114 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

本題考查地表逕流如何克服土粒的穩定作用，使土粒起動並沿坡面輸移。作答時要區分兩個階段：土粒起動（剝離）與土粒輸送。逕流的剪應力、拖曳力與升力是主要水力作用；土粒的水中有效重量、接觸摩擦、土粒間凝聚力及根系等則提供穩定作用。

解題方法

可依「受力平衡 → 起動條件 → 移動型態 → 沉積條件」說明：

1. 逕流作用於土床 水流沿坡面流動，對床面施加剪應力。均勻流近似下，床面剪應力可表示為： $\tau_0=\rho gRS$ 其中 $\rho$ 為水的密度、$g$ 為重力加速度、$R$ 為水力半徑、$S$ 為能量坡降；薄層坡面流常以流深 $h$ 近似 $R$。

2. 土粒所受作用力與起動 水流對露出床面的土粒產生沿流向的拖曳力及向上的升力；紊流脈動也會造成瞬時壓力與速度變化。土粒的主要穩定作用包括水中有效重量、與鄰粒接觸所生的摩擦與嵌鎖，以及細粒土的凝聚力。當水流作用力矩足以克服抗力矩，土粒便會滾動、滑動或被掀起。

對非凝聚性、充分浸沒的顆粒床，可用 Shields 參數表達起動條件： $\theta=\frac{\tau_0}{(\rho_s-\rho)gd}$ 當 $\theta$ 達到臨界值 $\theta_c$ 時，顆粒開始起動；等價地，臨界剪應力為： $\tau_c=\theta_c(\rho_s-\rho)gd$ 其中 $\rho_s$ 為土粒密度，$d$ 為粒徑。這是判斷顆粒起動的概念式；實際臨界值會受粒徑、床面排列、顆粒突出程度、流況及黏結作用影響。

核心觀念

本題考查「極端短延時降雨」如何影響通用土壤流失公式（USLE）的土壤流失估算。公式為：

其中，$A$ 為年平均片狀沖蝕與細溝沖蝕量；$R$ 為降雨沖蝕力因子；$K$ 為土壤沖蝕性因子；$L$、$S$ 分別為坡長與坡度因子；$C$ 為作物覆蓋與管理因子；$P$ 為水土保持處理因子。

題目所稱 $200\ \mathrm{mm}/3\ \mathrm{hr}$，表示短時間內降雨量大、降雨強度高，平均強度約為：

此數值是三小時平均強度，不能直接當作 USLE 的最大連續 30 分鐘雨強 $I_{30}$；然而，短延時大豪雨通常也會提高 $I_{30}$ 與降雨動能，因此首先、也最直接影響的是 $R$ 因子。

解題方法與各因子影響

可從公式各因子的意義判斷：哪些因子直接描述降雨，哪些因子描述土壤、坡地或人為管理。短時大豪雨改變的是降雨特性；其他因子的基本數值不會只因降雨事件出現而立即改變，但降雨造成的地表與逕流狀態，會影響實際沖蝕或後續評估。

1. 降雨沖蝕力因子 $R$：明顯增加

USLE 的單場降雨沖蝕指標以降雨動能 $E$ 與最大連續 30 分鐘雨強 $I_{30}$ 的乘積表示：

年 $R$ 值則由侵蝕性降雨事件的 $EI_{30}$ 累積或平均而得。短時大豪雨雨滴動能大、雨強高，會加劇土粒剝離與地表逕流，因此使單場 $EI_{30}$ 上升；若這類事件在長期氣候紀錄中更頻繁，則年平均 $R$ 值也會上升，預估土壤流失量隨之增加。

2. 土壤沖蝕性因子 $K$：土壤固有值不因單場豪雨直接改變

$K$ 表示土壤在標準條件下受沖蝕的易損程度，主要由土壤質地、結構、有機質與滲透性等特性決定。因此，豪雨不會直接改變土壤本身的固有 $K$ 值。

但強降雨可能造成表土結皮、孔隙堵塞或土壤飽和，使入滲下降、逕流增加；若長期使表土結構或有機質改變，後續評估所採用的 $K$ 值才可能間接受影響。作答時應區分「單場降雨造成的沖蝕增強」與「土壤性質改變造成的 $K$ 值變化」。

3. 地形因子 $LS$：地形不變時因子不直接改變，沖蝕效果會放大

核心觀念

本題考土壤與流水沖蝕的型態、通用土壤流失公式中的土壤可蝕性，以及泥砂由坡面輸送至下游測點的比例，並延伸至坡地防風措施。作答時應指出各名詞的作用機制、發生位置與控制重點。

