111 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

本題評量水土保持學中「土壤沖蝕力學」的基底概念，核心著重於兩大重點：

1. 土壤沖蝕的學理定義：理解沖蝕並非單一瞬間事件，而是由外營力驅動的「分離（Detachment）$\to$ 搬運（Transportation）$\to$ 沈積（Deposition）」三階段連續動態歷程，並涵蓋地質沖蝕（Geologic erosion）與加速沖蝕（Accelerated erosion）的環境消長意義。
2. 造成沖蝕之動力類型（Agents of Erosion）：區分地表不同外營力的能量來源及其對土粒施加的力學機制，主要包括水力、風力、重力、冰川動能及人為機械力。

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解題方法

本題為標準申論題，答題架構應採「層次化破題」：

1. 第一部分（定義）：先給予精準的力學與物理定義，強調「三階段作用歷程」，再輔以自然營力與人為干擾下的沖蝕速率平衡觀念，展現專業深度。
2. 第二部分（動力類型）：以營力來源作為分類主軸（水力、風力、重力、冰川、機械動力），逐一說明各動力的作用力學機制（如剪應力、衝擊動能、有效應力破壞）及其主要移動型態。

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選項分析

本題為專技高考之申論問答題，無客觀選項。評分要點與答題架構分析如下：

• 沖蝕定義之完整性：若僅回答「土壤被雨水沖走或風吹走」僅能得基本分數；必須完整列出「土粒分離、搬運、沈積」之三階段動力程序，並點明地質沖蝕與人為加速沖蝕之對比，方能取得滿分。
• 動力類型之層次性：考生切忌將「水蝕的表現型態」（如滴蝕、面蝕、細溝侵蝕）誤寫為「動力類型」。水蝕型態係水力作用之結果，動力類型應回歸「水力、風力、重力、冰川、人為機械」等營力本質。

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解題技巧

1. 破除單一營力迷思：多數考生容易受台灣高雨量環境影響，答題僅集中於「水力沖蝕」。應試時須將「水、風、重力」列為三大基柱，並補齊「冰川與人為/機械營力」，結構才算完整。
2. 力學機制輔助強化：在說明各動力類型時，帶入基礎力學概念（如水流剪應力 $\tau_0 = \gamma R S$、降雨動能 $E_k = \frac{1}{2} m v^2$、莫爾–庫侖剪切破壞準則 $\tau_f = c' + \sigma' \tan\phi'$），可顯著提升作答鑑別度。

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【答案】

一、土壤沖蝕之定義（Definition of Soil Erosion）

1. 動力學程定義： 土壤沖蝕係指地表土壤、岩屑及其母質，受到大氣水文或地球物理等外營力之作用，發生分離（Detachment）、**搬運（Transportation）與沈積（Deposition）**的三階段連續動態歷程：

• 分離作用：外營力施加之能量克服土粒間的凝聚力與剪切阻抗，使單粒或團粒由原土壤本體脫離。
• 搬運作用：脫離之土粒藉由流水、氣流或重力等介質持續位移輸送。
• 沈積作用：當輸送介質之動能衰減、搬運能力低於沈降臨界條件時，土粒沈落堆積於局部窪地或受納水體。

2. 環境平衡觀點之分類：

• 地質沖蝕（Geologic Erosion / Natural Erosion）：在自然植被覆蓋與生態平衡條件下發生的正常風化剝蝕，其土損速率通常小於或等於母岩風化生成土壤之成土速率（Soil formation rate）。

核心觀念

本題考核土壤物理學中核心的水分熱力學與動態特性，主要包含兩大主題：

1. 土壤水分特性曲線（Soil Moisture Characteristic Curve, SMCC / Soil Water Retention Curve, SWRC）：

