國立臺灣大學生物資源暨農學院 生物環境系統工程學研究所
碩士論文
Department of Bioenvironmental Systems Engineering College of Bioresources and Agriculture
National Taiwan University Master Thesis
以遊戲模擬方法探討乾旱時期水市場機制對水資源 再分配之可行性—以桃園地區為例
Investigating the Feasibility of Water Market in Water Reallocation during Drought Periods by Simulation Gaming:
A Case Study of Taoyuan, Taiwan
王尊麟 Zun-Lin Wang
指導教授：童慶斌 博士 Advisor: Ching-Pin Tung, Ph.D.
中華民國 108 年 1 月
January 2019
謝誌
我想，沒有人有義務必須協助，也因此特別感謝一路走來幫忙的人。首先感謝 指導教授童老師願意讓我研究探討水市場議題，並給予我諸多建議與方向，培訓我 成為一位能獨立思考的研究生。感謝研究室黃蓉學姊不厭其煩地為我解答疑難雜 症；感謝鍾博學長在AGU 前夕的支援，讓我能順利前往參加會議；感謝宗毅開啟 我的Python 撰寫與學習之路；感謝沛芫學姊在論文初稿審潤上的幫忙。在資料蒐 集上，感謝石門水庫管理中心林羿丞先生以及桃園農田水利會盧先生的協助。感謝 郭錫瑠先生文教基金會提供獎學金，減輕我生活開銷的壓力。
非常謝謝家人一路走來的支持與陪伴，不成材的尊麟終於要畢業了！謝謝安 仔在我困頓之際的打氣加油，讓我能繼續堅持下去走到今日。在此悼念逝去的阿弟，
謝謝你的陪伴，也對不起最後那段日子我過於忙碌了。最後謝謝這三年來沒有輕易 放棄的自己，熬過無數個沮喪挫敗的夜晚，辛苦了！來首《三個傻瓜》的《Give me some sunshine》，繼續前進吧！
II
摘要
氣候變遷可能使得台灣面臨乾季極端乾旱風險增加，更具彈性與調適能力的 水資源管理方式成為政策決策者必須思考的關鍵議題。現行制度在乾旱時期水資 源調度上，乃透過政府協調農業停灌休耕，農民對於耕作與否並無決定權，「農水 工用」情形在水資源調配上存在公平性爭議。在此背景下，水市場或可成為水資源 再分配的調適選項，政府無需強制介入，透過市場交易機制消弭灌溉用水移用爭議，
同時提高水資源運用效率，反映不同時間點水的價值差異。
遊戲模擬(simulation gaming)方法有助於政策決策者評估一項假設性政策的可 行性，並了解利害關係人間的互動關係。本研究以桃園地區為例，分別建構石門水 庫供水系統動力模式與水稻田水平衡模式，將兩者整合於一套水市場模擬遊戲 (water market simulation game, WMSG)中，使遊戲模擬結果能貼近真實水資源分配 情況，並招募受試者參與遊戲交易決策。
研究結果顯示，石門水庫供水系統動力模式經合理性驗證，能應用於模擬桃園 地區水資源分配情況。應用水稻田水平衡模式推估而得之修正後農業計畫配水量，
在總量上與現行實務之推估結果接近，但更能反映稻作不同生育階段之灌溉需水 量差異，依旬別不同而有峰谷波動。遊戲模擬結果顯示，水市場機制讓工業方面臨 乾旱缺水時必須支付農業方更高的購水費用，農業方保有耕種與否之決定權。水庫 有效蓄水量相比無交易情境而言有所增加，唯其增額不多。主要影響水庫空庫與否 之因子在於農業計畫配水量之多寡，因此如何訂定合適的農業計畫配水量成為政 策決策者必須優先思考的問題。遊戲模擬過程中，除了資訊的公開性外，資訊的「易 解讀性」對於玩家決策判斷影響甚大。本研究為探討水市場機制之可行性提出實際 模擬方法及工具，但仍存在許多改善空間，後續研究建議進一步探討不同情境下玩 家交易策略及水資源再分配結果，強化遊戲模擬與政策實務應用之連結。
關鍵詞：水市場、遊戲模擬、系統動力模式、水資源再分配
Abstract
Under the impact of climate change, the frequency of extreme precipitation and drought events has been increasing. Flexible water resources management should be considered by policy makers to increase adaptive capacity. In Taiwan, the government usually guides agricultural fallows to transfer water to meet the needs of domestic and industrial water demands during droughts. However, this situation causes that the cultivation rights of farmers are not guaranteed even though the priority of agricultural water demand is higher than that of industry by law.
Water market mechanism may be potential to solve this fairness dispute of water reallocation. To assess the feasibility of water market as an adaptation method of water reallocation, simulation gaming is an appropriate approach. It can help policy makers assess a hypothetical policy scenario and figure out the relationship and interaction between stakeholders. In this study, Taoyuan region is chosen as the study area and a water market simulation game (WMSG) is developed. WMSG integrates water supply system dynamics model and paddy field water balance model to reflect the water resource transmission and the hydrological mechanisms of the real world. The subjects are invited to play the game as an agricultural or industrial stakeholder and carry on the round- designed water trading.
Results show that Shimen Reservoir water supply system dynamics model can be applied to estimate the variation of reservoir water level under different hydrological scenarios. The rational agricultural planned allocation is calculated via paddy field water balance model. Total amount of the modified agricultural planned allocation is close to the practical method but more reasonably present the characteristics of irrigation water demand at different growing stages. The settlement of WMSG indicates that industrial players are willing to pay more costs on water purchase to prevent severe loss of
IV
production line shutdown caused by water shortage. Agricultural players have the right to decide whether to sell water or to keep farming. The amount of effective storage of Shimen reservoir has slightly increased when compared to the non-trading scenario. The key factor that determines whether the reservoir will be empty or not is the amount of agricultural planned allocation. The author argues that how to formulate a rational agricultural planned allocation is the most important issue for policy makers while considering water reallocation adaptation in Taiwan. Besides transparency and accessibility, interpretability of market information affects player’s decision-making significantly. This study provides practical application tools and models to assess the feasibility of water market mechanism despite still having room to improve. Further research is needed. To enhance the link between simulation game and policy applications, more games should be conducted to discuss the transaction strategies of players and the benefits of water reallocation under different simulation scenarios.
