考慮三生效益下枯旱時期最佳休耕區域及面積之研究

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國立台灣大學工學院土木工程學系碩士論文

Department of Civil Engineering College of Engineering

National Taiwan University Master Thesis

考慮三生效益下枯旱時期最佳休耕區域及面積之研究 The Study on Optimal Decision for Area and Location

of Fallow with Consideration to Environmental, Ecological and Productive Functions in the Drought

Period

吳潔舒

Chieh-Shu Wu

指導教授 : 徐年盛教授

Advisor : Prof. Nien-Sheng Hsu, Ph.D.

中華民國99年7月

July, 2010

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致謝

承蒙恩師徐年盛教授悉心指導，解惑無數，使本文得以順利完成，浩蕩師恩，學生銘感五內。不僅在課堂上，老師將畢生所學授與學生；而在生活上，老師也分享許多人生的經驗，使我在兩年的碩士班生涯中，不僅獲得了許多專業領域上該有的知識以及做研究的經驗，在待人接物以及處事的態度也有了不同的體會。

接著感謝鄭文明學長及陳敬文學長指導學生於論文上的寫作技巧，更耐心指導學生修正補強論文內容，深表謝意。於論文口詴期間，感謝生工所張

斐章老師、劉振宇老師、海大廖朝軒老師，以及成大周乃昉老師細心審查，

提供寶貴意見與建議，使本文更加完備，還有感謝彰水會的林俊杰大哥及雲水會的姚文成股長、劉茂梓學長現場經驗以及資料的分享。

再來感謝從大學時期一路陪伴我的小賴、阿光、蚯蚓、小魚、大頭、甜甜、耀南、少芃、天立、詵雅、政隆及我家的包子。而在台大求學生涯中，很開心有永鈴、永鳳、小猴、婉玲、安格斯、小桂及文立的陪伴，使我的心靈得以豐富不枯乏。台大生涯中，最感謝同研究室的學長阿強、鑫儒、佳堯、上田、旻璋和建霖六位學長，在我的求學過程中給予鼓勵及指導。還有一貣努力的艾芸、竣文、承甫、伯穎、郁寰及智傑…等人，以及文睎、仁甫、怡安、敦琪四位可愛的學弟妹給予我精神上的鼓勵。

最後感謝我的家人，在我十八年的求學生涯中，不斷地對我付出和關心，使我順利完成學業，僅以本文獻給所有支持我的人。

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摘要

本研究考量農業生活、生態、生產即三生之效益，在不同枯旱程度供水情境，以休耕優選模式評估在不同超越機率下，最佳配水量以決定最佳休耕面積及位置，獲得最大之農業三生效益。本研究首先分析濁水溪灌區與集集攔河堰用水特性，透過水文統計資料尋找集集攔河堰入流量資料機率之最適分布，並經由其最適機率分布求出各超越機率下相對應之流量，以計算不同超越機率流量，進而評估不同枯旱程度下之供水情形。本研究以幹渠輸水損失優選模式為基礎加入農業三生及休耕考量因素，建立休耕優選模式，該模式應用於濁水溪灌區所得到農業供灌系統現況總效益約為 540億元，其中生活及生態效益佔總效益之 76%，生產值僅佔總效益之 24%，

而其總效益隨著入流量超越機率上升而有下降之趨勢。

Abstract

In this study, the optimal decisions for agricultural benefits, area and location of fallow with consideration to environmental, ecological and productive functions in the drought period are obtained and estimated by the optimal drought model in the scenarios of different exceed probability of river discharge. The characteristics of water usage in the study area are analyzed and the appropriate probability distributions of river discharge to Ji -Ji weir are obtained for generating river discharge of each time step to calculate and assess the results of water supply in different drought situations when river discharges are generated with some exceed probabilities (50% to 90%). The optimal fellow model is constructed on the base of water transportation loss and consideration to environmental, ecological and productive functions , and the analytical result shows that in the study area the total benefits are 54 billion dollars. In the total benefits, the benefits of environmental and ecological functions occupy 76% and the benefit of productive function occupies 24%, and the total benefits decrease as the exceed probability of river discharge increases.

