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高考申論題 106年 [水利工程] 水文學

第 三 題

📖 題組:
一、請試述下列名詞之意涵:(每小題 5 分,共 20 分) (一)單位河川功率(Unit stream power) (二)分岔比(Bifurcation ratio) (三)主要河川長度 (四)流域的形狀因子
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (三)

主要河川長度

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看到「主要河川長度」,考生應直覺聯想到集水區地貌特徵與地表逕流時間的關係。作答時需明確給出幾何定義(起迄點為何),並務必連結到水工設計實務上最核心的應用:集流時間(Tc)的計算與合成單位歷線的推求。

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「主要河川長度(Main Stream Length, L)」指流域內自集水區出口點(或特定控制點),沿著主河道溯源至最遠分水嶺邊界之沿河道水路總長度,單位通常為公里(km)。 物理意義與特徵包含:(1) 代表地表逕流在流域內匯集並流至出口所需之最長水路距離;(2) 主河川越長,水流停滯與遲滯效應越顯著,通常導致集流時間(Tc)增加,洪峰發生時間延後且洪峰流量相對較為平緩。 實務應用為:水利工程中推算未測計流域之集流時間(如 Kirpich 公式)的關鍵參數,亦為推求合成單位歷線(如 Snyder 單位歷線)以進行防洪工程、橋涵設計及排水系統規劃之重要基礎數據。

小題 (一)

單位河川功率(Unit stream power)

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看到「單位河川功率」,應立刻聯想到河川水流的能量及「輸砂能力」。作答時需寫出其物理定義(單位重量水體單位時間消耗的位能)、數學表示法(流速乘以坡降,V×S),並務必點出其在推估河川輸砂量(如楊氏輸砂公式)的實務應用。

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「單位河川功率(Unit stream power)」係指單位重量之水體在單位時間內沿河道流動時,因高程下降所減少之位能,亦即水流為克服阻力所作之時間變率的功。 其特徵包含: (1) 數學公式:可表示為水流平均流速(V)與能量坡降(S,通常可用水面坡度或河床坡度代替)之乘積,即 P = V × S。

小題 (二)

分岔比(Bifurcation ratio)

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看到「分岔比」,應直覺聯想 Horton 河川級序定律,寫出其數學定義(相鄰兩級河川數量的比值)。接著必須論述其物理意義與水文關聯,說明數值高低如何影響水流匯集時間及洪峰流量特性,以展現實務涵養。

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「分岔比(Bifurcation ratio, $R_b$)」指集水區內第 $u$ 級河川數目($N_u$)與下一級(第 $u+1$ 級)河川數目($N_{u+1}$)之比值,即 $R_b = N_u / N_{u+1}$,為 Horton 河川級序定律之核心地貌參數。 特徵包含: (1) 幾何相似性:理論上同一流域內不同級序之分岔比會趨近於一常數。

小題 (四)

流域的形狀因子

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看到「流域的形狀因子」,應立即聯想到其定義公式(流域面積與主要河川長度平方的比值)。接著,務必對比說明形狀因子大小(狹長形 vs. 圓/扇形)對集水區降雨逕流歷線、「洪峰流量」與「到達時間」的具體影響,這是水文學名詞解釋的給分關鍵。

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「流域的形狀因子(Form factor)」指流域面積(A)與主要河川長度(L)平方之比值($F_f = A / L^2$),為一無因次參數,用於定量描述集水區的幾何形狀特徵。 特徵包含: (1) 狹長形流域:形狀因子較小,降雨逕流到達出口的時間不一,洪水歷線較平緩且基底較寬,洪峰流量較小且延遲發生。

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