行政院國家科學委員會補助專題研究計畫成果報告
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非點源污染控制補助方案之效益分析 ※
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計畫類別：▓個別型計畫
□整合型計畫
計畫編號：NSC 90－2211－E－009－019
執行期間： 90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日
計畫主持人： 高正忠
研究助理: 胡嘉齡
共同主持人：
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
執行單位：國立交通大學環境工程研究所
中
華
民
國
91
年
09 月 20 日
行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
非點源污染控制補助方案之效益分析
Effectiveness of alter native subsidy policies for water shed
non-point sour ce pollution contr ol
計畫編號：NSC 90－2211－E－009－019
執行期限：90 年 08 月 01 日至 91 年 07 月 31 日
主持人：高正忠 國立交通大學環境工程研究所
計畫參與人員：胡嘉齡 國立交通大學環境工程研究所
一、中文摘要 水庫集水區污染控制一般採用最佳管理作業 (Best Management Practice，BMP)來進行控制，然 而由於實行 BMP 初期可能造成成本負擔或農產量 減少，導致農民實施意願低，補助方案是鼓勵農民 實行 BMP 的一個有效經濟誘因手段之一，唯一個 適當的補助方案，除了能鼓勵農民實施 BMP 外， 更需考量控制非點源污染之效率及公平性。本研究 針對德基水庫集水區採用 AGNPS 模式模擬分析非 點源污染負荷及不同 BMP 之效益，依所得結果及 考量公平性指標、農民損失、農民總花費、補助比 例、總磷污染負荷降低量、水庫淤積沈滓污染負荷 降低量擬定補助全額損失、等成本補助比例、等總 花費補助比例、等單位污染去除當量補助金額及等 單位面積補助金額等五個補助方案，並建立混合整 數規劃模式，用以分析比較不同方案之差異性、優 劣點及成本、總磷、沈滓與公平性各目標間的折衷 關係。結果顯示，補助全額損失方案的水質效益與 公平性均接近最佳，等補助成本比例及等補助總損 失比例方案之水質效益及公平性與補助全額損失 方案差異不大。 關鍵詞：非點源污染、補助方案、環境系統分析 AbstractNon-point source pollution (NPSP) generated from the upstream watershed of a reservoir can be effectively controlled by Best Management Practices (BMPs). However, at the initial stage of implementing a BMP for a cropland may cause extra cost load and decreasing harvest. Therefore, the farmer may be reluctant to adopt the BMP. Subsidy is one of effective strategies to encourage the farmer to adopt a proper BMP. An appropriate subsidy policy, in addition to encouraging the farmer to adopt a proper BMP, should be fair and effective in reducing NPSP. This study applied the AGNPS model to simulate NPSP loading and BMP efficiencies. Four indexes for evaluating equity were established based on four subsidy rates of loss, BMP cost, total cost (loss+cost), and pollution
reduction equivalence unit, respectively. Five subsidy policies of subsidy of loss (SL), uniform cost sharing rate (UCSR), uniform total cost sharing rate (UTCSR), fixed subsidy per pollution reduction equivalence unit (FSPREU), and fixed subsidy per unit area (FSUA), were proposed based on the equity indexes, loss, BMP cost, and BMP effectiveness in reducing NPSP. A mixed-integer programming model was developed for evaluating the effectiveness of each subsidy policy in terms of cost, phosphorus and sediment reduction, and equity. The watershed of the Derchi reservoir located in central Taiwan was the area studied. The proposed policies and model were applied to the watershed. The result shows that the SL policy has best water quality efficiency with a proper level of equity. The UCSR and UTCSR policies perform slightly, but not significantly, worse than the SL policy.
Key words: nonpoint source pollution, subsidy, environmental systems analysis.
