分析結果

而分析資料的來源全是政府單位的官方刊物。其他能源分析者要注意的是同 一來源的單位和有效數字必定如一，同時引用過多相異來源必然會造成不良的測 度。在這份論文中，只有一至兩份官方刊物數據用在同一模型上，單位轉換、有 效數字在量化上也做到一致處理。時、地、人在變。在經濟學、環境經濟學中，

學者皆知根本沒有一個分析可以是最佳標準或預測。在能源的數理分析上，此研 究只是提出其中一種參考方法，具有參考價值才有意義。除了第二章的恰當深入 的物理解構外，最後兩章各為能源經濟學和進階能源數理分析(成本－效益分 析)。今天，台灣依舊是對外天然能源依賴度高的島國。最後兩章的結果說出此 研究傾向對永續能源和核能更多的使用。

參考文獻 Bibliography 書目 Reference book:

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5.日本環境省

http://www.env.go.jp/

6.International Monetary Fund (Economic data) http://www.imf.org/external/index.htm

7.Environmental Protection Agency

http://www.epa.gov/

8.United States Nuclear Regulatory Commission http://www.nrc.gov/

9.The Economist (Charts and news)

官方刊物 official information:

1.行政院國家永續發展委員會「永續發展計劃」(2009) 2.台灣經濟部環境白皮書(2009-2010)

3.Environmental Statistics Year Book, Republic of Korea (2003-2010) 4.Energy Policy Review, Republic of Slovakia (2003, 2005)

5.Sustainable Energy in China, World Bank (2007)

研討會暨演講 Seminar:

1.Bill Gates (2011), Innovating to Zero, TED (Technology Entertainment and Design) 2.Steven Cowley, Fusion’s Energy’s Future, TED (Technology Entertainment and Design)

附錄 環境分析 之 基礎要素 The Fundamentals of Environmental Analysis 在物理學上，前人提出因次分析(dimension analysis)使複雜的物理量得到

系統性的詮釋。在這個方法中，時間區間(T)，質量(M)和空間的長度(L)都在數 學中井然有序的呈現。在進一步的探討，我們也可知同單位(unit, 即使很複雜 的單位常換上一個新造的單位)的物理量是可以加總或抵消，只有時間是不可 逆。這種不可逆性(irreversibility)，猶如多種對稱性(symmetry)，在相對論 和原子化學佔著很重要的地位。近代而言，經濟學日趨科學化，無數的推測方法 (estimation methods)也奠基於此。有時間的流動，生態循環才得而發生，年平 均氣溫也隨之改變；有空間的存在，國家(country/economy) 、公司(firm) 、 投資者(investor)的經濟行為才可進展，其外部性影響社會風俗，公民道德，以 致環境科學家最關注的能源問題(Obama, 2012)。它容下一切經濟學和環境工程 的因素。

其實據筆者自身學習歷程，在管理學，經濟學發現其實基本上有前三個概 念，故引用它們的性質去創造任何指標。在化學中的焓(enthalpy)，有機化學中 的傳播階段(propagating process)，自由基( free radical)的 reaction rate(反應率)，親水性，親電性，除了熱之外能量也可以分階(level)，即近代 的量子物理。脫離古典物理，不止是新定律，偏微分方程，實驗設計，統計方法 也廣泛應用。

小至核子，電子，大至恆星，皆可付之應用，也已付之應用，如包含粒子動 力學的量子力學(quantum mechanics)。在人類社會行為中，不論是行為經濟學 (Behavioral Economics) 或賽局論(game theory)已有將數理，心理學說容納之 傾向。

本研究中的控制角色(dominant role)即為人腦(minds)，被控角色(passive role)是工業、工廠、機器、交通運輸等等。在後面章節再深究的是它們的 (inter-reactions)。

A η(Eta)

-

很多人誤以為是經濟學的粗淺概念，但在醫學，化學反應，物流管理，實驗

有鎖定在任何領域或過程。簡言之，我可以用英文「how best」去形容效率。本 章會討論它的性質，指標功能，及環境應用。

X1 - X0 X1

η= ─── = ── - 1 (正負可改換) (A.1) X0 X0

在台灣約 60 條河川，以新北市為例，其主要河川為淡水河，其上游為新店 溪，基隆河，大漢溪。尤於台灣主要是短而急促的河川由上而下奔流到海域，水 及其它化學物，如炭(carbon, COx)，氮(nitrogen, NOx)，氧(oxygen, O2)皆藉 生態循環, 野生動物，近年氣侯等帶回上流。故台灣專家是把時間，資源放在河 川，而島國幅員又未至於如日本有大湖或睡火山，環保署也是針砭台灣島的問題。

