以最佳化土地利用策略控制區域二氧化碳排放之研究
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(2) 目 錄. 目錄...................................................................................................................I 表目錄..............................................................................................................V 圖目錄..........................................................................................................VIII 謝誌..................................................................................................................X 中文摘要...........................................................................................................1 英文摘要...........................................................................................................2. 第一章 緒論……………………………………..…………………………3 1.1 研究緣起……………………………………………………………..3 1.2 研究動機與目的……………………………………………………..4 1.3 研究架構與流程……………………………………………………..6. 第二章 文獻回顧…………………………………………………………8 2.1 全球暖化…………………………………………………………….8 2.2 二氧化碳排放量推估方法………………………………………...12 2.2.1 各部門 CO2 推估考慮之因子…………...…………….…….13 2.3 台灣二氧化碳排放現況…………………………………………...15 2.4 二氧化碳減量……………………………………………………...17 2.5 線性規劃理論……………………………………………………...22 2.6 土地利用規劃……………………………………………………...25. I.
(3) 2.6.1 地理資訊系統於土地規劃上之應用………………………...31 2.6.2 土地利用與二氧化碳排放之關係…………………………...39. 第三章 研究區域背景資料………………………………………43 3.1 地理概述…………………………………………………………...43 3.2 氣候概況…………………………………………………………...45 3.3 社經資料…………………………………………………………...45 3.4 研究區二氧化碳排放資料………………………………………...50 3.4.1 高雄市二氧化碳排放資料………………………………….50 3.4.2 高雄縣二氧化碳排放資料………………………………….54. 第四章 研究方法………………………………………………....56 4.1 研究區域圖層及網格化之建立…………………………………...56 4.2 土地利用規劃之最佳化模式……………………………………...60 4.3 情境設定…………………………………………………………...64. 第五章 結果與討論………………………………………………70 5.1 土地利用最佳化分析……………………………………………...72 5.1.1 情境一分析結果..........................................................................72 5.1.2 情境二分析結果………………………………………….…….83 5.1.3 情境三分析結果………………………………………….….…86 5.1.4 情境四分析結果………………………………………….….…92. II.
(4) 5.1.5 情境五分析結果………………………………………….….…95 5.1.6 情境六分析結果………………………………………….…….95 5.2 各參數之敏感度分析………………………………………….…..96 5.2.1 CO2 削減成本之敏感度分析…………………………………..96 5.2.2 工業部門土地利用收益之敏感度分析………………………98 5.3 土地規劃集中性…………………………………………………...99 5.4 綜合討論………………………………………………………….100. 第六章 結論與建議……………………………………………..107 6.1 結論……………………………………………………………….107 6.2 建議……………………………………………………………….108. 參考文獻…………………………………………………………109. III.
(5) 圖目錄 圖 1.1 研究流程圖…………………………………………………………….7 圖 2.1 溫室效應示意圖……………………………………………………….9 圖 2.2 台灣二氧化碳歷年排放總量及人均排放量………………………...15 圖 2.3 台灣 2002 年至 2005 年各部門 CO2 排放量………………………….16 圖 2.4 93 年各產業二氧化碳排放比例……………………………………..17 圖 2.5 永續性土地使用規劃………………………………………………..26 圖 2.6 土地利用集中性示意圖……………………………………………...31 圖 2.7 網格化示意圖………………………………………………………...34 圖 3.1 研究地區行政區域圖………………………………………………...44 圖 3.2 高雄縣市各土地利用面積…………………………………………...46 圖 3.3 高雄縣市 1999-2006 年人口統計圖…………………………………46 圖 3.4 高雄縣 93 年~95 年農林漁牧產值…………………………………...49 圖 3.5 高雄市各工業區產值………………………………………………...50 圖 3.6 高雄市 1998 年至 2005 年各部門年溫室氣體排放量……………….52 圖 3.7 高雄市 1998 年至 2005 年各部門排放量百分比…………………….52 圖 3.8 2005 年高雄市工業部門各產業 CO2 排放量………………………..53 圖 3.9 高雄市 1998 年至 2005 年住商部門年溫室氣體排放量…………...53 圖 3.10 94 年高雄縣各部門二氧化碳排放比例…………………..…….….55 圖 4.1 研究地區土地利用圖………………………………………………..57 圖 4.2 網格式土地利用圖……………..…………………………………….58. IV.
(6) 圖 4.3 高雄縣市土地利用圖(不同網格大小)………………………………59 圖 4.4 網格式土地利用類型………………………………………………...60 圖 4.5 研究地區限制發展區……………………………………..………...65 圖 5.1 研究地區土地利用網格圖………………….……………………….70 圖 5.2 情境一(a)土地利用規劃結果圖(未削減情況下)………….….…….73 圖 5.3 情境一(b)工業及住商削減情況圖…………………………………..76 圖 5.4 情境一(b)土地利用規劃結果圖…………………………………..…76 圖 5.5 情境一(c)工業及住商削減情況圖…………………………………..79 圖 5.6 情境一(c)土地利用規劃結果圖…………………………………..…79 圖 5.7 情境一(d)工業及住商削減情況圖…………………………………..82 圖 5.8 情境一(d)土地利用規劃結果圖…………………………………..…82 圖 5.9 情境二(a)工業及住商削減情況圖…………………………………..85 圖 5.10 情境二(a)土地利用規劃結果圖……………………………………85 圖 5.11 情境三(a)工業及住商削減情況圖…………………………………88 圖 5.12 情境三(a)土地利用規劃結果圖……………………………..……..88 圖 5.13 情境三(b)工業及住商削減情況圖…………………………………91 圖 5.14 情境三(b)土地利用規劃結果圖………………………………..…..91 圖 5.15 情境四(a)工業及住商削減情況圖…………………………………94 圖 5.16 情境四(a)土地利用規劃結果圖………………………………..…..94 圖 5.17 工業部門削減成本敏感度分析結果圖……….…………………...97 圖 5.18 工業部門利用收益敏感度分析結果圖……………………….……99 圖 5.19 土地利用集中性……………….………………………..................100. V.
(7) 圖 5.20 各情境土地規劃結果比較圖………………………….………….102 圖 5.21 各情境 CO2 削減總量與成本圖……………………….………….102 圖 5.22 未設土地變動成本(以情境二為例)...............................................105. VI.
(8) 表目錄 表 1.1 高雄縣市二氧化碳人均排放量與國際排放量比較…………………5 表 2.1 產業衝擊評估……………………………………………………..….10 表 2.1 產業衝擊評估(續)………………………………………………...….11 表 2.2 二氧化碳排放係數…………………………………………………...12 表 2.3 二氧化碳推估所需資料……………………………………………...14 表 2.4 向量式與網格式之比較……………………………………………...33 表 2.5 不同等級的森林型態 CO2 吸收量…………………………………...42 表 3.1 高雄市 2001 年各項產業產值………………………………………..47 表 3.1 高雄市 2001 年各項產業產值(續)…………………………………...48 表 3.2 高雄市溫室氣體與世界各大城市人均排放量之比較……………...51 表 3.3 森林部門二氧化碳吸收量…………………………………………...54 表 4.1 各情境目標依據及考慮限制條件………………………….………..68 表 4.2 各情境目標依據及考慮限制條件(續) ………………………….…..69 表 5.1 研究地區土地利用現況…………………………………………….71 表 5.2 情境一(a)未削減情況下規劃結果…………………….…………….73 表 5.3 情境一(b)分析結果………………………………………..…………75 表 5.4 情境一(b)土地利用最佳化分析結果……………………..…………75 表 5.5 情境一(c)分析結果………………………………………..…………78 表 5.6 情境一(c)土地利用最佳化分析結果………………………………..78 表 5.7 情境一(d)分析結果…………………………..………………………81. VII.
(9) 表 5.8 情境一(d)土地利用最佳化分析結果……………………………..…81 表 5.9 情境二(a)分析結果…………………………..………………………84 表 5.10 情境二(a)土地利用最佳化分析結果………………………………84 表 5.11 情境三(a)分析結果…..……………………………………………..87 表 5.12 情境三(a)土地利用最佳化分析結果………………………………87 表 5.13 情境三(b)分析結果……………………………………………..…..90 表 5.14 情境三(b)土地利用最佳化分析結果………………………………90 表 5.15 情境四(a)分析結果………………………………………………....93 表 5.16 情境四(a)土地利用最佳化分析結果………………………………93 表 5.17 工業部門削減成本與百分比上限………………………………….97. VIII.