• 定義：表示土壤基質勢（Matric Potential, $\psi_m$）或基質吸力（Suction, $h$）與土壤含水率（通常以體積含水率 $\theta$ 或重量含水率 $w$ 表示）之間的非線性函數關係。
• 控制方程式：孔隙半徑與毛細吸力之關係依循 Young-Laplace 方程式： $h = \frac{2\gamma \cos\alpha}{\rho_w g r}$ 其中 $h$ 為毛細上升高度（吸力水頭），$\gamma$ 為水的表面張力，$\alpha$ 為接觸角，$\rho_w$ 為水密度，$g$ 為重力加速度，$r$ 為等效孔隙半徑。

2. 土壤水分遲滯現象（Hysteresis）：

• 定義：在相同的基質吸力下，土壤於脫水歷程（Drying / Desorption）所測得之含水率，始終高於吸水歷程（Wetting / Sorption）所測得之含水率；兩者在 $\theta$-$h$ 平面上形成閉合之遲滯迴圈（Hysteresis Loop）。

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解題方法

本題為標準的觀念與試驗方法論申論題，解題切入點分為兩大部分：

1. 獲得土壤水分特性曲線之測定方法：

• 應依「適用吸力範圍」（由低吸力飽和區、中吸力田間容水量區，至高吸力凋萎點區）分門別類說明，展現對各試驗儀器限制與量測原理的掌握。
• 重點列出：懸水柱法（砂箱法）、張力計法、壓力板儀法（壓力薄膜法）、以及極高吸力之露點水勢儀法（蒸汽壓平衡法）。

2. 遲滯現象之剖析：

• 先行界定定義與曲線特徵（脫水曲線在上、吸水曲線在下）。
• 從微觀孔隙幾何與物理化學機制切入，條列闡述四大成因：墨水瓶效應（Ink-bottle effect）、接觸角效應（Contact angle effect）、包蔽空氣（Entrapped air） 與 土壤脹縮變形（Shrinkage/Swelling）。

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選項分析

本題為申論題（非選擇題），無選項需逐一辨析。答題時須按評分標準，完整且均勻地分配篇幅於「測定方法（約佔 50% 配分）」與「遲滯現象（約佔 50% 配分）」。

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解題技巧

1. 分段分點與圖表思維：在國考申論紙上，儀器測定應標明「適用吸力範圍」、「主要原理」與「操作特點」；遲滯現象則強烈建議手繪「$\theta$ 對 $h$（或 $\log h$）」的遲滯曲線示意圖（標出脫水支、吸水支、田間容水量、永久凋萎點），能大幅拉高卷面分數。
2. 遲滯成因背誦口訣：「瓶、角、氣、縮」：

• 瓶：墨水瓶效應（幾何非對稱）。
• 角：前進接觸角 $>$ 後退接觸角（表面化學）。
• 氣：進水包蔽空氣（孔隙截斷）。
• 縮：乾濕循環之基質結構脹縮（物理變形）。

3. 陷阱注意：田間容水量約對應 $0.33\text{ bar}$（$33\text{ kPa}$），凋萎點約對應 $15\text{ bar}$（$1500\text{ kPa}$）。張力計受限於水之汽化空蝕（Cavitation），量測上限僅約 $0.8\text{ bar}$（$80\text{ kPa}$），切勿寫成可用張力計測定凋萎點。

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【答案】

一、獲得土壤水分特性曲線之方法

測定土壤水分特性曲線需透過施加外在吸力或壓力，待土壤孔隙水達到熱力學平衡後，稱重計算其相對應之含水率。由於單一儀器無法涵蓋整個植物有效水分範圍（$0 \sim 15\text{ bar}$），實務上通常搭配以下多種方法獲得完整曲線：

1. 懸水柱法（砂箱法 / 砂柱法，Hanging Water Column / Sand Box Method）

• 適用範圍：極低吸力區（$0 \sim 0.1\text{ bar}$，或 $0 \sim 100\text{ cm } \text{H}_2\text{O}$）。
• 測定原理：將飽和土樣置於高導水透水板（或細砂層）上，下方連接可升降之懸垂水柱。利用水柱高低差產生負壓（吸力），當水位降至特定負壓高度時，土樣排出重力水至平衡，隨後稱重計算含水率。適合測定大孔隙之排水轉折點（空氣進氣值，Air-entry value）。

