114 公務人員升官等薦任 水利工程 水資源工程學 考古題詳解

核心觀念

本題考查氣候變遷如何改變臺灣的水文循環，以及水資源管理如何由「以歷史水文資料規劃」轉向「納入未來氣候風險、提高系統韌性」。作答時應把「衝擊」與「調適」一一對應，並兼顧水量、水質、供水與水患。

調適是因應已發生或預期的氣候變化及其影響，降低損害、提升韌性的措施；減緩則是透過減少溫室氣體排放或增加碳匯，減緩氣候變遷。題目重點在水資源調適，可簡要點出減緩與調適並行。

法制方面，可提及《氣候變遷因應法》及國家氣候變遷調適行動計畫。涉及法規時，以命題當年（民國 114 年）法規為準。

解題方法

建議依「氣候與水文變化 → 水資源衝擊 → 調適策略」作答。先說明雨量不只看年總量，也要看季節分配、空間分布、降雨強度與連續無雨日數；再由此推導枯旱、洪水、水庫淤積、水質及沿海地下水等影響；最後分別提出供水面、需求面、工程面與治理面的措施。

氣候變遷對臺灣水資源環境的可能衝擊

1. 降雨時空分布改變，豐枯差距擴大 臺灣降雨受季風、颱風及地形影響，氣候變遷會使降雨季節分配及區域分布改變。即使年雨量總量變化不大，降雨更集中於少數時段，也會加大豐水期與枯水期的落差，增加蓄水與跨區調度難度。

2. 枯旱與供水風險上升 連續不降雨日數增加、枯水期延長時，河川基流量與水庫入流量下降，容易造成農業、民生及產業用水競用。高溫也會增加蒸發散與用水需求，使乾旱期間供需失衡更加明顯。

3. 短延時強降雨及洪水風險增加 強降雨可能使河川洪峰快速升高，造成都市積淹水、河川溢淹、山區土石流及供水設施受損。雨水快速排出海洋，未必能有效補充水庫與地下水，形成「旱澇交替」的管理挑戰。

4. 水庫淤積與水源濁度升高 豪雨沖刷增加坡地侵蝕及泥砂輸送，可能加速水庫淤積、降低有效蓄水量；高濁度原水也會增加淨水處理負荷，造成取水或供水操作受限。

5. 水質與生態環境受影響 枯水時河川流量降低，污染物稀釋能力下降；暴雨逕流則可能將泥砂、污染物及營養鹽帶入河川與水庫。水溫上升亦可能改變水域生態與水質狀況。

6. 海平面上升與沿海地下水鹽化 海平面上升、暴潮及沿海地層下陷會增加低窪地區排水與淹水風險；沿海地下水若長期超抽，海水入侵風險升高，可能使地下水水質及可用水量惡化。

調適策略

核心觀念

本題考「等值年成本法」。替代方案的使用年限不同，直接比較初始建造成本會失準；應將建造成本及年維護費換算為相同利率下的等值年成本，再比較每年成本。等值年成本較低者較經濟。

資金回收因子為：

若某設施每年維護費固定，則其等值年成本為：

其中 $P$ 為建造成本、$M$ 為年維護費、$i$ 為年利率、$n$ 為壽命年數。

解題方法

計畫甲壽命 100 年，等值年成本為：

計畫乙由 A、B、C 三子項組成，應分別依各自壽命換算年成本，再加總。

A 渠道壽命 100 年，無另列年維護費：

B 內面工壽命 20 年。因替代計畫的比較期間採 100 年，內面工每 20 年更新一次；等值年成本可直接用 20 年資金回收因子計算：

核心觀念

本題考查水力發電廠從資源調查到施工圖設計的完整開發流程，核心是依序回答「有無水力資源、工程是否可行、方案如何選定、如何完成設計並符合環境與營運需求」。水力發電雖屬再生能源，仍可能改變河川流量、泥砂輸移、生態棲地及居民生活，規劃時必須兼顧水資源利用、工程安全、經濟效益與環境永續。

發電功率的基本關係式為：

其中 $P$ 為輸出功率、$\rho$ 為水密度、$g$ 為重力加速度、$Q$ 為發電流量、$H_{\mathrm{net}}$ 為扣除水路損失後的淨水頭、$\eta$ 為水輪機與發電機等設備的總效率。年發電量則須依不同時段的流量、水頭及機組效率估算，不能只以裝置容量推定。

