110 專技高考高等考試 水土保持技師 土壤物理與沖蝕 考古題詳解

核心觀念

本題考查土壤水分的定量表示、測定目的、直接測定流程，以及水分變化如何影響降雨入滲、逕流與土壤沖蝕。作答時宜依序交代「如何表示、為何測量、如何直接測量、對沖蝕有何影響」。

土壤水分是土壤中所含水量，常以重量含水率或體積含水率表示：

• 重量含水率（gravimetric water content，$w$ 或 $\theta_g$）：土壤水質量占烘乾土質量的比例。 $\theta_g=\frac{M_w}{M_d}=\frac{M_{\text{濕土}}-M_{\text{乾土}}}{M_{\text{乾土}}}$ 常以 $\mathrm{g/g}$ 或百分率表示。分母是乾土質量，因此含水率可以大於 $100\%$。

• 體積含水率（volumetric water content，$\theta_v$）：土壤水體積占原狀土壤總體積的比例。 $\theta_v=\frac{V_w}{V_t}$ 常以 $\mathrm{cm^3/cm^3}$ 或百分率表示；乘上土層厚度可換算單位面積土層中的水深。

若已知土壤容積密度 $\rho_b$ 與水密度 $\rho_w$，兩種含水率可互換： $\theta_v=\theta_g\frac{\rho_b}{\rho_w}$ 當 $\rho_b$、$\rho_w$ 使用相同質量與體積單位時，公式可直接代入。

也可用水分張力或水勢描述土壤水被土壤 удерж留的狀態，但那是描述水分能量狀態，不等同於含水量本身。

測定目的

測定土壤水分可用於：

1. 掌握土壤水分在時間與土層深度上的變化，估算土壤蓄水量與水分收支。
2. 評估降雨或灌溉後的入滲、排水與可供植物利用的水分，作為灌溉及作物管理依據。
3. 分析土壤水分對土壤團粒穩定、地表結皮、入滲能力、地表逕流與土壤沖蝕的影響。
4. 為不同土壤或不同處理間的水分比較提供定量基礎；測量時應同時記錄取樣深度、土層位置與土壤容積密度等條件。

直接測定方法：烘乾稱重法

烘乾稱重法（gravimetric method）是直接測定土壤含水量的基本方法。其原理是量測土壤樣品烘乾前後的質量差，將減少的質量視為水分質量。

1. 以土鑽或取土器採集代表性土樣，立即密封並稱取濕土質量 $M_{\text{濕土}}$，避免取樣後水分蒸發。
2. 將土樣置於約 $105^\circ\mathrm{C}$ 烘箱烘乾至恆重，取出後置乾燥器冷卻，再稱得乾土質量 $M_d$。
3. 計算重量含水率： $\theta_g=\frac{M_{\text{濕土}}-M_d}{M_d}$

核心觀念

坡面地形會影響雨滴打擊、地表逕流的匯集與流速，進而控制土壤沖蝕的發生位置、型態與強度。作答時可從坡度、坡長、坡形、坡面位置與坡面起伏五方面說明。

定量分析常以通用土壤流失公式（USLE）的坡長坡度因子表示地形效應：

其中 $L$ 為坡長因子、$S$ 為坡度因子。此式反映坡長與坡度增加通常會提高土壤流失量，但實際沖蝕也受降雨、土壤、植生覆蓋及水土保持措施影響。

解題方法

本題為申論題，宜依「地形特徵如何改變逕流與沖蝕」逐項說明，並指出各因素影響的沖蝕型態或作用機制。

一、坡度

坡度愈大，地表逕流沿坡向下的重力分量愈大，通常流速與沖刷能力也愈高，因而較容易發生細溝、蝕溝等集中沖蝕。陡坡上的土粒亦較容易被逕流搬運。

然而，坡度與沖蝕量並非脫離其他條件後的單一固定關係；降雨強度、土壤抗蝕性及地表覆蓋均會改變實際結果。

二、坡長

坡長是坡面逕流由起始位置向下流至逕流集中處或坡度顯著改變處的距離。坡面愈長，逕流沿途匯集，流量與沖刷作用通常隨之增加，因此土壤流失量往往提高。

坡長增加也使片蝕逐漸轉為細溝沖蝕的機會上升。坡面若有截水溝、植生帶等設施分段攔截逕流，可縮短有效坡長，降低沖蝕。

三、坡形

坡面縱向形狀可分為直線坡、凸形坡與凹形坡：

• 直線坡：坡度大致一致，逕流的加速情形較均勻，沖蝕分布相對連續。
• 凸形坡：坡面由上而下逐漸變緩。坡上段常較陡，逕流容易加速；坡腳流速降低時，搬運能力下降，較易堆積沖蝕物。

核心觀念

本題考查降雨沖蝕力的物理意義，以及如何由降雨資料估算降雨動能。雨滴下落時具有動能，撞擊地表會打擊、剝離土粒，並可能破壞土壤團粒、形成表面結皮。因此，降雨動能可作為降雨侵蝕土壤能力的指標；一般而言，雨滴愈大、落速愈快，或降雨愈強，所帶來的動能愈大。

單一雨滴的動能為：

其中 $m$ 為雨滴質量，$v$ 為雨滴撞擊地表時的速度。實務上不易逐滴量測雨滴大小與速度，通常以降雨強度建立經驗關係，估算單位降雨量所含的動能。

解題方法

可依「降雨強度 → 單位降雨動能 → 場次總動能 → 沖蝕力指標」說明估算程序。

1. 由降雨強度估算單位降雨動能

令 $i_r$ 為第 $r$ 個時段的降雨強度（mm/h），$e_r$ 為該時段每毫米降雨的單位動能（MJ/ha/mm）。常用於 RUSLE 的 Brown–Foster 經驗式為：