以陽明山國家公園，水源自淨能力為例。由於該區是國家保護之園區，自然 環境應與都市工業區，商業圈遠離。BOD 與 DO 的微分方程:

BOD: dｌ

V── = - KL ; L(0)=L0 (A.2) dx

dC

DO: V── = - k1L + k2(Cs-C) ; C(0)=C0 (A.3) dx

L , C: 其濃度

k: 常數，視乎河川流勢 V: 容量

s: 飽和狀態

上二式為環境工程中氧需求量(Biochemical Oxygen Demand)和溶氧

(Dissolved Oxygen)的常微分方程。如果用距離(x)作微分，每一小段(很微小而 趨近零)的濃度變化就是濃度的增減率(單一方向)。現在把第一河段的去除率定

為η＇, 一次方就是一段河流區間。

C4=C(1-η＇) (1-η＂) (1-η＂＇) (1-η＂＂)…；η＇<η＂<η＂＇<

η＂＂…

(A.5) 去除率是在變，這剛好如同自由落體(free falling)，重力加速度(gravity acceleration)使速率漸增，而這裡去除率漸增(或漸減)。可是，當去除率是時 (regression)中採標示變數(indicator variable or dummy variable)。

B ρ(Rho)-密度

這裡的密度其實也是財務管理(Financial management)和會計學

(Accounting)中的比(ratio)，先不要以為只是一個分母和分子，它不像物理量

適用於移民或地區規劃以至制定法規，流動人口的密度對交通措施和交通安排是 重要的考量，交通既涉及能源、運輸時間，更觸動經濟產業。

A / B = A ^(1) * B^(-1) (B.1)

A / A = A ^(1) * A^(-1) = A*( 1-1 ) = A^( 0 ) = 1 (完整步驟) 在不同基底(base) 的對數(logarithm)，其密度關係轉換如下：

Log | A |– Log | B| ≣ Log | A / B | (B.2) Log | A ⁰ | ≣ O Log | A | (B.3)

代入不同基底，如 e 或 10 可以明白其恆等性質。對數在環境工程上，除了 改變圖表的表達外，在統計科學等是深具應用性質。

C δ(Delta)-變化

如果變化也是一個差距或一個倍數，那麼它跟第一節的效率或去除率、自淨 率等有像是沒有差異。但兩者的確有所不同，第一節是不一定與包含時間(time) 在式中，單位可以沒年、月、日、時、分、秒。儘管成效是含有時間，但我們可

以比較兩種合金(alloy)或金屬(metal)在光線(ray)強度漸增下的折射率 (reflection rate)。

L1 - L0 L1

η= ─── = ── - 1 (C.1) L0 L0

L: 某強度的光的折射率

物理上，光的穿透率(penetrating power) 、聲波(sound wave) 、導熱性 (heat conductivity)、導電性(electro-conductivity)皆是同理。其實例子還 有親水性(hydrophile)和親電性(electrophile)，有機化學已發展到一個進度。

環境科學包含了自然界的生物，也包含了生化學。工程上，物理性質必然會做比 較，這可從物理上的系數(material coefficient)得以理解。環境的另一面可說 是經濟，GDP、Purchasing Power Parity、通貨膨脹率、不同業界的稅收、年收 入與物價與消費的比值，近乎一切也可以做到效率的值。但整理資料的目的畢竟 是為了做學術分析，公司或政府的決策，國家管理，還有國與國的商議，若指標 是誤導性或過於繁複可能就失了意義。

至於變化是必定與時間有關。因此，此節會先後討論變化與時間。首先我們 必要知道在時間上可以維持或改變。變化可以是質或量的程度，但先不舉例。另 外，在工程上，工程師可以分級，在某一區間屬於某一級別。可見一點，儘管質 與量被(社會)科學家分開，但仍然有質量相通的概念。

