113 高普考高考三級 水土保持工程 坡地保育規劃與設計（包括沖蝕原理） 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩件事：用合理化公式估算集水區洪峰流量，再依滯洪池的調洪作用，分別說明入流、受控制的出流及超過池體蓄洪能力時的溢洪量。

滯洪池在洪水期間暫存部分逕流，延後並降低洪峰；設計時須以入流歷線、出流設施能力及池體水位與蓄水量的關係，檢核滯洪效果與溢洪安全。

解題方法

一、合理化公式

依《水土保持技術規範》第17條，集水區面積在1,000公頃以內，且無實測資料時，洪峰流量得採合理化公式估算：

其中：

• $Q_p$：洪峰流量，立方公尺／秒（cms）。
• $C$：逕流係數，無單位，反映土地利用、坡度及入滲等條件。
• $I$：設計降雨強度，公釐／小時，依選定的重現期距及降雨延時求取。
• $A$：集水區面積，公頃。

分母360是單位換算係數。使用時先依集水區特性選定$C$，再以集流時間$t_c$作為降雨延時查算設計降雨強度$I$，最後代入公式求洪峰流量。集流時間為逕流自集水區最遠處抵達計算點所需時間，通常由流入時間與流下時間組成。

合理化公式假設降雨強度在集流時間內大致均勻，且集水區在該期間內達到充分集流，適合估算洪峰流量；它本身不會直接產生完整的流量歷線。

二、永久滯洪池入流量

入流量以匯入滯洪池的集水區為範圍，依設計降雨重現期距、集流時間及相應逕流係數，使用合理化公式估算洪峰。若有實測流量資料，可採單位歷線等方法分析。

設計時應建立入流歷線，而不只取一個洪峰數字，才能計算洪水過程中池內蓄水量的變化。《水土保持技術規範》第95條規定，滯洪設施入流歷線至少採重現期距50年以上之洪水。

三、永久滯洪池出流量

出流量由出水口及其控制構造決定，須符合下游排水能力及法規限制。依第95條，基地開發後出流洪峰流量應小於入流洪峰流量的80%，且不得大於開發前洪峰流量，也不得超過下游排水系統的容許排洪量。設計出流歷線則採重現期距25年以下之洪水。

小孔口或管口可依孔口流公式估算：

其中$C_d$為流量係數、$a$為孔口面積、$g$為重力加速度、$h$為孔口中心以上水頭。若出流設施為堰，可依堰流公式估算，例如矩形堰可寫為：

核心觀念

本題考查岩層位態與邊坡方向的判讀，重點包括：

1. 走向（strike）：岩層面與水平面的交線方向。
2. 傾向（dip direction）：垂直走向、且沿岩層面向下傾斜的方向。
3. 傾角（dip angle）：岩層面與水平面的夾角。
4. 順向坡：岩層傾向與地形坡向大致相同。
5. 危險順向坡：岩層傾向與坡向相同，且岩層傾角小於坡面傾角，使岩層面在坡面出露，具沿層面滑動的條件。

層面主要是沉積作用形成的層理面；變質岩中若保留原始層理，也可能見到層面，但工程判斷時常須另行考慮片理、劈理或葉理面。

臺灣可能出現層面的區域與岩石

臺灣下列地區較常見具有明顯層面的岩層：

• 西部麓山帶及西部丘陵地區：以砂岩、頁岩、泥岩、砂頁岩互層、礫岩及石灰岩等沉積岩為主。
• 東部海岸山脈：常見砂岩、頁岩、泥岩、礫岩及火山碎屑沉積岩等具層理的地層。
• 中央山脈部分地區：板岩、千枚岩及片岩可能保留沉積岩原始層理，但通常同時具有板理、片理或劈理，須分辨其控制邊坡穩定的主要不連續面。

