111 專技高考高等考試 水土保持技師 坡地水文學 考古題詳解

核心觀念

本題評量「氣候變遷因應」、「集水區碳循環」與「水土保持處理維護」的跨領域整合觀念。 依據命題當年（民國 111 年）國家推動之「臺灣 2050 淨零排放路徑」關鍵戰略，自然碳匯（Nature-based carbon sinks）主要分為三大軸線：

1. 綠碳（森林／植生碳匯）：地上部與地下部木質／非木質生物質（Biomass）所蓄積的碳。
2. 黃碳（土壤碳匯）：以土壤有機碳（Soil Organic Carbon, SOC）形式固定於表土及土層中的碳庫。
3. 藍碳（濕地與水域碳匯）：水岸帶、濕地與水體沉積物中的厭氧固定碳。

水土保持學之核心水文與沖蝕方程式（如通用土壤流失公式 USLE/RUSLE）： $A = R \cdot K \cdot L \cdot S \cdot C \cdot P$ 式中，$A$ 為年平均土壤流失量，$C$ 為植生覆蓋與管理因子，$P$ 為水土保持處理因子。集水區水土保持處理係藉由調控 $C$ 與 $P$ 因子，抑止水土沖蝕，進而防止土壤有機碳因逕流剝蝕、搬運而加速氧化逸散，並結合植生復育手段擴大碳吸收匯。

解題方法

本題為高階申論題，切入點應避免流於泛泛而談的「多種樹」，必須緊扣「集水區空間系統」與「水土保持處理之工法分類（農藝、植生、工程、管理維護）」，結合綠碳、黃碳與水文循環特性進行系統化破題：

1. 空間尺度與碳匯類型對應：

• 坡面／集水區上游：農藝與植生處理（提升植生生質綠碳、蓄積土壤黃碳）。
• 水路／河溪過渡帶：邊坡工程與水岸植生緩衝帶（攔截有機沉積物、涵養黃碳與藍碳）。
• 防災與結構物維護：減少土石崩塌與大規模土砂災害引發的固碳庫崩解。

2. 處理機制論述：

• 說明「增匯（Sequestering）」：光合作用固定大氣 $\text{CO}_2$ 為有機物。
• 說明「保匯／減排（Preserving/Mitigating）」：抑制表土沖蝕，阻斷土壤有機碳曝氣分解成 $\text{CO}_2$。

3. 維護管理構面：

• 強調「全生命週期維護」及「低碳/近自然工法」，確保存續期間碳匯為淨正值（Net-Positive）。

選項分析

本題為申論題，非選擇題。作答時各評分構面之重點檢驗與得分取向如下：

• 植生與農藝面向：若僅寫「造林」，得分僅屬基本；須進一步點出「草生栽培」、「複層林營造」及「枯枝落葉敷蓋（Mulching）轉化為土壤腐植質」，方能凸顯水土保持專業。
• 土壤沖蝕面向（關鍵鑑別點）：必須闡明「水蝕防治即是保碳」。沖蝕過程會打破土壤團粒結構，使包裹於內的活性有機碳暴露並快速氧化；水土保持處理降低沖蝕率，實質上即是保護黃碳庫。
• 防砂與水岸工程面向：傳統大量使用高碳排卜特蘭水泥之結構物會抵消碳匯效益；應論述「乾砌石、木樁編柵、土石籠、植生防砂」等近自然生態工法，以及調蓄沉砂池對有機質泥砂的厭氧深埋沉積作用。
• 維護面向：著重林木撫育（疏伐、除草）、坡地定期巡檢、設施排砂維護，避免災損重現造成碳匯毀滅性釋放。

解題技巧

1. 破題架構採「三碳一保」法： 試卷上直接以「綠碳增匯（生質碳）」、「黃碳保匯（土壤碳）」、「藍碳蓄積（水域濕地）」及「維護防災（保全既有碳庫）」為大標題，閱卷委員可於十秒內確認關鍵詞是否齊全。

