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高考申論題 107年 [地質] 水文地質學

第 一 題

📖 題組:
四、試述下列名詞之意涵: (一)追蹤劑試驗(tracer test)(5 分) (二)微水層(aquiclude)與滯水層(aquitard)(10 分) (三)非點源污染(non-point source pollution)(5 分) (四)水頭損失(water head loss)(5 分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

追蹤劑試驗(tracer test)(5 分)

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看到「追蹤劑試驗」,應直指其核心物理意義:藉由在地下水系統中注入特定物質,觀察其隨時間與空間的傳輸歷程。答題時需點出其運作機制(移流與延散作用)、目的(決定流向、流速)以及可求得的關鍵水文地質參數(如水動力延散係數、有效孔隙率),以展現對地下水溶質傳輸力學的理解。

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「追蹤劑試驗(tracer test)」指在地下水系統的特定位置(通常為注入井)注入易於偵測的已知物質(即追蹤劑,如螢光染劑、氯離子或放射性同位素),並在下游觀測井監測該物質濃度隨時間與空間變化之過程。 其特徵與物理機制包含: (1) 傳輸機制:追蹤劑在含水層中的移動,主要受地下水流的「移流(advection)」與孔隙間的「水動力延散(hydrodynamic dispersion)」機制所控制。

小題 (二)

微水層(aquiclude)與滯水層(aquitard)(10 分)

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解答本題應從地層的「儲水性(Porosity)」與「透水性(Hydraulic conductivity, K)」兩個物理量切入。先分別定義兩者的水文特徵,再從地下水動力學的角度,比較兩者在區域地下水流系統或越流(Leakage)機制中所扮演的角色與邊界條件差異。

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【破題】 微水層(aquiclude)與滯水層(aquitard)皆屬於透水性較差之地質構造,兩者分類之核心差異在於「水力傳導度(Hydraulic conductivity, K)」的量級,以及其在區域地下水流動中所能貢獻的越流(Leakage)能力。 【論述】

小題 (三)

非點源污染(non-point source pollution)(5 分)

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作答此題應首先對比「點源污染」,強調其來源廣泛、空間分散及難以追蹤單一排放點的特質。接著結合水文物理機制,說明降雨逕流與入滲如何作為驅動力將污染物帶入含水層,最後列舉農業或都會區的常見實例以完整論述。

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「非點源污染(non-point source pollution)」指污染物來自廣泛、分散且難以精確界定單一排放點的污染源。 水文物理機制上,此類污染通常由降雨、地表逕流或融雪等水文過程驅動,將地表或淺層土壤中的污染物攜帶至地表水體,或藉由重力入滲補注至地下水含水層。其特徵包含: (1) 來源廣泛且具隱蔽性,難以追蹤單一確切排放口。

小題 (四)

水頭損失(water head loss)(5 分)

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看到「水頭損失」,應立即聯想流體力學中的能量守恆定律與白努利方程式。解答需點出地下水在多孔介質中流動時,克服黏滯力與固體摩擦力所消耗的機械能,並結合達西定律說明其作為水流驅動力的物理意義與實務(如抽水洩降)關聯。

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「水頭損失(water head loss)」指地下水在多孔介質(含水層)中流動時,因克服流體本身的黏滯性(viscosity)以及流體與地層固體骨架之間的摩擦阻力,所導致總水頭(單位重量流體所含之總機械能,包含壓力水頭、位置水頭與速度水頭)發生不可逆降低的現象。 其特徵與物理機制包含: (1) 能量耗散:依據流體力學能量守恆原理,水流作功克服摩擦阻力,使部分機械能轉化為熱能消散,實務上表現為沿著流線方向水位或水壓的下降(即 $\Delta h$)。

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