因此，本題所稱「層面」最典型的岩石為：

• 砂岩與頁岩互層；
• 砂岩、泥岩互層；
• 泥岩、粉砂岩及頁岩；
• 石灰岩；
• 礫岩或火山碎屑沉積岩。

其中砂岩與頁岩互層特別容易形成連續且弱的層面；遇水後頁岩、泥岩強度降低，更容易沿層面發生滑動。

圖形判讀方法

一、由平面圖判斷岩層走向

平面圖中的岩層線表示岩層面在地表的出露方向，可視為岩層走向的線形表現。

等高線標示由 $100$ 升高至 $200$，可判斷地形高程增加方向。最大坡降方向必與等高線垂直，且由高程 $200$ 指向高程 $100$。

再由岩層線與等高線的交會關係，判斷岩層面的走向及傾向。岩層面向較低高程的一側傾斜，即為岩層傾向。

二、由剖面 $AA$ 判斷坡向與岩層傾向

核心觀念

本題考查「開發增加逕流之滯洪」與「上游集水區逕流進入滯洪池時之流量分配」。設計原則如下：

1. 滯洪池主要削減開發後增加的洪峰流量，並延長洪水排放時間。
2. 基地開發前、後的逕流應分別計算，取其差額作為滯洪設計依據。
3. 上游集水區逕流若進入滯洪池，必須納入滯洪池入流量，不能只計算基地開發增加的逕流。
4. 滯洪池設計須符合連續方程式：

其中：

• $S$：滯洪池蓄水量
• $I(t)$：入流量
• $O(t)$：出流量

設計結果應使滯洪池水位不超過設計水位，出流量不超過下游排水系統或河川可承受的容許流量。

一、滯洪池只考慮基地開發增加逕流時的規劃與設計

1. 上游逕流優先採取截流、導流或繞流

由圖可知，基地上方另有一處集水區，逕流沿坡面流向基地。若滯洪池只負責基地開發增加的逕流，應在基地上緣設置截水及導流系統，例如：

• 山坡截水溝
• 上邊坡排水溝
• 截水土溝
• 導流渠
• 箱涵或排水管
• 必要時設置繞流渠道

將上游集水區的原有逕流直接導至基地下游既有排水路或適當承洪水體，避免大量上游逕流進入滯洪池。

此種作法可使滯洪池的設計對象限定為基地開發造成的增加逕流，減少滯洪池容量、池體面積及溢流風險。

2. 以開發前、後逕流差額作為滯洪對象

應先分別建立基地開發前、開發後的洪水歷線：

• 開發前洪水歷線：$Q_{\mathrm{pre}}(t)$
• 開發後洪水歷線：$Q_{\mathrm{post}}(t)$

基地開發增加的逕流歷線可表示為：

滯洪池所需處理的不是開發後全部逕流，而是開發所增加的部分。規劃時應以開發前的出流條件作為控制基準，將增加的洪峰暫存於滯洪池內，再以低於容許排放量的速度排出。

在簡化計算中，若只比較逕流總量，所需滯洪容量可估算為：

更完整的設計則應使用洪水歷線演算：

最大蓄水量即為滯洪池的有效滯洪容量。

3. 以合理化公式估算設計洪峰

小型集水區可採合理化公式估算洪峰：

其中：

• $Q$：設計洪峰流量
• $C$：逕流係數
• $I$：設計降雨強度
• $A$：集水面積

開發增加的洪峰可概估為：

但滯洪池容量不能只用洪峰差值乘上某一時間估算，應配合設計暴雨延時、集流時間及入流歷線進行計算。

4. 滯洪池的主要設施

滯洪池應包括下列設施：

• 進水設施：將基地內增加的逕流安全導入池內。
• 有孔口或管渠的控制出流設施：限制平時及洪水期間出流量。
• 溢流堰或緊急溢洪道：防止超過設計暴雨時池體漫頂。
• 消能及防沖刷設施：避免進、出水口及下游渠道沖刷。
• 邊坡保護與池底防滲設施：維持池體穩定及正常蓄水功能。
• 水位觀測、清淤及維護空間：確保長期有效容量。