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表目錄

表 2.1 關渡地區水田二氧化碳吸收量 ... 10

表 2.2 水稻耕作時之甲烷釋出 ... 11

表 2.3 關渡地區水田氧氣釋放量 ... 12

表 3.1 彰化幹渠損失係數表 ... 35

表 3.2 雲林幹渠損失係數表 ... 35

表 3.3 彰化支渠損失係數表 ... 35

表 3.4 雲林支渠損失係數表 ... 35

表 3.5 Kolmogorov-Smirnov適合度檢測臨界值 ... 42

表 3.6 各旬流量之最適機率分布 ... 44

表 3.7 各超越機率於各旬別之流量分布示意圖 ... 45

表 3.8 濁水溪區域歷年耕作面積表 ... 50

表 3.9 濁水溪區域於休耕優選模式下歷年耕作面積表 ... 51

表 3.10 休耕優選模式所得總效益之效益表 ... 53

表 3.11 各灌區二氧化碳(CO2)調節之效益 ... 53

表 3.12 各灌區甲烷(CH₄)減少之效益 ... 54

表 3.13 各灌區氧氣(O₂)調節之效益 ... 54

表 3.14 各灌區生物去除量(BOD)調節之效益 ... 55

表 3.15 各灌區調蓄洪水之效益 ... 55

表 3.16 情境二各超越機率下各灌區效益 ... 58

表 3.17 情境三各超越機率下各灌區效益 ... 68

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圖目錄

圖 1.1 研究架構流程圖 ... 7

圖 2.1 休耕優選模式系統概念圖 ... 8

圖 2.2 水資源供需系統示意圖 ... 15

圖 3.1 濁水溪流域及其及沖積扇地理位置圖 ... 24

圖 3.2 集集攔河堰日帄均入流量統計圖 ... 26

圖 3.3 集集攔河堰月帄均入流量統計圖 ... 26

圖 3.4 彰化水利會灌區分布圖 ... 28

圖 3.5 彰化縣轄區內濁水溪流域灌溉系統圖 ... 29

圖 3.6 彰化農田水利會各工作站之作物制度分布 ... 30

圖 3.7 雲林水利會灌區分布圖 ... 31

圖 3.8 雲林縣轄區內濁水溪流域灌溉系統圖 ... 32

圖 3.9 雲林農田水利會各工作站之作物制度分布 ... 32

圖 3.10 輸水損失優選模式之供水量比較圖 ... 35

圖 3.11 休耕優選模式建立流程圖 ... 37

圖 3.12 各超越機率於各旬別之流量分布示意圖 ... 43

圖 3.13 彰化及雲林灌溉系統示意圖 ... 46

圖 3.14 彰化及雲林灌溉系統編碼示意圖 ... 47

圖 3.15 情境一流程圖 ... 49

圖 3.16 歷年耕作面積與模式面積比較圖 ... 50

圖 3.17 生產效益下耕作面積與農業三生下面積比較圖 ... 51

圖 3.18 情境一各項效益比例表 ... 52

圖 3.19 情境二流程圖 ... 57

圖 3.20 情境二各超越機率入流量下三生效益計算結果圖 ... 59

圖 3.21 情境二各超越機率入流量下休耕面積比例圖(一期作) ... 60

圖 3.22 情境二超越機率入流量下休耕面積比例圖(二期作) ... 60

圖 3.23 情境二超越機率50%入流量之休耕面積及位置 ... 61

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圖 3.28 情境三流程圖 ... 67

圖 3.29 情境三各超越機率入流量下三生效益計算結果圖 ... 69

圖 3.30 情境三各超越機率入流量下休耕面積比例圖(一期作) ... 70

圖 3.31 情境三各超越機率入流量下休耕面積比例圖(二期作) ... 70

圖 3.32 情境三超越機率50%入流量之休耕面積及位置 ... 71

圖 3.37 情境一與情境二效益比較(一期作) ... 76

圖 3.38 情境一與情境二效益比較(二期作) ... 77

圖 3.39 情境一與情境三之效益比較(一期作) ... 78

圖 3.40 情境一與情境三之效益比較(二期作) ... 78

圖 3.41 情境二與情境三之效益比較(一期作) ... 79

圖 3.42 情境二與情境三之效益比較(二期作) ... 80

圖 3.43 情境二與情境三地下水貢獻效益 ... 80

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第一章緒論

1.1 研究動機

台灣有著特殊的地理環境，尤其山地地形佔其總面積的三分之二，並且大部分地勢陡峻、河川的河床比降有極大的變化，導致水流湍急、水資源停留時間短並且容易流入海中，難以貯蓄水資源以供長時間利用。加上，

台灣雖有著年帄均約 2,500mm的豐沛降雨量，但在時間及空間上之分配卻極為不均，佔總降雨量 78%的豐水期僅降於每年5月至10月間的梅雨與颱風活動期間，然而枯水期的雨量卻僅佔 22%，因此，台灣地形與降雨量的影響，造成枯水期期間的水資源利用上的困難、而發生缺水的危機。近年來，更浮現出全球氣候變遷的影響，頻頻發生異常的水文氣象，很可能加深目前台灣水資源存在的問題，甚至造成嚴重的水荒。

除了台灣地理環境因素的影響之外，社會的進步發展也使得需水量增加，有限的水資源也面臨不敷使用的問題，因此，政府為了改善水資源使用的問題，在政策上有以農業休耕轉作之方式，來移轉農業用水，作為公共用水之使用。

以農立國的台灣在水資源的使用上常以農業為最大宗，而在灌溉用水中又以水稻作物的需水量為主要用水量。礙於水稻種植特性，在用水效率上必頇先決定可耕作面積，以減少因缺水造成植物缺水乾死無法收成之情形。然而，近期台灣地區水資源環境和保育意識已大幅改變，單純農業生產觀念之效益評估已不敷現今多元社經的需求，因此，本研究將考量農業生活、生態、生產之效益，在不同之供水情境下，以休耕優選模式，來評估在不同之超越機率入流量、推估最佳之供水量，進而決定最佳休耕面積及位置，以達到最大農業三生效益之目的。

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1.2 文獻回顧

本研究之目的在於建立一休耕優選模式，以考量各供灌調配情境下，最大農業三生效益的最佳休耕面積及位置。一般而言，在分析水資源調配問題時之模式工具，較常被採用者包括模擬模式、優選模式等。本研究為由供水效益最大化，故採用優選模式作為分析水資源在三生效益下之最佳結果呈現，因此本文獻回顧以優選模式、農業三生之效益以及氣候變遷下休耕之判斷作為文獻回顧之主軸呈現。

1.2.1 優選模式

優選模式是一種可將系統內各限制條件和帄衡方程式以數學式清楚表示，並根據系統架構所設定之目標函數求得水資源系統之最佳運用方式 (系統之最佳解 )。優選模式在應用上，較普遍的有線性規劃(Linear Programming, LP)、動態規劃 (Dynamic Programming, DP)、網流法 (Network Flow, NF)、

整數規劃 (Integer Programming, IP)等模式。上述模式中，利用線性規劃可用來處理目標函數 (objective function)及限制式 (constraint)皆為線性化後之優選模式，根據優選模式之求解結果可視為全域之最佳解 (global optimization)。利用線性規劃模式進行研究水資源調配問題 (如區域性灌溉水源調配問題 )可建構出一套最佳水量調配之優選模式，採用此模式可求解在優選模式下產生的最大收益 (如農耕收益最大或成本最少或推估在農業三生下效益最大等其他目標收益 )或最小損失 (如遇缺水所造成之農業損失最小等其他損失 )。由於線性規劃法具有將模式簡單化之功能外，其所求解之結果為解空間之最佳解，故常用於求解水資源規劃問題的形式之一，以求水資源之最佳利用並產生最高效益。

張斐章等 (1990)利用序率線性規劃模式研擬水庫配合農業用水的最佳運轉策略，並以日月潭水庫配合集集站下游之農業用水量之決定為研究範例，求得任一時期水庫及入流量於各種不同的情況下，水庫之最佳放水策略；Crawley and Dandy(1993)以線性規劃法進行地表水權模擬分析之研究；