Keywords: water market, simulation gaming, system dynamic model, water reallocation
謝誌 ... I 摘要 ... II Abstract ... III ... V 圖目錄 ... VII 表目錄 ... IX
緒論 ... 1
1.1 研究動機 ... 1
1.2 研究目的 ... 3
1.3 論文架構 ... 3
文獻回顧 ... 5
2.1 乾旱 ... 5
2.2 水資源再分配 ... 6
2.3 水市場應用現況 ... 7
2.4 遊戲模擬模式設計 ... 10
2.5 研究區域介紹 ... 11
2.5.1 行政區域 ... 11
2.5.2 地形與氣候 ... 12
2.5.3 河川 ... 12
2.5.4 水利設施 ... 13
2.5.5 農田水利會 ... 18
2.5.6 水資源利用現況與未來推估 ... 19
研究方法 ... 21
3.1 水庫供水系統動力模式 ... 21
3.1.1 模式架構概述 ... 22
3.1.2 水源供給與損失 ... 23
3.1.3 生態基流量 ... 24
3.1.4 設施限制與參數 ... 24
3.1.5 Vensim 建模 ... 27
VI
3.2 水稻田水平衡模式 ... 31
3.2.1 架構說明 ... 32
3.2.2 土壤含水特性 ... 33
3.2.3 滲漏量(percolation, P) ... 37
3.2.4 田間蒸發散量(paddy field evapotranspiration, ET) ... 39
3.2.5 田間有效降雨量(paddy field effective rainfall, ER) ... 43
3.2.6 灌溉需水量(irrigation water requirement, IWR) ... 44
3.2.7 實際灌溉用水量(actual irrigation volume, IR) ... 45
3.2.8 入滲量(infiltration, Inf) ... 46
3.2.9 田間湛水面水平衡 ... 47
3.2.10 土壤含水量水平衡 ... 48
水市場模擬遊戲設計 ... 49
4.1 情境設定 ... 49
4.1.1 乾旱事件選擇 ... 50
4.1.2 水源相關設定 ... 51
4.1.3 農業相關設定 ... 52
4.1.4 工業相關設定 ... 57
4.2 交易機制與規則 ... 60
4.2.1 整體說明 ... 60
4.2.2 農業方 ... 61
4.2.3 工業方 ... 62
4.3 遊戲程式設計 ... 63
研究結果與討論 ... 67
5.1 供水系統動力模式合理性驗證 ... 67
5.2 修正農業計畫配水量 ... 69
5.3 遊戲結果 ... 74
5.4 研究討論 ... 80
結論與建議 ... 83
6.1 結論 ... 83
6.2 建議 ... 85
參考文獻 ... 87
圖目錄
圖2-1、WMRA 框架 ... 9
圖2-2、遊戲模擬架構 ... 10
圖2-3、桃園市行政區域劃分 ... 11
圖2-4、桃園月平均雨量 ... 12
圖2-5、石門水庫運用規線（水位） ... 13
圖2-6、石門水庫運用規線（有效蓄水量） ... 14
圖2-7、石門水庫下游衛星空照圖 ... 16
圖3-1、研究架構圖 ... 21
圖3-2、桃園地區供水系統架構簡圖 ... 22
圖3-3、石門水庫系統動力模式-System Model View ... 29
圖3-4、石門水庫系統動力模式-Allocation Rule View ... 30
圖3-5、石門水庫系統動力模式-WPP Allocation Proportion View ... 30
圖3-6、石門水庫系統動力模式-Transfer Ratio View ... 31
圖3-7、水稻田水平衡示意圖 ... 32
圖3-8、水稻水分逆境係數圖 ... 37
圖3-9、桃園地區月平均蒸發散量 Penman-Hamon 比較 ... 41
圖4-1、WMSG 架構圖 ... 49
圖4-2、大規模停灌休耕事件 ... 50
圖4-3、遊戲回合流程說明 ... 60
圖4-4、回合結算後端運算流程 ... 61
圖4-5、遊戲使用者介面範例 ... 65
圖4-6、訂單分析助手之分析結果範例（工業方） ... 66
圖5-1、供水系統動力模式合理性驗證(2014) ... 67
圖5-2、供水系統動力模式合理性驗證(2015) ... 68
VIII
圖5-3、供水系統動力模式合理性驗證(2016) ... 69
圖5-4、農業各分組修正計畫配水量 ... 71
圖5-5、農田水利會計畫配水量比較 ... 73
圖5-6、農業計畫配水量比較 ... 73
圖5-7、遊戲模擬結果—水庫水位變化 ... 78
圖5-8、水市場模擬遊戲-第一次舉辦... 79
圖5-9、水市場模擬遊戲-第二次舉辦... 80
表目錄
表2-1、桃園地區各目標年用水需求資料 ... 20
表3-1、石門水庫各月份日蒸發量 ... 23
表3-2、水田土壤特性表 ... 33
表3-3、桃園地區水田土壤特性表-1... 34
表3-4、桃園地區水田土壤特性表-2... 34
表3-5、桃園地區水田滲漏率 ... 39
表4-1、水稻栽培彙整 ... 54
表4-2、農業方交易單位資料 ... 55
表4-3、稻作生產成本 ... 56
表4-4、生育天數-稻作生產成本 ... 57
表4-5、工業方各業別用水與經濟參數 ... 58
表4-6、工業分組用水與經濟參數 ... 59
表5-1、農業方交易單位資料（調整後） ... 70
表5-2、農業修正計畫配水量 ... 72
表5-3、工業分組用水與經濟參數（舉辦時採用） ... 74
表5-4、農業方遊戲結算表 ... 77
表5-5、工業方遊戲結算表 ... 78
緒論
1.1 研究動機
近年來受到氣候變遷的影響，極端降雨和乾旱事件發生的頻率增加，根據臺灣 氣候變遷推估與資訊平台建置計畫(TCCIP) 出版之《臺灣氣候變遷科學報告 2017- 物理現象與機制》中所述，雖然台灣地區的年平均降雨量在氣候變遷的影響下並沒 有明顯的增減趨勢，但卻有「濕季更濕、乾季更乾」的特徵，且1990 年代之後乾 季的極端乾期發生頻率明顯地增多。這意味著決策者需準備更有彈性的水資源管 理調度機制來面臨降水時間尺度上分布極端化的問題。
在水源調度方面，過去面臨嚴重乾旱缺水時，政府往往採取農業停灌休耕的方 式，以便將水源挪用至民生與工業用水。然而此作法卻有違《水利法第18 條》規 定之農業用水順位優先於工業用水，政府雖提供農民相關補助與賠償，但實際上變 相剝奪了農民自主決定是否耕種的工作權益，此舉並不符合水源分配的公平性與 社會正義，亦加深農業與工業之間產業發展的對立。區域未來的人口成長與工業發 展將與用水需求密切相關，人口正成長與工業區的核定開發均提高區域缺水風險。
在務農人口老化且農業經濟價值不敵工業的情況下，可預期在乾旱時期，農民用水 權益將更容易被犧牲。
現行台灣地區自來水事業乃政府獨占事業，由台北自來水事業處和台灣自來 水股份有限公司掌理，由於非民營的緣故，兩事業在水價制定與水資源分配上動輒 得咎。根據2014 年國際水協會(IWA)每人每年取水量統計報告，台灣在 33 個國家
（或地區）中，每人每年取水量排名第三，達 249.96 m³/capita/year。此外，IWA 2015 年統計報告「160 座城市、消耗 200 立方公尺的水所需支付之費用」排名中，
台北排名第151 名，高雄排名第 146 名。對照周國鼎《2012 國際水價現況解析》
中所整理的統計資料，於2011 年、44 個國家中，台灣平均水價排名第 40 名，以
「水費負擔率＝200 度之自來水費用÷人均 GDP」計算而得的水費負擔率，台灣則
排名第 44 名敬陪末座。由上述結果可知，台灣用水需求大，但水價卻相當低廉。
便宜的水價導致人民和企業節水誘因不足，在面臨乾旱時，自主調適能力低，使得 缺水風險增加。
進一步檢視現行水權制度可以發現，2015 年全國一般水權登記引用水量（地 面水及地下水）約為858.51 億立方公尺，扣除水力發電水權登記量後，約為 296.5 億立方公尺，對比該年實際用水量 165.46 億立方公尺，顯示出政府在水權分配上 存在過度配發的問題。在農業水權上，過度配發的問題最為嚴重，水權登記量為 211.2 億立方公尺，實際用量僅 117.34 億立方公尺，但礙於複雜的利害關係和早年 優先申請的權利保障，配發出去的水權在實務上不易收回。