(10) 謝誌 在高大土環研究所的這段日子裡，特別要感謝的是指導教授 甯蜀光 老師，承蒙恩師在課業與研究上悉心指導及日常生活中上之深切的關 懷，恩師帶領我進入系統分析的浩瀚領域，在各方面給予我相當多的教 導，兩年來受益良多，也讓學生碩士論文得以順利完成，在此謹獻上學 生最大的敬意與感謝。 口試期間，承蒙中山大學海洋環境及工程學系 張揚祺老師、 朝陽 科技大學環境工程與管理系 陳鶴文老師，在論文架構上、內容上給予指 正及建議，使論文呈現能更完整，在此由衷感謝並致上最高敬意。 在研究所日子裡，感謝師長的教導與同儕間的鼓勵和學弟妹的幫 忙，在此特別感謝琨焯、婉鈴、君傑、佳靜、京澤、耀增、宏明、政佑、 政宇、建琦等同學；感謝環境資訊系統分析實驗室的亞璇學妹、威呈學 弟、銘謙學弟；感謝敏葳、瑋婷學妹；感謝証耀同學於平日的相互扶持， 並一起渡過在研究室期間的困難與挑戰，有你們的陪伴，是我完成學業 的最大助力。 最後感謝我最親愛的父母與家人，感謝多年來的付出與關愛，給予 我最大的精神支持與力量，使我在無後顧之憂能順利完成學業，在此由 衷感謝你們。. IX.
(11) 以最佳化土地利用策略控制區域二氧化碳排放之研究. 指導教授：甯蜀光 博士(副教授) 國立高雄大學土木與環境工程學系 學生：林佳民 國立高雄大學土木與環境工程學系 摘要 土地為國家重要資源，亦是人類維持生活最重要環境要素之一，藉由土地資源之 利用可提升人類生活品質及經濟發展，創造和帶動區域經濟大幅成長，然而對環境所 造成之衝擊亦相當顯著，使二氧化碳排放量逐年增加。由於全球暖化議題備受各國重 視，溫室氣體減量工作，已成為各國施政的重要課題，目前世界各國因應二氧化碳減 量所採取措施不外乎推動節約能源、提高能源使用效率、再生能源之利用、減少高耗 能產業、研發二氧化碳減量技術等，較少提及藉助土地利用規劃以控制二氧化碳之排 放。本研究乃以系統分析之觀念，結合最佳化分析及地理資訊系統技術，以土地利用 效益最大化為目標並考量二氧化碳排放量之限制，探討區域土地開發帶來的經濟收益 與環境衝擊，以追求永續發展之理想。研究中並以高雄縣市之土地利用為案例，以確 認本項評選技術之可行性。 關鍵字：系統分析、土地利用、溫室氣體、地理資訊系統. 1.
(12) Optimal Land-Use Strategies for Regional Carbon Dioxide Reduction Advisor: Dr. Shu-Kuang Ning Institute of Department of Civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung Student: Chia-Min Lin Institute of Department of Civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung ABSTRACT Land is one kind of the most important nature resources for human beings. An adaptable manner for utilizing land resources could improve the human life quality and promote economic growth. Nevertheless, the environmental impact is quite obvious such as the increase of carbon dioxide concentration in atmosphere. Since the issue of global warming is highly emphasized, reduction amount of the greenhouse gases become an important policy in all of the countries. Currently the carbon dioxide reduction methods including the promotion of economy energy, the enhancement of energy conversion rate and the usage efficiency, the encouragement of renewable energy utilization, the reduction of high consuming energy industry and the development of carbon dioxide absorb and fix technique etc. However, the strategies of carbon dioxide control by using the land-use planning technique are seldom to be discussed. This research attempt to integrate the environmental system analysis technique associated with the geographic information system tools to discuss the interaction between the land-use pattern and carbon dioxide emission. An optimal model was built base on the objective of maximum benefit for the land utilization and constrains of the reduction requirement of carbon dioxide emission. The Kaohsiung country was selected as a case study for confirm the feasibility of the decision making process. Keywords: System analsis, land use, greenhouse gases, Geographic Information System. 2.
(13) 第一章 緒論 1.1 研究緣起 一直以來，土地資源利用政策備受關注，特別是西部沿海地區大量 開發，為台灣帶來可觀收益的同時，對環境之衝擊亦相當顯著。近年來 各界逐漸體認到土地開發規劃的重要性，由九十一年二月十九日函送行 政院審查之「國土綜合發展計畫法草案」可見一斑，文中提及為確保國 土資源永續利用，促進區域均衡發展，縮小城鄉差距，改善生活環境品 質，健全經濟發展，增進公共福利，參酌先進國家之經驗與作法，擬具 「國土綜合發展計畫法」草案，將目前國土規劃體系調整為國土綜合發 展計畫及直轄市、縣(市)綜合發展計畫，並將區域計畫內容納入上述國土 綜合發展計畫中；此外為進一步落實土地開發與管理，建立土地開發許 可，並以總量管制落實成長管理；各部門計畫包括交通、環保、產業、 觀光遊憩、水資源乃至於農地利用與釋出等。土地利用均可由各目的事 業主管機關依據國土綜合發展計畫及直轄市、縣（市）綜合發展計畫積 極指導與協調；為保護自然資源、維護自然景觀與文化資產、防治天然 災害、確保國防及居住安全等，指定限制開發地區，限制一定開發利用 或建築行為，以兼顧國土開發建設與保育利用均衡之目標。由於土地資 源規劃不只涉及該地區對土地開發的需求，同時也面臨因不當利用而產 生的環境衝擊，如何在利害得失中尋求平衡點，實為當今之重要課題。 近年來由於人類經濟活動蓬勃發展，導致大氣中溫室氣體濃度增 加，造成地球環境全球暖化及生態系統失衡。為減緩人類活動所排放溫. 3.
(14) 室氣體所造成氣候的變遷，聯合國於一九九二年通過「聯合國氣候變化 綱 要 公 約 (United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)」，對「人為溫室氣體」排放做出全球性防制協議。再者，於 1997 年 公 約 第 三 次 締 約 國 會 議 中 召 開 簽 署 「 京 都 議 定 書 (Kyoto Protocol)」 ， 在「京都議定書」中明確規範工業國家對溫室氣體減量所應 負責的目標是四年內(到 2008 年至 2012 年)，必須使六種溫室氣體之排放 總量與 1990 年相比至少削減 5.2%，因此各國應積極進行溫室氣體減量 及防制等相關工作。雖然我國並未屬於聯合國之會員，無法簽署京都議 定書，但基於環境保護、提升國家競爭力及提供產業、能源之調適期等 因素，避免國際間之制裁，仍應積極進行減量相關規劃。. 1.2 研究動機與目的 近幾年，由於全球生態環境異常造成各式各樣自然現象，暖化議題 備受國際間人士正視之，於是溫室氣體減量工作成為各國政治的首要課 題。對於我國而言，雖無法直接參與並簽署聯合國氣候變化綱要公約與 京都議定書，但為避免影響國家整體發展及國際間經濟制裁，推行二氧 化碳減量政策實為刻不容緩的工作。 從1990年至今，台灣全國的二氧化碳排放總量大幅增加121 %，國內 溫室氣體排放量佔全球總量近1 %，是世界第22位，2003年人均排放量為 11.10(噸/年/人)，2005年人均排放量卻上升至12.52(噸/年/人)，如表1.1所 示。而高雄市總體排放量即佔台灣五分之一。高雄縣市是台灣主要的傳 統工業重鎮，包含了相當多且大型產業如石化、水泥、鋼鐵、造紙、紡. 4.
