113 年 國立中央大學應用地質研究所碩士班在職生《水文學》

本題主要在探討海水與地下水的交互作用，以及其在水文系統與水資源系統中的角色。

核心觀念：
海水與地下水的交互作用主要發生在海岸地區，受兩種流體密度差異及水位差影響。

繪圖說明：
請繪製一示意圖，展示海岸地區地下水與海水之間的交互作用。圖中應包含：

1. 陸域地下水流動： 顯示地下水從陸地向海洋流動的趨勢。
2. 海水入侵（Saltwater Intrusion）： 當地下水水位低於海水位準時，海水會從海岸向內陸侵入地下水含水層。
3. 淡水-海水介面（Freshwater-Saltwater Interface）： 標示出淡水與海水混合的過渡區域。
4. 水位線（Water Table / Potentiometric Surface）： 標示出陸域地下水位線。
5. 海水位準（Sea Level）： 標示出海平面。
6. 含水層（Aquifer）與隔水層（Aquitard）： 必要時可標示。

本題要求列舉兩個與水文相關的地質災害，並闡述水文因素在其中扮演的角色。

核心觀念：
地質災害的發生往往與水文條件（降雨、地下水、地表水等）密切相關。

與水文相關的地質災害舉例：

1. 土石流 (Debris Flow)

   • 災害描述： 土石流是一種夾雜著大量泥砂、石塊的洪流，沿著山坡或河谷快速移動，破壞力極強。
   • 水文關係：
     • 觸發因素： 暴雨是引發土石流最主要的因素。強降雨會使土壤和岩石飽和，增加孔隙水壓力，降低土壤的抗剪強度。
     • 水量： 當降雨強度超過土壤的滲透能力，或者在不透水層上方堆積大量鬆散土石時，地表徑流會迅速匯集，形成一股強大的水流，裹挾泥砂和石塊向下流動。
     • 地下水： 降雨導致的地下水位升高，也會增加邊坡的潛在滑動力。
     • 河道作用： 原有的河道或溝谷為土石流提供了流動通道。

2. 山崩/滑坡 (Landslide)

   • 災害描述： 山坡上大塊的岩體或土體，在重力作用下，沿著一個或多個潛在的滑動面整體或分散地向下移動的現象。
   • 水文關係：
     • 飽和與孔隙水壓力： 長期或強烈的降雨會使坡體飽和，增加孔隙水壓力。

本題主要探討地下水文學中兩個關鍵參數：導水係數 (Transmissivity, T) 和儲水係數 (Storativity, S) 的物理意義，以及如何透過現地試驗獲取。

核心觀念：
導水係數描述含水層傳導地下水的能力，儲水係數描述含水層儲存及釋放地下水的效能。

1. 導水係數 (Transmissivity, T) 的物理意義

• 定義： 導水係數 (T) 是指在單位寬度上，含水層在單位水力坡度下，單位時間內所能傳導的水量。它是一個衡量含水層整體透水能力的指標。
• 數學表示：
  $T = K \times b$
  其中：
  • $K$ 是水平方向的水平導水係數 (Hydraulic Conductivity)，代表介質傳導流體的能力（單位：長度/時間，如 m/d）。
  • $b$ 是含水層的飽和厚度 (Saturated Thickness)，代表地下水流動的厚度（單位：長度，如 m）。
• 物理意義： T 值越大，表示含水層越厚或其介質的滲透性越好，地下水越容易流動。反之，T 值越小，表示含水層越薄或滲透性越差，地下水流動越困難。

2. 儲水係數 (Storativity, S) 的物理意義

• 定義： 儲水係數 (S) 是指在單位面積上，當含水層水位（或壓力面）下降單位長度時，含水層所釋放的水量。它是一個衡量含水層儲存及釋放地下水能力的指標。
• 數學表示：
  $S = \frac{\Delta V}{A \times \Delta h}$
  其中：
  • $\Delta V$ 是儲水層釋放的水量（單位：體積，如 m³）。
  • $A$ 是含水層的面積（單位：面積，如 m²）。
  • $\Delta h$ 是水位或壓力面下降的長度（單位：長度，如 m）。
• 物理意義： S 值越小，表示含水層在水位或壓力面下降時釋放的水量越少，即儲水能力越差，或者說其釋放水的效能不高。S 值越大，表示含水層在水位或壓力面下降時釋放的水量越多，儲水能力越強，或者說其釋放水的效能較高。

