112 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）》

本題為水文學基本名詞解釋，旨在測試考生對水文循環中各項重要概念的理解程度。

1.1. 幹流水(Stemflow)：指雨水沿著樹幹、枝條流下的水量，這部分的水並非直接降落到地表，而是經過植物的截留和引導。
【答案】雨水沿著植物的樹幹、枝條向下流的水量。

1.2. 荷頓氏漫地流(Hortonian overland flow)：當降雨強度大於土壤的入滲率時，地表無法在短時間內吸收所有雨水，多餘的水便沿著地表向下流動，形成荷頓氏漫地流。這種情況常發生在土壤緊實、植被稀疏或降雨強度極大的情況下。
【答案】當降雨強度超過土壤入滲能力時，地表無法吸收多餘的雨水而沿地表向下流動的現象。

1.3. 飽和漫地流(Saturated overland flow)：當土壤完全飽和，無法再吸收任何水分時，降雨或上游來的水便會在地表累積並流動。這種現象通常發生在土壤水分含量很高、降雨持續時間長，或地下水位升高接近地表的情況下。
【答案】當土壤完全飽和，無法再吸收任何水分時，降雨或地表水體沿地表流動的現象。

1.4. 水力傳導係數(Hydraulic conductivity, K)：衡量介質（如土壤、岩石）允許水流通過的能力，表示在單位水力梯度下，單位時間內單位面積的水流速度。K 值越高，表示介質導水性越好。
【答案】衡量多孔介質允許水流通過能力的指標，表示在單位水力梯度下，單位時間內單位面積的水流速度。

1.5. 達西法則(Darcy's law)：描述多孔介質中穩定流動的滲流定律，指出在穩定流動條件下，滲流水量與水力梯度、介質的導水係數（或水力傳導係數）成正比，與流動距離成反比。數學式為 $Q = -KA \frac{dh}{dl}$，其中 Q 為流量，K 為水力傳導係數，A 為截面積，$\frac{dh}{dl}$ 為水力梯度。

本題考查水文學中關於降雨逕流關係的非線性概念，特別是閾值反應及其可能機制。

閾值反應（Threshold relation）是指在降雨-逕流關係中，當某個環境條件（如土壤水分含量、地下水位、地表狀態等）達到某個臨界值（閾值）之前，降雨量與逕流量之間的關係相對平緩或不顯著；一旦超過這個閾值，即使是微小的降雨增量，也可能導致逕流量急劇增加，呈現出顯著的非線性關係。換句話說，在閾值之下，降雨大部分被截留、蒸發或滲入土壤；超過閾值後，系統的儲水能力飽和，多餘的水便迅速形成逕流。

可能的機制包括：

1. 土壤水分飽和：這是最常見的閾值機制。當土壤水分含量低時，大部分降雨會滲入土壤。然而，隨著降雨持續或強度增加，土壤水分含量逐漸升高。當土壤達到飽和狀態時，其入滲能力急劇下降，無法再吸收更多水分，多餘的降雨便轉化為地表逕流。
2. 地下水位升高：在地勢較低窪或排水不良的區域，地下水位接近地表。當降雨發生時，如果地下水位已經很高，地表附近區域的土壤孔隙會被水充滿，入滲能力減弱，容易產生飽和漫地流。

本題要求考生闡述森林集水區中，地形、土壤、植生和降雨特性這四個關鍵因子如何影響森林水文循環的響應。

森林水文循環的反應是指降雨如何被截留、蒸發、滲透，以及最終形成地表逕流、壤中流和地下水流的過程。這四個因子扮演著調節者和影響者的角色。

1. 地形因子 (Topography)：

   • 坡度 (Slope)：坡度越大，地表水的流速越快，滲入土壤的時間越短，導致地表逕流比例增加，土壤水分含量相對較低。坡度越小，流速越慢，水在坡面停留時間長，有利於水分下滲和儲存。
   • 坡向 (Aspect)：坡向影響接收到的太陽輻射量，進而影響蒸散發量。陽坡（朝陽面）溫度較高，蒸散發較大，土壤水分較少；陰坡（背陽面）溫度較低，蒸散發較小，土壤水分較多。
   • 坡長 (Slope Length)：坡長影響水分在坡面停留的時間和匯流的過程。長坡度會增加水流匯集的總量和流速，可能加劇侵蝕。
   • 地形形態 (Landform Shape)：如山谷、山脊、平台等。山谷地形容易匯集上游來水，增加集流量；山脊則匯水較少。