(15) 織等高耗能產業，因此二氧化碳排放量總是居高不下。扮演台灣主要工 業發展的主角之一，創造和帶動台灣經濟成長的同時，長期以來卻也是 台灣溫室氣體排放量最高的城市，高雄市二氧化碳人均排放量為26.36(噸 /年/人)，高雄縣二氧化碳人均排放量為15.32(噸/年/人)，遠超過台灣 12.52( 噸 / 年 / 人 ) 、 (Organization for Economic Cooperation and Development,OECD)國家的10.96(噸/年/人)以及全球平均3.89(噸/年/人)， 如表1.1所示，根據資料顯示，高雄縣市二氧化碳排放量幾乎高居世界城 市之冠。 「溫室氣體減量法草案」第一條提到：為減緩全球氣候變遷，降低 溫室氣體排放，善盡共同保護地球環境之責任，並確保國家永續發展。 有鑑於此，為表達我國因應京都議定書之立場及作為，並善盡地球村一 員之責任，應積極配合採取溫室氣體減量工作。 表 1.1 高雄縣市二氧化碳人均排放量與國際排放量之比較 年份. 2005 年. 2005 年. 2005 年. 2002 年. 2002 年. 國家(城市). 高雄市. 高雄縣. 台灣. OECD 國家. 全球. (噸/年/人). 26.36. 15.32. 12.52. 10.96. 3.89. 資料來源：95 年高雄市因應全球氣候變遷行動策略規劃計劃. 而目前世界各國因應二氧化碳減量所採取的措施不外乎推動節約能 源、提高能源轉換及使用效率、推廣再生能源利用、減少高耗能產業、 研發二氧化碳減量技術等，但甚少提及藉助土地利用之規劃，控制二氧 化碳排放之成長；儘管土地發展計畫中曾提及考量環境衝擊等之因素， 5.
(16) 現階段卻多集中於水體汙染、土壤之沖刷或逕流之集中等問題之探討， 對二氧化碳排放之影響卻極少論及。然土地利用之規劃不只是與該地區 對土地開發之需求有關外，同時可能面臨環境衝擊，因此要達到兩者平 衡，實在是值得探討深究的課題。 本研究將透過土地資源利用之最佳化分析達成區域 CO2 削減之目 標，將是同時兼顧區域發展與環境保育雙重目標的方法， 本研究將透過 土地規劃的方式結合最佳化分析與地理資訊系統技術，以土地利用效益 為最大目標並考量二氧化碳排放量之限制，探討區域土地開發帶來經濟 收益與環境衝擊，提供土地規劃控制二氧化排放之策略供決策之參考， 以使土地利用朝永續發展之目標邁進。. 1.3 研究架構與流程 本研究旨在透過土地利用規劃策略，以控制區域二氧化碳之排放， 主要內容為：首先蒐集研究範圍內的各種土地利用型態之收益、面積、 及二氧化碳排放量等相關資料，其次針對國內外土地規劃及二氧化碳減 量相關研究文獻資料進行探討，以提供最佳化模式建立及減量方法之設 定與研擬，而後利用所蒐集之相關資料進行建模，並透過地理資訊系統 輔助規劃以研擬二氧化碳減量方案，由本研究所建立最佳化模式進行各 方案分析，求得最佳土地規劃利用策略，若分析結果符合規劃目標，最 後依據各項情境分析結果，提出本研究的結論與建議，以供相關單位參 考。詳細流程，如圖 1.1 所示。. 6.
(17) 研究目標確立. 文獻回顧. 確立研究方法. 資料蒐集整理. 土地利用現況. 自然環境特性. 基礎圖層 網格化. 最佳化模式建 立與分析. CO2 資料. 設定規劃目標 設定限制條件. 不符合 決策準則 符合 結論與建議. 圖 1.1 研究流程圖. 7.
(18) 第二章 文獻回顧. 本研究主要目的是藉由系統分析技術與地理資訊系統進行土地利用 最佳化策略分析，以控制區域二氧化碳之排放。因此，本章將針對溫室 效應造成之衝擊、二氧化碳推估方法和國內外二氧化碳減量之方法、與 數學規劃之理論，及最佳化模式並且應用於土地利用規劃及二氧化碳減 量之相關研究成果說明國內外之現況。. 2.1 全球暖化 地球表面能量主要來自於太陽之輻射，屬於短波之入射波。經由大 氣吸收、地表及大氣反射後僅剩約 49 %被地表所吸收，地表土壤、水體、 植物等吸收後之能量復以長波輻射方式釋出，一部分為對流層水氣及二 氧化吸收，一部分在平流層為甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化物等吸收，其 餘則散逸進入外太空。 當進入地球的太陽輻射量和地表所反射與輻射至太空之能量達到平 衡時，地表溫度即呈現穩定狀態。若兩者不平衡時，能量將累積在大氣 層中而造成溫度上升，形成溫室效應(Greenhouse Effect)，為造成全球暖 化過程，如圖 2.1 所示。 常見溫室氣體包括：二氧化碳(CO2)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物 (HFCS)、全氟碳化物(PFCS)、六氟化硫(SF6)、水蒸汽(H2O)及臭氧(O3)等。 其中以氫氟碳化物、全氟碳化物、六氟化硫等，造成溫室效應影響最強， 但對全球貢獻百分比來看，二氧化碳含量較多，所佔的比例最大約 66 %。. 8.
(19) 圖 2.1 溫室效應示意圖. 若大氣中的溫室氣體含量一直持續升高，造成的影響將嚴重改變全 球環境與經濟。依據 IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change)科 學家的數據研究表示，全球二氧化碳濃度自工業革命前 280 ppm 到，1992 年 已 增 加 至 360 ppm ， 預 計 到 2100 年 二 氧 化 碳 濃 度 將 增 加 至 540-970ppm。2100 年的全球平均氣溫將比 1990 年高出 0.9 ℃到 3.5 ℃。 其中，二氧化碳(CO2)的溫室效應大約佔 66 %，其他溫室氣體約佔 30 %。全球平均氣溫上升，海水溫度也上升，體積膨脹加上極地地區冰 雪溶化，將使得全球平均海平面上逐漸升，到 2100 年時將比 1990 年高 出 38 公分至 56 公分。 因溫室效應而造成的全球暖化現象，已是不可迴避的事實。為二氧 化碳增加，海平面上升對台灣所造成衝擊，而其對產業衝擊評估其影響 如表 2.1 所示。. 9.
(20) 表 2.1 產業衝擊評估 項別. 衝擊 1996 年 Mendelsohn 假設情景：溫度上升 2.5℃，平均降雨量 增加 8 %，大氣中 CO2 濃度達 550 ppm，海平面上升 44 cm， 將造成太平洋四周包括台灣等 20 餘國家損失高達每年 370 億 美金。. 整體 經濟. a. 市場項目(農業、海岸、能源、林業、旅遊)損失較小， 平均約佔 0.1 %的 GDP。 b. 非市場項目（生態與民眾健康）衝擊較大。對已開發 國家而言，其損失在可忍受範圍內；但對開發中國家 而言，其損失所佔的 GDP 百分比就相當高，台灣的損 失約達 13 億美金，佔 0.6 % GDP。 全球增溫會促使生長季增長，可能會使作物產量增加。氣溫 上升與降雨量減少等氣候條件變化，將使玉米減產 10~20 %， 小麥減產 7~8 %。. 農業 若考慮國際管制能源措施，將因能源價格上升，直接衝擊台 灣各地區農作物生產面積：甘蔗、玉米、稻米及高梁等作物 面積會大幅減少，反之茶卻會增加。然總體而言，台灣地區 農作物面積仍呈現下降趨勢。 資料來源：呂鴻光，(2003)溫室氣體之衝擊與對策. 10.
(21) 表 2.1 產業衝擊評估(續) 家禽：若溫度上升，則性成熟延遲；肉雞體重下降，蛋雞產 蛋率降低，蛋重降低(如產生軟殼蛋)，蛋白質品質下降，飼料 吸收率降低，糞便中氮與磷含量增加。. 畜產. 猪隻：若溫度超過肉猪最適宜生長溫度 1 度，則採食量會減 5 %，活動量降低 7.5 %。 乳牛：其受胎率與溫度有密切關係。當環境溫度上升到 27℃ 時，乳牛的動情週期較不明顯，發情徵候減弱，動情期會縮 短，且受胎率降低與胚胎死亡率增高。 海平面之上升影響蛤蜊及九孔之生產面積，而氣候變遷可能 影響貝類的產卵期並縮短成長期。 水溫對魚類生理、新陳代謝、行為及分布等皆會產生影響。. 水產 養殖. 若溫度改變 2℃，會改變魚類生殖產卵季節，高溫會導致提前 產卵；若水溫增加 10℃，則魚類的生化反應會增加 6~10 倍。 若氣候變遷而使地球等溫線北移，將可能改變本省魚種組成 之地理分布類型。. 資料來源：呂鴻光(2003)溫室氣體之衝擊與對策. 11.