2. 張力計法（Tensiometer Method）

• 適用範圍：低吸力區（$0 \sim 0.8\text{ bar}$，即 $0 \sim 80\text{ kPa}$）。
• 測定原理：張力計由多孔陶瓷頭、充水管及真空壓力計組成。

核心觀念

本題考查水蝕（Water Erosion）過程中的兩個關鍵階段——**雨濺沖蝕（Splash Erosion）與逕流沖蝕（Runoff Erosion）之物理力學機制，以及地表覆蓋（Surface Cover）**如何透過改變水力邊界條件達到減蝕效果。

1. 沖蝕三部曲：土壤沖蝕包含「分離（Detachment）」、「運移（Transport）」與「沈積（Deposition）」。雨濺沖蝕以分離為主，逕流沖蝕則兼具分離與運移。
2. 雨滴動能與動量轉移：雨滴動能公式為 $E_k = \frac{1}{2} m v^2$。裸露土壤承受降雨之終端速度打擊，導致土壤團粒崩解並產生表土結皮（Soil Crusting/Sealing），進而降低入滲率（Infiltration Rate）。
3. 水力學與水流剪應力：

• 曼寧公式（Manning's Formula）：$V = \frac{1}{n} R^{2/3} S^{1/2}$，地表粗糙度係數 $n$ 增加會顯著降低逕流流速 $V$。
• 底部剪應力公式：$\tau = \gamma R S$（$\gamma$ 為水單位重、$R$ 為水力半徑、$S$ 為水力坡降），當土壤承受剪應力大於臨界剪應力（$\tau > \tau_c$）時即發生淘刷分離。
• 剪應力分割原理：總剪應力由地表覆蓋物與土壤表面共同分擔（$\tau_{total} = \tau_{veg} + \tau_{soil}$），覆蓋能大幅折減直接施加於土粒上的有效剪應力 $\tau_{soil}$。

4. 通用土壤流失公式（USLE）之關聯：地表覆蓋直接對應覆蓋管理因子（$C$ 因子），在水土保持工程中為最經濟且顯著降低土壤流失量之非工程措施。

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解題方法

本題屬申論題型，切入點應採「對比剖析架構」：

1. 分別獨立論述：依題意拆分為「雨濺沖蝕之防止功能」與「逕流沖蝕之防止功能」兩大主軸，結構清楚、不互相混淆。
2. 微觀物理機制＋宏觀水力效應：每項功能不可僅條列「減少沖蝕」，必須寫出物理機制（如消散動能、破壞水膜衝擊、增大糙度係數、分散水流、增加入滲、促進攔截沈積）。
3. 精準使用專有名詞：適度帶入水力學與土壤物理公式符號（動能 $E_k$、曼寧糙度 $n$、剪應力 $\tau$、入滲率 $f$、表土結皮），展現專業答題深度。

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選項分析

本題為專技高考之申論題，非選擇題，故無個別選項；閱卷評分關鍵在於能否精準區分「雨滴打擊之面作用」與「逕流水流之線面水力作用」之物理防禦差異。

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解題技巧

1. 關鍵得分點——區分樹冠層與地表貼地覆蓋：若考生將地表覆蓋誤答為「喬木樹冠」，閱卷老師會扣分，因為高大樹冠截留後再滴落的水滴（Canopy Drip）粒徑往往變大，掉落足夠高度後動能甚至不亞於自然降雨；必須強調「貼地覆蓋（如敷蓋 Mulch、殘茬 Residue、低矮地被植物）」才能真正消除落雨末速。
2. 常見盲點——忽略「表土結皮」的連鎖效應：防止雨濺沖蝕不只保護表土顆粒不被飛濺，更重要的是防止細粒堵塞土壤孔隙（防止 Surface Crusting），從而維持高入滲率，間接大幅減少後續逕流量。將此因果鏈寫出，是拿取高分（85% 以上題分）的關鍵。

