡面逕流的剪應力可概略表示為：

其中 $\rho$ 為水密度、$g$ 為重力加速度、$h$ 為水深。坡面侵蝕量常以類似下式表示其控制因素：

其中 $\tau_c$ 為土壤起動或抗蝕所需的臨界剪應力。實際侵蝕還受土壤性質、植生、降雨強度及坡面逕流量影響。

解題方法

依坡面縱剖面辨認坡度沿坡向的變化，再追蹤逕流與輸砂能力：

1. 凹型坡：坡度沿下坡方向逐漸減小。
2. 均勻坡：坡度沿下坡方向大致不變。
3. 凸型坡：坡度沿下坡方向逐漸增大。

坡面水流由上坡向下坡流動，沿途承接上坡逕流。因此，坡面下段通常有較大的流量；再配合坡度變化，即可判斷剪應力及輸砂能力的相對變化。

各類坡形的沖蝕與輸砂差異

凹型坡

凹型坡的坡度向下坡逐漸變緩。雖然下坡處承接較多上坡逕流，但坡降降低會減少水流的重力分量與剪應力，使輸砂能力沿坡向下坡趨於降低。

當水流攜帶的土砂量高於當地水流的輸砂能力時，土砂容易沉積；因此凹型坡下段常呈現沖蝕減弱、堆積增加的趨勢。若上坡來水量很大、坡面仍陡，或土壤易沖蝕，凹型坡上段仍可發生顯著沖蝕，不能把凹型坡解讀為完全不受沖蝕。

均勻坡

核心觀念

本題比較三種「複合型降雨沖蝕指數」如何把降雨特性轉成沖蝕潛能指標。三者都反映降雨造成土粒分離與搬運的能力，但納入的降雨特性不同：$EI_{30}$結合降雨動能與歷時峰值強度；$KE>25$只累計強降雨時段的動能；$AI_m$則結合降雨量與短延時最大強度。

解題方法

逐一說明各指數的計算基礎、所代表的沖蝕作用，以及適用背景，即可清楚比較其量化原理。

1. $EI_{30}$ 指數

單場降雨的沖蝕指數為總降雨動能 $E$ 與最大 30 分鐘降雨強度 $I_{30}$ 的乘積：

$EI_{30}=E\times I_{30}$

其中，$E$為整場降雨的總動能，通常依各雨強區間的雨量及單位雨量動能加總；$I_{30}$為任一連續 30 分鐘內的最大平均雨強，換算為每小時雨強。年侵蝕力則將各場侵蝕性降雨的 $EI_{30}$ 加總或取多年平均。

這個指數同時考慮雨滴撞擊所帶來的動能，以及短時間強降雨所反映的沖蝕與逕流能力，是 USLE/RUSLE 常用的降雨沖蝕力指標。其資料需求較細，通常須有自記雨量資料以計算降雨動能及 $I_{30}$。

2. $KE>25$ 指數

此指數只累計雨強大於 $25\ \mathrm{mm\,h^{-1}}$ 時段的降雨動能：

$KE>25=\sum_{I_r>25} e_r\,\Delta P_r$

其中，$I_r$為第 $r$ 個降雨時段的雨強，$\Delta P_r$為該時段雨量，$e_r$為該雨強下的單位雨量動能。它的核心假設是：低於臨界雨強的降雨對沖蝕貢獻有限，應將其排除；強雨時段才是主要沖蝕來源。

此法由 Hudson 提出，常用於熱帶降雨環境。相較於 $EI_{30}$，它不再乘上最大 30 分鐘雨強，而是直接加總超過門檻的動能，計算較簡化；其主要差異是採用「雨強門檻篩選」。

3. $AI_m$ 指數

$AI_m$ 將降雨量 $A$ 與最大短延時雨強 $I_m$ 相乘：

$AI_m=A\times I_m$