顏色或顏料，黃色不斷加上藍色，慢慢它會變成綠色。質量相通，以銅(Copper) 為例，隨著溫度(kelvin)上升，它的形態也改變。但世界也有單純質的事物，在 人口普查中，性別和職業就是兩個質的例子，但當統計員把同類的累積計算，例 如 500 個婦女，3000 個建築工人，始終又是量。量，明顯是數學的概念；質也 可以用 Set Theory 或新統計方法處理。

以下是台北的 2012 年 1 月份之雨量:

圖 C.1 中央氣候局，

http://www.cwb.gov.tw/V7/climate/dailyPrecipitation/dP.htm

在雨季或旱季總雨量的差異、該最高雨量與最低雨量差以及雨量的變異數等 都具有價值，研究員是製作有意義的指標並納入統計，若果一年內每個月雨量變 異數太大，這麼根本沒有提出平均值(mean)的需要，而平均值相若也不用分別旱 季或雨季。但在大自然的現象中，環境科學家鍥而不捨的找出規律與關係，最常 見者就是相對係數(correlation)、迴歸曲線(regression curve)。

變化是有時間為參數的。若果把發展時期分成 10 個相等的時間階段。

Yl - Yi = L (C.2) Y: 產量

l : 第十期 i : 第一期

L 可稱為總差距，而(Y2- Yi)、(Y3- Y2)、(Y4- Y3)、(Y5- Y4)、(Y6- Y5)、(Y7- Y6)、(Y8- Y7)、(Y9- Y8)、(Yl- Y9)可稱為該 10 個時期的個別產量。如果研究 者用純利(Net Profit)的概念，9 個數值是可以有正有負。如果採用三個時期的 總差，則

(Y3- Yi)、(Y6- Y4)、(Yl- Y7)。由此可知，當統計處或經濟學家製作統計圖表，

年(year)、季(Quarter)或捷運的日流量和(尖峰)時流量是在不一樣的時間長 度。如果時間長度一樣，元旦日和工作天的信義區消費額也不一樣；經濟蕭條與 全面復甦的年份也不一樣。

時間分析有兩個基本概念，即離散(discrete)、連續(continuous)。連續的曲直

線可以離散化，但離散或片段連續(piecewise continuous)，只能稱作部分連續 或不連續。

(a)Piecewise continuous

(b) Continuous and cyclic

(c) Discrete

圖 C .2 (Matlab software) D θ(Theta) 方位、座標

道南北極，赤道，經緯度，但限於台灣環境範圍，這一節只略提化學有機物結構，

星位移動其實也是有「方位」觀念。沒有一個固定的座標，星體學(meteorology) 就不能證明星體移動，太空物理學(astrophysics)也不能計算人造衛星和太空機 械人的位置。可是，當這個座標改變(transformation, Linear Algebra)，整個 方位或被扭曲，現實的世界(universe)是多元運動(multi-dynamic)的，如果沒 有固定的座標，人類是無法分辨什麼在動。我們還可以想像到不靜止的浮動的液 態座標。

這一節會討論環境中的地理，也是討論新北市的空間建築，並會引用到前三 者的組件。另外，後半是延伸至經濟地理(Economic Geography, Paul Krugman 2008, Andrew Wood and Susan Roberts 2011)，整理他人之說及延伸枝節思考。

易言之，前半是總體，後半可以細至元素。

19 世紀的水力學家 Darcy 對地下水(underground water)作出貢獻性的研究。在 進一步說明之前，先參考忽略人類經濟行為下的水循環(Water cycle):

圖 D.1 區域性水循環

http://visual.merriam-webster.com/images/earth/environment/hydrologic -cycle.jpg

其實地殼上可以有很多層，但一般工程師並非地理學家，無意在探討地殼上的演 變與地球核之間的成份。地下水就是滲透(infiltration)，土壤與硬石是有分成 可滲透與不可滲透，坡度、厚度、水壓、泥土密度、多孔性(porosity) 、比流、

比速、各種物理變化係數(coefficient)皆在地下水研究範圍內，再進一步的統 計分佈與機率就省略了。水文統計學(Hydrologic Statistics)其實也離不開離 散與連續兩個概念。

Darcy Law(略): Q=AKI Q: Quantity rate

A: Cross-sectional area K: Hydraulic Conductivity I: Hydraulic gradient

Generalization of Darcy Law 其實是運用了矢量、偏微分、矩陣:

Generalization of Darcy Law 其實是運用了矢量、偏微分、矩陣: