110 公務人員升官等薦任 水土保持工程 土壤沖蝕原理與控制 考古題詳解

核心觀念

土壤可容許流失量（acceptable limits of erosion，亦稱土壤流失容許量，$T$ 值），是指在長期尺度下，土壤每年可被沖蝕而仍能維持土地生產力與土壤資源的最大流失量。訂定重點在於評估土層遭侵蝕後，土地生產力是否會顯著衰退；因此，$T$ 值須依土壤本身的條件決定，不能一概套用單一數值。

以命題當年（民國 110 年）相關教材所採概念作答；本題考的是訂定 $T$ 值時應考量的土壤條件，並非援引特定法條規定。

解題方法：逐項說明訂定標準

訂定可容許流失量時，主要考量以下四項：

1. 土壤深度 土層深厚、根系可利用的土體充足，表土流失後仍有較多土層可供作物生長，通常可容許較大的流失量。土層淺薄、接近岩盤或限制根系生長的土壤，流失少量表土就可能降低有效土深，故 $T$ 值應較低。

2. 母質種類 母質影響土壤的形成與更新速度，也影響底土的質地、結構及其對植物生長的適宜性。母質風化後能形成較多、且適於植物生長的土壤，對流失的承受能力較高；若母質形成土壤緩慢，或底土性質不利於生長，則可容許流失量較低。

核心觀念

溝壑沖蝕是坡面逕流集中於天然或人為形成的低窪線路，水流侵蝕力超過土體抗蝕能力後，逐步向下切蝕、向上游延伸及向兩側拓寬，形成溝槽的沖蝕現象。當沖蝕溝深度、寬度或集水範圍增大到無法單靠一般耕作或坡面整治消除時，通常稱為溝壑。

本題考查兩部分：一是溝壑如何由逕流集中與土體失穩而發生、發展；二是如何從「減少產流、分散導流、穩定溝床與溝岸、控制泥砂」著手治理。治理不能只填平溝槽，還要處理上游集水區的水源與坡面沖蝕，否則溝壑會再度發展。

解題方法

作答可依「肇因—發展過程—治理原則」組織。肇因先分自然條件與人為因素，再說明逕流集中後的侵蝕機制；治理則由集水區往下游、由坡面到溝道，依序處理產流、導流、固床護岸及植生復育。

一、溝壑沖蝕的肇因

1. 降雨與逕流集中 短延時強降雨、長時間降雨或融雪會增加地表逕流量。雨水沿坡面匯流，在坡折、凹地、道路邊溝或排水出口集中，流速及流量增大，對溝床和溝岸產生沖刷。

2. 地形與集水條件 坡度較大、坡長較長、集水面積較廣或地形呈凹形時，逕流較容易集中並具有較強的下切能力。坡面排水若匯入單一出口，也會使局部流量超過溝床承受能力。

3. 土壤與地質抗蝕力不足 土壤鬆散、結構弱、黏結力低、滲透能力差或土層薄，容易受水流侵蝕。土層下伏岩盤或抗蝕性較高的地層，也會形成差異侵蝕，使上方土體掏空、崩落，促進溝岸擴大。

4. 植生覆蓋不足 植被遭砍伐、火災、過度放牧或耕作破壞後，地表截留雨滴、減緩逕流及根系固土的功能降低，坡面逕流與土粒流失增加。

5. 土地利用與排水不當 不當開墾、坡地耕作、道路及建築開挖、排水設施集中排水、涵管出口未設消能防沖設施等，會增加產流或將水流導入脆弱地點，誘發溝頭下切及溝岸崩塌。

6. 溝頭下切與溝岸崩塌的回饋作用 集中水流先在溝頭形成沖刷，造成溝頭向上游後退；水流再沿溝床下切，溝岸因坡腳受沖、失去支撐而坍塌。崩塌土砂又被水流搬運，進一步拓寬或加深溝道，形成持續擴大的沖蝕。

二、溝壑治理原則

核心觀念

紋溝間沖蝕（interrill erosion）發生在紋溝之間的坡面，主要由雨滴打擊與薄層逕流共同造成。雨滴打散土粒、使土粒濺移；逕流則搬運鬆動的土粒。地表敷蓋（如植生、枯枝落葉、作物殘株或覆蓋材料）能減弱雨滴打擊與逕流的沖刷、搬運作用，因此通常會降低紋溝間產砂量。

紋溝間沖蝕的產砂量常以單位面積的土壤流失量表示。概念上可寫成：

其中 $D_i$ 為紋溝間土壤流失量，$K_i$ 為土壤可蝕性相關係數，$I$ 表示降雨強度或降雨侵蝕作用，$R$ 表示坡面逕流的搬運能力。此式用來說明產砂受降雨與逕流作用控制；實際模型的參數定義與單位依所採用的沖蝕公式而定。

地表敷蓋對產砂的影響

1. 攔截雨滴，降低雨滴打擊能量 植生冠層與地表殘體可攔截部分降雨，減少雨滴直接打擊裸露土壤的機會與能量，因而降低土粒崩解、飛濺與鬆動。地表敷蓋愈完整，裸露土面通常愈少，雨滴引起的土粒剝離便愈弱。

2. 減少土粒濺移與可供搬運的土砂 敷蓋物覆在土面上，可阻隔土粒直接受雨滴撞擊，降低土粒濺移距離與濺失量；土粒剝離減少，也使薄層逕流可搬運的鬆散土砂來源減少。

3. 減緩地表逕流，降低搬運能力 枯枝落葉、植生與作物殘株增加地表粗糙度，分散逕流並降低流速與流束集中程度，減少逕流搬運土粒的能力。敷蓋也有助於延緩逕流形成、促進入滲，進一步降低坡面逕流量及其搬砂作用。

核心觀念

本題比較土壤沖蝕模式的兩種組構取向，重點在於：模式依據何種原理建立、需要哪些資料、能否解釋沖蝕過程，以及適用範圍如何受限。

• 經驗模式（empirical model）：以觀測資料為基礎，利用統計關係或經驗公式，描述侵蝕量與降雨、土壤、坡度、植生、管理等因子的關聯。代表例子為通用土壤流失公式（USLE）及其修正式（RUSLE）。
• 物理機制模式（physical process-based model）：以水文與侵蝕的物理定律組構，描述降雨截留、入滲、地表逕流、土壤剝離、輸送及沉積等過程。代表例子包括 WEPP。

兩者都可用於估算或分析土壤流失；差別主要在於模式內部如何描述侵蝕，以及參數如何取得。

解題方法

作答時可依四個面向對照：組構基礎、所需資料與參數、成果解釋能力、適用性與限制。題目問的是「於模式組構上的優缺點」，因此須同時說明模式如何建立，以及此種組構方式造成的實務利弊。

經驗模式的組構與優缺點

經驗模式通常以侵蝕量的實測資料，建立侵蝕量與各因子之間的統計或經驗關係。以 USLE 為例：

其中 $A$ 為平均年土壤流失量，$R$ 為降雨沖蝕力，$K$ 為土壤可蝕性，$L$ 與 $S$ 分別為坡長及坡度因子，$C$ 為覆蓋與管理因子，$P$ 為水土保持措施因子。此式將影響侵蝕的因子以因子乘積組合，估算長期平均土壤流失量。

優點

1. 組構簡明、易於操作：因子形式清楚，便於計算、製圖及與地理資訊系統結合。
2. 資料需求相對較低：通常以氣象、土壤、地形、土地覆蓋及管理等資料估算各因子，不必逐時描述完整的逕流與侵蝕歷程。
3. 適合快速估算與比較：可用於不同坡地、管理方式或保育措施間的長期平均侵蝕量評估，亦利於區域尺度的初步篩選。
4. 建立後容易應用：在資料及環境條件與模式校估或經驗基礎相近時，操作成本低，成果易於溝通。

缺點

1. 依賴觀測資料與經驗範圍：模式關係來自特定資料與環境的歸納，移用至氣候、土壤、地形或土地利用差異很大的地區時，可靠度可能下降。
2. 不直接呈現侵蝕機制：因子乘積反映統計關聯，不能充分說明降雨如何形成逕流、逕流如何剝離土粒，以及泥砂如何輸送或沉積。
3. 時間與空間解析能力有限：以 USLE 為例，主要估計長期平均坡面片狀與細溝侵蝕量，不直接模擬單場暴雨歷程，也不適合直接代表河道侵蝕或集水區內完整的泥砂輸送與沉積。

核心觀念

前期土壤含水量（antecedent soil moisture content）是指一場降雨開始前，土壤原有的含水狀態，常以重量含水量、體積含水量或飽和度表示。它會改變土壤可再容納的水量、入滲能力及土壤抵抗剝蝕的能力，因此會影響降雨後的地表逕流、土壤流失量與沖蝕型態。

可用下列水量平衡概念說明：

其中 $P$ 為降雨量、$F$ 為入滲量、$Q$ 為地表逕流量，$\Delta S$ 為土壤水分儲存量的增加。前期含水量愈高，土壤水分儲存空間通常愈小；若入滲能力因此降低，降雨就較容易轉為地表逕流。

解題方法

作答時分別從「水文反應」與「土壤抗蝕性」切入，說明前期含水量對沖蝕的影響不只一條途徑：

1. 水文反應：影響入滲與逕流。 土壤較乾時，通常具有較大的水分儲存空間，降雨初期可先補充土壤水分；土壤較濕時，可供填補的孔隙水分差較小，較容易達到飽和或形成地表積水。當降雨強度超過入滲能力，或土壤已接近飽和時，地表逕流量及逕流歷時通常增加。逕流具有搬運與沖刷能力，因而容易增加坡面沖蝕與泥砂輸出。