整合物質流分析與生命週期評估探討台灣水-能源-糧食交織系統的環境衝擊

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國立臺灣大學工學院環境工程學研究所碩士論文

Graduate Institute of Environmental Engineering College of Engineering

National Taiwan University Master Thesis

整合物質流分析與生命週期評估探討台灣水-能源-糧食交織系統的環境衝擊

Integrating Material Flow Analysis with Life Cycle Assessment to Analyze Environmental Impacts of Water-

Energy-Food Nexus System in Taiwan

馮國倫 Kuo-Lun Feng

指導教授：馬鴻文博士 Advisor: Hwong-Wen Ma, Ph.D.

中華民國 108 年 6 月

June, 2019

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口試委員審定書

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誌謝

論文寫到這一章節，標誌著研究生涯暫告一段落，算是揚眉吐氣了。回首這一路走來也許不算順遂，當中面對挫折曾多次想選擇逃避，也一直擔心自己的論文是不是廢文。還好有許多貴人相助，使我能提起勇氣，勉勵自己學習如何克服困難才能使自己成長，並且不辜負這難得的著書立說的機會。還好論文口試的結果叫人驚喜，能得到口委老師闕蓓德老師、陳起鳳老師的讚可。感謝老師們的抬舉，也非常感謝兩位老師出於希望此文能夠更有價值而提出的寶貴建議。

細數在研究所學習歷程的貴人，首先要感謝馬家班的大家長-馬鴻文老師，老師憑藉著過人的智慧，像修行多年的老師父，在學術思維或是人生哲學點出關鍵要害，帶領我經歷生命全方面的進步。在論文實務能力培養方面，首先感謝碩班第一年的怡君學姐，教導我如何寫文章讓人看得懂，怡心學姐教導我如何系統性的思考問題，雖然兩位後來都喬遷了，但這些觀念都成為我重要的基礎養分。碩二之後的孟儀學姐，分享論文簡報製作方面的建議，培群學長激發我思索論文的價值，秀靜學姐以寫寓言故事作比喻幫助我統整散亂的論文結構。也感謝同儕好友，玉潔願意當我論文故事的聽眾，憲瑋和楊松在論文瓶頸時的相互鼓勵。

其他還要感謝的有儷瀠姊，協助在研究室庶務的部分，智榮學長陪我一起去修日文和練習游泳，富威分享的人生閱歷，佳芸分享在做學問或處事上不的同觀點。

至於其他碩班的好同學族繁不及備載，相信在茫茫人海中能夠萍水相逢，一切都是善緣。我也要感謝我的父母，讓我能無憂無慮的專注學習沒有後顧之憂。總之，需要感謝的人太多，不如就謝天吧！

馮國倫謹誌於國立台灣大學環境工程學研究所 108 年 6 月

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摘要

隨水、能源、糧食資源需求與關聯性日益增加，水能糧資源管理策略的選擇從以往以解決單一問題為導向的思維模式，逐漸被考量資源彼此鍵結關係的交織思維方式所取代。同時考量三者間相互依賴和影響的關係，被認為能避免問題轉移與帶來好處。

WEF Nexus 概念雖已被廣泛接受，但因其涉及的面向廣且相對新穎，目前多數WEF Nexus 相關文獻僅為替水能糧資源管理策略點出指導方針，對於管理策略的選擇並無一套系統性分析的標準方法。因水能糧資源之間的關聯性錯綜複雜，若透過運用定量評估工具提供將議題數值化的方法，能使決策者有更好的決策依據。

本研究即欲運用定量評估工具，從都市代謝的角度出發，以我國為案例分析大尺度水能糧系統環境衝擊之間的關聯性，以供決策參考。

工具選擇上，將物質流分析與生命週期評估進行整合。運用物質流分析釐清水能糧資源從生產到消費過程，以了解各社會經濟部門與水能糧資源部門的角色與作用。再以生命週期評估方法量化環境衝擊作為評估指標。在整體衝擊計算上特別區分水能糧子系統與交織總系統兩種計算方式。同時為檢討資源流量交織係數對結果的影響性，以現況水能糧物質流分析為基礎建立交織關係係數矩陣，針對交織係數進行敏感度分析，而後以目前政府對未來水能糧資源管理策略為情境調整交織係數，以多部門策略情境與單部門策略情境交互比較，觀察多部門策略下策略之間的交互影響作用。由敏感度分析與情境分析的結果，評估在資源需求相同下因為交織關係改變對不同系統環境衝擊的影響。

由現況物質流分析盤查資源流量與流向的結果所建立的交織係數矩陣，可以發現我國以自來水系統、煉油、汽電共生、熱電電廠、灌溉、畜牧、養殖等過程需

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最終產品為需要的雙向關係，故相關最終產品環境衝擊受彼此牽動。

依ReCiPe 方法評估環境衝擊之中點類別衝擊指標，在現況水能糧供應結構下，

總系統之公用電力在氣候變遷等五項衝擊項；油品在臭氧耗用、游離輻射；自來水在金屬耗用；畜牧產品在陸地生態毒性對衝擊的貢獻最大。其中公用電力以工業需求最大，自來水、畜產品以住宅部門需求最大，油品以出口需求最大。