(22) 2.2 二氧化碳排放量推估方法 二氧化碳排放量推估可採用直接測定法或間接推估法(排放係數 法)。前者係使用儀器設備針對各種不同之土地利用行為實際測量 CO2 之 排放情形，為較可靠之方法，但所需成本甚高；後者則採用間接的、學 理的推估方法，進行各種排放源的排放量推估，本研究將採用後者方法， 以排放係數法推估二氧化碳排放量。以「排放係數法」 ，為推估方法利用 原料、物料、燃料之使用量或產量等數值乘上特定之排放係數所得二氧 化碳排放量之方法。 「排放係數(Emission Factor)」係指「每單位生產量或 能源消耗量或服務量所排出空氣汙染物量」 ，常用能源之二氧化碳排放係 數如表 2.2 所示。目前國內在進行溫室氣體排放量化時多採用此法，常用 之排放係數法計算公式如下：. 排放量=適當的活動強度×排放係數 燃料使用排放量=燃料使用量×熱值×排放係數 外購電力排放量=電力使用量×電力排放係數 表 2.2 二氧化碳排放係數 項目. 汽油. 柴油. 天燃氣. 液化 石油氣. 煤. 電力. 單位. KgCO2/L. KgCO2/L. KgCO2/M3. KgCO2/L. KgCO2/kg. KgCO2/度. 排放 係數. 2.34. 2.68. 2.41. 2.8. 2.41. 0.69. 資料來源: 經濟部能源局. 12.
(23) 2.2.1 各部門 CO2 推估考慮之因子 透過各部門相關資料之蒐集可進行推估各產業所產生之二氧化碳排 放量，各產業相關資料為能源使用量與各能源使用所產生之二氧化碳量 即二氧化碳排放係數。其中能源包括；電力、天然氣、柴油等。表 2.3 為各部門所需資料之相關來源及估算標的，其部門如下： 1. 工業部門： 針對各產業的電力、天然氣、柴油、煤油、等燃料使用量乘以二 氧化碳排放系數就可得各產業的二氧化碳排放量。 2. 住商部門： 住商部門溫室氣體排放量估算方法以住宅及商業用電總量、天然 氣使用量以及液化石油氣使用量作為溫室氣體排放源。 3. 運輸部門： 道路:為各縣市加油站銷售量為基礎資料 航運:以 IPCC 建議之飛機起降次數為排放因子 鐵路:計算台鐵某段使用電量及柴油使用量 各客運公司之公車平均里程數，將平均里程數除上燃油效率獲得 柴油使用量，再將柴油使用量乘上排放係數可獲得客運部份 CO2 排放量。汽、柴油銷售量，再由銷售量乘上排放係數並加上客運 部份 CO2 排放量可獲得道路部分之 CO2 排放總量。 4. 農業部門： 農業部門所排放之溫室氣體為 CH4，排放源包括：牲畜排泄物及 稻米栽重、農地燃燒等。. 13.
(24) 5. 森林部門： 森林方面採用楊盛行(1997)所推求之森林所吸收的二氧化碳排放 係數，平均每公頃每年的二氧化碳吸收係數為 45.82 噸/年/公 頃。其中二氧化碳吸收量計算公式如下: CO2 吸收量=林業面積(公頃)× 45.82 噸/年/公頃. 表 2.3 二氧化碳推估所需資料 部. 門. 資料來源 行政院. 排放源. 估算標的. 溫室氣體. 固定汙染源之 電力、天然氣、. 工業. CO2. 環保署. 燃燒申報用量. 柴油. 台灣電力. 天然氣使用. 電力、天然氣、. 住商. CO2. 天然氣公司. 量、總用電量. 經濟部. 汽油、柴油使 汽油、柴油. CO2. 稻田面積. 稻田. CH4. 綠地面積. CO2 吸收量. CO2. 運輸 能源局. 液化石油氣. 用量. 高雄縣、市統 農業 計年報 森林. 林務局. 資料來源: 94 年高雄市因應全球氣候變遷行動策略規劃計畫. 14.
(25) 2.3 台灣二氧化碳排放現況. 二氧化碳排放量(千公噸). 人均排放量（公噸）. 12. 250,000. 10. 200,000 千公噸. 14. 8. 150,000. 6. 100,000. 公噸. 300,000. 4. 50,000. 2. 0. 0 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 年份. 圖 2.2 台灣二氧化碳歷年排放總量及人均排放量 資料來源: 經濟部能源局. 我國 CO2 排放量近十餘年來均呈現增加之趨勢，如圖 2.2 所示，自 1990 年至 2005 年，二氧化碳排放量由 113,420 千公噸增加至 271,365 千 公噸，呈倍數的成長，人均二氧化碳排放量也由 5.54 公噸提升至 2005 年 12.52 公噸。近年來 CO2 排放量增加速度顯得十分突出。如圖 2.3 所示， 2002 年總排放量為 238 百萬噸，成長至 2005 年的 271 百萬噸， 2005 年 工業部門二氧化碳排放量為 133 百萬噸，運輸部門排放量為 43 百萬噸， 住宅及商業部門分別為 34 百萬噸(12.74 %)和 17 百萬噸(6.62 %)，農林漁 牧部門及其他部門分別為 4.43 百萬噸(1.63 %)和 18.3 百萬噸(6.74 %)。另 外工業部門自 1991 年至 2003 年二氧化碳排放量增長率為 1.91 倍，若以. 15.
(26) 產業來比較以鋼鐵、石化及電子電機產業增長率較快速，則排放量以鋼 鐵業佔工業排放比例最高，為 37.36 百萬噸(約佔 27 %)，仍然居高不下， 石化產業二氧化碳排放量由 1990 年 3.92 百萬噸，至 2005 年為 24.3 百萬 噸其二氧化碳排放量增加 6.2 倍。電子電機產業於 1990 年二氧化碳排放 量為 1.93 百萬噸，至 2005 年為 16.34 百萬噸(約佔 11 %)，增長率為 8.43 倍， 圖 2.4 所示為台灣 2005 年各部門二氧化碳排放量。近年來工業部門 以鋼鐵業、石化業以及電子電機業，排放基量較其他產業高，增加量仍 然顯著。原因為這三個產業都因為產業關聯效果大，市場發揮潛力大， 且因市場需求而持續成長，因此造成二氧化碳排放量欲降不易的情況。. 30,000 其他部門. 排放量(萬公噸). 25,000. 農林漁牧部門 商業部門. 20,000. 住宅部門. 15,000. 工業部門. 10,000. 能源. 運輸部門. 5,000 0 2002. 2003. 2004. 2005. 年份. 圖 2.3 台灣 2002 年至 2005 年各部門 CO2 排放量 資料來源:經濟部能源局. 16.
(27) 鋼鐵業 25%. 27%. 石化業 電子電機 紡織業 人纖業 水泥業. 3% 5%. 造紙業 6%. 17% 6%. 其他. 11%. 圖 2.4 2005 年各產業二氧化碳排放比例 資料來源：能源統計年報. 2.4 二氧化碳減量 二氧化碳減量已成為全球各國共同之目標，雖然我國並不是聯合國 之會員，無法簽署京都議定書，且目前並無減量責任，但依據國際環保 公約之經驗，我國既使不簽署公約及享受權利，但相關義務，卻仍需履 行；如蒙特婁議定書、華盛頓公約等，若我國不遵守，曾有遭受到貿易 制裁之經驗。因此，我國有下列幾點必須因應公約(行政院環保署, 1999)： 1. 環境保護的觀點：我國身為地球村的成員，為善盡保護地球之責 任，應積極因應。 2. 避免國際制裁的觀點：若不遵行，恐遭國際未來可能採取之制 裁，如罰款或貿易制裁等方式，造成產業損失。 3. 提升國家競爭力的觀點：預期各國因應本議定書將發展高效率之 技術，我國若不及早因應參與國際互動，引進技術，將喪失我國 之國際競爭力。 4. 產業、能源之調適期的觀點：依各國經驗，能源結構與產業政策 之調整約需十至十五年時間，及早因應與規劃，可降低經濟衝擊。 17.