核心觀念

本題旨在考驗考生對《水土保持技術規範》（本題以命題當年民國 111 年法規為準，現行規範亦同）中通用土壤流失公式（Universal Soil Loss Equation, USLE）之理論架構、公式推導及實務查表取值之熟練度。

通用土壤流失公式之公制表示式為： $A = R_m \times K_m \times L \times S \times C \times P$

各參數定義與法源依據如下：

1. $A$（年土壤流失量）：單位為 $\mathrm{ton/ha/yr}$。
2. $R_m$（降雨沖蝕指數）：公制單位為 $\mathrm{MJ\cdot mm / (ha\cdot hr\cdot yr)}$，題目給定 $R_m = 13145$。
3. $K_m$（土壤沖蝕指數）：公制單位為 $\mathrm{ton\cdot ha\cdot hr\cdot yr / (MJ\cdot mm\cdot ha\cdot yr)}$，題目給定 $K_m = 0.0342$。
4. $L$（坡長因子）：依《水土保持技術規範》規定，公式為： $L = \left(\frac{\lambda}{22.13}\right)^m$ 其中 $\lambda$ 為坡長（$\mathrm{m}$）；$m$ 為坡長指數，依坡度百分比 $s$ 決定：

• $s < 1\%$ 時，$m = 0.2$
• $1\% \le s < 3\%$ 時，$m = 0.3$
• $3\% \le s < 5\%$ 時，$m = 0.4$
• $s \ge 5\%$ 時，$m = 0.5$

5. $S$（坡度因子）：依《水土保持技術規範》規定，公式為： $S = 65.41 \sin^2\theta + 4.56 \sin\theta + 0.065$ 其中 $\theta$ 為坡度角，$\sin\theta = \frac{\Delta h}{\lambda}$（$\Delta h$ 為高差）。
6. $C$（覆蓋與管理因子）與 $P$（水土保持處理因子）：

• 開發中：基地處於整地開挖之全面裸露狀態，無植生覆蓋與永久性水土保持處理，法規基準值取 $C = 1.0$、$P = 1.0$。
• 開發為建築用地後：基地完成整地並興建建物、鋪面與綠化，依《水土保持技術規範》附表之建築用地參考值，標準取 $C = 0.01$（參考範圍為 $0.01 \sim 0.05$）、$P = 1.0$。

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解題方法

步驟一：計算基底降雨與土壤沖蝕乘積（$R_m \times K_m$）

$R_m \times K_m = 13145 \times 0.0342 = 449.559\ \mathrm{ton/ha/yr}$

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步驟二：估算「開發中」之土壤流失量

1. 坡度與坡角計算：

• 坡長 $\lambda_1 = 34\ \mathrm{m}$，高差 $\Delta h_1 = 1.2\ \mathrm{m}$。
• 正弦值：$\sin\theta_1 = \frac{\Delta h_1}{\lambda_1} = \frac{1.2}{34} \approx 0.03529$。
• 坡度百分比：$s_1 \approx 3.53\%$。

2. 判定坡長指數 $m$：

• 因 $3\% \le s_1 < 5\%$，故選取 $m = 0.4$。

3. 計算坡長因子 $L_1$： $L_1 = \left(\frac{34}{22.13}\right)^{0.4} = (1.53638)^{0.4} \approx 1.1874$
4. 計算坡度因子 $S_1$： $S_1 = 65.41 \sin^2\theta_1 + 4.56 \sin\theta_1 + 0.065$ $S_1 = 65.41 \times (0.03529)^2 + 4.56 \times (0.03529) + 0.065$ $S_1 = 0.08148 + 0.16092 + 0.065 \approx 0.3074$
5. 決定 $C$、$P$ 值：