影響水資源價值的因素，除了水量(quantity)多寡之外，還包括水質(quality)、
可靠度(reliability)、時間點(timing)和地點(location)(Wheeler et. al., 2017)。根據《The Dublin Statement on Water and Sustainable Development》第四項所述：水在所有相 互競爭的用途中具有經濟價值，應當被視為經濟商品(economic good)。在確保人民 能以合理價格獲得基本生存飲水及衛生設備的前提下，將水資源作為經濟商品來 管理，是達成有效使用與公平使用的重要途徑。而水市場的存在賦予水資源交易更 大的彈性，基於不同的時間點、地點、水量等等因素，水資源對於不同用戶有不同 的價值高低，特別是在乾旱時期，水資源再分配(water reallocation)之效益與公平性 成為重要關鍵議題。現行制度由政府強制介入乾旱時期水資源調配，農業用水轉移 工業使用備受爭議。倘若改以運行水市場交易機制，讓市場機制決定乾旱時期稀少 的水資源該如何分配，或能使水資源再分配制度更具彈性、效益與公平性。
《水利法》用水優先順位和水權制度仍有檢視與修正的討論空間，若先撇除現 行法規與制度上的限制，相較於其他學者所建議的「調整合理水價」方法來「以價 制量」，筆者好奇是否能透過引入水市場交易機制的方式，作為未來面對極端乾旱 時，一項兼顧公平性與合理性的彈性水資源管理方案，還給農民停灌休耕決定權，
同時增加水資源利用效率。
1.2 研究目的
有鑑於氣候變遷在未來將造成乾旱風險的提高，彈性的水資源管理方案有助 於增加對乾旱的調適能力，故本研究假設在法規與水權制度完善的情況下，參考澳 洲水市場相關案例研究，嘗試引入水市場交易機制來增加乾旱時期的用水彈性，藉 由市場機制提高水資源運用效率，讓不同時間點的水的價值得以表現在自由交易 價格上，同時使農民能透過水資源買賣，重新掌握停灌休耕與否的決定權。在供水 地區選擇方面，選擇桃園地區作為模擬案例，理由為該區域在未來二三十年間因工 業區發展及桃園航空城區域計畫，推估有工業需水量正成長、總自來水需水量正成 長之情境。該地區農業用水水源主要由石門水庫透過桃園大圳、石門大圳供應，並 分別由桃園農田水利會和石門農田水利會管理，在既有設施上適合分區管理各個 灌渠引水，且灌溉區域內超過 95%的面積種植稻米，適合假設農業方全為稻農以 便簡化模擬模式。透過建立石門水庫供水系統動力模式以及水稻田水平衡模式，讓 遊戲模擬模式在運作上能更貼近真實水資源分配情況。以水市場模擬遊戲為工具，
分析農業方與工業方玩家在乾旱情境下之交易策略與收益，以及水資源再分配之 結果，期望提供未來政策制定與乾旱調適策略參考，並啟發更多國內對於水市場交 易制度之研究。
1.3 論文架構
本研究以桃園地區為例，透過建立遊戲模擬程式，招募玩家參與決策，探討水 市場交易機制作為乾旱時期解決水資源再分配問題的可行性。全文共分為六個章 節，本章介紹研究動機、目的及整體論文架構；第二章為相關文獻回顧，並介紹研 究區域之人文地理環境、供水系統設施、水資源利用現況與未來推估等資訊，以利 讀者了解接續之研究方法與模式設計；第三章為研究方法，包含石門水庫供水系統 動力模式設計與水稻田水平衡模式架構，作為最終遊戲模擬時的背景運算程式；第 四章為水市場模擬遊戲設計，介紹水市場模擬遊戲的情境設定、遊戲規則及執行方
式；第五章為結果與討論，說明石門水庫供水系統動力模式之合理性驗證，應用水 稻田水平衡模式計算修正農業計畫配水量，以及招募受試者參與遊戲模擬之成果，
並分主題討論之；第六章為結論與建議，總結本論文之研究成果，並提出後續研究 之改善建議與發展。
文獻回顧
本章首先回顧乾旱定義，界定本研究欲探討之議題為乾旱情境下用水資源如 何再分配，闡述水資源管理之重要性，並以水市場機制作為可能的解決方案，回顧 水市場相關研究，嘗試建立一套遊戲模擬模式來評估桃園地區引入水市場交易的 可行性。最後一節介紹研究區域之人文地理環境、供水系統設施、水資源利用現況 與未來推估等資訊，作為讀者閱讀本研究後續模式設計內容的背景知識。
2.1 乾旱
乾旱是一種反覆出現的現象，在人類文明發展的歷史上帶來困擾，影響自然棲 地、生態系統以及許多經濟與社會部門，影響層面從文明、農業、交通的基礎，到 都市水源供給與現代化複雜產業(modern complex industries)等(Heim, 2002)。Mishra 與Singh 於 2010 年整理乾旱概念相關文獻回顧，早於 1965 年，Palmer 便指出要 找到一個完完全全適合用來定義乾旱的方式是很困難的，因為不同領域對乾旱的 意義在認知上有所差異(Palmer, 1965)。1967 年 Subrahmanyam 提出六種乾旱類型 (types)，包含氣象型(meteorological)、氣候型(climatological)、大氣型(atmospheric)、
農業型(agricultural)、水文型(hydrologic)及水資源管理型(water-management)。此外，
部分學者亦將經濟(economic)或社會經濟(socio-economic)因子納入定義乾旱的一 環。雖然各乾旱類型在概念上容易劃分，但分界卻是模糊未定的。為了方便討論數 以百計、不同的乾旱定義，Wilhite 與 Glantz 於 1985 年將各種乾旱定義劃分成四大 類型，分別為氣象型(meteorological)、農業型(agricultural)、水文型(hydrologic)及社 會經濟型(socio-economic)，此分類方式後來為美國氣象學會採用。
國內對於乾旱的定義，參考水利署2009 年《旱災潛勢定義及其分析方法之建 立》報告書中，定義乾旱為「長時期降雨量不足所造成之自然現象」，並定義旱災 為「旱象持續惡化，無法有效控制，造成的災害」。本研究依乾旱類型分類，應屬
「社會經濟型乾旱」，因桃園地區水資源主要由石門水庫供給發配，而水庫具蓄存
功能，能使氣象型、農業型、水文型乾旱與實際造成社會、經濟財產損失的時間間 隔拉長。現行政策制度下，乾旱期間農民執行停灌休耕並非完全無水可用所致，而 是行政調配農業用水轉移他用的結果。
2.2 水資源再分配
在氣候變遷的影響下，1990 年代之後，台灣乾季的極端乾期發生頻率明顯地 增多(TCCIP, 2017)。經濟與人口成長致使水資源缺乏，被視為對人類社會的一項重 要威脅，並且限制了永續發展(UN-Water, 2008)。社會經濟情境的改變更使得氣候 變遷下水資源管理受到更大的挑戰，因此在同時考慮到河流流域之環境面、技術面、
經濟面、體制面和文化面特性下，必須致力於理解和管理如何從現行制度過渡到一 個更具調適性的管理制度(Pahl-Wostl, 2007)。
水資源再分配(water reallocation)乃水資源供需管理組合中非常重要的部分，並 已被證明可以提高水資源系統的成本效益、調適能力及可靠度(Kasprzyk et al., 2009；
Zhu et al., 2014；Marston and Cai, 2016)，其方式包括：行政上再分配(administrative reallocation)、基於市場再分配(market-based reallocation)、集體協商(collective negotiation)、複合機制組合(combinations of mechanisms)，或採取非法手段轉移 (illegal transfers) (Meinzen-Dick and Ringler, 2008)。台灣現況主要以行政上再分配 與集體協商為主，由政府主導召開抗旱會議，視水庫水情推估結果協調農田水利會 執行停灌休耕，再提供農民補助金。
行政上再分配之賠償金通常發生於權益收侵害對象能被明確界定，且其能對 於政策決策者施加政治壓力(Molle and Berkoff, 2006)，然而賠償金額之訂定，若僅 依耕作成本與收益進行評估的話，將忽略水田之生態功能與民眾遊憩體驗等額外 價值（陳凱俐等，2006；蔡昇甫，2004；蔡明華 1994）。此外，強制停灌休耕使得 農民喪失如何運用水資源之決定權，耕種權益不受保障。乾旱時期農業用水轉調工 業使用的情況，更與《水利法第18 條》規定農業用水優先順位優先於工業用水相 違背，造成農民相對剝奪感，賠償金卻由全民買單，不合乎使用者付費原則。如
2015 年政府宣布部分地區一期稻作停灌休耕，便招致台灣農村陣線率桃園、新竹 農民至行政院抗議陳情，要求政府還給農民水源與耕作權。
2.3 水市場應用現況