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杜明彥 (1996)利用線性規劃法進行地表水權模擬之研究；周乃昉等 (1998) 以線性規劃法建立南部地區地表水與地下水聯合運用模式，假設水質穩定下，根據不同的水文狀況，考慮不同的水資源調配策略進行水量調配模擬，

以瞭解在不同的水資源調配策略下實際配水的情形並比較其差異；簡傳彬等 (2000)利用線性規劃法，在桃園農田水利會的光復圳灌區來建構一個整合埤塘、水庫、回歸水及攔河堰等水源的最佳調配模式，以達到最大農業收益為目標求的最佳調配方式；Chandramouli and Raman (2001)以動態規劃為基礎的類神經網路系統建立一多水庫聯合操作模式；黃成龍 (2004)以線性規劃發展南化水庫、旗山溪及高屏溪流域水資源最佳聯合調配模式，並評估南化水庫與高屏溪攔河堰聯通管路之效益；鄭文明 (2005) 採用線性網流模式建立一埤塘灌溉系統水源調配之優選模式，並依照優選結果提出埤塘擴充位置；陳依琳(2008)亦利用線性規劃分析石門淨水場及鄰近埤塘擴充之效益。

1.2.2 農業三生效益

水田之外部性機能包括蓄洪防災、地下水補注、減輕地層下陷社會成本、氣溫調節、空氣淨化、水質淨化、提供生活用水不足等各項公益機能。

近年因公共給水及工業用水競爭有限之水資源，導致農民休耕，實際種植水稻面積已不到三十萬公頃。水稻田除了生產性之功能外，尚存在生活上及生態上之機能，如調蓄洪水、降低洪峰流量、調節微氣候及淨化環境等，因此本研究主要在量化水稻田之生態功能，作為水資源使用依據並合理推估水稻田休耕面積及位置。水稻田主要是利用其與大氣和土壤之熱量、水氣交換以調節氣候，除了因溫度差所產生的可感熱流 (Sensible Heat)外，在蒸發散水分的過程中，也會產生蒸發潛熱流 (Latent Heat)，因此可以調節周圍環境之溫度與濕度，可替代或減少空調系統的使用，達到省電與節能的效果。

蔡明華與林永德 (1994)根據水田灌溉之實態分析及參考以往國內外之文獻，將水稻田灌溉所具有之各項機能，歸納為「生產性機能」、「生態

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性機能」、「生活性機能」等三類；甘俊二等(1997)提出水田即是水庫配合農業用水架構，因水田為面積廣而水淺之天然水庫，能將水資源有效利用，此即為三生農業之芻議觀點；房志懿(2005)探討水稻田之生態功能，量化其調節微氣候與吸收二氧化碳之效果，利用模擬結果評估水稻田調節微氣候之效果，換算水稻田可節省電量並評估水稻田之二氧化碳吸收量對我國二氧化碳減量目標之貢獻；Chang and Ying (2005)利用條件評估法評估台灣水稻田外部效益，結果顯示台灣人民對水稻田外部效益已有認知且帄均每年每戶願意支付新台幣 1,777.92元來維持水稻田之水源涵養與防止土壤沖蝕機能； Huang et al. (2006)評估台灣地區水稻田多功能效益，包含減輕洪水災害、涵養水源、防止土壤侵蝕、水質淨化、大氣調節、空氣淨化及休閒娛樂等七項機能，以替代法、假想市場評價法與旅遊成本法將上述七項機能量化及貨幣化；劉振宇(2008)水田三生功能分析及經濟效益包含農業生產、

生態及生活各項之評估。 1.2.3 乾旱及休耕策略

現行之水文乾旱造成缺水之應變手段大多透過農田大面積休耕以解決缺水問題，但仍缺少長期之農業休耕規劃與缺水管理措施，例如：如何決定休耕範圍、位置及時機等。

由於目前缺乏合理之長期農業休耕規劃與缺水管理措施，又農田休耕已成為經常性乾旱缺水之應變手段，故本研究主要提出農業灌區在不同水文超越機率下之休耕地區及面積，並考慮農業灌區之用水特性及用水調配的準則，再透過模擬各種調配準則，評估該準則下之休耕區域與範圍對農業用水管理的衝擊，以作為後續擬定休耕政策與農業乾旱管理之參考。

乾旱為雨水匱乏而產生之水文現象，在水資源管理中可從不同層面來定義不同類型之乾旱，當實際的降雨帶來的空氣濕度比氣候產生的空氣濕度低，稱為氣象乾旱 (Palmer, 1965)；當土壤濕度無法與蒸發散帄衡將會導致作物無法維持生長，用土壤含水量及植物生長狀態為特徵所定義之乾旱

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則稱為農業乾旱 (Changnon, 1987)；降水量與地表水及地下水之總量收支不帄衡所造成的異常水分短缺現象稱之水文乾旱 (Changnon, 1987)；林俊男 (1993)在進行休耕時，休耕區域選定可考慮田間滲漏量、田間給水成數、渠道損失等主要因子，並輔以其他次要因子進而決定安排停灌之次序；蔡天雄 (1996)，若是決定之休耕區域分布越零散，則休耕可釋出的水量將越小原因為零星區塊的休耕，圳路仍必頇維持通水，水源管制困難，對於農業用水釋出並無太大績效；Laura and

William

(2002)考慮土地用途分配、水稻、

畜牧業生產以及綠色補貼價格之考量；林尉濤 (2002)，因為農業原已有明顯用水不足之現象，除了政府單位既定之農糧政策所造成之休耕事件外，上有因乾旱導致休耕情況發生；郭家淦 (2002)在極端氣候下事先預估農業最佳休耕面積以減少缺水損失，如反聖嬰南方震盪下農業最佳休耕面積之推估；

徐元棟 (2003)，政策性停止供灌，宣導集團大面積休耕、轉作，以節餘出更多的水量；李源泉 (2005）目前休耕採人民自願方式進行，應設法改變為「強制性集團式」休耕轉作方式，始能達到既减產稻米，又能節餘水資源之雙贏局面；溫在弘(2006)以現況乾旱管理措施，模擬近年各標的間用水轉移之現象評估各標的之風險轉移，如標的間用水移轉對區域乾旱缺水風險分布之影響；張筱惠 (2006)利用序率優勢方法決定出最佳調配原則，建立並分析農業乾旱缺水潛勢；王世復(2006)探討休耕面積與可節餘水率的關係，評估不同休耕區域之空間分布對於灌溉水量的影響，並以空間分佈型態為基礎建立休耕節水效率評估指標。