從現況子系統環境衝擊交織關係上來看，水系統除人體健康、海洋毒性、水資源耗用、金屬耗用項外，能源系統對其餘衝擊影響力巨大。能源系統衝擊貢獻多來自於自身，水系統僅對水資源耗用項具有影響力。糧食系統臭氧耗用、游離輻射、燃料耗用能源系統對其具有一定影響力。

以現況為基礎分析16 項交織係數的對衝擊結果的敏感度，發現係數以漏水率對總、水、能系統在溫室氣體、水資源耗用與金屬耗用影響力皆為頭幾大。

以情境分析未來資源管理策略的結果發現，目前政府主要規劃之水能調適策略同時採用的情境，相較於採用單一策略的情境，總系統在陸地生態毒性、淡水生態毒性等衝擊項目衝擊更上升，在水資源耗用、金屬耗用等衝擊項目更具環境效益。但若以子系統來看，對水系統而言在如氣候變遷等七項衝擊項，新興水資源開發計畫造成之衝擊雖在非核家園發電結構下有所減緩，但仍高於基本情境，

主要還需靠自身改善水能交織係數。

本研究運用物質流分析結合生命週期評估的方法，將複雜多樣的水能糧資源產品換成環境衝擊指標，使得不同類型資源得到統一的比較標準，並評估不同情境水能糧技術組合下，水能糧系統之間的關聯性。藉由本研究增進對水能糧交織代謝的了解，以期能促進跨部門的協同合作。

關鍵字：水-能源-糧食交織、物質流分析、生命週期評估、都市代謝、資源調適策略評估

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Abstract

As water, energy and food resource demands and interdependencies continue to increase, the WEF resource management strategies of a single problem-oriented thinking mode have been gradually replaced bythe nexus thinking mode attaching importance to the relationship between different resources. By this way, it is considered to avoid problem transfer and bring co-benefits.

However, although the WEF Nexus concept has been widely accepted, most of the current literature on WEF Nexus only provides guidelines for resource management.

There is no standard method for decision making. On account of complex relationship between WEF resources, if quantitative assessment tools are used to provide numerical result for the issue, decision makers can have better decision-making basis. This study intends to use quantitative assessment tools to analyze the correlation of environmental impacts between water, energy and food resources systems on large scales from the perspective of urban metabolism.

This study integrates material flow analysis (MFA) with life cycle assessment (LCA) as the tool. MFA is used to clarify the process of water, energy and food from production to consumption to understand the role of various socio-economic sectors and WEF sectors.

LCA is used to quantify environmental impact as an evaluation indicator. In the overall impact calculation, the two calculation methods of the WEF subsystem and the total system are distinguished. At the same time, in order to observe the influence of resource nexus relationship on the result, the nexus coefficient matrix established on the basis of the current scenario material flow analysis is used to locate the most influential process in the nexus system regarding environmental impact by a sensitivity analysis. Then, based

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on the current government's management strategy for the future WEF resources, the nexus coefficient is adjusted as the future scenarios, and the multi-sector strategic scenario are compared with the single-sector strategic scenario. From the results of sensitivity analysis and scenarios analysis, the influences of changes in nexus relationships on the environment impactd of the different system is evaluated under the same resource requirements.

By the current scenario MFA, it is found that water treatment, oil refining, steam and electricity symbiosis, thermoelectric power plant, irrigation, livestock, and aquaculture processes require WEF resources which are in the boundary. Among them, the water supply plant, the public power plant, the steam and electricity co-generation plant, and the refinery have bidirectional relationship with each other's final products as needed, so the environmental impact is affected by each other.

The midpoint indicators displayed ReCiPe methodology is applied to evaluate the environmental impact. From the current scenario environmental impact result of the total system, the public power contributes the most on seven impact categories such as climate change; the oil product contributes the most on fossil depletion ozone depletion, ionising radiation; the tap water contributes the most on metal depletion; the livestock products contributes the most on terrestrial ecotoxicity. Among them, the public power is the most demanded by the industrial sector; the tap water and the livestock products is the most demanded by residential sector; the oil product is the most demanded by the export.

From the current scenario environmental impact result of the subsystem, excluding human toxicity, marine ecotoxicity, water depletion, and metal depletion, the energy system has a main contribution on the rest of the impact in the water system. By contrast, the main contribution of energy system impacts comes from itself, and only on water

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depletion, ionising radiation, and fossil depletion energy systems is influential.

The sensitivity of the 16 nexus coefficients to the current scenario impact results is analyzed. It is found that the coefficient of water leakage is the first to influence the total, water and energy systems on climate change, water depletion and metal depletion.