欲解決現行制度下於乾旱時期農業與工業用水調度的爭議，基於市場機制之 水資源再分配(market-based water reallocation)或為另一可行方案。基於過去以來水 市場運行的經驗，水市場機制具有作為氣候變遷調適策略的潛力(Kiem, 2013)，即 便過去學者們對於水資源私有化(water privatization)有過諸多爭論(Harvey, 2003；
Barlow and Clarke, 2002；Bakker, 2007)。對於如何建立好的水市場交易制度，
Young(2014)提出水權交易制度六項設計原則(Unbundle, Certainty, Hydrological Integrity, Facilitate Trading, Efficient Investment, and Robustness)，認為水市場之建立，
針對不同的標的應使用個別分開的方法工具(instrument)，當一項方法工具被用於 一項標的時，則不該再使該項方法工具被用於追求其他標的。依據水資源如何被儲 存及其流向分布，來決定所有的水權(entitlement)及水資源分配量(allocation)，使其 合乎該地既有之水文條件，並盡可能地降低水權或水資源分配量之交易成本。關乎 一水權或水資源分配量的所有風險應當全然分配於一實體(entity)，例如一用水戶 應當全權負起管理供水風險的責任，如此一來，他的成功與否將由其是否妥善管理 該風險來決定。最後，確保這些方法工具及行政安排(administrative arrangements)是 足夠穩健(robust)、能經得起時間考驗的。
Grafton 等人(2016)認為水市場與社會、經濟、環境目標是可以兼容並進的，但 需要有適當的財產權(property right)、水文資訊(hydrological information)、市場規則 (market rules)與設計(design)。其研究提出三項基本條件為：
(1) 詳細瞭解水文條件與總用水量限制，且此限制是被有效地監管與執行的。
(2) 必要的話，限制跨地點和用途之交易或交易水量比率，以確保當水資源因交易 而再分配後，不會侵犯關鍵環境目標(key environmental objectives)。
(3) 透過許可協議清楚定義使用者責任與水的用途，以達有效監管。
以澳洲Murray-Darling Basin (MDB)水市場運作經驗為例，2008 至 2009 年遭 遇全面性乾旱時，平均交易水價每百萬公升超過澳幣400 元（約每立方公尺 8.8 元 台幣）；而在2010 至 2011 年水量相對充沛時，平均交易水價每百萬公升下降至澳 幣20 元（約每立方公尺 0.44 元台幣），充分反映不同時空背景下的水資源價值差 異(Grafton and Horne, 2014)。MDB 水市場制度對於提供更好的環境結果有所助益，
讓灌溉需求戶具備對應氣候變遷影響的調適能力，同時增加農業的總增加值(gross value added)，在監督管理下可滿足各項社會目標，檢討過去經驗使現行制度更臻 至完備(Grafton et al., 2016)。
MDB 水市場機制雖成功，但不代表該制度應用於其他地區能得到相同成果與 收益。社會、經濟、環境、制度等背景條件將影響水市場運行的可行性，Wheeler 等 人(2017) 提 出 一 套 水 市 場 準 備 評 估 框 架 (water market readiness assessment framework, WMRA framework)，並以美國(Nevada’s Diamond Valley) 、西班牙 (Guadalquivir River Basin)、澳洲(Tasmania Island)案例作為框架應用示範。WMRA 框架包含三項主要步驟：
步驟一：評估水文環境條件、現有制度與計畫、財產權配屬等地區背景情境。
步驟二：市場價值評估，包括發展與實施。
步驟三：監控並持續回顧與評估。
由於台灣現行制度規定水資源為國家所有，由政府統籌分配，並不存在水權自 由交易機制，因此國內對於水市場交易相關研究相對較少。若以WMRA 框架評估，
應屬於第一步背景資料調查與評估的階段。闕雅文(2002)以高雄地區作個案研究，
從經濟學角度探討水銀行作為仲介機構運行水資源交易之各項情境分析。其研究 結果認為，基於市場的水資源再分配，適合用於水資源供給短缺時產業間用水再調 配。運行方式乃透過水銀行統一配置地區水資源，在不涉及水權登記量變更的情況 下，提供各用水事業單位短期水量交易。本研究則選擇桃園地區，同樣探討農業與 工業間面臨乾旱時水資源交易情形，以石門水庫操作計畫配水量之交易轉移，透過 遊戲模擬各利害關係人於市場機制下的決策結果。
圖2-1、WMRA 框架(Wheeler et al., 2017)
2.4 遊戲模擬模式設計
欲探討桃園地區運行水市場之可行性，必須先對該地區水文條件、供水系統設 施、各事業單位之用水需求等有所了解。系統動力學(system dynamics)為了解水資 源系統結構提供實用的框架，以集成方式呈現各單元間的互動關係與回饋機制 (Gohari et al., 2013)，建立系統動力模式的第一步，乃決定整個系統架構、正負回 饋關係、組成元件間的傳遞機制(Sterman, 2000)。Vensim 為一套由 Ventana Systems 公司開發的模擬工具，提供圖形化建模介面，可用於系統動力模式模擬，被廣泛應 用於水資源管理研究(Stave, 2003；Van Rooijen et al., 2005；Xi and Poh, 2013；Niazi et al., 2014)。
在具備供水系統動力模式的基礎下，透過遊戲模擬(simulation gaming)方法能 探討假設情境下水市場運行成果。當一項政策涉及複雜的物理機制與社會政治因 素時，透過遊戲模擬方法有助於政策決策者評估該項政策的可行性以及了解利害 關係人間的互動關係(Mayer, 2009)。對於遊戲參與者而言，透過其他玩家互動、決 策的過程，以及遊戲模擬結果，有助於其認識複雜系統之運作(Barreteau et al., 2007)。
遊戲模擬程式的架構，通常包含玩家、玩家決策、情境設定、系統模式、遊戲表現 指標、遊戲結果結算等部分，互動關係可以下圖2-2 呈現。
圖2-2、遊戲模擬架構(Rusca et al., 2012)
Wang 和 Davies(2015)透過建立遊戲模擬程式的方式，讓參與者扮演政策決定
民生、灌溉、工業、環境用水的影響。本研究嘗試將遊戲模擬理論應用於水市場可 行性分析，建構一套水市場模擬遊戲(water market simulation game, WMSG)。
2.5 研究區域介紹
由於本研究以桃園地區作為遊戲模擬水市場交易機制之背景，因此於本節介 紹當地人文、環境、設施等資訊，以利讀者理解後續研究中模式設計之考量。
2.5.1 行政區域
桃園市位於台灣西北部，是台灣六個直轄市之一，面積約1,221 平方公里，人 口約222 萬人（2019 年統計資料），市內共分為 13 個區，包括：蘆竹區、大園區、
觀音區、新屋區、龜山區、桃園區、中壢區、楊梅區、八德區、平鎮區、龍潭區、
大溪區、復興區。在供水方面又可分為北桃園和南桃園，北桃園為桃園區、蘆竹區、
龜山區及一部份的八德區，主要由大湳淨水廠供應，板新淨水廠支援供水缺口；南 桃園則包括八德區、中壢區、平鎮區、大園區、大溪區、龍潭區、楊梅區、觀音區、
新屋區及復新區，主要由龍潭、平鎮、石門三座淨水場供應。
圖2-3、桃園市行政區域劃分（圖片來源：Wikimedia Commons）
2.5.2 地形與氣候
該市地形呈現西北向東南之狹長形，區內河流大致與地形走向平行，坡陡流急 且獨流入海，使得雨水儲留時間短，可用水資源有限。西北部以亞熱帶夏季濕潤炎 熱氣候(Cfa)為主，東南部高山區則為山地亞熱帶夏季濕潤炎熱氣候(GCfa)與山地 亞熱帶夏季濕潤涼爽氣候(GCfb )分布(邱祈榮等人，2004)。桃園市氣候受季風影響 最大，西南季風始於五月至九月，風力較弱，天氣晴朗，多午後雷陣雨；東北季風 始於十月下旬至隔年三月，風力強勁。颱風則好發於七到九月，但相比其他縣市，
桃園市較不易因颱風而遭受嚴重災損。年平均溫度約攝氏 20.8 度，夏季平均溫度 達攝氏27.6 度，七、八月最熱；冬季平均溫度則為攝氏 13 度，一月最冷；年平均 濕度約為90%左右。2009 年到 2017 年平均年雨量約為 1863 毫米，全年有雨，夏 季降雨較冬季多，以雷陣雨和颱風雨為主，在空間分布上，由沿海1500 毫米往台 地內陸2000 毫米漸增，至東南部高山區降雨量最高。
圖2-4、桃園月平均雨量（資料來源：中央氣象局）