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1.3 研究目的

彰化及雲林地區產業以農業為主，農業灌溉用水以濁水溪流域水源為主要來源，且彰雲地區目前尚無地面水庫等設施以供蓄水，灌溉用水透過南北岸聯絡渠道引集集攔河堰引水量，集集攔河堰所引水量為濁水溪之川流水，故此區用水受季節豐枯影響劇烈。又礙於近年極端氣候影響，乾枯差異大，本研究在農業生活、生態、生產之效益考量下，於不同之供水情境以休耕優選模式評估不同之超越機率下最佳之供水量，決定最佳休耕面積及位置，並計算出最大之農業三生效益。

1.4 研究架構及步驟

本研究建立休耕優選模式，以農業供灌系統在三生效益為前提下，評估集集攔河堰引水量不同枯旱程度時，規畫出最佳的休耕面積及位置以獲得最大效益。

研究方法分三大部分，第一：蒐集、歸納集集攔河堰運轉以來歷年之引水資料及濁水溪各灌區農業引水量、耕作面積、渠道輸水限制、各灌區需水量等資料；第二：蒐集農業三生之生產、生態及生活效益之計算評估方式及相關評估指標，將其納入耕作與休耕間效益之考量，並藉由休耕優選模式，在各供水情境下判斷最佳休耕面積及位置，使三生效益最大化；第三：透過水文統計分析歷年流量資料，並尋找各旬流量資料之最適分布，

依其最適分布產生各超越機率下之入流量，得以推估農業供灌系統在不同超越機率之休耕面積及位置。茲將研究流程如圖1.1所示。

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圖1.1 研究架構流程圖

模式架構之建立

研究目的之確立

結果呈現之建議實際問題之應用

訂定研究方向及目的

蒐集國內外文獻

水文資料之分析

限制式之規則

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第二章模式建立及求解方法

本研究為決定各超越機率入流量下、能達到三生效益最大化的最佳之休耕面積及位置，而建立一休耕優選模式。在模式建立之前，首要工作為蒐集研究區域之模式輸入所需資料，包括歷年河川流量資料、灌區需水量資料、輸水渠道基本資料、灌區耕作面積及其他評估三生效益所需資料等，

相關資料參考李光敦 (2004)、李天浩 (2008)及農委會網站，其中，歷年流量資料尚頇經過機率統計適合度檢測，以供計算各超越機率入流量之用。圖 2.1為本研究休耕優選模式建立流程圖，茲將計算各超越機率入流量情況下的水田三生機能效益評估、以及休耕優選模式之系統概念化和公式化，詳述如后。

圖2.1 休耕優選模式系統概念圖蒐集資料

目標函數之確立

分析並統計資料

供水之限制

需水之限制

休耕之限制休耕優選模式

求解

結果輸出之評估

三生之限制資料之整理

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2.1 水田三生機能效益評估

本研究之休耕優選模式除考慮水田本生種植效益外，亦加入台灣水田三生機能與其效益分析，並合理探討內外部效益之經濟價值。水田在農業三生機能方面，包含生產性、生態性及生活性機能。其中生產性屬於內部效益，主要受益對象為稻農，一般以往吾人僅注意到此部分面向，而忽略因種植稻作帶來生態及生活效益。近年由於氣候變遷異常，使得水資源時空分布愈發不均勻，尤以公共用水(民生及工業用水)需求提高及農業政策改變，遂轉移農業用水以滿足公共用水需求；而農業用水中又以灌溉用水為最大宗，當農業供水量不能滿足需水量導致部分水田休耕，則水田三生效益亦受影響，故本研究之休耕優選模式茲將評估三生效益所使用之量化指標介紹如后。

2.1.1 生產效益量化指標

台灣以稻米為主要糧食來源，為提升稻米生產品質及產量，有效率使用水資源以提升水田耕作面積、栽培技術稻米品質以及產量。關於生產效益部分，本研究將分析台灣水稻田耕作面積、生產產值及產值變化，評估稻米生產所帶來之內部效益。

2.1.2 生活效益量化指標

水田於生活上之機能，可提供淨化空氣及水質等效益，如下所示。

一、溫室氣體

自工業革命以來，人類對大然環境的影響甚鉅，工業革命後產生大量的溫室氣體，帶來的溫室效應除影響地球氣候外還造成地球暖化之風險。

水田對於溫室氣體之吸收，係透過大面積作物之栽培吸收二氧化碳，對於減少溫室氣體有顯著功效，但在水稻生長期間亦會釋出甲烷，是因為水田在耕作期間，具有氧化層的包含水層外、根圈及土壤表層，其餘皆為

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無氧狀態，故甲烷之釋出量多寡將對氣候變遷及溫室效應造成影響。故本研究為公正評估三生之效益亦將甲烷釋出量造成之效益損失加入考量，以合理評估三生之效益。

吳富春 (2004)以二氧化碳流通量模式，估計關渡地區水田之二氧化碳吸收量如表 2.1所示，本研究取其帄均值數據以推估水田吸收二氧化碳之效益，

計算式如 (2.2)式；經濟價值則以二氧化碳減量成本帄均約為 1,960元/ton(李國忠，2000)估算，由於二氧化碳與甲烷釋出量與田面湛水相關，故以灌溉天數 90天估算之。計算式如下所示:

2

CO ( )=715(kg/ha/day) (ha) (day) CO ( /kg)

 



一期效益元耕作面積灌溉天數

單位效益元

(2.1)

2

CO ( )=640(kg/ha/day) (ha) (day) CO ( /kg)

 



二期效益元耕作面積灌溉天數

單位效益元

表2.1 關渡地區水田二氧化碳吸收量

稻種 TN稻 TC稻 TN稻及 TC稻帄均

帄均 CO2 吸收量 (kg/ha/day)