核心觀念

本題旨在測驗考生對於國際水資源與生態水文領域之核心策略——**「以自然為本的解決方案（Nature-based Solutions, NbS）」**架構體系的掌握程度，特別著重於聯合國教科文組織（UNESCO）倡議之生態水文（Ecohydrology）觀念及國際自然保護聯盟（IUCN）於 2020 年正式發布之《NbS 全球標準》（IUCN Global Standard for NbS）。

在坡地水文學與水土保持領域中，核心考點包括：

1. 水文與生態耦合思維：傳統工程水文學著重以混凝土等灰色設施（Grey Infrastructure）加速逕流排放；NbS 強調恢復集水區自然水文循環（提高入滲、蓄涵水源、削峰滯洪、基流調節與泥砂平衡）。
2. 管理思維轉變：由「對抗自然、單一目標（防洪）」轉變為「順應自然、多重效益（水安全、生態多樣性、氣候調適、碳匯）」。
3. IUCN NbS 八大準則（Criteria）：國際通用的評估與落實架構，包含挑戰導向、尺度設計、生態效益、經濟可行性、包容性治理、權衡取捨、適應性管理與主流化。

解題方法

本題為標準的觀念闡述型問答題，破題與行文應採**「三段式架構」**：

1. 引言段（思維轉變背景）：呼應題幹，簡述傳統灰色思維與 NbS 生態水文管理思維的差異，說明 NbS 如何透過維持水文循環功能健全生態系。
2. 核心主體段（NbS 之核心準則）：以國際公認之 IUCN NbS 八大準則為骨幹，逐一條列並融入水文、集水區治理與水土保持工程之應用實務。
3. 結語段（總結回扣）：強調綠灰整合（Hybrid Green-Grey Infrastructure）在坡地永續水資源利用上的角色。

選項分析

本題為專技高考之問答申論題，無 ABCD 選項。為提供考生最具鑑別度的複習依據，針對考場作答時常見的「觀念迷思與易扣分項目」進行深入辨析：

1. 迷思一：將 NbS 等同於傳統「植生綠化」或「景觀美化」

• 錯誤原因：植生或綠化若未能有效回應水文災害（如未能有效減少尖峰逕流、降低沖蝕）、甚至引入外來種破壞生態，即不符合 NbS。NbS 必須明確回應具體的社會水文挑戰（準則一），並創造生物多樣性淨效益（準則三）。

2. 迷思二：認為 NbS 是全面揚棄「灰色水利工程」的極端自然主義

• 錯誤原因：NbS 並非完全排除灰色工程，而是提倡「綠灰融合」；在坡地防災極端事件中，仍需防砂壩、排水系統等工程互補，重點在於全生命週期之成本效益與生態水文平衡（準則四與準則六）。

3. 迷思三：僅重視施工工法，忽略長期的「治理機制」與「滾動監測」

• 錯誤原因：僅具備工程技術而不具備利害關係人參與（準則五）與適應性管理回饋機制（準則七），無法構成完整的 NbS 解決方案。

解題技巧

1. 記憶框架結構化：八大準則切忌散亂背誦，可依「邏輯生命週期」分為三大構面：

• 目標與設計面：因應挑戰（準則 1）、地景/流域尺度（準則 2）、生態效益（準則 3）。
• 可行性與實施面：經濟可行（準則 4）、包容性治理（準則 5）、權衡平衡（準則 6）。
• 持續與擴展面：適應性管理（準則 7）、主流化永續（準則 8）。

2. 緊扣水文專業術語：解說各準則時，務必帶入《坡地水文學》之核心術語，如：入滲（Infiltration）、基流（Baseflow）、逕流歷線（Runoff Hydrograph）、降雨－逕流過程（Rainfall-Runoff Process）、集水區（Catchment/Watershed），提高閱卷老師給予高分之意願。