2.5.3 河川
桃園市境內共計10 條主要河川，其中大漢溪屬中央管河川，其餘南崁溪、老 街溪、社子溪、富林溪、大堀溪、觀音溪、新屋溪、坑子溪、茄苳溪屬桃園市市管
0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0
雨量(毫米)
桃園月平均雨量 (2009-2017)
河川。大漢溪為淡水河系三大主要支流之一，發源於品田山，平均波降為1：37，
流經新竹縣尖石鄉、關西鎮、桃園市復興區、龍潭區、龜山區、大溪區、新北市三 峽區、鶯歌區、樹林區、土城區、板橋區、新莊區及三重區，於江子翠匯入淡水河，
主流長約135 公里，流域面積約 1163 平方公里，上游建有石門水庫，集水區面積 約759 平方公里，為北部地區公共給水、灌溉用水、工業用水、發電用水的主要來 源之一，水源量平均每年約18.6 億立方公尺。
2.5.4 水利設施
石門水庫
民國53 年建造完成，位於大漢溪上游，壩高 133.1 公尺，是台灣最高的土石 壩，集水區面積約763.4 平方公里，提供灌溉、給水、發電、防洪等多項功能。根 據水利署民國107 年 1 月 2 日記錄，其有效蓄水量為 198,256,400 立方公尺，最高 滿水位為245 公尺。在大壩上游左岸設有石門大圳進水口，接一直徑 2.5 公尺，長 度約300 公尺之壓力隧道。根據水利署民國 106 年《石門水庫運用要點》，石門水 庫運用規線如下圖2-5 所示：
圖2-5、石門水庫運用規線（水位）
而於民國108 年 4 月 17 日，為使水庫操作能更直覺反映當前有效庫容量，
在運用規線上改以「有效蓄水量」取代舊有之「水位」判定。新的石門水庫運用 規線如下圖2-6 所示：
整理不同水位規線下的水庫蓄水利用運轉原則，水庫水位標高有以下四種區間：
上限以上：依據計畫配水量供水，並得視各標的用水需求增加調配之。
上限與下限之間：最高依據計畫配水量供水。
下限與嚴重下限之間：農業用水依據計畫配水量百分之七十五供水為原則，
家用及公共給水、工業用水依據計畫配水量百分之九十供水為原則。
嚴重下限以下：農業用水依據計畫配水量百分之五十供水為原則，家用及公 共給水、工業用水依據計畫配水量百分之八十供水為原則。
發電用水的部分，根據不同區間所提供的供水量進行發電，但不包含供給石門 大圳的供水量；在水庫水位標高為上限以上時，可依需求適當地增加發電用水供水
月份 (月
底) 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 十一 十二
上限 有效蓄水
量 (萬噸) 19000 18500 17000 16000 15000 15000 15000 16500 18000 19000 19000 19000
下限 有效蓄水
量 (萬噸) 17500 15000 12500 10000 8000 8000 8000 10000 12500 15000 17500 17500
嚴重下限 有效蓄水
量 (萬噸) 9000 7500 6000 5000 4000 4000 4000 5000 6000 7500 9000 9000
圖2-6、石門水庫運用規線（有效蓄水量）
量，以利調節水庫水位。此外，臺灣桃園農田水利會、臺灣石門農田水利會、台灣 自來水股份有限公司及工業用水單位，應於每年十一月底前，擬具次年給水、灌溉 計畫配水量，送經濟部北區水資源局（北水局）協商同意後辦理。
後池堰
屬重力式混泥土壩，建於石門大壩下游，共有四個溢流道和一個排砂道，建物 主要功能為調節發電用水和公共給水、灌溉用水間的用水時間差，可先蓄存尖峰發 電的用水量，再分配給桃園大圳河下游公共給水使用。右岸設有溪洲圳取水口，取 水口位置131.85 公尺；左岸設有桃園大圳取水口，取水口位置 129.5 公尺，結構物 長25 公尺、寬 8 公尺、高 5 公尺，為桃園農田水利會之農業灌溉用水源頭。
鳶山堰
屬閘門控制溢流堰，位於大漢溪中游，距離石門水庫約19 公里，滿水位標高 約51.5 公尺，最低取水位標高 45.5 公尺，原調節池設計容量為 126 萬立方公尺，
但因上游沖刷及河道疏濬，民國 107 年測得之有效容量約 439 萬立方公尺。主要 功能為公共給水，攔引石門水庫放流水、灌溉回歸水以及水庫下游之側流量送板新 淨水廠使用，於堰體東側設有重力導水箱涵與動力導水箱涵，輸水容量最大限制分 別為每日100 萬立方公尺與每日 60 萬立方公尺，當水位太低無法重力引水時，則 啟動配置之六部抽水機進行動力引水；堰體西側設有第二取水口，以加壓方式將水 倒送至大湳淨水廠，輸水容量最大限制為每日35 萬立方公尺。
三峽堰
屬混泥土堰，位於大漢溪支流三峽河上，為台灣自來水股份有限公司興建之取 水構造物，集水面積約 11,260 公頃，用於攔蓄三峽河河水，透過三峽抽水站供應 板新淨水廠原水，距離板新淨水廠約5 公里，最大取水量約每日 53 萬立方公尺。
中庄調整池
屬離槽水庫，建於原先大漢溪中庄廢河道，於民國106 年完工運作，占地約 87 公頃，上游建有倒伏式的中庄攔河堰，並自該堰取大漢溪扣除保留水量後所剩下的 水，至中庄調整池中蓄存，穩定提供板新和大湳進水廠每日2.4 萬立方公尺用水，
並於大漢溪汛期高濁度時提供最大每日80 萬立方公尺原水，足以供應板新和桃園 地區約6.2 日用水需求。
圖2-7、石門水庫下游衛星空照圖（資料來源：北水局）
龍潭淨水場
位於桃園市龍潭區，水源取自石門大圳或後池堰平鎮第二原水抽水站，供水人 口約18.5 萬人，計約 5 萬戶。自民國 63 年一月將佳安與龍潭供水系統互相連接，
合併為龍潭供水系統以來，歷經多次擴建工程以滿足用水需求。最近一次為民國 101 年 10 月完工之第五期擴建工程，擴建後每日正常出水量 14 萬立方公尺，最大 出水量 16.8 萬立方公尺。龍潭市區及銅鑼圈、三洽水等工業區用水主要以加壓方 式輸送；大溪鎮及埔頂重劃區則以重力供水。
平鎮淨水廠
位於桃園市平鎮區平鎮工業區，水源取自石門大圳或後池堰平鎮第二原水抽 水站，原設計處理容量為每日 60 萬立方公尺，目前處理容量約每日 58 萬立方公 尺。供水區域包括桃園市中壢區、平鎮區、楊梅區、大園區、新屋區、觀音區，新 竹縣湖口鄉、新豐鄉等行政區域，以及中壢、平鎮、大園、觀音四大工業區，亦支 援新竹地區用水。
石門淨水廠
位於桃園市平鎮區，水源取自石門大圳環頂支渠，設計供水能力為每日12 萬 立方公尺，供水區域與平鎮淨水場聯合操作，包括桃園市中壢區、平鎮區、楊梅區、
新屋區，新竹縣湖口鄉等行政區域，以及供應平鎮、幼獅工業區產業用水。
大湳淨水廠
位於桃園市桃園區，原水取自桃園大圳和鳶山堰，為因應桃園航空城與林口 A7 站開發之用水需求，現已辦理第三期擴建工程，並於民國 102 年年底完工，供 水能力從原先二期擴建後的每日 30 萬立方公尺，上升至每日 45 萬立方公尺，供 應桃園市桃園區、八德區、大園區、蘆竹區、龜山區、新北巿林口區及龜山、林口 工業區、桃園國際機場等地用水，供水人口達六十萬人。
板新淨水廠
位於新北市三峽區，有三種取水來源，一是自三峽堰抽水，以專管輸送至淨水 場，最大抽水量為每日53 萬立方公尺；第二種則是自鳶山堰抽水，設有重力式及 動力式導水箱涵取水，並以專管輸送至淨水廠，重力式導水箱涵之最大抽水量為每 日100 萬立方公尺；動力式的則為每日 60 萬立方公尺。第三種則是依照石門水庫 水位變化，以民國107 年三月為例，當石門水庫水位高於 243 公尺時，必須向台北 自來水事業處直接購買清水每日30 萬立方公尺；水位低於 243 公尺時，則購買每
日65 萬立方公尺。淨水廠設計處理容量為每日 120 萬立方公尺，不過實際處理容 量僅約每日72 萬立方公尺，供水地區涵蓋新北市板橋區、新莊區、蘆洲區、五股 區、泰山區、八里區、樹林區、土城區、三峽區、鶯歌區等十個行政區，以及中和 區、三重區的部份地區，供水人口約 200 萬人。配合板新大漢溪水源南調桃園計 畫，現在每日供應約16 到 17 萬立方公尺給北桃園使用。
2.5.5 農田水利會
桃園農田水利會
源於桃園大圳興工而創立，灌溉區域橫跨新北市、桃園市、新竹縣，依地勢和 灌溉系統可分為桃園、湖口、大溪及新海四個灌區，灌溉區域內非乾旱年時，農作 物以兩期作水稻為主，占全區耕地面積約 95%，灌區內土壤占比約為：粘質土壤 39%，砂質土壤 26%，輕粘土 18.6%，砂質粘土 16.4%，坡降以 1：100 由東南方高 山向西北方沿海延伸。隨著時代變遷，桃園市從過去農業社會至今已轉型成工商業 重鎮，務農人口老化、農業萎縮使得耕地面積跟著減少，民國73 年統計灌溉面積 尚有28,241 公頃，然而民國 106 年時僅剩 22,677 公頃。該會灌溉渠道以桃園大圳 為主幹，依照灌區地形分區灌溉，設有桃園、大竹、大崙、大園、大溪、草漯、湖 口、新坡、新屋、觀音、新莊及海山共 12 個工作站，負責灌溉排水設施之維護、