二、緣由與目的 台灣地區水庫集水區由於受到過量的氮、磷 營養鹽進入水庫內，使得集水區內污染量大增，而 這些污染物大都屬於非點源污染。水庫集水區的非 點 源 污 染 控 制 一 般 採 用 最 佳 管 理 作 業 (Best Management Practice，BMP)來進行控制 [1]，在農 地上實行 BMP，雖然長時間來說對農民及整體環 境而言是有益的，但在實施時，農民除須負擔 BMP 成 本 外 ， 且 可 能 造 成 農 作 物 產 量 減 少 之 情 況 [2] ，而為鼓勵農民自願實行 BMP，補助方案是一 個有效的策略 [3]，因此如何訂定適當地補助方式 是誘導農民自願在農地上實行 BMP 的一個重要因 素。 理想的補助方案，是希望同時達到削減污染 以淨化水質、農民接受度高、公平性及容易實施的 目的，Park and Sawyer [4] 及 Park and Monteith [5] 所提出的補助方案模式考慮到農地和 BMP 的最小 補助比例及沈滓污染去除量，但並未考慮農民損失 和總磷污染量的部份，且其所提出的補助方案較複 雜，決策單位不易推行；Kozloff et al. [6] 指出補
助 金 額 要 大 於 單 位 面 積 所 定 的 補 助 金 額 (RP, reservarion price)，若在低污染負荷的地區，成本效 益顯著降低；而這些研究都未考慮到公平性的問 題，一般而言，公平性高的策略較易推行 [7]；此 外，這些非點源控制策略相關之研究中大部分只考 慮沈滓( [8]；[9]；[10] )，並未考慮到水質部份， 然而以沈滓為管制目標分析所得的結果，可能對水 質不見得有相同效果，台灣地區受優養污染的水庫 中，一般以磷為藻類生長的主要限制因子，故有必 要將總磷削減效益列入管制目標及優選模式中，以 作為評估補助方案的一項重要因子。 基於上述需求，本研究提出補助金額與農民 實行 BMP 後的損失比例相當、補助金額與 BMP 的成本比例相當、補助金額與農民總花費(BMP 的 成本+農民實行 BMP 後的損失) 比例相當、補助金 額與污染去除當量比例相當四個公平性指標，並根 據公平性指標及依 AGNPS [11] 模式模擬分析非 點源污染負荷及不同 BMP 之效益所得結果，考量 農民損失、農民總花費、補助比例、沈滓污染負荷、 總磷污染負荷等因子，擬定補助全額損失、等成本 補助比例、等總花費補助比例、等單位污染去除當 量補助金額及等單位面積補助金額等五個補助方 案，進而建立混合整數規劃優選模式，並以補助金 額、公平性、總磷污染負荷降低量、水庫淤積沈滓 污染負荷降低量等目標評估方案之差異性及優劣 點，期望達到削減污染以淨化水質、農民接受度 高、公平性且容易實施的目的，並進一步探討成 本、總磷與沈滓各目標間之折衷(Trade off)關係。 本研究案例區德基水庫集水區位於台灣中部 大甲溪的上游，主要供應大台中地區飲水和工業用 水，集水區面積 601.61 平方公里，蓄水量約 2.5× 108 立方公尺；集水區內的土地利用主要以果園居 多，約佔 2,620 公頃，大量的沈滓和營養鹽進入水 體，總磷濃度在 40 ~ 140 ppb 間，依陳 [12] 分析 屬於優養狀態，淤積量依陳等 [13] 推估為 1.674 ×106 立方公尺/年，總磷負荷依陳 [12] 為 40,734 公斤/年，有必要採取適當管制策略以改善水質， 本研究將針對此案例區，建立所發展的模式，並依 據案例區資料模擬分析不同補助方案下之水質效 益、公平性、成本等因子之差異性，以期提供適當 地資訊供決策者決定適當地補助方案。本研究管理 單位為土地管理群單位(Group Land Management Unit, GLMU)，乃採用類似陳 [12] 的方法，GLMU 乃 是 結 合 蔡 [14] 之 子 集 水 區 分 區 管 制 及 Bouzaher et al.( [9]；[10] )之 LMU 觀念，將同一子 集水區之相同作物依同樣之補助原則而區分。 三、模式 非點源污染模擬 補助方案之可能成效需依非點源污染減少量 來評估，本研究採用 AGNPS 3.65 版模式 [11] 來 模擬不同 BMP 下非點源污染之流布，以作為評估 各方案污染減量效率之依據。本研究運用此模式以 推估不同 GLMU 產生的磷和沈滓非點源污染負荷 量。 BMP 選擇及效益分析 選擇適當的 BMP 可有效的降低逕流所帶來 的污染負荷以達到削減非點源污染，本研究 BMP 之選擇主要依據污染削減的能力、經濟效益、案例 區土地利用與農作物(主要為果園及菜園)及國內 相關研究[15]等選擇較為適用的五種 BMPs：植 草、平台階段、草帶、平台階段+草帶、草溝。 