(28) 有關抑制二氧化碳排放之相關措施，一般依性質可分為下列五大 類，包括：(1)藉由處理技術移除、回收二氧化碳的方法來減少排放量、 (2)能源結構調整、(3)提高能源效率及能源節約直接減能源使用量以減少 二氧化碳排放、(4)產業結構調整，抑制高耗能產業發展及(5)經濟工具的 應用。由於二氧化碳減量已成為國際間能源及永續發展最重要的一項議 題，因此國內外相關研究不少。 以下針對各產溫室氣體排放減量相關研究進行探討，相關文獻敘述 如下；近年來有關環境、經濟及能源三個層面互動關係的探討，漸成為 熱門的課題，其中包括各產業及各部門減量之探討，江宜玲(1997) 在「電 力部門之二氧化碳減量潛力評估」研究中，探討電力部門之二氧化碳減 量潛力評估以模糊多目標規劃建構多目標發電策略分析模式，主要目的 為探討在兼顧發電經濟性及二氧化碳排放量最低的兩項目標，於 2010 年 的最佳機組發電配比與二氧化碳排放量的關聯性，並進行而研擬可行二 氧化碳減量策略，包括能源價格的調整、節約用電、改善發電熱效率、 汽電共生與燃氣機組發電比例的提升。結果顯示出，減量方案中以節約 用電、發電熱效率改善以及汽電共生發電比例增加等策略有利於二氧化 碳排放的抑制。 國內也針對高耗能產業進行減量探討，其產業如鋼鐵、石化、人纖、 水泥、造紙等產業，黃莉琳(1997)在「鋼鐵業排放 CO2 之減量潛力分析與 評估」研究中，以目標規劃方法結合產業界問卷調查，提出節能技術與 經濟及政策減量工具，模擬及評析鋼鐵業的減量目標與組合策略的可行 性，並模擬鋼鐵業能源價格變動、課徵碳稅及改變鋼鐵業政策之 CO2 減. 18.
(29) 量效果。林青宏(1998)在「製程產業二氧化碳減量措施多目標規劃模式之 建立」研究中，針對鋼鐵產業，進行二氧化碳減量，透過多目標 0-1 混 合整數規劃方法，建立製程二氧化碳減量模式，以 CO2 減量成本最小化 CO2 減量最大化為目標。曾祥泰(1999)在「台灣地區人造纖維業能源消費 與 CO2 減量潛力分析」研究中，以投入產出方法探討人纖業能源消費及 CO2 排放之影響，同時利用因素分解法探討歷年來 CO2 排放的關鍵因素。 其次建立模糊目標規劃模式，以能源價格、碳稅及產業規模變動模擬各 方案在目標年(2010、2020 年)對 CO2 減量、能源使用及產業經濟所造成 的影響。針對石化產業，李正豐(1999)應用模糊規劃目標法(Fuzzy Goal Programming) ， 結 合 灰 色 預 測 (Grey Prediction) 及 投 入 產 出 理 論 (Input-Output Theory)，建立我國石化產業的二氧化碳減量模型，並參考 歐洲主要碳稅體制(提案)，研擬數組不同的減量方案，模擬及評估對石化 上、中、下游產業的 CO2 減量效果與經濟衝擊。主要是藉由投入產出理 論將不同產業之間的經濟產值互動關係呈現在模擬減量過中，以反映真 實環境下產業進行減量時產生的交互影響；而由於減量模型的建立需考 慮產業經濟產值、資源分配、能源供給等多方面因素，故在建模前先利 用灰色理論估算相關的模式參數，然後將相關參數代入建立的減量模型 中運算。其主要目標函數為(1) 產業生產毛額目標在於求石化產業 GDP 的最大化(2) CO2 目標即追求石化產業 CO2 總排放量最小化。 由於水泥在製造過程產生大量CO2排放，因此國內針對水泥業二氧化 碳減量則有，陳家榮(1999)探討水泥產業CO2排放減量，利用普查方式瞭解 國內水泥業的能源使用情形，然後參考國內現況及國外相關政策，制訂水泥. 19.
(30) 產業對於 CO2減量的因應策略，並根據國內過去節約能源措施的普及狀 況，以及未來產業內供給結構的變化情形，初步評估各項因應策略的減 量效果及其所需的相關配合措施，其結果可作為政府及相關主管單位及 水泥業者於因應二氧化碳減量時的參考依據。馮炳勳(2005)在「台灣水泥 業因應二氧化碳排放減量策略之研究」研究中，為因應水泥業CO2排放， 以系統動態的方法建構水泥業的產品生產及CO2排放模擬模式，並以情境 模擬的方式，模擬水泥產業環境變動及CO2減量策略執行後對台灣水泥業 所可能造成的影響。 各產業CO2減量成本方面，在國外Farla et al.(1995) 以荷蘭產業為評 估對象，其產業為肥料業、鋼鐵業、石化產業，探討降低二氧化碳所需 成本，其結果每減少一噸二氧化碳所需成本為肥料業8美元、鋼鐵業35美 元則石化產業為46美元，結果以石化產業減量成本為最高。在國內許銘 傑(2005)分析產業二氧化碳減量之經濟效益及生態效益，研究主要探討產 業為鋼鐵業及造紙業，其結果鋼鐵業CO2量成本每噸為1,152元造紙業為 1,615元。 在 京 都 議 定 書 (Kyoto Protocol) 中 也 提 到 ， 締 約 國 在 1997 年 12 月 COP3(Conference of the Parties)規定工業化國家2008~2012年之間使溫室 氣體之排放總量與1990年相比至少削減5.2 %，京都議定書於2005年2月 16日正式生效，並且針對附件一國家，應於2008至2012年間達成減量目 標。雖然我國並不屬於締約國，為了避免CO2排放量增加，各產業也提出 自願性減量並盤查各產業溫室氣體排放現況，透過節約能源、改善能源 使用效率等減量技術，來達到CO2減量。. 20.
(31) 近年來透過經濟工具來達到二氧化碳減量則有京都議定書在 1997 年 12 月第三次締約國大會(COP3)中提到，以三種減量機制其中包括共同執 行 (Joint Implementation,JI) 、 清 潔 發 展 機 制 (Clean Development Mechanism,CDM)及排放交易(Emission Trade,ET)三種機制，使已開發國 家能夠協助開發中國家或經濟轉型期國家進行溫室氣體合作減量。三種 減量機制分述如下： 1. 共同減量(JI) 主要是由一個附件一國家以資金或技術提供另一個附件一 國家進行溫室氣體減量計畫，受資助的國家實質減量同時，援助 國可以取得「排放減量單位 (Emission Reduction Units, EURs)」， 並可以來抵減該國的二氧化碳排放量。 2. 清潔發展機制(CDM) 容許所有附件一所列國家可以在非附件一所列之開發中國 家，以資金援助與技術轉移方式，推動相關排放減量計畫，以協 助開發國家進行溫室效應氣體減量，而附件一國家則可以取得所 謂「被認證的排放減量(Certified Emission Reductions,CER)」，可 以累積納入同期承諾排放減量計算。 3. 排放交易(ET) 容許所有附件一所列國家以交易方式，向排放量尚未達容許 排放配額的其他附件一所列國家，取得其「尚未使用或剩餘之排 放配額( unused or surplus emission units)」。. 21.