水質監測、灌溉用水管理、氣象水文土壤等環境監測、水利政令及灌溉制度之推行 等業務。灌區內共計285 口埤塘，當中屬該會所有的有 161 口，總有效蓄水量達約 4,558 萬立方公尺，可灌溉面積約 19,228 公頃。該會對於學術研究資料索取與問題 詢問非常友善，在學術資料取得上相較石門農田水利會容易許多。
石門農田水利會
灌溉區域橫跨新北市、桃園市、新竹縣，涵蓋鶯歌、八德、大溪、龍潭、觀音、
中壢、新屋、楊梅、湖口及新豐等十二鄉鎮市區。地勢由東南向西北方向傾斜，坡 度約介於1：80 至 1：120 間，為扇型之沖積丘陵地帶，與桃園農田水利會灌區互
為毗鄰，灌區內土壤佔比約為：粘壤土60%，粘土 20%，砂壤土 20%。灌區內有 南崁溪、新街溪、老街溪、大堀溪、社子溪等河流，形成自然排水系統，灌區內農 田均為兩期稻作，無其他雜糧或旱作，原規劃灌溉面積為 21,926 公頃，受到產業 結構轉變的影響，於民國 104 年水利署統計資料中顯示，一期稻作僅有 7,258 公 頃，二期稻作更只剩6,963 公頃。該會灌溉渠道以石門大圳為主幹，主要水源取自 石門水庫，不足部分仰賴有效雨量、攔河堰、埤塘蓄水、抽水站及地下水井調節管 理，並依灌區地形分區灌溉，分別為八德、中壢、過嶺、楊梅、富岡、湖口共六個 灌區分區，每區設有工作站，性質同桃園農田水利會之工作站。灌區內共計398 口 埤塘，當中屬該會所有的有101 口，總有效蓄水量達約 1,037 萬立方公尺，可灌溉 面積約6,456 公頃。在研究資料索取方面，對外態度相對保守，不易取得灌區詳細 數據。
2.5.6 水資源利用現況與未來推估
桃園地區人口在民國115 年前呈現增加趨勢，民國 115 年後逐年緩慢減少，在 假設每人每日用水量不變的條件下，生活用水需水量變化不大。然而在工業部分，
由於產業群聚效應及高科技產業發展，加上未來桃園航空城區域計畫，致使工業自 來水需水量大幅增加。自來水需水量由現況之每日113.6 萬立方公尺增加至目標年 120 年每日 135.8 萬立方公尺，增加幅度達 16.3%。雖在板新供水改善計畫二期工 程完工後，已可透過板新淨水廠南調大漢溪支流水源支援北桃園用水需求，但在未 來氣候變遷影響下，如何增加乾旱調適能力以降低缺水風險成為政策決策者必須 思考的重要議題。
表2-1、桃園地區各目標年用水需求資料（水利署，2016）
項目 現況基值 110 年 115 年 120 年 125 年 130 年
人口推估(萬人) 219.50a 224.77 226.00 224.57 223.22 220.43
每人每日用水量(公升/日) 259c 259 259 259 259 259
生活用水需水量(立方公尺/日) 715,204a 745,977 746,522 737,719 737,507 731,851
自來水系統 工業需水量 (立方公尺/日)
現有工業用地 389,660b 404,238 419,691 435,743 457,970 481,331 開發中工業用地 84,869b 156,362 157,361 155,270 155,270 155,270 已編定工業用地 0b 17,675 22,702 29,457 38,392 47,087 合計 474,529b 578,275 599,754 620,471 651,632 683,689 自來水需水量(立方公尺/日) 1,136,637a 1,324,253 1,346,276 1,358,190 1,389,139 1,415,540
研究方法
水市場模擬遊戲中的背景運算程式是否能反映現實情況，對於遊戲結果影響 重大。為此，本研究在遊戲背景運算程式上，以供水系統動力模式反映實際供水傳 輸情況，水稻田水平衡模式計算農業計畫配水量，並於水市場模擬遊戲中計算田間 水平衡狀態。整體研究架構如下圖所示：
圖3-1、研究架構圖
本章第一節以桃園地區為例，演示如何利用Vensim 軟體建構一地區之供水系 統動力模式；第二節則詳述涉及水稻田水平衡計算之水文物理機制。水市場模擬遊 戲內容則於後續第四章中說明。
3.1 水庫供水系統動力模式
本節敘述以石門水庫為主體所建構之桃園地區供水系統動力模式，模式須輸 入三項水源來源（石門水庫入流量、鳶山堰側流量、三峽河入流量），以及各用水 事業的計畫配水量。建構完成後可用於模擬桃園地區日尺度的供水情況與水庫水 情變化。
3.1.1 模式架構概述
供水系統參考水利署(2014；2016)報告書，並以電話聯繫各事業單位（包括石 門水庫管理中心、各淨水廠、農田水利會等），加以確認設施及管線之設計與輸水 限制，進行系統資訊校正、更新、統合。將桃園地區供水系統設施、灌渠、用水單 位等依地理相對位置和水源傳輸方向繪製系統架構簡圖，如圖3-2 所示。水滴符號 表示河川入流量，乃整個供水系統動力模式中水源輸入來源；水源傳輸方向以箭號 表示，傳輸過程須考量損失率；深藍色梯形為水庫，具蓄水功能；淺藍色橢圓形為 淨水廠或淨水水源，供應生活與工業自來水用水；深灰色矩形為農業灌溉圳渠，屬 明渠、非管線；淺灰色矩形為攔河堰，屬取水點，不具備蓄水功能；橘色潤角矩形 為用水單位，包含農業用水、生活用水以及工業用水三種類型用水。
圖3-2、桃園地區供水系統架構簡圖
3.1.2 水源供給與損失
水源供給部分，以石門水庫入流量、鳶山堰側流量、三峽河入流量作為供水系 統的水源供給主要來源，流量資料取得上參考水利署(2014)歷史旬流量資料，再除 以該旬日數換算為日流量資料。
水源損失方面，包括原水處理損失、灌溉渠道輸水損失、其他管線輸水損失、
自來水漏水損失、水庫蒸發損失，共五個項目分點敘述。
(1) 原水處理損失：係指淨水場在處理原水過程中所造成的水源損耗，以 6%估計 之（水利署，2014）。
(2) 灌溉渠道輸水損失：桃園大圳與石門大圳水源分配至各支線灌區時，不同灌區 有不同的輸水損失率，為簡化模式而不分別設定各支線輸水損失率值，此處參 考《106 年農田水利處之數字看板》整理之「農田水利會圳路平均輸水損失率」， 桃園農田水利會灌區整體以17%計；石門農田水利會灌區整體以 16%計。
(3) 其他管線輸水損失：原水輸送非屬(1)、(2)或河川段之水源，假設以 3%反映其 輸水損失，當中輸送至中科院與中油煉油廠的原水亦屬此項目適用對象。
(4) 自來水漏水損失：在淨水廠供水至生活用水、工業用水單位時，會因漏水問題 使得用水單位實際拿到的水量小於淨水場供應的水量。參考台灣自來水公司 民國105 年統計年報漏水率平均值，以 16.16%估計之。
(5) 水庫蒸發損失：參考水利署(2010)所列之石門水庫蒸發量，其值如下表所示。
由於水庫蓄水面積會隨著水庫水位而有所變化，故配合民國 103 年石門水庫 實測水位-容積-面積資料（由石門水庫管理中心提供），將水庫水位換算水庫 蓄水面積後，再乘上表3-1 對應月份之日蒸發量，即可得到每日水庫蒸發量的 概估值。
表3-1、石門水庫各月份日蒸發量
3.1.3 生態基流量
生態基流量的部分，採用水利署報告書中，參照日本生態基流量每100 平方公 里放流每秒0.1~0.3 立方公尺，並考量下游側入流及灌溉回歸水，以石門水庫至鳶 山堰間保留每秒1.8 立方公尺，鳶山堰下游保留每秒 2.3 立方公尺，三峽堰下游保 留每秒0.503 立方公尺為原則（水利署，2005b）。
3.1.4 設施限制與參數
本小節描述建立供水系統動力模式中各事業單位之設施限制，以及系統中所 使用之相關參數，資料參考自水利署(2014；2016)報告書，以及電話聯繫詢問所得。
以下列點說明：
(1) 石門水庫：滿水位 245 公尺；呆水位 195 公尺；滿水位實測有效庫容 202,278,000 立方公尺（石門水庫管理中心，2014）。生態基流量的部分，石門水庫至鳶山 堰間保留每秒1.8 立方公尺，由於至鳶山堰前，板新淨水廠及大湳淨水廠之計 畫配水量額度超過每秒1.8 立方公尺，而鳶山堰以降須保留每秒 2.3 立方公尺 之生態基流量，故在程式設計上，倘若鳶山堰側流量不足以供應鳶山堰下游之 生態基流量的話，石門水庫將須額外放流彌補生態基流量缺口，模式中以
「Support EcoBaseFlow」變數表示之。超出水庫最大有效庫容量之水量，以
「ShiMen Reservoir Overflow」變數表示之。由於本研究後續乃探討歷史乾旱 事件，故水庫運用規線設計參照水利署2017 年《石門水庫運用要點》之規定。
