114 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班丙組《水文學（B）》

本題要求解釋六個水文學上的專有名詞。

1.1 達西法則（Darcy's law）：
此法則描述液體（通常是水）在多孔介質中流動的速率與介質的滲透性、流體性質以及驅動流動的壓力梯度之間的關係。其數學表達式為：
$Q = -KA \frac{dh}{dl}$
其中，$Q$ 為流量（體積/時間），$K$ 為介質的導水係數（或稱滲透係數），$A$ 為垂直於流動方向的截面積，$\frac{dh}{dl}$ 為水力坡度（水頭損失與流動距離的比值）。達西法則為地下水流動和土壤中水分運動的基本定律。
【答案】描述液體在多孔介質中流動的速率與介質特性及壓力梯度關係的定律。

1.2 滲漏（Percolation）：
滲漏是指水分從土壤表層向下穿過土壤剖面，進入到更深層土壤或地下水層的過程。這個過程受到土壤質地、結構、含水量以及重力作用的影響。在水文循環中，滲漏是水分補充地下水的重要途徑。
【答案】水分由土壤表層向下穿過土壤剖面，進入深層土壤或地下水層的過程。

1.3 潛勢能蒸發散（Potential evapotranspiration, PET）：
潛勢能蒸發散是指在特定氣象條件下，當水分供應充足（即土壤水分不成為限制因素）時，單位面積上可能發生的蒸發和蒸散的總量。它主要受氣溫、濕度、風速、太陽輻射等氣象因子影響，是衡量一個地區蒸發散能力的重要指標，與實際蒸發散（Actual Evapotranspiration, AET）不同，AET 會受到土壤水分可獲得性的限制。

本題要求解釋三種不同類型的漫地流（地表逕流），包括荷頓氏漫地流、飽和漫地流及回歸流，並說明其定義、發生機制及過程上的異同。

核心觀念： 地表逕流的產生機制與土壤含水量、降雨強度、地形及植被等因素有關。

詳解：

a. 定義與發生機制：

• 荷頓氏漫地流 (Hortonian overland flow)：

  • 定義： 在非飽和土壤條件下，當降雨強度大於土壤的入滲率（infiltration capacity）時，多餘的水分無法被土壤吸收，因而沿地表流動形成。
  • 發生機制： 主要發生在土壤未飽和的狀況。降雨強度（$i$）大於土壤的入滲能力（$f_p$ 或 $f_c$），即 $i > f_p$。此時，土壤無法及時將降雨滲入，多餘的水分便在坡面匯集並開始流動。常見於乾旱或半乾旱地區，或是在短時間內遭遇強降雨事件。

• 飽和漫地流 (Saturated overland flow, SOF)：

  • 定義： 當土壤完全飽和，且降雨強度持續不斷時，多餘的水分無法滲入，因而沿地表流動形成。
  • 發生機制： 主要發生在土壤已經飽和的區域，例如低窪地、溪流兩岸、或是降雨持續時間長，導致土壤水分含量累積至飽和狀態。即使降雨強度不大於土壤的入滲率（因為入滲率在飽和時趨近於零），但由於土壤已無滲漏空間，降雨仍會在地表形成逕流。

• 回歸流 (Return flow)：

  • 定義： 指先前已滲入土壤深層或地下，但因各種原因（如地下水面抬升至地表、或土壤層飽和）而重新湧出地表的水流。
  • 發生機制： 通常與地下水面有關。當地下水位因降雨補給或其他原因而抬升，接近或達到地表時，地下水便會從土壤中湧出，形成回歸流。這也可能發生在土壤剖面中，當深層土壤層飽和，且其滲透性低於上層土壤時，水分會被阻擋並向上回流至地表。

b. 過程之異同：

特徵	荷頓氏漫地流 (Hortonian overland flow)	飽和漫地流 (Saturated overland flow)	回歸流 (Return flow)

本題探討森林伐採對集水區水文反應的影響，分為兩部分：一是從蒸發散角度分析伐採前後逕流量的變化；二是比較大雨與小雨事件下，伐採對逕流反應差異的顯著程度。

核心觀念： 森林植被透過截留、蒸散作用，能顯著影響集水區的水分平衡，進而改變逕流量。伐採會改變這些過程，導致水文響應的變化。

詳解：

3.1 森林伐採對蒸發散及逕流量的影響

森林植被（樹冠、枝葉、樹幹、落葉層）在水文循環中扮演關鍵角色，主要透過以下方式影響水分：

• 截留 (Interception)： 樹冠會截留一部分降雨，這部分降雨可能在到達地表前就蒸發掉，減少了進入土壤的水量。
• 蒸散 (Transpiration)： 植物透過氣孔將土壤中的水分以水蒸氣形式釋放到大氣中，這是水分從陸地進入大氣的重要途徑。
• 蒸發 (Evaporation)： 包括從土壤表面、樹幹、樹葉表面以及地表積水蒸發的水量。

森林伐採前後的比較：

• 伐採前 (森林狀態)：

  • 蒸發散 (Evapotranspiration, ET)： 森林有茂密的樹冠和強大的蒸散能力，能將大量水分透過蒸散作用釋放到大氣中。樹冠截留的降雨也會增加蒸發量。因此，在森林狀態下，蒸發散總量較高。
  • 地表逕流量 (Runoff)： 由於蒸發散量較高，到達地表並最終成為逕流的水量相對較少。

• 伐採後 (森林移除)：

  • 蒸發散 (Evapotranspiration, ET)：
    • 蒸散 (Transpiration)： 樹木被移除後，植物蒸散作用的總量會急劇下降。
    • 蒸發 (Evaporation)： 雖然樹冠截留蒸發消失，但地表植被減少、地面裸露或草本植物增加，可能導致土壤表面蒸發量增加（尤其是在陽光直射下）或減少（若裸土保水性變差）。但總體而言，由於蒸散的顯著減少，整體蒸發散量通常會下降。
  • 地表逕流量 (Runoff)： 由於總體蒸發散量下降，更多的降雨水分會保留在集水區內，滲入土壤或直接成為地表逕流。因此，森林伐採後，集水區的地表逕流量通常會增加。

總結： 森林伐採顯著減少了蒸發散（主要是蒸散）的量，導致更多的水分以逕流的形式流出集水區，因此伐採後逕流量會增加。

【答案】森林伐採後，由於樹木蒸散作用大幅減少，加上樹冠截留蒸發消失，整體蒸發散量下降，導致更多水分以逕流形式流出集水區，因此伐採後逕流量通常會增加。

3.2 大雨與小雨事件下伐採對逕流反應差異的比較

森林伐採對不同強度降雨事件的逕流反應會產生不同程度的影響。

• 伐採前後的逕流反應差異：
  • 伐採前 (森林狀態)： 森林的樹冠、植被層和根系結構能有效調節水流。樹冠截留和蒸散作用能延緩和減少進入土壤的水量；植被層和有機質豐富的土壤能減緩地表水流速度，增加入滲，並調節土壤水分。因此，森林集水區的逕流反應通常較為平緩，洪峰流量較低，延時較長。
  • 伐採後： 逕流反應變得更劇烈。樹冠截留減少，蒸散減少，地表植被和土壤結構可能被破壞，導致入滲能力下降，地表水流速度加快，水土流失增加。