本題探討水稻田在水文系統中的作用，以及乾旱時期停灌對水文系統的影響。

核心觀念：
水稻田對水文循環有顯著的調節作用，停灌會改變原有的水文平衡。

1. 水稻田在水文系統扮演的角色

水稻田的特殊耕作方式，使其在水文系統中扮演著多重角色：

• 暫時性儲水庫與滯洪設施： 灌溉後的水稻田會形成一層水體，能夠暫時儲存大量的雨水或灌溉水。這在一定程度上可以延緩地表徑流的形成，減輕下游的洪峰流量，起到一定的滯洪作用。
• 蒸發蒸散 (Evapotranspiration, ET) 的主要來源： 水稻田的水面蒸發和作物蒸散量非常可觀，是區域水文循環中水分回歸大氣的重要途徑。尤其在夏季高溫季節，水稻的蒸散量極大。
• 滲漏與地下水補給： 水稻田的土壤通常經過人工夯實，滲漏率相對較低，但長期灌溉仍會有一部分水分滲入地下，補給潛水層或地下水。在黏質土壤或夯實土層上，滲漏量會受限。
• 水質淨化潛力： 在某些情況下，水稻田的沉積物和微生物活動，可能對農田徑流中的部分污染物（如氮、磷）具有一定的吸附和轉化作用，起到一定的淨化功能。
• 影響土壤水分動態： 週期性的灌溉和排水，使得水稻田的土壤水分含量在一個較大的範圍內波動，影響土壤的物理化學性質和生物活動。

2. 乾旱時停灌水田對水文系統之影響

本題探討水文學在二氧化碳地質封存 (Carbon Dioxide Geological Sequestration, CO2GS) 中的關鍵作用。

核心觀念：
CO2GS 的核心是將 CO2 注入地下深部地層，長期穩定儲存。水文學在評估儲存的安全性、有效性及監測過程中至關重要。

水文學在 CO2GS 中的角色：

1. 儲存層選擇與評估 (Site Selection and Characterization)：

   • 地下水系統的理解： 評估潛在的 CO2 儲存地層（如深部砂岩、碳酸鹽岩等）及其上覆的蓋層（如頁岩、泥岩等）。水文學知識對於理解這些地層中的孔隙水壓力、流動方向、滲透性至關重要。
   • 含水層的隔離性評估： 蓋層的完整性和低滲透性是防止 CO2 洩漏的關鍵。水文學參數（如滲透係數、儲水係數）用於評估蓋層抵抗 CO2 向上運移的能力。
   • 斷層與裂縫的風險評估： 斷層和裂縫是 CO2 可能洩漏的通道。水文學方法（如壓力傳遞分析、示蹤劑模擬）可用於評估這些通道的連通性和輸運能力。

2. 注入過程的模擬與優化 (Injection Process Simulation and Optimization)：

   • CO2 注入模擬： 利用多相流（氣體、液體、固體）模擬，預測 CO2 注入後的運移路徑、分布範圍、壓力變化以及與地層水的交互作用。這需要詳細的含水層水文學參數。
   • 壓力管理： CO2 注入會增加地層壓力。水文學模擬有助於預測注入過程中壓力上升的幅度，確保其不超過岩石的破裂壓力，防止誘發新的裂縫或活化現有斷層，從而避免 CO2 洩漏。
   • 水-氣交互作用： CO2 注入後會與地層水發生物理（溶解）和化學（碳酸形成、礦物溶解/沉澱）反應。水文學模型需要考慮這些反應對流體性質（密度、黏度）和岩石滲透性的影響。