The future scenarios analysis shows that the water-energy bi-strategy scenario has more impact than the single-strategy scenario on terrestrial ecotoxicity and freshwater ecotoxicity; and more improvement on water depletion and metal depletion for total system. In contrast with total system, for water system, on seven impact categories such as climate change, the impact of the water resources development plan has slowed down under the non-nuclear home power generation structure, but it is still higher than the basic scenario. It is mainly necessary to improve the water energy nexus coefficient by itself.

In conclusion, this study uses material flow analysis combined with life cycle assessment methods to convert a variety of products from resource quantities to environmental impact indicators as a unified comparison standard, and assess the environment impact relationship between WEF systems under different scenarios of water-energy technologies. Through this study, we improve the understanding of the metabolism of WEF nexus systems, with a view to promoting cross-sectoral synergy benefit.

Keywords: Water-Energy-Food Nexus, life cycle assessment, material flow analysis, urban metabolism, scenarios analysis

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圖目錄

圖2-1 斯德哥爾摩環境研究水-能源-糧食交織概念模型（Hoff, 2011） ... 8

圖2-2 不同發電機組生命週期水資源使用量(Meldrum, 2013) ... 12

圖2-3 水資源生命週期不同階段的能源需求(Siddiqi & Anadon, 2011) ... 13

圖2-4 IRENA 增量風險評估矩陣(IRENA，2015) ... 19

圖2-5 物質流系統概念圖(Li and Kwan, 2018) ... 24

圖2-6 ILCD 生命週期評估框架(ILCD, 2010) ... 35

圖2-7 我國近十年平均水資源利用量分配(經濟部水利署，2016) ... 43

圖 2-8 我國 104 年以熱量計算之糧食自給率(農委會統計資料) ... 47

圖3-1 本研究研究方法流程 ... 51

圖3-2 以物質流為基礎建立之 WEF Nexus 系統示意圖 ... 52

圖3-3 Sankey 圖應用於能源流使用範例(Ma et al., 2012) ... 55

圖3-4 Nexus 系統生命週期評估盤查分析範疇 ... 56

圖3-5 本研究 MFA 端點與 LCA 之關聯性示意圖 ... 57

圖3-6 本研究功能單位選擇示意圖 ... 58

圖3-7 資源互為投入示意圖 ... 59

圖3-8 ReCiPe LCIA 方法(Goedkoop et al. 2009) ... 60

圖3-9 敏感度分析/情境分析操作流程 ... 65

圖3-10 本研究 WEF Nexus 代謝系統概念模型 ... 66

圖 3-11 民國 120 年用水量結構規劃（經濟部水利署，2013） ... 78

圖3-12 台電長期電源開發方案(台電，2018) ... 81

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圖4-1 現況 WEF Nexus 系統最終產品流向 ... 88

