111 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班丙組《水文學（C）》

此題為基本概念題，旨在測驗考生對水文學中常見專有名詞的理解與定義。

(1) 基流 (Base flow)：基流是指在沒有降雨或融雪的情況下，地下水補注至河川、湖泊或濕地所形成的穩定流量。它是河川低流量時期的主要水源。
【答案】地下水補注至地表水體所形成的穩定流量，為乾季河川流量的主要來源。

(2) 田間容水量 (Field Capacity)：田間容水量是指土壤在自由排水一段時間後，土壤中能夠保留的最大水分含量。此時，土壤中的水分處於重力水已大部分排出，但仍有足夠的毛細水可供植物吸收的狀態。
【答案】土壤在重力水排除後，能保留的最大水分含量，也是植物可利用的水分上限。

(3) 流量延時曲線 (Flow-duration curve)：流量延時曲線是以時間為橫軸，相對流量（或絕對流量）為縱軸繪製的曲線。它顯示在特定期間內，各種流量出現的頻率或持續時間。通常將流量由大到小排列，橫軸為流量出現的累積百分比。
【答案】顯示在特定期間內，各種流量出現的頻率或持續時間的圖形，通常以流量由大到小的累積百分比為橫軸。

(4) 水力傳導係數 (Hydraulic conductivity)：水力傳導係數是衡量多孔介質（如土壤或岩石）傳導水分能力的一個指標。它表示在單位水力坡降下，單位時間內通過單位面積的水量。

此題旨在探討臺灣降雨量的時空分布特性，並需結合臺灣的地理環境進行闡述。

臺灣年平均降雨量約 2500 mm，遠高於世界平均值，但其降雨分布呈現顯著的不均勻性，主要體現在時間和空間兩個方面。

時間分布特性：
臺灣的降雨時間分布極不均勻，呈現明顯的季節性變化。

• 豐水期（夏季，約 5 月至 10 月）： 此時期降雨量佔全年總降雨量的絕大部分，約佔 80%。此時期的降雨主要來源包括：
  • 西南季風： 夏季盛行西南季風，帶來豐沛的水氣，受地形抬升作用影響，迎風面的山區降雨量特別豐沛。
  • 颱風： 臺灣位於西北太平洋颱風路徑上，每年夏秋季節常有颱風侵襲，颱風帶來的強降雨是豐水期降雨的重要貢獻者，常導致區域性或全島性的強降雨事件。
  • 對流性降雨： 夏季午後常有劇烈對流作用，引發局部地區的強陣雨。
• 枯水期（冬季，約 11 月至隔年 4 月）： 此時期降雨量顯著減少，約僅佔全年總降雨量的 20%。主要降雨來源為：
  • 東北季風： 冬季盛行東北季風，但此時季風帶來的水氣相對較少，且臺灣處於東北季風的背風坡（西部），因此西部平原降雨稀少。然而，東北季風在經過臺灣海峽時會帶來一些水氣，並在臺灣北部及東部山區受地形抬升而產生部分降雨。

此題要求比較都市集水區與森林集水區在水文循環上的差異，並需連結到兩者的地表特性。

水文循環過程的潛在差異：

都市集水區與森林集水區在水文循環過程中，由於其地表覆蓋、土壤性質、植被狀況以及人為活動的顯著差異，會導致水文過程產生多方面的潛在差異。

1. 蒸發散 (Evapotranspiration, ET)

• 森林集水區： 森林具有茂密的植被，蒸散作用（Transpiration）非常旺盛，加上樹冠截留的蒸發，總體蒸發散量較高。樹冠層能有效減少到達地面的太陽輻射，降低地表溫度，進一步影響蒸發散。
• 都市集水區： 都市地區地表多為不透水鋪面（如水泥、柏油路面、建築物屋頂），植被覆蓋率低。雖然有水體（如水溝、水池）和少量綠地，但總體蒸散作用遠低於森林集水區。

2. 截留 (Interception)

• 森林集水區： 茂密的樹冠能截留相當一部分的降雨，這部分降雨可能在到達地面之前就蒸發，減少了進入土壤和成為地表徑流的量。
• 都市集水區： 缺乏大面積的植被冠層，截留量非常少，幾乎所有的降雨都會直接到達地表。