一期二期一期二期一期二期

620 590 810 690 715 640

資料來源：吳富春，2004

根據 2009年農糧署產量統計，帄均每公頃稻穀產量有4,786kg，將其代入式 (2.1)計算得單位面積二氧化碳吸收效益為 7,149元 /ton。甲烷釋出量之估算，根據 IPCC(intergovernmental panel on climate change)於1996年提出之報告指出，甲烷之 GWP(global warming potential)為21，因此本研究假設甲烷帄均減量成本為二氧化碳之 21倍，經計算得知二氧化碳減量成本帄均約為 1,960元 /ton，再將二氧化碳減量成本 1,960元 /ton乘上 21倍亦即為甲烷帄均減量成本 41,160元/ton。

甲烷釋出需於田面保持湛水狀態，而灌溉期間有 30 天處於無湛水狀態，

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因此計算之灌溉天數以 90天為主，其甲烷釋出量如表2.2所示。根據吳重儀 (2003)甲烷釋出模式估算甲烷釋出量之計算式如下：

( /ha)= (kg/ha/day) (ha)

(day) CH ( /kg)



 

4

一期CH 負效益元甲烷釋出率期作面積

灌溉天數單位減量負效益元

(2.2)

( /ha)= (kg/ha/day) (ha)

(day) CH ( /kg)



 

4

二期CH 負效益元甲烷釋出率期作面積

灌溉天數單位減量負效益元

表2.2 水稻耕作時之甲烷釋出

地區一期稻作時期

MER*(Kg/ha/d)

二期稻作時期 MER*(Kg/ha/d)

全年帄均之 MER(Kg/ha/d)

北部地區

北基 0.16 1.55 0.86

桃園 0.23 2.04 1.14

石門 0.12 1.05 0.59

新竹 0.15 1.42 0.79

苗栗 0.14 1.03 0.59

中部地區

台中 0.71 9.32 5.02

南投 0.06 0.59 0.33

彰化 0.89 14.9 7.9

雲林 1.1 13.65 7.38

南部地區

嘉南 1.28 13.55 7.42

高雄 1.31 15.74 8.53

屏東 1.4 18.28 9.84

東部地區

台東 1.01 12.27 6.64

花蓮 1.12 13.24 7.18

宜蘭 0.62 5.25 2.94

*MER: Methane emission rate 資料來源:吳重儀，2003

二、氧氣產生

地球大氣組成中有 21%由氧氣組成，為大多數生物賴以維生之必要元素，人體內若無法獲得充足之氧氣，將妨礙健康進而威脅到生命。近年來由於工業化影響及生活型態改變，造成空氣汙染使得大氣環境遭破壞，某些空氣汙染物將會造成植物葉子組織破壞而產生病變，而存在植物體之中的葉綠素能吸收太陽能進而產生光合作用並透過光反應形成氧氣釋放到大氣中。耕作水稻於日間可以進行行光合作用，有助減低空氣的二氧化碳含量，同時釋出大量氧氣，以達空氣淨化機能。根據吳富春 (2004)研究結果，

(21)

12

關渡地區水田之氧氣釋放量如下表 2.3所示，本研究取其帄均值以推估水田釋氧效益，其經濟效益則以醫療生產氧氣價格 4,350元 /ton估算，氧氣釋出與種植水稻天數相關，故以水稻種植一期帄均所需天數 120天估算之氧氣釋出量。氧氣釋出量計算如下所示 :

2

O ( )=520(kg/ha/day) (ha) (day) O ( /kg)

 



一期效益元2 期作面積種植天數

單位效益元

(2.3)

2

O ( )=465(kg/ha/day) (ha) (day) O ( /kg)

 



二期效益元2 期作面積種植天數

單位效益元

表2.3 關渡地區水田氧氣釋放量

稻種 TN稻 TC稻 TN稻及 TC稻帄均

帄均 O2 吸收量 (kg/ha/day)

一期二期一期二期一期二期

450 430 590 500 520 465

資料來源：吳富春，2004

三、 BOD去除量

水田濕地生態環境對於水質淨化有其正面效果，非潔淨水源流入灌排水路或水稻田，可經由稻作吸收成為養份抑或滲入土壤經由微生物加以分解，故灌溉水田具稀釋及水質淨化機能。根據林英傑 (2002)之研究指出關渡 地區水田 BOD去除效率，第一期作約為 15.24 kg/ha，第二期作約為 18.9 kg/ha，

將其分別乘以期作面積，再依主計處調查農業廢污水 BOD去除成本，約 16,891 元 / 公噸進行估算水田之 BOD 去除效益。而 BOD 去除量計算如下所 示：

(kg)=15.24(kg/ha) (ha) BOD ( /kg)

BOD  

一期正效益期作面積單位效益元 (2.4)

(kg)=18.9(kg/ha) (ha) BOD ( /kg)

BOD  

二期正效益期作面積單位效益元

(22)

13

2.1.3 生態效益量化指標

水田之生態效益有蓄洪防災效益機能。故本研究彙整水田生態機能之研究成果，其蓄洪流水計算式如下。

一、蓄洪流水

台灣因為山高坡陡、河川短促且近年因為開發不當造成山坡地濫墾，由於坡地水土保持不當，每遇颱風豪雨之際往往造成重大洪水災害，生命財損失難以估計。一般常見水田之田埂高度約 20~30cm高，於暴雨洪水來臨之時具有調蓄洪水之功效，亦可減低下游洪峰流量並安定河川流況。

水稻於生長期需要充足水分，帄均湛水深約 6cm，湛水深度與田埂高度間之容積即為耕作期間水田所能蓄積之洪水量，假設田埂高度為 25cm湛水深度為 6cm，水田區將田埂高度 25cm扣除湛水深度 6cm所剩餘 19cm即可將暴雨期間之洪水蓄積於此空間中，等待暴雨過後再將蓄積之洪水排放。水稻生長期之稻株高度變化亦會影響蓄洪容量，根據張倉榮等(2006)水田區調洪減災生態功能之三維度量化分析與詴驗中曾考量水稻不同株高對於蓄洪及滯洪效果之影響，根據水稻分段高度及分段迎水面積推求不同稻株高度之蓄水體積百分比，可得株高為 30cm、 60cm及 100cm所對應之蓄水百分比為 96%、88%及70%。本研究參考劉振宇(2008)之研究，假設水稻耕作期間，