公平性指標 一般而言，公平性高的策略較易推行(Kao and Tsai, 1997)，然而觀點不同時，公平性之定義亦會 隨之不同，為了比較不同方案之公平性程度，本研 究基於補償、補助及污染去除效率等基準，提出了 四種公平性指標，包括 (1) 補助金額與農民實行 BMP 後的損失比例相當 (EISRL) ；(2) 補助金額 與 BMP 的成本比例相當 (EISRBC) ； (3) 補助金 額與農民總花費(BMP 的成本+農民實行 BMP 後的 損失) 比例相當 (EISRTC) ； (4) 補助金額與污染 去除當量比例相當 (EISRPRE)。 補助方案 補助方案必需根據地區之特性建立，且為將 方案能順利推廣，亦不宜太過複雜，因而本研究根 據德基水庫等集水區特性、現有的資料及上述四個 公平性指標，建立考量農民損失、農民總花費、 BMP 補助比例、污染去除當量與較易推行的五個 補助方案： (1) 補助全額損失:此方案令補助金額都等於 BMP 對 GLMU 所造成的損失，是根據上述 EISRL 公平性指標所建立的，此方案類似 Kozloff et al.(1992) 所 提 出 的 RPOFF(offers match reservation price)方案，由於實行 BMP 初期可 能造成農作物產量減少，導致農民實施意願 低，因此本研究將 RP 修改成農民損失，希望 藉由此方案達到公平性、改善水質及提高農民 意願的目的。 (2) 等成本補助比例:此方案令每種 BMP 成本補助 比例都相等，是根據上述 EISRBC 公平性指標 所建立的，Park and Sawyer (1987)及 Park and Monteith (1989)曾提出一個基於 BMP 的最小 補助比例的方案，但其提出的方案較為複雜， 不易實施，因此，本研究採用單一補助比例， 較簡單且易於實施。 (3) 等總花費補助比例:此方案令每種 BMP 總花費 的補助比例都相等，是根據上述 EISRTC 公平 性指標所建立的，此方案類似 Park and Sawyer (1987)及 Park and Monteith (1989)的最小補助 比例的方案，不過其未考慮到農民損失，因此 本研究結合農民損失和 BMP 的成本，希望能 適當補償農民總花費，以提高農民意願。
(4) 等單位污染去除當量補助金額:此方案之補助 金額是以每一 GLMU 的單位污染去除當量補 助固定金額，是根據上述 EISRPRE 公平性指 標所建立的，此方案原由 Park and Sawyer (1987) 所提出，但其污染量只考慮沈滓，忽略 了總磷，因此本研究同時考慮沈滓及總磷污染 負 荷 量 ， 提 出 污 染 去 除 當 量 (Pollution Reduction Equivalent, PRE)，其定義如下:
PRE =107 × [ w1 × (Sl c/COSTlc)/MAX(Sl c/COSTlc)
+ w2×(Plc/COSTlc)/MAX (Plc /COSTlc)]。 其中 Slc是指第l個 GLMU 下第c種 BMP 的沈 滓去除量 (噸) 、COSTlc是指第l個 GLMU 下 第 c 種 BMP 的成本 (元) 、Plc是指第 l 個 GLMU 下第c種 BMP 的總磷去除量 (公斤) 。 w1 及 w2 為權重且 w1+w2=1。經由不同組合 的(w1 , w2)權重值，採用下一節所述之優選模 式分析，可發現當 w1=0.7 及 w2=0.3 時之沈滓 與總磷之去除效率最佳，故本研究採用此組權 重作為計算 PRE 之依據。 (5) 等單位面積補助金額:此方案令單位面積補助 金額固定，類似 Kozloff et al. (1992)所提出的 reservation price(RP)的定義，雖未考量不同 GLMU 之 BMP 成本及造成的損失，但此方案 簡單易實施，若其能達到決策者所期望的水質 效益且不致太不公平時，此方案不失為一個好 方案。 以上五種補助方案，均假設補助金額都須大於農民 的損失，且希望由對下游污染負荷量最大的先補 助。 優選模式之建立 為了分析四個方案，本研究所建立混合整數 規劃模式，通式如下： ∑ = ∑= L l C c x Max Slc lc 1 1 (去除沈滓污染負荷) ∑ = ∑= L l C c x Max Plc lc 1 1 (去除總磷污染負荷) ∑ = + L l Min uli vli 1 (公平性指標和) S.T.