法規部分，以命題當年（民國 114 年）法規為準。開發計畫應依開發規模及場址條件，檢核《環境影響評估法》及《開發行為應實施環境影響評估細目及範圍認定標準》等規定，辦理應有的環境影響評估；另須依工程性質處理土地、水權、用水與電力併網等相關事項。

解題方法：依開發階段逐步說明

作答時依「初期勘查與初步研究 → 可行性研究 → 基本設計與詳細設計 → 施工及試運轉」鋪陳，並將水文、地質、工程、環境、經濟與營運工作納入各階段。

一、初期勘查與初步研究

1. 確認開發目標與場址：釐清電力需求、供電方式、是否與既有水庫或灌溉、供水設施併用，以及開發屬川流式、水庫式或抽蓄式。
2. 盤點水力資源：蒐集流域地形、降雨、河川流量、既有水庫操作及用水資料，初步掌握可利用水量與落差。
3. 現地踏勘與資料蒐集：調查地形、地質、道路、輸電線路、施工便道、土地使用及環境敏感區位，判斷是否值得進入深入評估。

二、可行性研究與方案比較

1. 水文及水能分析：建立流量歷線或流量延時曲線，分析枯水、豐水及洪水條件，並考量既有用水需求與應維持的下游流量。初估淨水頭、發電流量、裝置容量及年發電量。
2. 地質與工程條件調查：辦理必要的地質、地形與材料調查，評估壩址、引水路線、壓力管、調整池、廠房及尾水路等位置的可行性。
3. 研擬工程布置替代方案：比較取水、攔水或蓄水設施、輸水系統、水輪機型式、廠房位置及接入電力系統等配置，並分析施工、操作及維護條件。

核心觀念

集水區降雨流模擬的目的，是由總降雨量推估可形成地表逕流的「超滲降雨」（又稱有效降雨）。降雨強度低於入滲能力時，雨水可入滲；降雨強度超過入滲能力時，超出的部分形成地表逕流。

設時段 $\Delta t$ 的降雨深為 $P_i$，入滲損失為 $F_i$，則超滲降雨深為

若以降雨強度 $r(t)$ 與入滲能力 $f(t)$ 表示，瞬時超滲率為

實務上，超滲降雨序列可作為單位歷線或其他降雨流模式的輸入。

解題方法：常用估算方法

題目要求舉出三種以上方法，作答時宜涵蓋「入滲能力隨時間變化的物理模式」與「由降雨資料直接估算損失的指數法」。以下列出五種常用方法。

一、Horton 入滲公式

Horton 假設入滲能力隨降雨持續時間增加而遞減，並逐漸趨近穩定入滲率：

其中，$f_0$ 為初始入滲能力、$f_c$ 為穩定入滲能力，$k$ 為衰減係數。各時段入滲量不得超過該時段可供入滲的降雨量，因此可依降雨強度與 $f(t)$ 比較，逐時段計算超滲量。

**例：**若某時段雨量為 $12\ \mathrm{mm}$，同時段依 Horton 曲線估得入滲能力所對應的入滲量為 $8\ \mathrm{mm}$，則超滲降雨為 $12-8=4\ \mathrm{mm}$。

二、Green–Ampt 入滲公式

Green–Ampt 法以土壤剖面中的濕潤鋒面描述入滲，適合土壤特性資料較完整的情形。入滲能力可寫為

其中，$K_s$ 為飽和水力傳導度，$\psi_f$ 為濕潤鋒面吸力水頭，$\theta_s-\theta_i$ 為含水量差，$F$ 為累積入滲量。隨 $F$ 增加，括號中的吸力項減小，入滲能力逐漸接近 $K_s$。將雨強與當下入滲能力比較，即可估算超滲雨量。

三、$\phi$ 指數法

$\phi$ 指數假設事件期間的入滲損失率為固定值 $\phi$。先由總雨量扣除初期損失及觀測逕流量，求得 $\phi$，使扣除低於 $\phi$ 的降雨後，剩餘雨量等於直接逕流量：

核心觀念

重現期 $T=25$ 年表示：在每一年發生超過設計標準、造成溢堤的年機率為

因此，任一年未發生溢堤的機率為

依水文頻率分析的慣例，假設各年發生與否相互獨立，且年機率固定為 $p$。這題考的是重現期與年超越機率的換算，以及在多年度期間計算二項分布機率。

解題方法

（一）任一年發生溢堤的機率就是年超越機率：

（二）3 年內未發生溢堤，表示連續 3 年都未發生：

（三）3 年內恰好發生 1 次溢堤，需考慮溢堤可發生於 3 年中的任一年，共有 $\binom{3}{1}=3$ 種位置：