114 年 國立中央大學土木工程學系碩士班戊：水資源組《水文學》

此題考驗對台灣重大水利工程的認知，特別是針對基隆河水患的治理措施。

基隆河的治理是台灣水利工程的重點之一。早期基隆河下游河段坡度平緩，洩洪能力不足，加上河道蜿蜒，常導致上游集水區的降雨迅速匯集，造成河川水位急遽上漲，引發嚴重的溢淹災害，尤其影響大台北地區及汐止等地。

為了解決此問題，政府推動了多項水利建設。其中，員山子分洪道是基隆河治理計畫中的關鍵工程。員山子分洪道的主要功能是將基隆河上游的部分洪水分流，導引入東海，大幅降低下游河段的洪峰流量，從而有效減緩了淹水的情形。

此題考驗對台灣水利行政體系的了解。

台灣水利工程相關業務的最高主管機關，是負責水資源規劃、管理、開發、利用、保育及災害防治等事項的單位。隨著政府組織改造，相關部會的名稱與職掌亦有所調整。

目前，中央政府負責水利業務的主要單位是「經濟部水利署」。經濟部水利署掌理全國水利之規劃、治理、保育、利用、管理、水權登記、水權糾紛調解、水利工程之興辦、水權費徵收、水污染防治、水土保持、海岸及河川管理等事項。

核心觀念

本題考查台灣中央政府對「海岸堤防」的主管機關辨識。

海岸堤防屬於海岸防護與水利設施，主要功能包括：

• 防止海水入侵與暴潮淹水；
• 減輕海岸侵蝕；
• 保護沿海聚落、農地、交通及重要公共設施；
• 配合海岸防護計畫進行興建、維護與管理。

在中央政府機關中，水利工程、河川治理、海岸防護及海堤相關業務，主管機關為經濟部水利署。

解題方法

判斷本題可從「海岸堤防的工程性質」切入：

1. 海岸堤防是以防洪、防潮及海岸防護為主要目的的水利設施。
2. 其主管業務屬於中央水利行政與海岸防護範疇。
3. 因此應選擇負責全國水利建設、河川治理及海岸防護工作的中央機關。
4. 該機關為經濟部水利署。

故正確答案為：

$$\boxed{\text{（D）經濟部水利署}}$$

選項分析

（A）海洋委員會海洋保育署：錯誤

海洋保育署主要負責海洋生態保育、海洋污染防治、海洋保護區及海洋生物資源保育等工作。其業務重點在於「海洋環境與生態保育」，不是海岸堤防等水利工程的興建與管理。

（B）台灣省水利局：錯誤

此題考驗對台灣水利發展史上重要人物的認識。

「台灣水利之父」的稱號，通常是授予對台灣水利建設有卓越貢獻、如同「父親」般奠定基礎或開創性的人物。

在台灣水利史上，八田與一（Hatta Yoichi）是一位極其重要的人物。他是一位日本技師，在日治時期來台，對台灣的水利建設貢獻卓著，其中最著名的就是烏山頭水庫和嘉南大圳的設計與興建。這兩項工程至今仍是台灣重要的水利設施，對台灣的農業發展和水資源利用產生了深遠的影響。因此，八田與一被譽為「台灣水利之父」。

此題考驗對台灣主要都會區防洪計畫設計標準的了解。

大臺北地區的防洪計畫是為了保護人口稠密、經濟發達的首都地區免受水患侵襲。淡水河流域作為大臺北地區的主要排水系統，其防洪設施的設計標準至關重要。

一般而言，防洪設施的設計頻率（或稱重現期）越高，代表該設施能抵禦的洪水強度越大，但同時建設成本也越高。對於重要的都會區，其防洪標準通常會較高，以確保居民生命財產安全。

核心觀念

本題考查石門水庫的「延壽防淤」工程及其功能。水庫防止淤積的主要策略包括：

1. 在上游攔截泥砂。
2. 將水庫內淤砂排出。
3. 排除洪水期間形成的異重流。
4. 維持高濁度期間的供水能力，使水庫能配合洩洪、排砂與清淤操作。

其中，「減緩淤積」與「維持供水」雖相互配合，但工程的直接功能並不相同。題目問的是何者「非屬」石門水庫減緩淤積的續命工程，因此應判斷各工程的主要目的是否直接針對泥砂問題。