水稻稻株高 30cm、60cm及100cm各佔耕作天數之1/3，以此估算株高不同時耕作所能蓄洪之效益；而將水田休耕面積乘上田埂高度即為休耕時水田所能蓄洪之水量。蓄洪水量之效益則以水庫開發原水單價 11.15元/m³估算，其蓄洪效益如下式所示 :

 

3

= (ha)

= (1/3 - (ha)

( )= ( /m )



  





未種植水稻田區蓄洪量田埂高(cm) 水田面積

種植水田區蓄洪量蓄水百分比) 田埂高湛水深水田休耕面積

蓄洪效益元蓄洪量原水單價元

(2.5)

(23)

14

2.2 休耕優選模式之系統概念化及公式化

本研究建立之休耕優選模式係以混合整數線性規劃，用以評估農業供灌系統使農業三生效益最大化為目標，考慮不同枯旱程度即不同超越機率入流量供給下，灌區之最佳休耕面積及位置。為完成上述休耕優選模式之建立，本研究利用 Fortran程式語言，建立求解線性規劃軟體 Lingo之輸入檔，

達到求解休耕優選模式之目的。在撰寫程式前，吾人頇先將實地現況供灌系統概念化，簡化成水資源供需系統圖，以便程式符號之設定、編寫與目標方程式及限制式撰寫，再經程式求解。茲將休耕優選模式之系統概念化及公式化介紹如后。

2.2.1 模式架構之概念圖

在休耕優選模式建立之前，為了完整呈現水資源系統之供需關係，本研究將系統元件予以定義，並合理簡化建立流網系統圖。網流系統圖是將實際的灌溉系統利用各種元件繪製成灌溉網路圖，圖2.1為灌溉系統各元件符號之定義，其中部分元件符號乃參考蔡嘉訓 (2003)及鄭文明(2005)。圖2.2 將系統元件分為八類，第 1個元件為河川引水量之入流箭線；第 2個元件為入流節點；第 3個元件為取水口節點表分水之功用，如將河川引水量分至水利渠道設施中；第 4個元件為用水節點代表一般灌區或其他公共用水點等；

第 5個元件為一般箭線，代表一般引水量如地表水配合量、地下水配合量；

第 6個元件表示地表水配合量之節點；第 7個元件表示地下水配合量之節點；

第 8個元件代表系統末端剩餘之水量。本研究利用圖 2.2之各元件符號繪製成一簡單灌溉系統示意圖，此示意圖可用來說明灌溉系統中各種設施與河川、渠道等之聯結關係。

(24)

15

圖例說明

取水口節點入流節點

地下水配合

用水節點節餘水點

地面水配合

河川入流 5. 一般箭線

6.

7.

8.

1.

2.

3.

4.

圖2.2 水資源供需系統示意圖

2.2.2 目標方程式

本研究建立休耕優選模式，用以評估農業供灌系統在考慮農業三生下 (生產、生活、生態 )在農田耕作與休耕之最大效益，並促使水資源發揮最大利用效率。模式係透過權重法組成複合目標方程式，其權重係由單位面積效益來考量，並以單位體積水量決定其效益，其目標函數 (objective function) 如下所示。

(25)

16

   

1 1 2 2

, , , ,

1,2 1,2

3 1 4 2

, , , ,

1,2 1,2

+

d d

A A

j n j n j n j n

n n

j N j N

A A

j n j n j n j n

n n

j N j N

MAX C X C X

C X C X

 

   

  

   

   

   



 

   

   

   

(2.6)

目標函數中，以整體大環境來考量稻作種植所帶來之農業三生最大效益，以C代表各項效益之係數並以 A表示計畫耕作面積，則A1為耕作面積，

A2為休耕面積，

N

^d為需水節點，其中第 1項中C¹_{j n}_, 為 j灌區在n期作之單位耕 作面積可獲得效益， X_{j n}Â_,¹為j灌區在n期作之耕作面積，故C¹_{j n}_, X_{j n}Â_,¹即j灌區在 n 期作可得到之耕作效益，第 2項中C²_{j n}_, 為 j灌區在 n期作之單位休耕面積所減 少效益，XÂ_{j n}_,²為 j灌區在 n期作之休耕面積，故_C²_{j n}_, _XÂ_{j n}_,²即 j灌區在 n期作因休耕 所減少之效益 (即休耕之綠色補助津貼部分)，第3項中C³_{j n}_, 為 j灌區n期作單位 耕作面積所獲得之農業生活及生態效益，X_{j n}Â_,¹為 j灌區在 n期作之耕作面積， 故C³_{j n}_, XÂ_{j n}_,¹即 j灌區在 n期作因耕作所帶來之農業生活及生態效益，第 4項中

4 ,

Cj n為 j灌區在n期作單位休耕面積損失之農業生活及生態效益，X^A_{j n}_,²為 j灌區 在第n期作之休耕面積，故C⁴_{j n}_, X_{j n}^A_,²即 j灌區在n期作因為休耕帶來之農業生活 及生態效益損失，上述目標方程式中耕作之單位面積為公頃，單位體積以萬噸為單位，其單價效益則以萬元為單位。

2.2.3 限制式

一、供水節點限制式

對於河川引水之農業灌區而言，其水量之供給受限於天然河川流量限制，故以下列各式說明各供水節點之限制式，式 (2.7)說明模式中地下水配合量之供給限制；式 (2.8)說明模式中地表水配合量之供給限制；而式 (2.9) 在於說明模式中灌溉渠道所需之供水量之供給限制。

(26)

17

g

, ,

i

g

j t i t gw

f j

U X i L j N







 ^；  ^(2.7)

, ,

i

s s

j t i t sw

f j

U X i L j N







 ^；  ^(2.8)

, ,

i

r r

j t i t rw

f j

U X i L j N







 ^；  ^(2.9)

如上列所示之供水節點限制式，即箭線取水量小於等於供給水源量，式 (2.7) ^g_, _,

i

j t i t

h j

U X



 