(32) 2.5 線性規劃理論 線性規劃(linear programming)自從 1947 年由美國數學家 Dantzing 所 提出求解方法之後即蓬勃發展，從此建立了系統分析之基礎。線性規劃 在早期已廣泛被應用於各類生產規劃上，目前在工業、農業、經濟、交 通等領域都獲得了重大成果。 一般而言，優化模型基本架構包括下列兩項： 1. 目標函數(objective function)： 在一個被妥善界定的環境問題中，對欲追求或改善之目標所定義 之數學函數式。 2. 限制式(constraint)： 在一個被妥善界定的環境問題中，系統所面臨之內部或外部制約 條件稱為限制式。 在優化模型中，有兩種不同之變量： (1) 決策變數(decision variable)： 在一個含有目標函數及限制式之模型中，與決策方案有關之待決 定的變數稱為決策變數。 (2) 系統參數(system parameter)： 在一個含有目標函數及限式之模型中，與決策變數有關之係數稱 為系統參數。 線性規劃所能解決的問題通常包含下列特性： 1. 其目的為將某個相依變數(dependent variable)極大化或極小化，該 相依變數可以由線性的目標函數(objective function)所定義，通常. 22.
(33) 代表某種經濟上或機能上的目標，如利潤、產量、成本或品質指 標等。 2. 目標函數中含有許多變數，這些變數的數值描述不同的決策可能 性，通常代表某種資源的使用數量如資金、時間、人力、材料等 等達成目標所必須使用的項目。. 線性規劃之模型之建模主要是找出系統中明確之優化分析或最佳方 案，但優化前與優化後需要一些輔助分析，以掌握或降低不確定因素之 影響，包括： (1)優化前之分析(Pre-optimal analysis) 參數之決定(parameter determination)： 系統參數有時不易決定，需要詳細調查，資訊不足時將產生不確 定性，造成優化方案產生偏差。 函數之確認(function identification)： 系統中目標函數或限制式在左側之線性函數有時需用系統預測之 方法(例如迴歸分析)加以確認。 (2)優化後分析(post-optimal analysis) 敏感度分析(sensitivity analysis)： 系統決策方案對個別參數之變化是否敏感？此項問題可由求得優 化解後，去調整單一參數可能變化之範圍而得到解答。但是一次 只能針對某一個別參數進行測試。. 23.
(34) 藉由線性規劃求得妥協解，在滿足各項限制的同時也達到目標函數 之最大值或最小值。線性規劃已被廣泛應用在各領域也獲致許多成果， 目前在各類環境系統分析問題中，亦廣泛被應用，在環境規劃上之應用 其中包括廢棄物管理系統規劃、廢水處理系統規劃、空氣資源管理系統 規劃等環境相關規劃。 Bouman et al.(1998)利用線性規劃來解決環境與經濟之間衝突問題， 模式中以最大經濟收益為目標。Jödicke et al.(2001)以混合整數線性規劃 (Mixed Integer Linear Programming,MILP)，探討廢水處理廠之廢水再利 用，以總成本最小化為目標並考慮投資成本及操作成本，並達到所設定 限制條件，求得最佳解，廖恒凱(2005)提出多水庫聯合營運最佳化模式， 以最小懲罰成本為目標，並考量水庫整合營運條件及相關限制。在水資 源規劃方面，張仲宇(2002)以線性規劃理論為基礎，研究在滿足所有限制 條件下分析休耕或轉作時水資源再分配之最佳化模式，將水資源做有效 調配。王招錦(2003)研究藉由數學規劃技巧探討家戶垃圾清運規劃及收 費，並擬定最佳化之營運方案。 經過以上各領域研究之論述後，顯示線性規劃理論可以解決多目標 規劃的問題，本研究將以數學規劃技巧來解決環境與經濟兩者間之衝 突，目標以經濟收益最大化，並達到所設定限制條件，以推求最佳化之 土地利用方案。. 24.
(35) 2.6 土地利用規劃 土地資源(Land Resource)係指能夠滿足人類當前和可預見的未來利 用所需的土地，其強調土地在人類生產活動中所具有的價值隨著人類知 識的提昇和生產力的增加，土地資源所包含的範圍將來可能會更廣，會 更豐富。 土地利用(Land Use)則是人類透過一定的行動，利用土地的特性來滿 足自身需要的過程；一個國家、一個地區或一個鄉鎮在土地需求之類型、 面積及目的上可能有相當大差異，因此在土地資源之分配和使用如何取 得協調，成為當今重要的課題。土地使用及規劃作業是不固定且複雜的， 會隨著區域社經變遷及利用型態而改變，因此，所謂『適宜性』土地使 用必須為一地區可永續使用的類別。 土地規劃本質在於解決人類的需求或問題，土地利用規劃是一種空 間性的規劃，考量社會、環境、生態、經濟等因子。來配置各種利用類 型，以減少環境衝擊。簡單來說，土地利用規劃目標在於達成，社經需 求、環境衝擊及生態保育三者間之平衡。一地區若無土地使用政策與規 劃，往往會因對土地的誤用、超限使用而產生諸如土壤流失、土質惡化、 水汙染、空氣汙染等環境影響，致使土地資源無法被永續利用。土地使 用規劃作業必須在政策及執行階段均納入土地永續利用的考量；由環境 永續性的觀點決定最佳土地使用並保護環境資源以應長期之需，此外並 應由社經永續性的觀點滿足當代的需求如圖 2.5 所示。. 25.
(36) 制定土地政策. 永續性土地 使用規劃. 決定土地使用 類別及區位. 目的: --環境永續性 *最長遠性的最適 土地使用及自然 資源保育 --社經需求 *滿足當代需求. 空間及實質條 件改善計畫. 圖 2.5 永續性土地使用規劃 資料來源：黃書禮(2000)生態土地使用規劃 P.331. 根據上述永續性的土地使用規劃可被定義為(van Lier,1994)： 「在追求社經永續性以滿足當代人類需求下，由長期觀點制定及執行土 地使用政策工具，使各種土地使用能有適宜的區位，改善空間及實質環 境，以達最適土地使用以及自然資源保護的環境永續性」。 人類合理的資源利用以及環境保護為促進人類生存空間能永續發展 (Sustainable Development)的基礎。由於空間規劃以及土地使用規劃目的 是塑造人類居住空間，因此它們對達成永續發展目標的重要性是不亞於 環境保護。環境保護工作與土地使用均是跨部門的，除了涵蓋人類各種 行為(工業、農業、住宅、交通等)，亦涉及生物與非生物因素之考量。此 外，環境汙染與保護是具有空間特性的，環境汙染的影響不只於地方性， 再者，一區域內因人類資源利用與環境特性之差異，所造成環境品質的 26.
(37) 破壞是具空間異質性的。因此，環境保護的議題對不同尺度(全球、國家、 區域、地方)的空間規劃均不容被忽視。針對空間規劃對環保的重要性， Schmid(1994)提出下列三點建議： (1)環境保護與空間規劃必需相互協調 (2)策略性規劃為減少環境影響的工具 (3)地區性土地使用規劃必須遵循策略性規劃的原則. 藉由土地利用規劃與環境保護之間的妥協(Trade-Off)，除了可決定土 地利用對自然資源的需求，並可評估土地使用可能對環境的影響。土地 利用規劃，可協助決策者在使用環境負面影響極小化的前提下，解決不 同土地利用間之衝突問題。因此最佳化土地利用目的即在強化土地使用 規劃對環境保護的功能與角色。 近年來各界逐漸體認到土地利用規劃的重要性，在「國土綜合發展 計畫法草案」中即提到須兼顧國土開發建設與保育利用均衡之雙重目 標。土地利用規劃與環境保護已成為相當重要的議題，因此國內外的相 關研究不少，針對土地使用規劃研究相關進行探討。相關文獻分述如下： 在土地使用之規劃與管理問題上，常用於最佳化(optimization)分析之技術 包 括 線 性 規 劃 (linear programming) 、 混 合 整 數 規 劃 (mixed integer programming)、非線性規劃(non-linear programming)等其他數學方法，層 級分析法(Analytical Hierarchy Process,AHP)，為現今決策領域中常見之決 策工具， Bantayan and Bishop (1998)結合目標和主觀之模式應用在土地 利用規劃上，使用層級分析方法和土壤沖刷公式(Universal soil loss. 27.