2. 土壤因子 (Soil Properties)：

   • 土壤質地與結構 (Soil Texture and Structure)：砂質土壤孔隙大，滲透性好，但持水能力差；黏質土壤孔隙小，滲透性差，但持水能力好。良好的土壤結構（如團粒結構）能增加孔隙度，促進滲透和通氣。
   • 土壤厚度 (Soil Depth)：深厚的土壤層能儲存更多的水分，並提供更長的滲流路徑，有助於緩解地表逕流，增加地下水補給。
   • 土壤有機質含量 (Soil Organic Matter Content)：有機質能改善土壤結構，增加土壤的持水能力和滲透性，對森林水文有積極影響。
   • 土壤孔隙度與導水性 (Porosity and Permeability)：直接決定了土壤對水分的吸收和傳輸能力。

本題探討在極端氣候（乾旱、洪水頻繁）下，針對森林集水區的調適策略，並分析這些策略之間可能存在的矛盾，以及其對山坡地穩定性和水文反應的綜合影響。

首先，我們需要理解題目中提到的調適策略：

• 加強森林復育，發揮國土保安、強化水保效能：這強調了森林的生態系統服務功能，包括涵養水源、固持土壤、調節洪水等。
• 加速崩塌地復育、植生復育、增加入滲量：這側重於改善地表條件，透過植被恢復來增強土壤滲透能力，減少地表逕流和土壤侵蝕，從而提高山坡地的穩定性。
• 加強集水區保育、增加蓄水空間：這包含多種手段，例如修建滯洪池、生態工程措施（如土石壩、丁壩）、改善土壤結構以增加孔隙度等，目的是增加集水區內的水量儲存能力，減緩洪峰，並可能增加地下水補給。

策略間的潛在矛盾與整合分析：

1. 增加入滲量與山坡地穩定性：

   • 正面影響：增加入滲量通常意味著土壤水分含量提高，這可以透過植物根系的固持作用以及土壤結構的改善來增強邊坡的穩定性，尤其是在對抗乾旱、增加土壤水分儲備方面。植生復育本身就有助於防止土壤侵蝕，穩定坡面。
   • 潛在矛盾：然而，在某些情況下，過度增加土壤水分含量，特別是在飽和或接近飽和的條件下，可能會降低土壤的抗剪強度，增加孔隙水壓力，從而誘發潛在的滑坡或土石流。這尤其可能發生在具有特定地質條件（如黏性土、軟弱岩層）或坡度較大的地區。因此，「增加入滲量」的策略，必須與「崩塌地復育」和「集水區保育」中的穩定坡面措施（如排水工程、工程加固）相結合，才能確保安全。

2. 增加蓄水空間與山坡地穩定性：

   • 正面影響：增加集水區的蓄水空間（如滯洪池、攔砂壩、土壤孔隙）可以有效減緩洪水壓力，降低洪峰流量，減少下游的淹水風險。這也間接有助於保護山坡地的穩定，避免因強降雨引發的洪水沖刷。
   • 潛在矛盾：如果「增加蓄水空間」的設施（如水壩、攔砂壩）設計不當或維護不善，它們本身可能成為不穩定的因素。此外，改變集水區的水文過程，例如長時間蓄水，也可能對區域的水文生態平衡產生影響。

3. 森林復育與增加入滲/蓄水：

   • 正面影響：森林復育是核心策略，它通過植被的蒸騰作用和截留作用，調節了水分的去向。健康的森林能顯著改善土壤結構，增加土壤的滲透性和持水能力，從而「增加入滲量」和「增加蓄水空間」（指土壤孔隙）。森林本身就是一種天然的、分布式的「集水區保育」措施。
   • 協調性：在大多數情況下，森林復育與增加入滲、強化水保是高度協調的。