表示地下水提供至灌區之配合水量，其中 i屬於L_{g w}之

箭線標號，L_gw為地下水配合量供給之箭線，而j屬於

N 之箭線標號，

^g

N 為

^g 地下水配合量供給之節點；式 (2.8) _, _,

i

s

j t i t

h j

U X



 

表示地表水供至灌區之配

合水量，其中 i屬於

L 之箭線標號，

_sw L_sw為地表水配合量供給之箭線，而 j 屬於

N 之箭線標號，

^s

N 為地表水配合量供給之節點；而式 (2.9)

^s

, ,

i

r r

j t i t

h j

U X



 

表示透過南北岸聯絡渠道引集集攔河堰至灌區的之引水量，其

中 i屬於

L 之箭線標號，

_rw L_sw為攔河堰引水量供給之箭線， j屬於

N 之箭線

^r 標號，

N 為攔河堰引水量供給之節點。

^r

二、渠道輸水之連續方程式及限制

水源在渠道的輸送運輸上，因為蒸發散現象或水在渠道輸送過程中滲 漏影響所減少之水量，即所謂之輸水損失，本研究利用式 (2.10)中之C_i值為 供水係數，反言之，(1-C_i)之值即為輸水損失率可用以表示輸水損失之現象。

而各個渠道因為工程設計，故有其所能輸送水量之最大容量限制，且渠道在輸送水上為使有足夠動力將水運送至灌區亦有最小之輸水限制，故以式 (2.11)表示渠道輸水上下限之限制。

, , 0

i i

n

i i t i t

h j f j

C X X i L j N

 

   

 

^； ^(2.10)

(27)

18

min max

, , ,

i t i t i t

X X  X iL (2.11)

式 (2.10)中之

C 為各渠道之供水係數，即引水量供至各渠道之供水係數。

_i 其中

h 為供水箭線 i之終點而

_i

f 為供水箭線 i之貣點，終點代表著上游，貣

_i 點相對代表是下游， j為節點代號，

N 為一般節點，而

ⁿ _,

i

i i t h j

C X



 ^{是引水量供}

至各下游渠道之箭線組之限制，其中 i屬於 L， L包括

L 、

_rw

L 及

_sw

L ，即供

_gw 至灌區 j之所有箭線組。而 _, _, 0

i i

i i t i t

h j f j

C X X

 

 

 

則是渠道供水之連續方程式，即 上游水量乘上供水係數後為下游 t時刻可供之水量。

式 (2.11)中之 X_{i t}^{m i n}_, 為渠道於 t時刻可輸送水量之下限，而 X_{i t}^max_, 為渠道於 t 時刻可輸送水量之上限，透過 X_{i t}^min_, X_{i t}_, X_{i t}^max_, 限制渠道輸送水量之上限與下限。

三、無休耕之需水點供水限制式

河川引水量取得不易且受天然氣候影響甚大，對於採取河川引水量灌溉之地區，實為供水風險相對較高之地區，為有效使用有限水資源進行灌溉並創造最佳收穫效益，必頇設定灌區需水點之供水限制，以滿足供水量之物理限制。

, , i L

i

d

j t i i t

h j

D C X j N



  

^；



^(2.12)

式 (2.12)中，D_{j t}_, 表示需水點之需水量，其值需大於渠道可供水量、地表水配合量及地下水配合量之總和，而

C 為各水源類別箭線之供水係數組，

_i

則 _,

i

i i t h j

C X



 為t時刻可供至需水節點j之供水量， _,

i

i i t h j

C X



 相加頇小於或等於需水點之限制即 _, _,

i

j t i i t

h j

D C X



 

^。

(28)

19

四、休耕判斷之需水點供水限制式

近年來由於極端氣候影響所致，水文狀況變化大且較不穩定，加以台灣地區地理位置影響，水資源分布時空不均，又有農業用水轉移之慮，造成農業灌溉水源不足，因而產生休耕之現象。而休耕之決策必頇根據當年水文情形並在水田耕作之前決定，本研究為使水資源有效利用，並做出正確之休耕決策，加入一個二元變數 λ 作為是否休耕之判斷依據，而 λ 是由是否滿足該灌區在耕作前期之最低供水量來判定，若滿足其最低供水量則當期可繼續耕作，反之，當期則宣布休耕，將水資源給予其他灌區做更有效率之利用，使農業供灌系統產生最大農業三生效益。

   

min max

, , , , , ,

,

0,1 1, 2

n i n n i

j n i t j n j t j n i t

t T h j t T t T h j

d j n

X D X

i L j N n

  



  

    

    

   

    

；；；

(2.13)

如上式 (2.13)所示，



_{j n}_, 代表灌區 j於期別 n是否休耕之判斷依據， λ 為 一個二元變數， ^min_,

i

i t h j

X



 是用以判斷 λ成立與否之供水下限值，其值之設定由決策者根據該灌區特性決定，意即利用T_n判斷休耕之旬數及期距，且



^{3, 4,5}



¹



21, 22, 23



2

n n

T  for n 

；

T   for n 

， ^max_,

i

i t h j

X



 是用以判斷 λ 成立與否之供水上限值， _, ^min_,

i

j n i t

t Tn h j

 X

  

  

^、 ^, ^max^,

i

j n i t

t Tn h j

 X

  

  

透過λ之判斷來檢驗各灌

區之連續供水是否滿足作物生長所需水量，作為休耕判斷之依據。

五、耕作面積之決定

藉由耕作判斷因子 λ 決定耕作與否，將式 (2.12)改寫成式 (2.14)，利用各灌區水量與面積迴歸之 α 決定耕作面積， α 是根據歷史供水量與歷史耕作面積並依據期別所迴歸之供水與面積曲線，用以計算耕作面積與需水量

(29)

20

關係，藉由此得到耕作及休耕面積後，進而計算帶來之農業三生效益。

   

, , , , 0,1 1, 2

i

d

j n j t i i t j n

h j

D C X n i L j N

 



  

^；



^；



^；



^(2.14)

, ,

 

1, 2

n i

AD d

j n i i t

t T h j

X C X i L n j N

 

  

^；



^；



^(2.15)

 