圖4-2 現況水資源系統物質流分析(單位:流量占比%) ... 93

圖4-3 現況能源系統物質流分析(單位:熱值占比%) ... 96

圖4-4 現況糧食系統物質流分析(單位:重量占比%) ... 99

圖4-5 需求端部門需求強度比較雷達圖 ... 102

圖4-6 現況水能糧子系統環境衝擊比較 ... 105

圖4-7 現況能源在水系統環境衝擊貢獻 ... 105

圖4-8 現況水在能源系統環境衝擊貢獻 ... 106

圖4-9 現況水與能源在糧食系統環境衝擊貢獻 ... 107

圖4-10 現況各最終產品對總系統衝擊之貢獻占比 ... 109

圖4-11 現況需求端部門對總系統衝擊之貢獻占比 ... 110

圖4-12 氣候變遷敏感度分析結果(kg CO2 eq) ... 114

圖4-13 水資源耗用敏感度分析結果(m³) ... 115

圖4-14 金屬耗用敏感度分析結果(kg Fe eq) ... 116

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表目錄

表2-1 WEF Nexus 安全性改善建議(Wakeford, 2015) ... 15

表2-2 不同地區資源議題(UN Water, 2015; Wakeford et.al., 2015; Hoff, 2011) ... 17

表2-3 彙整近兩年之宏觀尺度之 WEF nexus 研究案例 ... 21

表3-1 本研究水能糧子系統物質流分析端點定義 ... 53

表3-2 本研究關注之 ReCiPe 中點衝擊類別 ... 60

表3-3 交織關係連動計算式各矩陣意義(各端點定義參見表 3-1) ... 64

表3-4 現況水資源物質流盤查資料來源 ... 69

表3-5 能源耗水係數表 ... 70

表3-6 水資源耗能係數表 ... 72

表3-7 水系統處理端程序單元生命週期盤查分析 ... 74

表3-8 能源系統處理端程序單元生命週期盤查分析 ... 75

表3-9 糧食系統處理端程序單元生命週期盤查分析 ... 76

表3-10 水資源調適策略新增之程序單元 ... 79

表3-11 能源調適策略各機組發電量配比 ... 81

表3-12 未來情境能源需求成長量 ... 82

表3-13 未來情境基本設定 ... 83

表4-1 現況水能糧物質流六大端點程序單元 ... 86

表4-2 我國 WEF Nexus 系統交織節點分析 ... 87

4-3 間接需求投入係數矩陣𝑋1 ... 89

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表4-4 處理端投入係數矩陣𝑌1 ... 89

表4-5 輸配損失係數矩陣𝑍1 ... 90

表4-6 現況水資源系統物質流各單元間流量 ... 94

表4-7 現況能源系統物質流各單元間流量 ... 97

表4-8 現況糧食系統物質流各單元間流量 ... 100

表4-9 途徑編號相對應之矩陣位置 ... 111

表4-10 敏感度分析+30%對環境衝擊項的變動率 ... 113

表4-11 未來情境交織係數矩陣設定 ... 119

表4-12 不同情境最終產品總需求量 ... 120

表4-13 不同情境端點流量變化量分配(單位同表 4-12) ... 120

表4-14 不同情境單位產品環境衝擊 ... 122

表4-15 不同情境相較 2016 年系統別衝擊變化量(單位同表 3-2) ... 123

表4-16 不同情境衝擊結果交互比較 ... 124

表4-17 不同情境子系統環境衝擊 ... 128

表4-18 情境 IV 相較情境 II 子系統產品別環境衝擊變化量 ... 129

表4-19 情境 IV 相較情境 III 子系統產品別環境衝擊變化量 ... 129

表4-20 情境 IV 子系統端點流量變動率 ... 130

表4-21 情境 IV 相較情境 II 單位產品衝擊變動率 ... 130

表4-22 不同情境總系統環境衝擊 ... 132

表4-23 情境 IV 相較情境 II 總系統產品別環境衝擊變化量 ... 133

表4-24 情境 IV 相較情境 III 總系統產品別環境衝擊變化量 ... 133

表4-25 情境 IV 總系統端點流量變動率 ... 133

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第一章前言

1.1 研究動機

隨著全球經濟發展，全球總人口數、都市人口將分別由 2009 年的 68 億、29 億(約占總人口 50%)成長至 2050 年的 91 億、63 億(約占總人口 70%)，當中中產階級人口亦將成長兩倍(UNDESA, 2009)，人口成長與生活條件改善的背後也意味著對資源需求量增加，在地球負荷能力有限下有效的分配資源是需要克服的問題。諸多資源當中，水、能源、糧食三項維持社會運作的基本資源最被廣泛討論，三項資源顯著影響區域、國家或地區的穩定發展。國際可再生能源機構(IRENA)於 2015 年所作的研究報告以當代對資源需求的成長幅度對未來資源需求做預測，推估到了 2050 年全球的水、能源、糧食需求將分別再增加 55%、80%和 60%，如何滿足這些需求會是嚴峻的挑戰。

然而，分析水、能源、糧食安全性議題時，不能忽略掉資源間相互依賴的關係，

增加單一資源的供給，將使得對其他兩者的需求增加，以至於可能形成新的問題。

斯德哥爾摩環境組織於 2011 年在德國 Bonn 的研討會，首次使用水、能源、糧食交織(WEF Nexus)一詞描述三項基本資源互相依賴的關係。該研討會會議報告強調，

以過去的經驗，傳統針對單一某項資源供需風險分析方法缺乏通盤的考量，將可能造成其他資源的風險而做出錯誤決策，反之 Nexus 思維能強化整合性的資源效率

（Hoff, 2011）。以交織(Nexus)角度評估水、能源、糧食資源的方法遂逐漸在國際間被討論(中技社，2016)。

WEF Nexus 相關研究的特色為通盤考量水、能源、糧食三個資源的互動，其精神在於提高資源的使用效率的同時，希望減少資源衝突的情形，避免權衡(trade- off)。水能糧資源錯綜複雜的關係，若能透過建立定量評估工具，提供將議題數值

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化的方法，將使決策者有更好的決策依據。然而因WEF Nexus 議題涉及的層面廣，

除了資源本身外還包括氣候變遷、經濟效益與資源分配等不同面向，牽涉許多不同領域，故國際上對WEF Nexus 現階段的討論多停留在定性描述，相關定量討論的研究相對較少，研究上目前仍處於初步發展階段。且因為區域、國家或地區所牽涉的層面有所差異，如區域層面可能涉及國際跨境資源的衝突而地區則更關注於部門對資源的競爭。此外WEF Nexus 議題具有高度的地域特性不同地域也因自然、

人文條件差異面臨的水、能源、糧食資源挑戰並不相同，對於水能糧資源決策有不同的考量。因此，依不同決策目標或地域特性所發展出的WEF Nexus 評估工具有所差異，未必適用所有地區，歸納而言多以探討資源的安全性為主。

我國國土面積狹小卻人口眾多，資源缺口高度仰賴進口補足，探討WEF Nexus 議題時，若以國際上較常討論的資源自給率等安全性的角度探討，則短期內的改進空間有限，反而是以都市代謝的角度增進WEF Nexus 系統在環境面的永續性是可以進一步觀察與探討的。隨著資源需求仍將不斷擴大與氣候變遷帶來的不穩定因素，我國將同時面臨能源需求持續成長與水資源缺乏兩種困境，環境負荷與資源壓力日益沉重。在如此嚴苛條件，調適策略的選擇必須有一套有效的評估機制。因此本研究欲藉由量化評估工具來釐清社會經濟體等宏觀尺度之環境衝擊在水能糧系統之間的關係，以便辨認和評估在社會經濟體繼續增長時需要考慮的權衡和如何促進協同(synergies)作用。