【答案】

核心觀念

本題評量坡地水文學中「集水區降雨—逕流分析」的核心整合能力，涉及以下四大觀念與公式：

1. 基流分離（Baseflow Separation）： 水文歷線之總流量由直接逕流（Direct Runoff）與基流（Baseflow）組成。若歷線起漲前與退水末期流量維持定值，通常採用「水平直線法（常數基流法）」，分離出直接逕流歷線（DRH）： $Q_d(t) = Q(t) - Q_b$
2. 梯形積分法（Trapezoidal Rule）計算逕流容積： 以等時間間距 $\Delta t$ 記錄之逕流歷線，其直接逕流總容積 $V_d$ 為歷線下面積： $V_d = \sum_{i=1}^{n-1} \frac{Q_{d, i} + Q_{d, i+1}}{2} \cdot \Delta t$ 若直接逕流之起訖點流量皆為 $0$，則可簡化為各時間點直接逕流量總和乘上時間間距： $V_d = \left( \sum Q_d \right) \cdot \Delta t$
3. 逕流深與入滲損失量： 直接逕流深（有效降雨量）$R$ 為逕流容積除以集水區面積 $A$： $R = \frac{V_d}{A}$ 降雨過程中之總入滲損失深 $F$ 為總降雨量 $P$ 與逕流深 $R$ 之差值： $F = P - R$
4. 平均入滲率（$\Phi$ 指標法，$\Phi$-index）： $\Phi$ 指標代表降雨歷程中之平均入滲率（假設降雨期間入滲率為定值）。當降雨強度均大於入滲率時，其公式為： $\Phi = \frac{P - R}{t_r} = \frac{F}{t_r}$ 其中 $t_r$ 為總降雨延時。計算完成後，須檢核各場降雨強度是否均滿足 $i > \Phi$。

解題方法

步驟一：判斷基流並分離出直接逕流歷線（DRH）

由題目流量記錄可知：

• $t = 0\ \mathrm{hr}$ 與 $t = 6\ \mathrm{hr}$ 時，流量均為 $5\ \mathrm{cms}$，隨後流量開始起漲。
• $t = 54\ \mathrm{hr}$ 與 $t = 60\ \mathrm{hr}$ 時，流量皆回復並維持在 $5\ \mathrm{cms}$。

因此採用水平直線法，取基流量 $Q_b = 5\ \mathrm{cms}$。 各時間點之直接逕流量 $Q_d = Q - 5\ \mathrm{cms}$ 如下：

計算直接逕流量之總和： $\sum Q_d = 0 + 0 + 8 + 21 + 16 + 11 + 7 + 4 + 2 + 0 + 0 = 69\ \mathrm{cms}$

步驟二：計算直接逕流總容積 $V_d$ 與逕流深 $R$

觀測間隔 $\Delta t = 6\ \mathrm{hr} = 6 \times 3600\ \mathrm{s} = 21,600\ \mathrm{s}$。 直接逕流總容積 $V_d$ 為： $V_d = \sum Q_d \times \Delta t = 69\ \mathrm{m^3/s} \times 21,600\ \mathrm{s} = 1,490,400\ \mathrm{m^3}$

核心觀念

水輪機在流量為 $30\ \mathrm{cms}$ 時達到最高效率。當野溪流量達到或超過 $30\ \mathrm{cms}$，即可供應水輪機以該流量運轉；超過的水量可不經水輪機或另行處理。因此，本題要計算流量達 $30\ \mathrm{cms}$ 以上的發生比例，再換算成年日數。

解題方法

依表中流量級距，將 $30\ \mathrm{cms}$ 以上的級距次數加總：

全部級距的發生次數為：

核心觀念

本題用集流時間 $t_c$ 決定洪峰計算所採用的降雨延時。合理化公式假設：當降雨延時等於集流時間時，集水區各處的逕流可同時到達出口，因此以該延時的平均降雨強度計算洪峰流量：

其中 $Q_p$ 為洪峰流量（$\mathrm{m^3/s}$）、$C$ 為逕流係數、$i$ 為降雨強度（$\mathrm{mm/h}$）、$A$ 為集水面積（$\mathrm{km^2}$）。

解題方法

先用題給公式計算集流時間。坡長 $L=1.0\ \mathrm{km}=1{,}000\ \mathrm{m}$，平均坡度 $S=0.005$：

表中沒有 $31.45$ 分鐘的降雨深度，於是以 $30$ 分鐘與 $40$ 分鐘資料線性內插：