}
{
0,1 ∈ lc x ∑ = = = = C c x forl Landc C lc 1 1 1,..., 1,...,(
)( )
∑ = ∑= ≤ L l BUDGET C c OFFER x lc lc 1 1( )( )
forl LC
c
ave i li li ilc x u v e E lc 1,...,1
[
∑
] , ==
− + =( )( )
L
L
l
C
c
E
x
e
i,ave=
∑ ∑
ilc lc(OFFERlc – LOSSlc)(xlc) ≧0 for l=1,… ,L ,and c=1,… ,C (COSTlc + LOSSlc - OFFERlc)(xlc) ≧0 for l=1,… ,L ,
and c=1,… ,C 其中，l為集水區的土地管理群單位(GLMU)代號， 共有 L=41 個；c 為 BMP 的種類，共有 C = 6 個； xlc 為 0,1 的決策變數，決定網格是否要採取 BMP；Slc,為第l個 GLMU 實施第 c 種 BMP 沈滓 的去除量；Plc,為第l個 GLMU 實施第 c 種 BMP 總磷的去除量；i 為公平性指標編號，共有 I = 4 個， uli,vli 為第l個 GLMU 之第 i 種公平性指標距平均 值之正負偏離量；OFFERlc,為第 l個 GLMU 實施 第 c 種 BMP 補助農民的經費；BUDGET 為補助預 算；Eilc 為第l個 GLMU 實施第 c 種 BMP 之第 i 種公平性指標；Ei,ave 為第 i 種公平性指標之平均 值；LOSSlc,為第l個 GLMU 實施第 c 種 BMP 之 農民損失；COSTlc 為第 l個 GLMU 實施第 c 種 BMP 所須負擔的成本。 上述目標式分別為沈滓與總磷去除量之目標 式及為公平性的目標式，以偏離平均值之差異量表 示公平性程度。限制條件中則分別為限制每一個 GLMU 只能採取一項 BMP 方案、補助總金額須小 於預算、計算公平性指標距平均值之正、負偏離 值、限制補助金額要大於農民的損失、限制補助金 額須小於農民總花費。 四、結果與討論 四個公平性指標下，五種補助方案中，發現 沈滓去除率與補助金額，可以看出 SL 方案在四種 公平性指標及 70%去除效率下，其所須的補助金額 為五種補助方案中最少的，大約在 14 億元左右； 其次為 UCSR 及 UTCSR 方案，兩者所須的補助金 額相差不多，均略高於 SL 方案。FSPREU 與 FSUA 方案在 EISRL–EISRTC 指標下，兩者所需的補助 金 額 在 去 除 率 70% 以 下 為 FSUA 方 案 略 少 於 FSPREU 方案，超過 70%後有逆轉的趨勢，大致上 來說兩者均相差不多，但明顯的多於 SL、UCSR 與 UTCSR 方案。由研究中，可以發現出 FSUA 方 案在 EISRPRE 指標及 70%的污染去除率下，其所 需的補助金額明顯小於 FSPREU 方案，大約少了 5 億元，但在污染去除率達 80%時，兩者所需的補助 金額又呈現差不多的趨勢，但均多於 SL、UCSR 與 UTCSR 方案。由以上可知，五種補助方案在四 種公平性指標下，其沈滓水質效益大致上為 SL > UCSR ≒ UTCSR > FSUA ≧ FSPREU。