(38) equation)，以最佳化土地利用為主要目標，土壤穩定、食物生產、汙染減 少等為標的，耕種區域、森林區域及公園綠地為評估準則，評選出不同 最佳土地利用方案。在國內為了促進土地資源利用，配合國家經濟、社 會發展，陳登輝(2002)亦使用層級分析法，以多屬性決策之方法，對土地 整體開發，探討土地開發影響之因子，結果以供土地方案評選。此外使 用基因演算法求得土地利用最佳解；Stewart et al.(2004)使用基因演算法 (Genetic Algorithms)解決空間規劃上之問題，以多目標規劃方式，透過選 擇、交配、突變等機制運算，求得土地利用之最適解。 在森林土地之規劃與管理問題上有 Snyder and Revelle(1997)以 0-1 多 目標整數規劃模式，透過數學模式應用來解決森林資源產生之衝突。 Siitonen et al. (2003)應用多目標空間啟發式演算之技術對芬蘭一塊 10,000 公頃之土地進行成本最小化之森林保護區規劃，所考量之因素包 括森林之非空間性因素(面積、數量、特性比例)、空間性因素(林相空間 分布差異)及經濟性因素(成本、效益)。Ohman and Lamas (2003)利用數學 規劃之方法考量時間與空間之因素，以森林砍伐群集之總面積及林木之 收益為目標，各時期允許砍伐之數量為限制條件，進行長時期森林資源 管理之規劃。Turner et al. (2002)探討澳洲新南威爾斯之一塊 198,000 公頃 之森林為研究對象，建立森林收益最大化之目標並在當地水體環境之限 制要求下，尋求最適解並以 SPECTRUM 及 HABPLAN 兩套森林管理模 式求解並比較其功能。 台灣在森林規劃與管理方面，Lin and Feng(2007)以數學規劃方式進 行土地利用規劃，使用多目標規劃方式進行規劃，考慮土壤侵蝕、動物. 28.
(39) 棲息地及林木資源所帶來經濟效益，透過多目標規劃達到永續森林利 用，其結果可界定理想森林土地利用形態之應用。此外地區的工業發展， 可帶來社會經濟效益及創造就業人口，但由於高度工業化後，而造成環 境上的強烈衝擊，Meng et al.(2008)，提出工業區土地利用有效率的使用， 可帶來當地經濟效益，同時考慮經濟效益、環境生態衝擊、及社會影響 等。配合產業與人口發展需要達到適地適用之效果，使達到地區永續發 展。 自然資源是人類生存與發展的跟本，在社會與經濟發展以及人口持 續成長下，自然資源短缺情況下造成環境影響，Zhong(1999)有效對土地 利用作管理，保護耕作用農田，避免被做為其它開發利用。農業是人類 生活中，扮演著相當重要角色與功能，不僅提供糧食所需，亦可帶來地 方收益，但過度使用肥料會造成環境汙染，因此土地保護規劃對地方上 是相當重要課題。Huylenbroeck(1997)利用整數規劃方法，妥協(Trade-off) 經濟與環境生態之間問題，藉以數學方法解決環境與經濟衝突之問題。 Vlist(1998)提出農業發展需做三個規劃，其中包括：空間規劃(Spatial planning) 、 環 境 規 劃 (Environmental planning) 以 及 水 管 理 (Water management)，等三種規劃系統，將三個規劃系統納入農業發展規劃中， 同時達到農業發展及環境保護。 對 於 多 種 土 地 利 用 形 態 之 規 劃 ， 透 過 數 學 規 劃 (mathematical programming)方式協助土地利用規劃，考慮多重目標，其相關文獻則有： Chang et al.(1995) 針對一水庫集水區之土地，在考量土地開發收益、提 供就業機會及水體水質保護等多重目標下建立多目標優化模式進行土地. 29.
(40) 利用分配之探討。Seppelt and Voinov (2002)則建立空間生態模式以對土地 利用之形態進行最佳化分析，並配合蒙地卡羅(Monte-Carlo’s simulation) 及基因演算法(Genetic Algorithms)兩種模擬方法進行模式之驗證。Seppelt and Voinov (2003)使用多準則決策之方法建立一套網格式之空間生態模 式應用於 Patuxent River 一個 22.5km2 集水區進行土地使用及土地景觀之 最佳化評估，所考量之因素包括營養鹽之釋出及農地之收益。 以 0-1 整數規劃在環境規劃問題中應用廣泛，回顧過去相關研究， Williams and ReVell (1998)使用 0-1 整數規劃保護重要區域，其目標式為 總成本最小化，同時保護重要資產及其他重要生態保護區，同時考慮經 濟、生態及空間位置。Messer (2006) 透過 0-1 整數規劃，目標以經濟收 益最大化，同時規劃出最適土地利用。 Zielinska et al. (2005)利用多目標 優化模式，將原本土地利用較低密度或單一土地利用規劃成較有使用效 率之土地利用，使土地利用提高集中性，將未開發土地(荒地)重新規劃， 將工業、商業、住宅等部門至目標年維持一定土地利用面積，同時達到 經濟、環保及社會三者之間平衡。 在土地規劃中，規劃結果可能使土地零星分散，與現實情況下較為 不合理，因此在土地利用規劃上需考慮緊密度問題，其相關研究有：Wright et al.(1983)發展土地集中性模式，利用多目標整數規劃法，並且同時考慮 經費、面積與緊密度等三項目標函數，以面積與週長來控制土地緊密程 度，藉以數學規劃方式解決選擇土地場址問題。Aerts et al.(2003)使用整 數規劃(Integer Programming)規劃土地，目標以最小發展成本及土地緊密 度，利用網格式空間進行分析，解決土地零星分散問題。利用優化模式. 30.
(41) 進行求解時，如果未能設定緊密度因子，則所求得結果較為零散且不集 中或集中性較不佳，集中性所指的是一地區土地面積緊密程度，如圖 2.6 所示(a)為集中性較差，(b)與(c)為考慮緊密度模式結果為較集中。. 圖 2.6 土地面積緊密程度示意圖. 2.6.1 地理資訊系統於土地規劃上之應用 在土地利用規劃過程中，除了考慮各種土地在空間上的分布及需 求，也要考慮土地適宜性及土地規劃相關法令政策等因素。這些因素在 規劃使用過程中各有其不同的作業特性，透過對地理資訊系統各功能介 紹及空間分析模組功能之說明，了解各種分析功能與規劃作業之關係， 本研究將透過空間分析等模組在土地規劃上應用，有助於規劃及模式建 構。地理資訊系統之定義與功能敘述如下： 地理資訊系統(Geographic Information System,GIS)泛指一套可處理 空間資料輸入、儲存、選取、分析、與展示等功能之電腦輔助系統。GIS 是一個綜合的學門，它並不是一個獨立的研究領域，而是資訊處理與其 31.
(42) 他利用到空間分析技術之各個不同領域間的共同基礎。具有以下之基本 功能： 1. 資料輸入：即可將不同來源及格式之資料，處理轉換為電腦可接 受之數值形式資料。 2. 資料儲存及管理：符合使用目的之資料儲存結構，不僅能節省資 料儲存空間，亦可迅速、正確地尋取及管理資料。 3. 資料分析與轉換：地理資訊系統可依不同作業之需要，提供不同 之分析功能，且應具資料格式之轉換功能，以利不同資訊系統間 資料之互通利用。 4. 資料輸出與顯示：原始基本資料或經分析後之成果，可透過各種 輸出工具輸出圖形或屬性資料，亦可由電腦螢幕直接顯示資料。. 凡是與相對位置或空間分布有關的知識都是地理的範疇；將空間資 料經數位化處理後，儲存於電腦資料庫中，就是資訊；將電腦硬體、操 作軟體、空間資料與使用人員連結起來，就是一個系統。其中地理資訊 系統之資料結構，依其輸入、儲存、與輸出方式，大致可分為下列數種： (1) 向量式(Vector)地理資料：將圖形資料以點、線、面等數值座標結 構儲存，並進一步建立空間上之拓樸。 (2) 網格式(Raster)地理資料：將研究區之圖形資料以相同規格之網格 (Grid cell)架構來儲存，或展示地理資料。 (3) 文數字屬性資料：不同項目地理資料在空間分布上有不同之特 性，此特性可由文字或數字之屬性資料代表，地理資訊系統主要. 32.