3. 入滲 (Infiltration)

• 森林集水區： 森林土壤通常結構良好，孔隙度高，有機質含量豐富，滲透能力強。良好的植被根系也有助於土壤結構的維持和孔隙的形成。因此，森林集水區的入滲能力較強。
• 都市集水區： 大面積的不透水鋪面嚴重阻礙了降雨的入滲。土壤被壓實，結構破壞，滲透能力極低。

此題包含兩個部分，第一部分要求解釋森林伐採後地表徑流及洪峰流量增加的原因與機制；第二部分則探討以森林伐採作為增加可用水資源策略的優缺點。

第一部分：森林伐採後徑流增加的原因與機制

駢對集水區試驗法（Paired watershed method）是一種常用的水文研究方法，透過比較一組經過處理（如森林伐採）的集水區與一組未處理的對照集水區，來評估處理對水文變量的影響。研究普遍顯示，森林伐採後，集水區的地表徑流量（尤其是總徑流量）和洪峰流量都會增加。其主要原因和機制如下：

原因與機制：

1. 蒸發散量 (Evapotranspiration, ET) 減少：

   • 機制： 森林的樹冠層和根系是蒸發散的主要來源。伐採會移除大量的樹木，顯著減少了植被的蒸散作用。同時，樹冠層的截留作用也隨之消失，更多的降雨直接到達地表。
   • 影響： 蒸發散量的減少意味著更多的降雨水分會保留在系統中，最終轉化為地表徑流或地下水補注，但整體上會增加進入河川的水量。

2. 截留量 (Interception) 減少：

   • 機制： 森林的樹冠、枝葉、枯枝落葉層等能截留一部分降雨，這些截留的水分可能在到達地面之前就蒸發。伐採移除了這些截留結構。
   • 影響： 減少的截留量意味著更多的降雨能夠直接到達地表，增加入滲或形成地表徑流的潛在水量。

3. 土壤滲透能力 (Infiltration Capacity) 可能改變：

   • 機制：
     • 初期影響（可能下降）： 伐採過程中的機械作業（如重型機械壓實）、樹木移除後土壤裸露、以及缺乏根系支撐，可能導致土壤結構破壞、孔隙度降低，進而使土壤滲透能力下降，尤其是在降雨初期。
     • 長期影響（可能變化）： 如果伐採後伴隨有植被恢復（如草本、灌木），或者土壤經過一段時間的自然恢復，滲透能力可能會有變化。但對於短期內地表徑流和洪峰流量的增加，滲透能力下降的影響通常是次要的，主要還是歸因於蒸發散和截留的減少。
   • 影響： 如果滲透能力下降，將加速地表徑流的形成。

4. 地表粗糙度 (Surface Roughness) 改變：

   • 機制： 森林的複雜結構（樹木、灌木、枯枝落葉）增加了地表的粗糙度，減緩了水流的速度。伐採後，地表變得相對平坦，粗糙度降低。
   • 影響： 較低的粗糙度使得水流能夠更快地沿坡面匯集，減少了水流在地表的滯留時間，從而加快了匯流速度，增加了洪峰流量。

5. 集水區水文響應的改變：

   • 機制： 綜合上述因素，伐採後，水文系統的「儲水」能力（主要來自植被的蒸發散和截留）減弱，而「輸水」能力（地表徑流的形成和匯流）則相對增強。
   • 影響： 總徑流量增加（因為蒸發散減少）和洪峰流量增加（因為匯流速度加快、入滲可能下降）。

總結來說，森林伐採增加地表徑流量和洪峰流量的主要機制是：大幅減少了植被的蒸發散和樹冠的截留，使得更多的降雨水分進入地表水文系統；同時，地表粗糙度的降低和可能伴隨的土壤滲透能力變化，加速了水流的匯集，導致洪峰提前且升高。

第二部分：以森林伐採增加可用水資源策略的優缺點

在面臨旱災缺水危機時，部分地區曾考慮或嘗試透過森林伐採來增加可用水資源。這種策略的理論基礎是，減少植被蒸發散可以增加流向河川的水量。然而，這是一種極具爭議的策略，其優缺點如下：

優點 (Potential Advantages)：