整體來說，在四個公平性指標下，總磷污染 去除率達 70%時，SL 所需的補助金額為最少的， 大約在 10 億元左右；而 UCSR、UTCSR 與 FSUA 方案在四個指標下，總磷污染去除率達 70%時，其 所需的補助金額均相差不多，但其中 UCSR 方案 在 EISRL 與 EISRBC 指標下，所需的補助金額略 少於 UTCSR 與 FSUA，FSUA 方案在 EISRPRE 指 標 下 ， 其 所 需 的 補 助 金 額 由 略 多 於 UCSR 與 UTCSR 方案，在污染去除率超過 70%後，逆轉為 所需補助金額少於 UCSR 與 UTCSR 方案；FSPREU 方案在四個公平性指標下，總磷污染去除率達 70% 時，所需的補助金額都為最多的。由以上所知，五 種補助方案在四種公平性指標及去除率達 70%
下 ， 其 總 磷 水 質 效 益 大 致 為 SL > UCSR ≧ UTCSR ≒ FSUA > FSPREU。
在四個公平性指標下，五種補助方案之公平 性與總磷去除率，個別來說，依據各指標所提出的 各方案，其公平性未能最佳的原因和前述均相同； 整體來說，SL、UCSR 與 UTCSR 方案在 EISRL、 EISRBC 與 EISRTC 公平性指標下，其公平性指標 和大致隨著污染去除率增加而減少，顯示其公平性 有越來越佳的趨勢，在去除率為 70%時，三方案之 公平性幾乎處於最佳，由於公平性指標定義不同的 關係，使得每一指標下公平性最佳之方案都不同， 在 EISRL 指標下，公平性最佳的為 SL 方案，在 EISRBC 指標下最佳的為 UCSR 方案，在 EISRTC 指標下最佳的為 UTCSR 方案，但在三個指標下， 其餘兩方案的公平性程度和最佳的均相差不多；而 FSPREU 與 FSUA 方案，在 EISRL、EISRBC 與 EISRTC 指標下，在去除率為 70%時，其公平性指 標和與 SL、UCSR 與 UTCSR 方案相比，均有很大 的差距，顯示兩者的公平性均不佳。SL、UCSR、 UTCSR 與 FSUA 方案之公平性指標和大致上隨著 污染去除率提高而升高，顯示其公平性有越來越差 的趨勢，但 SL 方案之公平性在 EISRPRE 指標下 為最佳的，其次為 UCSR 與 UTCSR 方案，FSUA 方案之公平性為最差；而 FSPREU 方案之公平性 指標和在污染去除率接近 70%時驟降，使得其公平 性 指 標和 在 去除 率超 過 70% 後 接 近 UCSR 與 UTCSR 方案。由以上可知，五種補助方案在四種 公平性指標及總磷去除率達 70%下，其公平性大致 為 SL ≧ UCSR ≒ UTCSR > FSPREU > FSUA。 根據本研究的模擬結果，可得到以下結論： SL 的補助方案，其水質效益最佳及公平性接近最 佳，其預算在 10 至 15 億元時，其污染去除率可達 到 70%。UCSR 與 UTCSR 方案，其水質效益及公 平性都和 SL 方案均差異不大，建議 UCSR 方案預 算為 15 億元時，每 GLMU 之成本補助比例為 40% 至 45%，UTCSR 方案預算為 15 至 20 億元，每 GLMU 之總損失補助比例為 30%至 40%，其污染 去除率可達到 70%。 五、成果自評 本研究針對 BMP 補助方案建立了一個優選 分析模式，並以四個指標及五個方案作分析，所得 結果相信可改善補助方案之擬定，所採用之方法及 模式雖然是針對台灣中部德基水庫集水區而建 立，但方法及模式亦可用於其他集水區，不過相關 模式參數必須修正。唯非點源模式 AGNPS 的本土 適用性尚不佳，此部分有賴發展本土化的模式來解 決，亦將是未來研究的主要目標之一。 六、參考文獻
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