(43) 及結合空間地理資訊與屬性資料，據以從事分析作業。 (4) 其他較常見之地理資訊之資料結構，如遙測影像、掃瞄影像資 料，主要是較特殊之技術及工具獲得地理資料，但其資料之儲存 結構仍可歸併成網格式，所差別是其網格較為細小。. 其中向量式(Vector)與網格式(Raster)兩者之間差別，儲存空間方面， 向量式需較少空間，且表現方式較網格式美觀，缺點為空間分析不易操 作，網格式空間分析能力較佳、疊圖容易，但資料量大且圖形外觀欠缺 精緻，表 2.4 為向量式與網格式之優缺點比較。. 表 2.4 向量式與網格式之比較 向量式. 優 點. 網格式. 1.資料結構在展現圖形上較精確. 1.資料結構簡單. 2.資料量精簡. 2.不同來源資料重疊容易. 3.幾何精確度高. 3.空間分析能力佳. 4.路網分析佳. 缺. 4.適合模型製作. 1.資料結構複雜. 1.資料量大. 2.資料疊合困難. 2.幾何精確度低. 3..空間分析不易操作. 3.圖形外觀不精緻. 點. 資料來源：本研究整理. 33.
(44) 圖 2.7 網格化示意圖 資料來源：本研究繪製. 網格式資料結構是將地表空間資料，以網格的形式表示，而每一個 格子表達的乃是各屬性值，如圖 2.7 所示(a)為真實世界的圖徵；(b)為圖 徵轉為網格資料；(c)為由向量圖轉為網格式資料。而網格的大小就代表 網格資料解析度，其網格越大，解析度低。相反的，網格越小，解析度 越高，所表現空間資料越接近真實世界。網格資料的記錄方式為每一個 網格中記錄的值，以不同數值代表不同的土地利用類別，1 表示工業、2 表示住商、3 表示農業等類型。 進年來由於地理資訊系統(GIS)的蓬勃發展，使得以 GIS 為基礎所建 立的空間模型已廣泛運用於土地利用之規劃中，國外部分相關研究敘述 如下：Mallawaarachchi et al.(1996)結合地理資訊系統(GIS)與線性規劃 (linear programming)方法，在自然資源上管理與應用，透過空間分析的圖 層套疊及最佳化模式的應用，評估土壤侵蝕的危害與經濟成本，防止土 壤惡化，找出最高效率之土地利用。Irwin and Geoghegan (2001)在土地規 劃上，利用空間模型的建立，協助解決城市擴展之間有關經濟、人口成 34.
(45) 長與環境因素等相關問題。都市土地利用分配，在多種利用類型情況下 如工業區、與住宅區並且考慮生物樣性(biodiversity)，使土地規劃為一項 複雜的任務，Svoray et al.(2005)為了讓小且密集的國家如以色列，土地利 用能帶來地區永續發展，且解決生態敏感區及人口快速成長之問題，該 研究使用地理資訊系統，為地區作合適評估，其評估準則為自然保護、 林地種植、住宅區及工業區，且考慮地形因子、土壤因子讓土地規劃更 完整。將相關準則及條件透過圖層套疊分析(Overlay Analysis)之功能，利 用圖層分級或給予權重後作疊圖分析而得到合適條件區域，以供決策。 森林綠地在都市社區裡，可為都市空間帶來美感與提供休閒娛樂的 地方，並且有淨化空氣及吸收二氧化碳作用，Attwell(2002)探討都市土地 資源利用與都市規劃，在丹麥市是否有足夠森林空間，除了未開發地區 以外，尋找可被種植樹木的區域，包括工業區、公共機構、住宅區、等 綜合地區，可被利用種植樹木的地區，並以地理資訊系統協助規劃。 Freppaz et al.(2004)結合地理資訊系統與數學規劃模式之決策支援系統， 探討以能量供應為目標之森林開採策略，決定造林面積，並同時考量經 濟、社會、技術及法規之期望與限制。Phua and Minowa(2005)提出森林 保護計畫，以多準則決策方法，配合地理資訊系統評估以及層級分析法 作分析，以森林保護為主題層，生態、土壤、水源保護及潛在威脅為準 則層，其分析結果提供森林管理策略供決策者評估及判定。Bailey et al.(2006)以最大自然效益，以森林地帶為空間目標，透過地理資訊系統規 劃，其主要效益為生物多樣性、休閒娛樂、碳儲存、自然風景等，同時 保護自然資源。. 35.
(46) 為了加強水資源保育與集水區經營管理，河流與水庫集水區及地下 水補助區之土地利用與經營管理為維持水資源之質與量的基礎，Grabaum and Meyer(1998)以地理資訊系統為平台，建立多準則最佳化模式對一個 48 km2 之試驗區進行土地利用最佳化分析，其考慮之因素包括地下水之 補注、地表水之排放標準、土壤沖蝕之危害及農作物之產量等。Wang et al.(2004)探討集水區上作土地適用分析並整合地理資訊系統，建立最佳化 模式，透過集水區鄰近周圍相關土地利用資料(森林、農業、工業等) ， 社經資料之蒐集，該研究以最佳化模式之分析並同時兼顧經濟效益及環 境衝擊(水土流失及水品質保護)，等多重目標下建立多目標優化模式進行 土地利用分配之探討。Higgins et al.(2008)在澳洲東部流域面積 142,000 公頃，使用數學規劃方法解決環境規劃上的問題，利用多目標規劃的方 式，以最大環境效益為目標，同時考慮生物多樣性(biodiversity)、碳封存 (carbon sequestration)等考量。 土地利用在空間上配置，為複雜規劃問題，然而同時考慮生態、經 濟及空間配置，在土地規劃上相當重要，若忽略這些關係可能造成環境 衝擊與土地利用零碎分散，Carsjens and Knaap(2002)在農業規劃上結合地 理資訊系統，並考慮限制及法律規定不可開發地區，以及利用多準則評 估方法分析未來農業區位地點。 為了改善都市空間無計畫的擴展，Garbriel et al.(2006)以多目標規劃 結合地理資訊系統，在智慧型成長(smart growth)理論下進行土地規劃， 融合成長管理理念，並支持集中而非分散的就業和服務的都市發展樣 式。Liu et al. (2007)在中國武漢，漢陽湖地區，結合 GIS 系統與多準則分. 36.
(47) 析方法，評估與預測 2006 年至 2020 年間土地利用變化，透過層級分析 法(Analytical hierarchy process)，以永續土地利用為主要目標，自然、生 態、社會經濟與位置為評估準則，透過不同的因素與權重，評估最佳永 續土地利用，研究中結合 AHP 與 GIS 方法讓土地利用達到永續，且平衡 都市擴展及生態保存。 國內對於地理資訊系統應用在林地、坡度敏感區、集水區鄰近土地 規劃，結合地理資訊系統及土地利用規劃相關方法，評選出最適土地利 用相關研究敘述如下：張小飛(2000)以生態規劃法的方式探討林地利用， 利用地理資訊系統的數值分析方法與生態規劃法，對自然環境與人文特 性進行分析，了解土地適宜性，土地開發上的限制包括：交通可及性、 土石流、崩坍地、坡度等法規限制。以及考慮社會經濟條件上的需求。 流域之土地利用管理應考量對各項敏感性之影響，黃麗津(2003)利用 GIS 與數值地形於坡度敏感區之研究，整合環境地質資料，配合坡度及 敏感評估架構，以花蓮清水溪流域為例，分析清水溪流域地區坡度敏感 特性，藉由 GIS 空間分析之功能，資料之蒐集及分析，了解該地區之潛 在坡地敏感的基本特性。林雅玲(2005)在保育與防災基礎上，對水庫集水 區的開發與利用，以土地適宜分析方法為基礎，應用地理資訊系統的空 間分析，對不同土地利用型態做適宜評估，同時考量水庫集水區之敏感 特質，重新規劃水庫集水區域內之最適土地利用。李偉銘(2006)以優化模 式整合地理資訊系統在土地規劃管理上應用，以山坡地土地之基本特性 做為土地條件之評估因子，利用 U/L ratio 之土地利用適切性評估法最為 依據，利用 GIS 系統篩選出過渡開發之土地，並且使用優化分析技巧推. 37.
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