(2) 後池堰：設有桃園大圳取水口，以及平鎮淨水場第二原水抽水站之取水設施。
模式中僅放置元件，未設定限制參數。
(3) 石門大圳：自石門水庫取水，管線輸水限制每秒 16.4 立方公尺，模式中未設 定限制參數。經此圳渠輸水之事業單位包括中科院、龍潭淨水場、平鎮淨水廠、
石門淨水場、石門農田水利會灌區。
(4) 桃園大圳：自後池堰取水，管線輸水限制約每日 145 萬立方公尺（每秒 16.8 立方公尺），模式中未設定限制參數。經此圳渠輸水之事業單位包括中科院、
中油煉油廠、大湳淨水廠、桃園農田水利會灌區。
(5) 龍潭淨水場：原水來源取自石門大圳，設計供水能力約每日 19 萬立方公尺，
實際出水量約每日13.4 萬立方公尺（2018 年電訪資料）。
(6) 平鎮淨水廠：原水來源主要取自石門大圳，少部分由後池堰供應，設計供水能 力約每日60 萬立方公尺，實際出水量約每日 54 萬立方公尺（2018 年電訪資 料）。
(7) 石門淨水廠：原水來源取自石門大圳，引水管線限制約為每日 13 萬立方公尺，
設計供水能力約每日12 萬立方公尺，實際出水量約每日 10 萬立方公尺（2018 年電訪資料）。設有容量 50 萬立方公尺之原水蓄水池，但模式中未考慮其調 度管理功能，僅放置元件，未設定參數。
(8) 中庄攔河堰：設有中庄調整池取水口，但由於缺乏更多關於中庄調整池的數據 資料，本研究暫不考慮中庄調整池於乾旱時期的水源管理調度，將模式中中庄 調整池之引水水量設定為零。
(9) 中庄調整池：於 2017 年 12 月正式啟用，引水自中庄攔河堰，最大庫容量 505 萬立方公尺，引水管線限制每秒10 立方公尺，現下平均每日出水量 2.4 萬立 方公尺，分別供應板新淨水廠和大湳淨水廠，輸水管線限制分別為每日50 萬 立方公尺和每日30 萬立方公尺。
(10) 三峽堰：最大取水量為每日 53 萬立方公尺，供應板新淨水廠原水。堰體下游 保留每秒0.503 立方公尺之生態基流量，其順位優先於板新淨水廠取水需求。
(11) 鳶山堰：有效容量 439.7 萬立方公尺，但模式中未將此容量納入可操作範疇。
堰體東側設有重力與動力導水箱涵，輸水管線限制分別為每日100 萬及 60 萬 立方公尺，輸送至板新淨水廠；堰體西側設第二取水口，以加壓方式反向輸水 至大湳淨水廠，輸水管線限制為每日 35 萬立方公尺。堰體下游保留每秒 2.3 立方公尺之生態基流量，其順位優先於板新淨水廠及大湳淨水廠之取水需求。
(12) 大湳淨水廠：原水來源主要取自鳶山堰，少部分由桃園大圳及中庄調整池供應
（由中庄調整池供應部分，於本研究中假設為零，該水量改取自鳶山堰），設 計供水能力約每日45 萬立方公尺，實際出水量約每日 40.7 萬立方公尺（2018 年電訪資料）。原水來源除了石門水庫核定放流之計畫配水量外，還須將鳶山 堰側流量納入考量。故在模式設計上，扣除生態基流量、板新淨水廠應得之計 畫配水量後，優先提供大湳淨水廠取水，至多每日35 萬立方公尺（輸水管線 限制）。
(13) 板新淨水廠：原水來源優先取自三峽堰，其次取自鳶山堰，少部分由中庄調整 池供應（由中庄調整池供應部分，於本研究中假設為零，該水量改取自鳶山堰）。 鳶山堰剩餘可用之非計畫配水量之原水取水順位次於大湳淨水廠，由於重力 與動力導水箱涵的管線限制不同，模式中以動力導水箱涵之每日60 萬立方公 尺管線限制作為取水之限制條件。除前述原水水源外，當石門水庫水位高於 243 公尺時，須向台北自來水事業處購買每日 30 萬立方公尺淨水；低於 243 公尺時，則須購買每日65 萬立方公尺淨水。設計供水能力約每日 120 萬立方 公尺，實際出水量約每日72 萬立方公尺（2018 年電訪資料），供應北桃園用 水及板新地區用水。
(14) 南北桃園供水管網：用於南北桃園間自來水調度，管線限制為每日 17 萬立方 公尺，模式中由於不考慮南北桃園自來水調度問題，故在數值上假設為零。
(15) 桃竹雙向供水管網：管路設計流量為每日 10 萬立方公尺，目前最大約每日 9 萬立方公尺，乃桃園和新竹間水源調度管線。模式中不考慮跨縣市調度管理，
僅放置元件，未設定參數。
3.1.5 Vensim 建模
使用Vensim 軟體將上述水源傳輸關係、限制參數建構成石門水庫供水系統動 系模式，設定時間單位為「日」，時間長度為365，主要使用的元件為「Variable」、
「Shadow Variable」、「Arrow」、「Rate」。「Variable」可以在創建後再進行更動，例 如添加外框、更改顏色、更改變數類型，其中模式內使用之變數類型包括「Auxiliary」、
「Constant」、「Level」、「Lookup」。「Auxiliary」變數可依其所連結的其他元件設定 變數計算公式(Equations)，會隨著其他關連變數變動；「Constant」變數為一固定常 數值，例如各項輸水損失係數。特別注意的是，由於後續會再將Vensim 檔轉換為 Python 檔，透過 Python 語法進行資料匯入會較為簡單方便，故在 Vensim 這端，先 暫時將須由外部匯入資料的變數設定為「Constant」變數（例如入流量資料），亦方 便執行Check Model 時不會跳出未匯入資料的錯誤；「Level」變數具有積分(INTEG) 公式，可給定初始值(Initial Value)，適合作為水庫的變數類型；「Lookup」變數為
「Auxiliary」變數的子類型(Sub-Type)，可參照一關聯變數的值，進行查表(Table) 得值，使用於日期對應水庫運用規線變數設計，以及水庫有效庫容量對應水庫水位、
面積之變數設計。「Shadow Variable」可視為「Variable」的分身元件，模式中該字 體顏色以灰色表示，用於方便連結其他變數元件（例如連結不同的結構視圖時）、
使結構視圖頁面簡潔。「Shadow Variable」僅能指向其他變數元件，不能作為被指 向的對象，所有關聯的變動將與原「Variable」同步。「Arrow」元件乃連結變數關 係的主要元件，模式中被大量使用，無法設定數值，僅建立變數間的關聯。「Rate」
元件不同於「Arrow」元件，除了連結變數關係外，本身具變數特性，可設定值或 公式，模式中用於表示水的傳輸，其關聯端若無元件，則會以「雲符號」代替。
整個模式內容共包含四個結構視圖(view)：System Model、Allocation Rule、WPP Allocation Proportion、Transfer Ratio，以下分點敘述。
System Model
System Model 結構視圖呈現各用水單位間的互動關係與水資源流向，當中所 使用的配水量、限制參數則寫在其餘三個結構視圖中，以利版面整潔，見圖 3-3。
由於最終執行交易實驗時，會涉及到農業與工業之間計畫配水量轉移問題，從水庫 的角度來說，因買賣雙方交易的乃計畫配水量（詳細交易機制於 4.2 節說明），除 了農業方賣剩的計畫配水量可被水庫收回外，其餘部分均按照《石門水庫運用要點》
依水庫水位執行供水打折與配送。但下游接收端由於收到的實際水量需經過供水 打折與輸水損失，對工業方而言，購買而得的計畫配水量原屬於農業方所擁有，在 打折部分採用農業用水的打折規定，如此在終端計算實際獲得水量時將變得複雜，
因為交易機制與計畫配水量並沒有一併寫在此模式中（為了維持模式的可擴充性）。 基於上述原因，為使各單位的實際獲得水量容易計算，模式中暫且將輸水損失參數
（包括管線輸水損失、灌溉渠道輸水損失、原水淨水損失）設為零，經過交易計算 而得的水量再各自乘上輸水損失加以概估實際獲得水量。
中庄調整池於民國106 年 12 月正式啟用，主要功能為颱風期間維持低濁度原 水取水和平日石門水庫庫容調蓄。由於目前中庄調整池相關研究有限，且後續交易 機制中初步僅探討農業與工業，並未將政府單位納入決策者中，是故在模式運作上，
暫時不考慮將中庄調整池的調蓄能力納入計算或交易，涉及該部分的參數值暫時 假設為零。
圖3-3、石門水庫系統動力模式-System Model View
Allocation Rule
Allocation Rule 結構視圖中（見圖 3-4），主要撰寫石門水庫計畫配水的對象，
包含：石門農田水利會（石門大圳）、桃園農田水利會、石門淨水廠、龍潭淨水場、
平鎮淨水廠、板新淨水廠、大湳淨水廠、中山科學研究院（中科院）、桃園中油煉 油廠（中油）。計畫配水量數值上在模式中使用「Constant」變數設定為零，後續須 再由外部匯入資料。匯入的資料主要採用民國 105 年石門水庫灌溉及給水計畫配 水量（104 年 11 月 20 日審定版）資料，而農業計畫配水量的部分於本研究中將被 重新訂定。