降雨強度愈高，$e_r$ 通常愈大；但此式呈漸近趨勢，強度很高時，單位降雨動能接近 $0.29\ \text{MJ/ha/mm}$。

USLE 常用的 Wischmeier–Smith 關係式則為：

當 $i_r<0.05\ \text{mm/h}$ 時，通常取 $e_r=0$；當 $i_r\geq76.2\ \text{mm/h}$ 時，取上限約 $0.283\ \text{MJ/ha/mm}$。使用時須依題目指定或採用的模式選定經驗式，不可混用不同公式的係數或單位。

2. 計算場次總動能

核心觀念

本題考查兩種經驗式土壤侵蝕估算模式的架構、適用尺度與本土化差異。通用土壤流失公式（USLE）以降雨、土壤、坡面、覆蓋管理及水土保持措施等因子相乘，估算長期平均年土壤流失量；土壤侵蝕指標模式（SEIM）則以臺灣實測資料為基礎，將影響侵蝕的條件轉為指標，合成綜合侵蝕指標後，再以迴歸關係推估侵蝕量。

解題方法

作答時可依「模式來源與目的、公式架構、因子內容、適用範圍」逐項比較。尤其要掌握兩者公式結構不同：USLE 是因子乘積模式；SEIM 是指標加總後，再以經驗迴歸式換算侵蝕量。

一、SEIM 的架構與指標

SEIM 是陳樹群等人為改善 USLE 在臺灣地區的適用性所發展的本土化經驗模式，以 PSIAC 指標法概念及臺灣野外觀測資料為基礎。其主要考量土壤性質、降雨、地形、地表覆蓋及土地利用五類條件。

各指標合成為土壤侵蝕綜合指標：

其中：

• $KI$：土壤指標，反映土壤性質與可蝕性。
• $RI$：降雨指標，反映降雨條件。
• $TI$：地形指標，主要依集水區平均坡度評定。
• $CI$：覆蓋指標，依地表覆蓋狀況評定；覆蓋愈完整，侵蝕通常愈低。
• $UI$：土地利用指標，反映土地利用方式或開發情形。

已知 USLE 土壤侵蝕指數 $K_m$ 時，土壤指標可換算為：

其中 $\operatorname{Int}$ 表示取整數部分。臺灣常用的 SEIM 迴歸關係為：

$SE$ 為依實測資料建立的土壤侵蝕量估計值，常以公噸／公頃表示。實際使用時，應依採用的 SEIM 資料或教材確認指標定義、單位及迴歸式適用範圍。

二、USLE 的公式與因子

臺灣常用的 USLE 形式為：

其中：

• $A_m$：長期平均年土壤流失量。
• $R_m$：降雨沖蝕指數。
• $K_m$：土壤沖蝕指數。
• $L$、$S$：坡長與坡度因子。
• $C$：覆蓋與管理因子。
• $P$：水土保持處理因子。

核心觀念

本題考查開挖整地時如何在施工現場控制坡面土壤沖蝕。施工擾動會使地表覆蓋減少、土壤裸露並降低入滲能力；降雨與逕流因而容易剝離、搬運土粒。控制原則是減少裸露面、縮短逕流流路、降低流速與沖蝕力，並將泥砂攔截在工區內。

本題屬施工方法與措施的申論題，重點在依施工前、中、後的順序，說明坡面與排水系統如何配合。題目未要求特定法條或數值計算，作答應聚焦於現場可執行的水土保持措施。

解題方法

可按「施工規劃、截排水、坡面防護、泥砂攔截、巡查維護」的順序作答，並說明各措施如何降低沖蝕。整地時不宜只列設施名稱；應交代設施設置位置、施工時機及功能，才能呈現完整的施工控制流程。

現場施工方法與措施

一、施工前規劃與分區施工

1. 先規劃水流路徑與排水出口：確認坡面逕流的集流方向、排水路線及安全出水位置，避免施工後逕流集中沖刷坡面或直接沖入下游。
2. 分區、分期開挖整地：依施工進度逐區施作，縮小同時裸露的面積；非施工區保留原有植生與地表覆蓋。
3. 避開強降雨期間的大面積裸露作業：施工前掌握天候，必要時先完成臨時排水及防護，再進行開挖。
4. 表土分層剝離與妥善堆置：表土集中堆置於穩定處，堆置區周邊設截水與攔砂措施，並覆蓋防雨布或植生，避免表土遭沖失。

二、設置截水與排水設施

1. 坡頂截水溝：設於坡頂或開挖區上方，攔截坡外來水並導至安全出口，避免外來逕流流經裸露坡面。
2. 坡面排水溝、急流槽或導水設施：將坡面逕流集中導至穩定的排水路線。導流設施應防止滲漏、溢流及沖刷；必要時設置消能或防沖設施。
3. 平台排水與分段導排：較長坡面可配合平台、橫向導水設施或分段排水，縮短逕流沿坡面流動的距離，避免流量與流速沿坡累積。
4. 排水出口消能與防沖：出口處可採塊石、消能設施或其他穩定護底方式，防止高速水流淘刷坡腳及下游地表。

三、穩定坡面並減少裸露

1. 控制坡度與坡長：依地質、土壤及施工條件採適當坡度，必要時分階或設平台，以降低坡面逕流的沖蝕能力並增加坡面穩定性。