工具選擇上，環境管理常用的永續定量評估工具包括物質流分析、能源流分析、

足跡(foot print)評估、生命週期評估、投入產出分析等等皆已出現 WEF Nexus 定量評估上。其中物質流與能源流分析，透過了解特定時間下能資源空間的流量流向，

便於建立水能糧的鏈結系統模型利於操作交織關係與資源供需情境，然而常需要搭配量化指標。生命週期評估則是量化環境衝擊的良好工具，比足跡評估工具能呈現更多環境衝擊面向的資訊，其bottom-up 的盤查方式也較 IO 工具更具操作上的

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彈性，然而也喪失如IO 等 top-down 方式的全面性，難以確定盤查邊界。本研究欲將物質流分析與程序生命週期評估進行整合，藉由物質流分析彌補生命週期評估宏觀分析上的不足，盤查我國水、能源、糧食資源從原料取得、處理到各部門使用等階段的流量與流向並釐清資源間交織關係，再以生命週期評估將WEF Nexus 系統所造成的環境衝擊量化，希望能對台灣WEF Nexus 系統的環境衝擊提出改善的建議。

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1.2 研究目的

WEF Nexus 議題核心旨在確定水、能源、糧食系統的權衡和協同作用，避免衝擊轉移，以助於跨部門整合政策的制定。本研究欲整合物質流與生命週期評估方法，由都市代謝的觀點以社會經濟體等大尺度之WEF Nexus 系統為目標，分析水能糧環境衝擊之間的關聯性。運用物質流分析善於表達能資源時空特性，釐清水、

能源、糧食資源從生產到消費過程，以了解各社會經濟部門與水能糧資源部門的角色與作用，並藉此將水、能源、糧食子系統彼此的供需流量關係加以鏈結，確立資源間的交織關係。再以生命週期評估方法作為評估指標，量化分析WEF Nexus 系統潛在的環境衝擊，特別區分水能糧子系統之衝擊結果與整體 Nexus 系統之衝擊結果兩個面向作探討，評估不同情境在不同衝擊項目與不同系統之間環境衝擊結果的關係。藉由發揮兩個工具的特點，以我國為案例，檢視我國WEF Nexus 系統的環境衝擊，提出可能改善的空間，期望作為強化我國WEF Nexus 系統跨部門永續決策的參考依據。

茲將本研究目的分述如下：

1. 以物質流分析方法建立我國之WEF Nexus 系統，並確立水能糧子系統間之流量與流向交織關係。

2. 藉由物質流結合生命週期評估方法，量化分析大尺度WEF Nexus 系統之環境衝擊，並比較物質流流量熱點與環境衝擊熱點。

3. 計算在滿足相同水能糧資源需求的前提下，資源交織關係變化位置不同對環境衝擊結果之敏感度。

4. 評估未來水能糧不同部門策略情境對環境衝擊結果之交互影響。

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1.3 研究架構

本研究研各章節架構及內容說明如下：

第一章、前言

本章節說明本研究動機、研究目的與研究架構。

第二章、文獻回顧

本章節首先於2.1 節介紹 WEF Nexus 議題研究之發展脈絡，點出研究缺口。再於2.2 與 2.3 節針對本研究使用之工具物質流分析與生命週期評估方法學的應用與工具特色進行回顧。2.4 節藉由政府相關報告，點出我國水、能源、糧食資源發展背景與未來趨勢，以了解當前面臨的資源問題與政府之對策。

第三章、研究方法

本章節說明物質流分析與生命週期評估方法是如何進行整合用以分析WEF Nexus 系統。所採用的研究策略是案例研究，透過實際案例下研究現象的實證、描述和探索性研究。以我國為案例，3.2 節將會詳盡描述研究案例與案例相關資料來源。

第四章、結果與討論

本章節係對以我國WEF Nexus 系統為案例研究，對得到的結果進行分析與闡釋。

第五章、結論與建議

本章總結本研究的成果，並對未來的研究方向提出建議。

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第二章文獻回顧

2.1 水-能源-糧食交織

2.1.1 水-能源-糧食交織議題發展背景

水、能源、糧食，是滿足現代社會的基本資源，為人類社會生存和持續發展所必須。水-能源-糧食交織議題之根源，基本上源自於對於未來資源取得的不確定性因素快速增加，需要強化資源獲取方式的穩健性以減少不確定性因素所帶來的風險。

未來資源取得的不確定性因素主要源自於需求成長、環境劣化、氣候變遷等方面。在需求成長方面，隨著人口增加、都市化、經濟發展以及消費模式轉變，全球對於水、能源、糧食的需求還將大幅增加，預計未來半個世紀能源，食品和水的需求將大幅增長，根據IRENA(2015)的報告書指出，在 2050 年糧食、能源與水資源的需求將遠高過當前的供給，與當前相比水、能源、糧食將分別再增加55%、80%、