解題方法

逐一判斷各工程的主要功能：

• 若工程具有攔砂、排砂、清淤或排除異重流功能，屬於防淤延壽工程。
• 若工程主要是增加供水調蓄能力，雖能配合水庫防淤操作，但本身並非直接減少淤積的工程，則為本題答案。

選項分析

(A) 分層取水工

水庫發生洪水時，高濁度水流可能形成異重流，沿庫底向壩址方向推進。分層取水工可依不同水層的水質與濁度，選擇較適合供水的水層取水。

其主要作用包括：

• 避免直接取用高濁度水。
• 降低淤泥進入供水系統的機會。
• 使水庫在洪水及高濁度期間仍能維持供水。
• 配合排砂操作，增加水庫調度彈性。

因此，分層取水工屬於石門水庫整體防淤與延壽系統的一環，並非本題答案。

(B) 中庄調整池

中庄調整池的主要功能是蓄存及調節原水，在石門水庫進行排砂、清淤或遭遇高濁度水流時，提供下游穩定的供水來源。

它可以讓石門水庫在進行防淤操作時，不必因下游供水需求而中斷排砂或降低清淤效率，具有「配合防淤工程」的間接功能。

但是，中庄調整池本身：

• 不在上游攔截泥砂。
• 不將水庫淤砂排出。
• 不負責排除異重流。
• 不直接增加水庫排砂能力。

因此，中庄調整池主要是供水調蓄及緊急供水工程，並非直接減緩石門水庫淤積的工程。

(C) 榮華壩

此題考驗對水庫類型分類的理解，特別是「離槽水庫」的定義。

水庫依其位置與水庫之間的關係，可分為「在槽水庫」（in-stream reservoir）和「離槽水庫」（off-stream reservoir）。

• 在槽水庫：水庫壩址直接建在河道上，攔蓄河川主流的水流。絕大多數的水庫都屬於此類。
• 離槽水庫：水庫壩址不在河道上，而是建在河道旁的支流、山谷或獨立窪地，透過輸水渠道或管路從主要河川取水儲存。其主要目的是為了避免在主要河川上游興建大型水庫可能造成的淹沒問題，或是在特定地形條件下更適合興建。

此題考驗對水稻田土壤特性的基本認知。

水稻田在長期耕作和灌溉的過程中，土壤會形成特殊的結構。其中，水稻田的犁耕層（耕耘層）下方，由於長期的水淹、踐踏（牛、農機具）以及土壤壓實，會形成一個緊實、緻密的土層，這個土層的孔隙度較小，透水性差，不利於水分和空氣的滲透。這個土層被稱為「牛踏層」（plow pan 或 hardpan）。

此題考驗對達西定律（Darcy's Law）核心概念的理解。

達西定律是描述多孔介質中流體滲流的物理定律。其核心思想是，流體在多孔介質中的流速（或流量密度）與通過該介質的壓力梯度（或水力坡度）成正比，與介質的滲透係數成正比。

達西定律的數學表達式為：
$Q = -KA \frac{dh}{dl}$
其中：
$Q$ 是流量。
$K$ 是介質的滲透係數（hydraulic conductivity）。
$A$ 是流體通過的斷面積。
$\frac{dh}{dl}$ 是水力坡度（hydraulic gradient），表示單位長度上水頭的變化量，即壓力梯度。負號表示流體沿水頭降低的方向流動。

因此，達西定律的精髓在於描述流體流動的動力來源和驅動力。流體之所以能在多孔介質中流動，是因為存在水力坡度（壓力梯度），而流動的速率則取決於介質的滲透性（由滲透係數 $K$ 表示