圖3-4、石門水庫系統動力模式-Allocation Rule View
WPP Allocation Proportion
WPP Allocation Proportion 結構視圖中(見圖 3-5)，撰寫與淨水廠相關聯的配水 比例關係，並不包含農業、中科院、中油用水，主要用於計算下游端子分支如何依 比例關係分配來自上游端的水量。
圖3-5、石門水庫系統動力模式-WPP Allocation Proportion View
Transfer Ratio
Transfer Ratio 結構視圖中(見圖 3-6)，撰寫 System Model 結構視圖中幾個水量 匯聚-分配點的水量分配比例，匯聚-分配點包含：石門水庫、後池堰、石門大圳、
桃園大圳、中庄攔河堰。功能與WPP Allocation Proportion 結構視圖相似，主要用 於計算下游端子分支如何分配來自上游端的水量，但涵蓋所有用水類別。
圖3-6、石門水庫系統動力模式-Transfer Ratio View
3.2 水稻田水平衡模式
本節描述設計水稻田水平衡模式所使用之公式、假設、參考資料，由於本研究 地區為桃園地區，故在引用參考文獻時，以現地資料為優先。此模式用於最終進行 遊戲模擬時，計算農業方修正計畫配水量以及水稻收穫情況。
3.2.1 架構說明
參考李苑華(2018)水稻田水平衡模式設計方式，將水田分為土表以上之湛水層 和土表以下之耕壤層（泥濘層），耕壤層底部接鄰硬盤層（牛踏層），硬盤層底下則 為非耕層，配合本研究後續採用各項參數之特性，繪製水稻田水平衡示意圖如下：
圖3-7 中，下標 t 所指為日期（天數）；IR 為實際灌溉用水量；ER 為田間有效 降雨量；ET1為湛水供應之田間蒸發散量；ET2為土壤供應之田間蒸發散量；Inf 為 入滲量；H 為田間水面高度；h 為有效田埂高度；Output 為降雨造成之溢流或斷水 排乾之水量；Smmax為最大土壤含水量（飽和含水量）；Sm 為土壤含水量；FC 為 田間容水量；WP 為凋萎點含水量；PV為垂直滲漏量；PH為水平滲漏量；耕壤層 深度以40 公分作為模式假設（洪毓謙，1999）。
計算上，先設定初始田間水面高度(Ht)和土壤含水量(Smt)，以及土壤含水特性 參數、水稻灌溉湛水深(DP)、作物係數(Kc)、有效田埂高度(h)等參數，接著便可計 算土壤可用水量(Sa)、土壤可用水量差額(∆Sa)和滲漏量(P)；配合輸入之水文、氣象 參數，可計算田間蒸發散量(ET)，進而拆分成 ET1與ET2；由前述所得參數，可計 算田間有效降雨量(ER)；算得 ER 後，配合既得參數資料可計算灌溉需水量(IWR)，
IWR 以湛水與否分成兩種計算公式；算得 IWR 後，限制實際灌溉水量(IR)小於等 於IWR，由現行所得參數與 IR 可計算入滲量(Inf)；至此，所有所需參數均計算完 畢，可分別求得該日最終田間水面高度(Ht+1)與土壤含水量(Smt+1)。以下接續之各 章節依此參數計算順序陳述。
圖3-7、水稻田水平衡示意圖
3.2.2 土壤含水特性
桃園大圳灌區土壤組成占比約為：粘質土壤39%，砂質土壤 26%，輕粘土 18.6%，
砂質粘土 16.4%；石門大圳灌區則約為：粘壤土 60%，粘土 20%，砂壤土 20%。
「粘質土壤」、「粘壤土」對應「clay loam」；「砂質土壤」、「砂壤土」對應「Sandy loam」；「輕粘土」、「粘土」對應「clay」；「砂質粘土」對應「Sandy clay」。土壤特 性參考Saxton 和 Rawls (2006)，當土壤含水量低於凋萎點(wilting point, WP)時，植 物便無法從土壤吸取水分，即使土壤含水量不為零。旱田在土壤含水量呈現飽和狀 態(saturated condition)時，滲漏快速，使得土壤水分降至田間容水量(field capacity, FC)；但水田則因具有保水特性，滲漏速率慢，從飽和狀態降至田間容水量的過程 是需要數天以上的，因此對水田而言，最大土壤可用水量(max total available water, TAW)並非田間容水量與凋萎點的差值，而是飽和狀態含水量(即孔隙率，∅)與凋萎 點(WP)的差值。土壤鹽度會影響植物根部吸收土壤水分的能力，但本研究中未將 土壤鹽度納入考量並修正其誤差。計算適用於水田之最大土壤可用水量，與飽和含 水量、田間容水量、凋萎點、飽和水力傳導度合併製成水田土壤特性表(表 3-2)，
須注意表3-2 中最大土壤可用水量乃針對水田特性設計，非一般土壤特性的計算方 式。
資料來源：Saxton and Rawls(2006)，修正最大土壤可用水量 表3-2、水田土壤特性表
土壤性質 飽和含 水量[%]
田間容 水量[%]
凋萎點 [%]
最大土壤可 用水量[%]
飽和水力傳導 度[mm/hour]
粘質土壤/
粘壤土 48 36 22 26 4.3
砂質土壤/
砂壤土 45 18 8 37 50.3
輕粘土/
粘土 50 42 30 20 1.1
砂質粘土 44 36 25 19 1.4
以前述灌溉區域內土壤組成占比作為權重，計算飽和含水量、田間容水量、凋 萎點、最大土壤可用水量及飽和水力傳導度合併整理於表3-3 中。
土壤深度(SD)在本研究中假設為一定值，為 40 公分，下接 20 公分厚的硬盤層
（牛踏層）。將百分比乘上土壤深度，可轉換成毫米單位，以利在單位上與後續方 程式相接，整理如表3-4。
土壤可用水量(Sa)為土壤含水量與凋萎點間的差值，最小為零不為負值，方程 式如下：
Sat= max { 0, Smt− WP } (3-1) Sat：第t 天之土壤可用水量(available soil water content)[mm]
Smt：第t 天之土壤含水量(soil moisture content)[mm]
WP：凋萎點含水量(Wilting point water content)[mm]
當土壤含水量(Sm)大於田間容水量(FC)時，則存在滲漏量 P（詳見 3.2.3 小節）； 反之，當土壤含水量小於等於田間容水量時，滲漏量為零。在實際灌溉用水量(IR) 加上田間有效降雨量(ER)仍小於田間蒸發散量(ET)的情況下，不足的作物需水差額 可由土壤可用水量(Sa)提供，亦即土壤具有一定程度的水分儲存、調節供給的能力。
表3-3、桃園地區水田土壤特性表-1
灌區 飽和含
水量[%]
田間容 水量[%]
凋萎點 [%]
最大土壤可 用水量[%]
飽和水力傳導度 [mm/hour]
桃園大圳灌區 46.94 32.44 20.34 26.60 15.19 石門大圳灌區 47.80 33.60 20.80 27.00 12.86
表3-4、桃園地區水田土壤特性表-2
灌區 飽和含水
量[mm]
田間容水 量[mm]
凋萎點 [mm]
最大土壤可 用水量[mm]
飽和水力傳導 度[mm/day]
桃園大圳灌區 187.74 129.74 81.36 106.38 364.54 石門大圳灌區 191.20 134.40 83.20 108.00 308.64
土壤可用水量與最大土壤可用水量間的缺額，以∆Sa 表示，方程式如下：
∆Sat= TAW − Sat (3-2)
∆Sat：第t 天之土壤可用水量缺額[mm]
TAW：最大土壤可用水量[mm]
Sat：第t 天之土壤可用水量[mm]
雖然理論上在凋萎點以上的水分屬於植物可利用的部分，但在土壤含水量下 降至凋萎點的過程中，超過一臨界值時，植物根部吸收土壤水分的能力將受到限制。
該臨界值以上至飽和含水量的水量，以易得可用水量(readily available water, RAW) 稱之，將用於後續計算水分逆境係數(water stress coefficient, Ks)，其公式如下：
RAW = max { 0, Smt− ai } (3-3) RAW：易得可用水量[mm]
Smt：第t 天之土壤含水量(soil moisture content)[mm]
ai：土壤水分逆境臨界含水量[mm]，i = 1 為湛水時期；i = 2 為非湛水時期
消耗係數(p)乃土壤水分逆境發生之前，植物根層從最大土壤可用水量(TAW) 所消耗水分之比率，其值視不同植物而定，且受到該日作物蒸發散大小影響。此處 參考Allen 等人(1998)研究之稻米消耗係數，在土壤水分飽和、最大作物蒸發散量 (ETx)為每日 5 mm 時，p 值為 0.2，並配合下式進行修正：
pa= pi+ 0.04 × (5 − ETx) (3-4) pa：調整後消耗係數[無因次]
pi：消耗係數[無因次] ，i = 1 為湛水時期；i = 2 為非湛水時期 ETx：最大作物蒸發散量[mm/day]，詳見 3.2.4 小節