60%的需求量，資源將開始面臨供給不足之問題，尤其是新興經濟體，經濟快速發展、生活水提高，資源密集型消費模式出現，資源需求快速增加，故全球資源逐步面臨供給不足的風險（WEF, 2011）。環境劣化方面，大量的生產與取用自然資源也使地球之環境負荷增加，在沉重的環境負荷下，化石燃料、水資源與土地等重要資源可取得性或質量也逐漸下降，也將日益制約未來滿足水、能源、糧食需求的能力

（Fischer-Kowalski & Swilling, 2011; Sorrell Spiers, Bentley, Brandt & Miller, 2010;

UNEP, 2014）。同時，全球氣候變遷與極端天氣事件，也對水、能源、糧食的供給產生威脅（IPCC, 2014）。

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須相互依賴才得以發揮價值的關係，這是過去比較少被討論的。資源間相互依賴關係譬如，給水系統處理以及配送需要能源；發電過程需要水；糧食或能源作物灌溉需要水；生質能源需要能源作物種植；耕種灌溉作物的農機具也需要能源。這種依賴關係的效應隨著水、能源、糧食資源日漸飽和日漸強化，使得資源的壓力互相牽動。以糧食供應來說，農業至今已佔用全世界淡水總用量的七成，但仍有七分之一的人口處於飢荒(UN-Water, 2015; WEF, 2014; Ericksen, 2008)，增加糧食產量勢必會加劇水資源使用的壓力。同時，也將需要大量的能源和肥料，當中的溫室氣體排放也是個壓力，如今，肥料生產與牲畜沼氣溫室氣體排放量大約占全球的 10％以上

（Brentrup & Pallière, 2008）。若只單一分析一項資源風險問題而提出調適策略之傳統探討方式，將可能因資源之交織(Nexus)關係導致整體資源面臨更嚴重的風險 (Hoff, 2011)。現今的社會若想要解決水、能源及糧食所面臨的問題，已無法針對這些課題單獨進行分析。

水-能源-糧食交織(WEF Nexus)最初的概念模型經斯德哥爾摩環境研究所(The Stockholm Environment Institute, SEI)於 2011 年德國 Bonn 舉行的國際研討會中提出一份以水、能源和糧食安全的關係：對綠色經濟的解決方案(The Water, Energy and Food Security Nexus: Solutions for the Green Economy)的報告(Hoff, 2011)被提出。該概念模型，如圖2-1 所示，此模型指出水資源是一種不可替代的資源，因此被視為地區經濟與發展的命脈，若該地水源不足或遭受污染，將導致能源與糧食資源受到影響，使得社會部穩定與經濟衰退，水資源被視為此WEF Nexus 系統架構的核心。

此概念模型提出了三個重點觀念：1.強調資源間彼此的安全性互相牽動；2.同時面臨需求成長的壓力；3.須兼顧環境、社會、經濟等面向。透過模型框架，意在使資源能夠永續利用以維繫經濟發展與需求成長的壓力，藉著WEF Nexus 模型框架探討交織關係，能更好地理解環境壓力、資源安全和經濟發展間的關係，以利於制定有效的權衡策略，提高資源效率。

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圖2-1 斯德哥爾摩環境研究水-能源-糧食交織概念模型（Hoff, 2011）

交織概念的建構，是在許多的國際討論與案例中，逐漸體認到考量交織關係所帶來的好處而逐漸發展而成。最早從考慮兩兩資源之間的關係開始，最常見的就是水-能源交織(Water-Energy Nexus)。例如，討論印度家庭尺度能源和水的關係，提出可以彌合兩者之間的方法(Malik, 2002)；美國西部地區，如 Lofman 等人 2002 年全面性文獻回顧美國加州的能源和水資源使用狀況，提出解決國家能源和水資源關係中的長期存在不確定性問題的政策建議；Davies 等人在 2013 年點出加州電廠對水資源強烈的依賴性；在中東地區，Siddiqi 和 Anadon 於 2011 年的文獻回顧水資源與能源部門的特徵，得到的結論與前面提到的美國西部相反，反而是當地水資源取得高度依賴於能源。至於能源與糧食關連性探討則開於 1983 年聯合國大學用以確認糧食和能源問題之間的相互關係而發起糧食與能源聯合專案計畫(Sachs and Silk, 1990)。隔年，聯合國大學接著於巴西巴西利亞舉辦「糧食、能源與生態系統」

會議。至 1986 年，聯合國大學再次在印度新德里舉行第二次「糧食、能源鏈結與生態系統」會議。水糧交織則於 90 年代初期，世界銀行使用「交織」(nexus)這一

(24)