核心觀念

1. 流量（Discharge / Flow Rate, $Q$）的定義：
   流量係指單位時間內通過某一特定過水斷面的流體體積，其基本因次（Dimension）表示為： $$[Q] = \frac{[L^3]}{[T]}$$ 其中 $[L]$ 為長度因次，$[T]$ 為時間因次。
2. 水文學常用工程縮寫：
   • CMS：$\text{Cubic Meters per Second}$（立方公尺／秒，即 $\text{m}^3/\text{s}$），為公制（SI制）水文水利工程最標準且通用的流量單位。
   • CFS：$\text{Cubic Feet per Second}$（立方英尺／秒，即 $\text{ft}^3/\text{s}$），為英制常用流量單位。
   • CMD：$\text{Cubic Meters per Day}$（立方公尺／日，即 $\text{m}^3/\text{day}$），常用於給水工程或自來水出水量評估。

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解題方法

檢驗各選項所代表的物理量之因次與定義，確認何者符合「體積／時間」之因次 $[L^3 T^{-1}]$ 且為水文學中通用的流量單位縮寫。

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選項分析

• (A) CTD：錯誤。
  • 在海洋學與水質監測中，CTD 是指量測導電度（Conductivity）、溫度（Temperature）及深度（Depth）之儀器名稱，並非流量單位。
• (B) MTS：錯誤。

核心觀念

本題使用荷頓入滲公式，計算池底入滲與池面蒸發共同造成的水深損失。矩形池蓄滿時，水深為 $5\text{ m}=5000\text{ mm}$。

荷頓入滲率為

$$f(t)=f_c+(f_0-f_c)e^{-kt}$$

其中 $f_0=10\text{ mm/hr}$、$f_c=2\text{ mm/hr}$，時間 $t$ 以小時計。積分後，經過 $t$ 小時的累積入滲深度為

$$F(t)=f_ct+\frac{f_0-f_c}{k}\left(1-e^{-kt}\right) =2t+\frac{8}{k}\left(1-e^{-kt}\right)\text{ mm}$$

解題方法

池體為矩形，池面與池底面積相同，因此可把蓄水量換算成水深，直接將蒸發與入滲深度相加，不必另行計算池面積。池面蒸發率為 $5\text{ mm/day}$；若經過 $D$ 天，蒸發深度為 $5D\text{ mm}$。

荷頓公式的時間單位是小時，所以令 $t=24D$。水池由滿水至無水時，總損失水深等於 $5000\text{ mm}$：

$$5000=5D+2(24D)+\frac{8}{k}\left(1-e^{-24kD}\right)$$

整理得

$$5000=53D+\frac{8}{k}\left(1-e^{-24kD}\right)$$

題目給定 $2\le k\le5\text{ hr}^{-1}$。在水池排空所需的數千小時內，指數項 $e^{-24kD}$ 幾乎為零，因此荷頓初始入滲造成的額外累積深度約為 $8/k$：

核心觀念

本題考查蓄水池的水量平衡，以及將農作物耗水量換算成蓄水池水位變化。

蓄水池水位變化包括：

1. 蓄水池池面降雨增加水量。
2. 池面蒸發減少水量。
3. 農作物耗水由蓄水池供應，造成水量減少。
4. 農作物種植面積為總農場面積扣除蓄水池面積。

題目給定 Blaney–Criddle 公式：

$$u=CTP$$

其中 $P$ 必須以小數表示，本題日照百分率 $8.0\%$ 應代為 $0.08$。

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解題方法

蓄水池面積為總農場面積的四分之一，因此農作物面積占：

$$1-\frac14=\frac34$$

農作物耗水量為：

$$u=CTP$$

代入 $C=0.8$、$T=70^\circ\text{F}$、$P=0.08$：

$$u=(0.8)(70)(0.08)=4.48\text{ inch}$$

這是作用於農作物面積上的耗水深度。換算成蓄水池整個池面上的等效水位下降量：

$$u_{\text{池面等效}} =4.48\left(\frac34\right) =3.36\text{ inch}$$

接著進行蓄水池水量平衡：

$$\Delta h =\text{降雨增加量}-\text{蒸發損失量}-\text{作物用水損失量}$$ $$\Delta h=3-5-3.36$$ $$\Delta h=-5.36\text{ inch}$$

因此蓄水池水位下降 $5.36$ 英吋。

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選項分析