滯洪池應保留超高，並檢核極端降雨、排水管堵塞、下游高水位及緊急溢洪道失效等情況。

二、基地上方逕流會進入滯洪池時的入流量與出流量

1. 滯洪池總入流量

若上游逕流不截流，而是直接進入基地滯洪池，滯洪池入流量應包括：

1. 上游集水區原有逕流；
2. 基地開發前原有逕流；
3. 基地開發所增加的逕流。

可寫為：

其中基地開發後逕流可再分解為：

因此：

核心觀念

土石流是大量水體與土石混合後，沿坡面或溪溝快速流動的土砂災害。判斷其是否發生，可掌握「有水、有土砂、地形能匯流且坡度足以驅動」三項基本條件；本題另問發生區的防治措施，重點在源頭治理，減少崩塌與坡面沖蝕所提供的土砂材料。

題目未要求援引特定法條；作答以水土保持與土石流治理的一般原理說明。

解題方法

先分別列出土石流的環境條件與誘發因素，再依「發生區」定位治理目標：穩定崩塌邊坡、妥善處理坡面水及裂縫入滲、控制土石進入溪溝。如此可避免把輸送段的攔砂、導流工，或下游沉積區的疏濬與護岸措施，誤當成本題所問的發生區措施。

一、土石流發生條件

1. 充足的水分或強降雨：短延時強降雨、長延時豪雨或融雪等，會增加地表逕流、坡體含水量與孔隙水壓，降低土體有效應力及抗剪強度。
2. 足夠且易被動員的土砂材料：例如崩塌地堆積土石、溪床鬆散堆積物、風化層、裸露坡面物質及崩落的岩塊、樹木等。
3. 適當的地形與坡度：集水區地形有利逕流集中，且坡面或溪溝具有足以搬運土砂的坡度；溪溝也提供土石流匯集與下移的通道。
4. 誘發與加劇因素：地震、坡腳淘刷、坡面排水不良、植生破壞及不當開發等，可能促使邊坡崩塌、增加土砂供給或加速逕流匯集。

因此可概括為：水分條件、可動土砂、集流地形與搬運坡度共同具備，並受到豪雨等事件誘發。並非只有降雨大就必然形成土石流；若缺乏足量土砂或缺少適當集流、搬運條件，仍未必形成土石流。

二、發生區防治措施

核心觀念

坑溝沖蝕是地表逕流集中後，沿地面切蝕形成溝槽，並可能向上游溝頭後退、向下游加深或向兩側擴大。治理重點是減少流入坑溝的逕流、降低水流沖蝕力、穩定溝床與溝岸，並恢復植生覆蓋。

水土保持技術規範所稱「蝕溝治理」，係以植生方法、工程方法或兩者配合，穩定蝕溝、防止擴大沖蝕、減少災害並恢復地力。治理方式須依坑溝規模、位置、集水面積、溝床坡降、土壤、排水、植生、土地利用及所需控制程度等條件因地制宜。涉及法規時，以命題當年（民國 113 年）法規為準；現行《水土保持技術規範》已修正。

解題方法

本題是治理措施的申論題，宜先按坑溝規模區分，再列出溝頭、溝床與溝岸的處理方法，最後補上集水區管理及維護。答案不宜只列工程名稱，還要說明各措施控制沖蝕的作用。

防止坑溝沖蝕的方法及措施

一、小型坑溝：填平並防止逕流再次集中

對於由耕作、整坡不當或降雨造成，規模較小且尚未嚴重發展的坑溝，可採下列措施：

1. 截、導坡面逕流：在坑溝上方坡面設置截水溝或截洩溝，避免坡面逕流直接進入坑溝；並改善平台階段、山邊溝及安全排水。
2. 填平坑溝：利用耕作方式犁平，或以坑溝區內可取用土石填平；必要時可用土壤袋、植生袋填補。
3. 改善地表覆蓋：填平後採等高耕作、加強植生或敷蓋，減少雨滴打擊與坡面逕流沖刷，避免原處再度形成沖蝕溝。

二、大型坑溝：治理溝頭、溝床及溝岸