的討論過程被進一步的發展與提升(Allan, 2003)。

隨著對於糧食資源的安全日益受到關注，擴大兩兩交織邊界的需要逐漸浮出。

最早在 20 世紀 70 年代，學者開始注意到糧食和水與能源關聯性思考的重要性

（Atlantic Council, 2011）。在 90 年代中期至 2000 年初，哥倫比亞大學地球研究所的水資源中心研究了印度的水能與農業之鏈結關係 (Scott, 2011)。隨著國際上越來越多的討論，全球的學者與實業界體認到將三個資源皆加入鏈結的軸心所能帶來的好處。例如，Wong 在 2010 年發表的研究案例，應用水能糧關聯性的概念對中國的資源挑戰得到更好的理解，該研究得出結論是能源若朝向可再生能源發展，不僅可以減少溫室氣體排放，也能節省水資源使用。對於生質作物種植藉由減少滲漏和滴灌等創新技術來提高用水效率，對於減少用水量至關重要。資源討論逐漸朝向以三者同為軸心的交織關係方向發展(Hussey and Pittock, 2012)。

自2011 年 Bonn 鏈結會議後，WEF Nexus 議題開始被廣泛討論。如，同年世界經濟論壇(World Economic Forum, WEF)出版的《2011 年全球風險報告第六版》

中，也將水資源-糧食-能源交織歸入全球三大風險群之一，並揭示經濟發展和人口增長驅動三者間之相關風險，而環境壓力與資源競爭（如跨境水資源、能源和糧食貿易協定）面向的治理失靈，也削弱了水資源-糧食-能源的安全性(WEF, 2011)，隨後出版的《水安全：水-糧食-能源-氣候交織(Water Security: The Water-Food-Energy- Climate Nexus)》一書又指出，水資源安全不應僅單獨考量資源自身，而應整體考量水資源、糧食、能源和氣候間相互依存的關係，而提出未來水資源需求的挑戰及指導方針。2013 年國際永續發展機構 (International Institute for Sustainable Development, IISD)發表之《水-能源-糧食安全交織：土地資源投資與風險管理的實務規劃與決策支援架構的報告(The Water–Energy–Food Security Nexus: Towards a practical planning and decision-support framework for landscape investment and risk management)》，提出提升水-能源-糧食安全的土地利用管理架構（Bizikova et. al.,

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2013）。2015 年國際再生能源署(The International Renewable Energy Agency, IRENA) 發表之《再生能源於水-能源-糧食交織報告》 (Renewable energy in the water, energy

& food nexus)，闡述目前水能糧資源間的相互競爭，可能增加彼此供給不足的風險，

而發展再生能源是同時解決水能糧風險升高的可行方法(IRENA, 2015)。WEF Nexus 也成為國際會議熱門議題，許多國家也開始根據 WEF Nexus 概念框架建立其自身的水能糧交織系統模型，欲了解這三項資源間彼此的交織關係。

總結來說，因交織(Nexus)思維方式強化跨部門管理方法，可以改善水、能源、

糧食資源安全，促進永續發展、資源效率與政策協同性。有鑑於各部門之間與時空之間的相互關係日益密切，若相關決策能同時減少經濟、社會和環境的負面影響，

將提供額外的利益的同時又能確保滿足人們的資源需求和基本人權。正如世界經濟論壇2011 年的風險報告中也提到，WEF Nexus 分析框架透過分析不同部門之間的關連性以及交織的節點，建構具全面性、可操作性的框架來解決問題，為永續發展的新思考面向(WEF, 2011）。因此水能糧資源管理策略的選擇從傳統以解決單一問題為導向的思維模式決策方式，逐漸被以減少權衡、建立跨部門溝通、促進協同效益為基礎交織思維方式所取代。WEF Nexus 分析框架以下列三種特性能夠強化整合性的處理效率(Bizikova et. al., 2013)：

1. 分析水資源、能源、糧食之間的交織關係性與強度。

2. 分析水資源、能源、糧食的供需變化對整體系統的影響。

3. 分析氣候變遷、人口成長、都市化等外部驅動力對於系統之衝擊。

(26)

2.1.2 水-能源-糧食交織關係研究現況

對水-能源-糧食交織議題進行分析時，三者間相互依賴與影響的關係是將彼此進行鏈結的基礎。本節將針對三資源間的流量交織關係以文獻回顧方式進行介紹。

A. 水-能交織

能源部門是屬於高度水資源密集的產業，能源的生產過程包括：原料開採（石油、天然氣、煤炭、生質能源）、能源轉換（如煉油和原料加工過程）、發電、運輸、

儲存等，許多環節都需要用到水資源 (Siddiqi & Anadon, 2011)。化石能源（如煤、

原油和天然氣）開採所需之水資源因地理特徵和開採技術而異。而發電階段所有類型的能源需要水，其中佔全球發電量接近 80％的熱電電廠最受關注，熱電 (Thermoelectric)發電型式包括燃煤、燃油、燃氣、地熱、聚光太陽能、熱發電和核能，需要大量冷卻水，是造成熱電廠消耗80-90％水的原因(Chang et. al., 2016; WEF, 2009)，所需的水量取決於熱效率，散熱器效率，冷卻系統和發電廠的類型(U.S.