1

, , , 1, 2

A AD d

j n j n j n

X X 



n ；jN (2.16)

 

1 2

, ^A, ^A, 1, 2 ^d

j n j n j n

A X X n ；jN (2.17)

式 (2.14)中之



_{j n}_, D_{j t}_, 透過式 (2.15)決定之λ值判斷進入灌區之供水量成立與否，透過λ休耕判斷與供水量之關係計算該灌區可供水量；式(2.15)

, AD

Xj n為各灌區於期作 n之可供水量總和，包含渠道可供水量、地表水配合量 及地下水配合量，其中 i屬於L， T 為第 n期作所屬旬次之代號，以計算該灌_n 區期作 n可供水之總量， Tn

 

1, 2, ,18

 for n 

1 T； n

 

19, 20, ,36

 for n 

2；式 (2.16)透過可供水量與供水面積迴歸參數α決定耕作面積，其中



_{j n}_, 為j 灌區在期作 n之迴歸參數，α值之求得係透過各灌區現況供水量與現況耕作 面積，利用線性迴歸所得之迴歸參數，_XÂ_{j n}_,¹為j灌區期作 n之耕作面積，利用 可供水量 X_{j n}ÂD_, 及迴歸參數α估算該其之可耕作面積；式 (2.17)中之 A_{j n}_, 為j灌 區在期作 n的現況耕作面積，XÂ1_{j n}_, 代表休耕優選模式推算 j灌區在期作n之耕 作面積，而XÂ2_{j n}_, 代表休耕優選模式推算 j灌區在期作n之休耕面積。

六、三生效益之限制式 (一 )生產效益

台灣糧食來源以稻米為主，本研究將蒐集歷年耕作面積、生產產值及產值變化之資料以估算稻米生產所帶來之效益。透過農糧署統計資料可得各灌區面積產量與各灌區稻米產量之價格，本研究透過耕作面積與價格，統計生產帄均值用以計算稻米之效益。如下所示 :

(30)

21

, , ,

p q p

j n j n j n

C U U (2.18)

式 (2.18)中之

U

^q_{j n}_, 表示 j灌區在期作 n單位面積之帄均產量，U^p_{j n}_, 表示 j灌 區在期作 n單位面積之帄均產量之價格，而C_{j n}^p_, 則為 j灌區在期作 n之單位耕 作面積可獲得效益。

(二 )生活效益

水田除提供生產效益之外，在生活上亦可淨化空氣與水質，即農業三生效益之中之生活效益，詳述如后。

1.溫室氣體 (1)二氧化碳

水田的種植對於溫室氣體二氧化碳吸收有顯著效果，係透過大面積作物之栽培來吸收二氧化碳，對於減少溫室氣體有其顯著之功效，本研究根據李國忠 (2000)、吳富春 (2004)及劉振宇(2008)之研究評估其效益，如下所示:

2 2 2

, , , ,

CO CO p CO

j n j n j n j n

C G D U (2.19)

式 (2.19)中之 ²

, CO

Gj n 為 j灌區在期作 n單位面積可吸收之二氧化碳，

, p

Dj n為 j灌區在期作 n灌溉之天數，_U^CO_{j n}_, ²為單位吸收二氧化碳之價格，

2 , CO

Cj n 為 j灌區在期作n單位面積可吸收二氧化碳之效益。

(2)甲烷

水田的種植雖然對於溫室氣體二氧化碳的吸收有顯著的效果，

但在水田生長期間受無氧狀態影響會釋出甲烷，甲烷釋出量之多寡將對溫室效應造成影響，本研究根據吳重儀 (2003)、吳富春 (2004) 及劉振宇(2008)之研究評估其效益，如下所示:

4 4 4

, , , ,

CH CH p CH

j n j n j n j n

C G D U (2.20)

考慮三生效益下枯旱時期最佳休耕區域及面積之研究

國立台灣大學工學院土木工程學系 碩士論文

Department of Civil Engineering College of Engineering

National Taiwan University Master Thesis

考慮三生效益下枯旱時期最佳休耕區域及面積之研究 The Study on Optimal Decision for Area and Location

of Fallow with Consideration to Environmental, Ecological and Productive Functions in the Drought

Period

吳潔舒

Chieh-Shu Wu

指導教授 : 徐年盛 教授

Advisor : Prof. Nien-Sheng Hsu, Ph.D.

中華民國99年7月

July, 2010

致謝

摘要

Abstract

目錄

表目錄

圖目錄

第一章 緒論

William

模式架構之建立

研究目的之確立

結果呈現之建議 實際問題之應用

第二章 模式建立及求解方法

 



 





 



 

 



 



BOD  

 



  





圖例說明

   

   

N







U X

 

N 之箭線標 號，

N 為

U X

 

L 之 箭 線 標 號 ，

N 之 箭 線 標 號 ，

N 為 地 表 水 配 合 量 供 給 之 節 點 ； 而 式 (2.9)

U X

 

L 之 箭 線 標 號 ，

N 之 箭 線

N 為攔 河堰 引水 量供 給 之 節點 。

C X X i L j N

   

 

C 為 各渠 道之 供 水 係 數，即 引 水 量 供 至 各 渠 道 之 供 水 係 數 。

h 為 供 水 箭 線 i之 終 點 而

f 為 供 水 箭 線 i之 貣 點 ， 終 點 代 表 著 上 游 ， 貣

N 為 一 般 節 點 ， 而



L 、

L 及

L ， 即 供

 

D C X j N

  



C 為 各 水源類 別 箭 線之供水係 數組，

國立台灣大學工學院土木工程學系碩士論文

指導教授 : 徐年盛教授

第一章緒論

結果呈現之建議實際問題之應用

第二章模式建立及求解方法

N 之箭線標號，

L 之箭線標號，

N 之箭線標號，

N 為地表水配合量供給之節點；而式 (2.9)

L 之箭線標號，

N 之箭線

N 為攔河堰引水量供給之節點。

C 為各渠道之供水係數，即引水量供至各渠道之供水係數。

h 為供水箭線 i之終點而

f 為供水箭線 i之貣點，終點代表著上游，貣

N 為一般節點，而

L ，即供

C 為各水源類別箭線之供水係數組，