• 開發中處於無防護裸露整地工況：$C = 1.0$、$P = 1.0$。

6. 計算開發中土壤流失量 $A_{\text{開發中}}$： $A_{\text{開發中}} = R_m K_m \times L_1 \times S_1 \times C \times P$ $A_{\text{開發中}} = 449.559 \times 1.1874 \times 0.3074 \times 1.0 \times 1.0 \approx 164.10\ \mathrm{ton/ha/yr}$

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核心觀念

本題旨在測驗考生對於土壤沖蝕力學機制與**通用土壤流失公式（USLE / RUSLE）**中人為可控變數的整合應用能力。

1. 學理依據（USLE / RUSLE 因子解析）： 通用土壤流失公式為： $A = R \times K \times L \times S \times C \times P$ 式中：

• $A$：單位面積年平均土壤流失量（$\text{t}\cdot\text{ha}^{-1}\cdot\text{yr}^{-1}$）
• $R$：降雨沖蝕指數因子（Rainfall erosivity factor，屬天然氣候因子，非人為所能控制）
• $K$：土壤沖蝕性因子（Soil erodibility factor，主受土壤先天質地、有機質、結構與滲透性決定）
• $L, S$：坡長與坡度因子（Slope length and steepness factor，人為微地形整地可加以改變）
• $C$：覆蓋與管理因子（Cover-management factor，受人為土地利用、耕作覆蓋直接支配）
• $P$：水土保持處理因子（Support practice factor，受人為水土保持工法直接支配）

2. 人為因子之本質： 人為活動（如伐採森林、過度放牧、順坡耕作、機械重壓壓密土壤、山坡地過度開墾及道路工程大面積開挖）會破壞地表被覆、劣化土壤團粒構造、降低入滲率，並導致地表逕流集中與沖蝕量劇增。因此，人為因子的控制重點在於降低 $C$ 因子值、降低 $P$ 因子值，以及藉由地形重塑減小 $L$ 與 $S$ 因子值。

3. 法規依據： 以命題當年（民國 111 年）法規為準，相關防治措施依據我國《水土保持法》、《山坡地保育利用條例》及《水土保持技術規範》之規定落實。

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解題方法

本題為典型之申論題，若僅零散條列工程名稱難以取得高分。答題策略應採**「學理機轉引導工法分類」**，建立三維控制體系：

1. 農藝與植生措施（針對 $C$ 因子）：透過植物與敷蓋吸收雨滴動能、增加表面糙度、提升入滲。
2. 水土保持工程與地形改善措施（針對 $L, S, P$ 因子）：截短坡長、減緩坡度、安全疏導逕流，防止逕流集中沖刷。
3. 土地利用與非工程管理措施（源頭管制作為）：土地適宜性分類利用、施工期臨時防災管理，消除不當人為誘發因子。

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選項分析

本題為專技高考之申論題（非選擇題），無選項可資分析。答題關鍵在於架構層次分明、專業術語精確，切中人為因子控制之實務與學理。

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解題技巧

1. 破題黃金公式：開篇先帶出 USLE 之 $C$、$P$、$L$、$S$ 因子，向閱卷委員展現深厚的土壤物理與沖蝕學理基礎，再延伸至具體控制技術。
2. 避開常見陷阱：

• 勿將天然因子措施混入：切勿著墨於「改變降雨特性（$R$）」等非人為可控範圍。
• 避免工法單一化：切忌只寫剛性土木工程（如擋土牆、防砂壩），水土保持之核心原則為「能植生則植生，能柔性則柔性」，農藝措施必須列於第一優先。

3. 記憶口訣：

• 農藝（打不死、流不走）：覆蓋、等高、條狀、少耕。
• 工程（走得慢、排得掉）：階段、截水、草溝、沉砂。
• 管理（不超限、做防護）：查定、法規、臨時防護。

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【答案】