解題方法與各名詞說明

（一）瀑布沖蝕（Waterfall erosion）

瀑布沖蝕是蝕溝或溝谷發展時，水流越過溝頭陡坎向下跌落，沖擊坎底及坎腳，並以水流剪力、飛濺與渦流掏刷底部土體的沖蝕作用。坎腳被掏空後，上方陡壁失去支撐而崩塌，溝頭因而向上游退縮，稱為溝頭後退或溝頭溯源侵蝕。

這種沖蝕使蝕溝向上游延長；溝床及溝岸的沖刷則會使溝槽加深、加寬。控制上可在溝頭及跌水處設置適當的跌水或固床設施、消能與護坦，並配合植生及集水區逕流控制，避免水流持續集中於溝頭。

（二）垂直沖蝕（Vertical erosion）

垂直沖蝕是流水沿水流方向向下切割河床或溝床，使河床高程降低、河谷或溝槽加深的作用。其動力主要來自水流剪應力，以及水流所挾帶砂礫對床面的磨蝕；當水流輸砂能力大於床面可供輸砂量時，河床材料便會遭到沖刷。

垂直沖蝕的結果是溝谷加深，並可能形成陡坎或跌水。若沖蝕集中在溝頭陡坎並造成坎腳掏刷、陡壁崩塌及溝頭後退，則可描述為瀑布沖蝕。答題時可用「垂直沖蝕看河床向下切；瀑布沖蝕看溝頭跌水掏刷並向上游退縮」區分兩者。

（三）土壤沖蝕率因子（Erodibility factor $K$）

$K$ 為通用土壤流失公式（USLE）中的土壤沖蝕率因子，表示土壤在標準試區條件下，對降雨沖蝕的固有可蝕性。土壤質地、團粒穩定性、有機質、滲透性及抗分散能力等性質，會影響土壤顆粒被雨滴擊濺剝離、被逕流搬運的難易程度。

USLE 表示為：

其中 $A$ 為平均土壤流失量，$R$ 為降雨沖蝕力，$L$、$S$ 為坡長與坡度因子，$C$ 為覆蓋與管理因子，$P$ 為水土保持處理因子。$K$ 越大，代表其他條件相同時土壤越容易遭受沖蝕。標準試區的概念條件為裸露、連續休耕、順坡耕作，坡長約 $22.13$ 公尺、坡度 $9\%$；在此條件下，$K$ 可理解為土壤流失量相對於降雨沖蝕力的指標。

核心觀念

本題考查基地開發時如何透過規劃與設計，減少地表擾動及裸露面積，降低降雨逕流造成的土壤沖蝕。開挖整地會破壞植被與表土結構，增加土壤受雨滴打擊、逕流沖刷及搬運的機會；因此，優先從基地配置與土方規模著手，再配合施工分區、排水與植生保護。

土壤流失量可用通用土壤流失公式表示：

其中 $A$ 為土壤流失量；$R$ 為降雨沖蝕指數；$K$ 為土壤沖蝕指數；$L$、$S$ 分別為坡長、坡度因子；$C$ 為覆蓋與管理因子；$P$ 為水土保持處理因子。減少開挖整地、保留植被、縮短坡面逕流路徑，可降低擾動及裸露程度，並改善 $C$、$P$ 等因子所代表的保護效果。

法規依據以命題當年（民國 114 年）法規為準，主要參照《水土保持技術規範》關於開挖整地、土石方處理及植生綠化的規定。

解題方法

採「基地配置、土方控制、施工管理、沖蝕防治」四個面向作答。題目問的是減少開挖整地對土壤沖蝕的規劃設計原則，重點在說明如何從源頭降低擾動，並使施工中及完工後的逕流與裸露坡面得到控制。

規劃設計原則

1. 順應原有地形地貌，縮小開發範圍 建築物、道路及公共設施應配合基地地形配置，避免大面積削坡、填谷及全面整坡；盡量保留原有地形起伏、自然排水路徑、樹木與植被，減少坡面切斷及新生裸露面。

2. 採挖填平衡，避免大斷面開挖與填土 依基地地形檢討建築標高、道路線形與設施配置，力求挖填平衡，減少外運餘土及外借土方。避免集中大規模開挖或高填方，以降低裸露坡面、鬆動土體與邊坡沖蝕風險；土方應妥善規劃，不得任意棄置。