民國115年高考三級環境工程流體力學與水處理工程考古題

民國115年高考三級環境工程流體力學與水處理工程收錄考選部官方試題，共 4 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。

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工程上常利用合理化公式估算暴雨逕流於集流點之洪峰流量，試根據合理化公式（Rational Method）關係，列舉用以估算雨水管渠洪峰流量之主要組成因子與這些因子的意義，並列舉適用合理化公式之假設條件。（30 分）

一、合理化公式（Rational Method）的基本關係為 Qp＝C·i·A；若 i 採 mm/h、A 採 km²，則 Qp（m³/s）＝0.278C·i·A；A 改採公頃時須除以 360。此式用以估算集流點的設計洪峰流量，並非完整的流量歷線。
二、逕流係數 C 指降雨轉為地表逕流的比例，受土地利用、土壤滲透性、坡度、地表覆蓋及前期濕潤狀況影響。不透水面多、坡度陡者 C 較大，林地或透水區較小；設計時應依開發後狀況與重現期選用。
三、降雨強度 i 應採集流時間內的平均強度，通常由 IDF 曲線（強度－延時－頻率曲線）配合設計重現期與集流時間決定。集流時間包含入口流與管渠流時間，雨量站位置及風暴時空分布均會影響取值。
四、集水面積 A 為流入計算點的水平投影面積，都市排水常以公頃計。面積較大或形狀狹長時，各點到達時間差異明顯，合理化公式的適用性降低；必要時應分割為子集水區分別計算後再匯流。
五、適用假設包括：降雨在全區均勻，且於集流時間內強度恆定；逕流與降雨同步，無明顯滯蓄、延時或蓄水設施；重現期與逕流係數一致；集水區面積小、坡度與土地利用較均一，且無潮位回水或大型匯流影響。超出此等條件時，宜改用運動波法或水文模式。

試列舉應用曼寧公式估算明渠水流流速之主要組成因子與這些因子意義，並說明曼寧公式應用時，可能產生與現況之差異。（30 分）

一、曼寧公式（Manning formula）常用形式為 V＝(1/n)R^(2/3)S^(1/2)，流量 Q＝V·A＝(1/n)A·R^(2/3)S^(1/2)。V 為斷面平均流速、n 為曼寧糙率、R 為水力半徑、S 為能量坡度；此式適用於完全紊流粗糙區的均勻流。
二、糙率 n 代表渠壁與床面阻力，受材質、粗糙度、植生、淤積、蜿蜒及斷面不規則影響。混凝土渠道 n 較小，土渠、亂石或密植生渠道較大；n 與流速成反比，選值偏差會直接放大流量推估誤差。
三、水力半徑 R＝A/P，A 為通水面積、P 為濕周；斷面幾何、水深、淤積與植生會改變 R。S 宜採能量坡度，均勻流時近似底床坡度；若遇回水、彎道、匯流或橋墩造成非均勻流，以底坡替代會失真。
四、天然渠道常非均勻、非恆定，植被隨季節變化，泥沙淤積與沖刷使 n 及斷面隨時間變動；曼寧公式無法處理渦流、二次流、急變流與回水效應，故推算流速與水位可能與現況有明顯差異。
五、複式斷面、高含沙水流、床形演變及粗糙度分布不均時，單一 n 與 R 難以代表全斷面；宜分區給定 n、採標準步推法或二維水理模式，並以實測水位與流速率定。曼寧式原以均勻紊流為基礎，層流或過渡流況誤差更大。

試說明紫外光殺菌之主要殺菌原理與干擾殺菌效果之可能因素。（20 分）

一、紫外光殺菌主要利用 UV-C（約 254 nm）穿透微生物，核酸吸收光子後，相鄰胸腺嘧啶形成環丁烷嘧啶二聚體（cyclobutane pyrimidine dimers, CPDs）及 6-4 光產物，阻礙 DNA 複製與轉錄；蛋白質與酵素亦可能變性，使微生物失去活性。
三、水質干擾包括濁度、懸浮固體、鐵錳、腐植酸與色度，會吸收或遮蔽紫外光；石英套管結垢、有機膜附著及燈管老化則降低有效強度。短流、混合不良會使實際停留時間不足，應監測紫外光穿透率（UVT）並加強前處理。
四、操作與微生物因素亦會干擾，例如燈管輸出受溫度與老化影響、劑量不足，以及光復活（photoreactivation）與暗復活（dark repair）造成微生物恢復；顆粒內部微生物亦可能受遮蔽。應定期清洗套管、更換燈管、驗證劑量，並以消毒指標微生物監測。

「高級氧化程序（Advanced Oxidation Process）」常用以去除廢污水中頑強有機污染物，試說明高級氧化程序之定義與列舉常作為「廢水高級氧化處理」之化學藥劑，並請說明應用高級氧化程序可能衍生的負面效應。（20 分）

一、高級氧化程序（Advanced Oxidation Process, AOP）指在常溫常壓下，以產生羥基自由基（•OH）為主要機制的水處理程序。•OH 氧化還原電位高、反應快且較不具選擇性，可將難分解有機物氧化、開環，進而礦化為二氧化碳、水及無機鹽。
二、常用藥劑與組合包括 H2O2/UV、O3/UV、O3/H2O2、Fenton（Fe2+/H2O2）及類 Fenton、TiO2/UV 光催化、過硫酸鹽活化等。臭氧與過氧化氫為氧化劑，Fenton 反應產生 •OH，過硫酸鹽則生成硫酸根自由基；選用須考量水質、pH、成本與安全性。
三、負面效應包括藥劑殘留與副產物，例如臭氧尾氣、過氧化氫殘留抑制後續生物處理、溴酸鹽（bromate）及溴化有機物生成、亞硝胺（NDMA）前驅物等；Fenton 法會產生大量含鐵化學污泥，並需酸鹼調整，增加污泥處理負擔。
四、AOP 可能未完全礦化而生成毒性更高的中間產物；UV 燈管含汞、能耗高，石英套管易結垢；•OH 壽命短，且受碳酸根、重碳酸根等自由基淬滅劑影響。應以小型試驗、生物毒性試驗及副產物監測評估，並設置尾氣與殘留藥劑處理。