Department of Energy, 2017)。不同燃料與機組之能源水資源使用比較如圖 2-2 所示，

就每單位發電取水量(withdrawal)而言，核能與燃氣最耗水的熱電技術，太陽能和風力發電則可視為幾乎不需要消耗水(WEF, 2009; IEA, 2013; Tan & Zhi,2016)。水力發電是否消耗(consumption)水資源，則仍有爭議且受到不同研究基準差異與量測技術限制，不同文獻所估之耗水量差異大，因此估計值不確定性非常大，目前還沒有定論(Vanham, 2016)。總體而言，能源取水量約佔全球取水量的 8％（工業化國家高達45％，如歐洲）(SOER, 2010)，此能源取水大多源自於發電階段的冷卻水。但也有例外如產油國以能源開採階段為能源用水大宗，用量甚至僅次於農業用水 (Rambo, et. al., 2017)。對於東亞來說發電取水量，在中國為第三大用水部門（163 億噸，佔全國用水量的 6％）;韓國（9 噸，21％）；日本第二大用水部門（181 億

(27)

噸，18％）(White, et. al., 2018)。

近期許多研究也開始評估除了直接用水量外能源部門原物料投入（例如化石燃料，生質作物、鋼筋、混凝土和生產設備）背後所需的水資源（Li et. al., 2012;

Holland et. al., 2015; Feng et. al., 2014），如Feng 等人 2014 年計算的結果發現生質作物發電之水足跡遠高於化石能源發電，故生質能源帶來減碳效應的同時也須將耗水量加以權衡考量。

圖2-2 不同發電機組生命週期水資源使用量(Meldrum, 2013)

(28)

反之，在水資源生命週期過程，抽取（如抽取地表水或地下水）、淨水（如給水處理、海水淡化和廢污水再生）、配水（如都市配水管網）、使用（如工業鍋爐、

家庭烹飪、溫室滴灌栽培）和廢污水處理都需要能源。由於自然條件、生活習慣(如影響廢污水水質)差異和技術因素，不同地理條件差異亦很大，輸水高程、井深、

距離等因素都影響取水能耗(Siddiqi & Anadon, 2011)。如圖 2-3 所示，水資源於不同階段的能耗係數亦有所差異。此外，水可取得性不穩定也將可能導致能源需求增加，一些國家因可用的地表水有限，如中東地區 20%總能源使用用於海水淡化 (Rambo, et. al., 2017)，甚至也有某些地區以高達 40％的總能源使用用於抽取地下水(WEF, 2011)。

圖2-3 水資源生命週期不同階段的能源需求(Siddiqi & Anadon, 2011)

B. 水-糧交織

糧食生產使用全球大量的水資源，占消耗性藍水使用的80-90％，農業背後生態系統的維持也需要大量的綠水(FAO, 2009)。一般而言每卡路里的肉類產品會比作物的用水量要大得多(Chang et. al., 2016)。以東亞來說，中國是東亞地區最大的

(29)

糧食用水國，達到2234 噸（佔全國用水量的 77％）。日本和韓國的糧食產量同樣是國內最大的取水部門，分別為547 噸（佔全國 55％）和 17 噸（佔全國 40％）

(White, et. al., 2018)。

C. 能-糧交織

糧食生產，從化肥生產、耕作、種植、除草、灌溉取水、收割、運輸、分配和儲存都需要能源投入(Chang et. al., 2016; Asian Development Bank, 2013)。在上個世紀「綠色革命」(Green Revolution)（1966-1985 年）期間，因應糧食需求大量增加，

著重於提高糧食生產率，透過研究和耕作技術大幅改進使得產量大幅提升，肥料、

農藥、農具和灌溉系統之運用得到革命性的改善，卻因此形成更高的資源密集度和對石油的依賴性（如化肥生產對石油的依賴）。當前農業生產和其完整的供應鏈共占全球能源總需求量的30％左右(Hoff, 2011)。以東亞而言，各國的農業生產能耗相對全球平均較低，中國農業年均總用能源量為 170 萬 TJ（占全國能源消耗的 3

％），日本為25.1 萬 TJ（占全國 1％），韓國為 14.6 萬 TJ（占全國 2％）(White, et.

al., 2018)。

糧食供應能源的部分，以生質作物作為再生能源燃料已經成為某些國家的主要農業產出，也導致糧食生產或能源生產的土地競爭發生 (Yillia, 2016)。但是東亞的生質燃料作物生產並不普遍(White, et. al., 2018)。

此外，水、能源、糧食資源也會因為彼此造成之污染而受到負面衝擊。例如，

農業生產和食品加工可能會污染水質和干擾生態服務系統，影響水資源涵養。又如能源生產可能造成石油洩漏、二氧化硫排放(造成酸雨)和酸礦排水而對土壤和水質造成污染，影響作物與水源水質。若能減少彼此的依賴與相互影響將有助於改善 WEF Nexus 系統的安全性(表 2-1) (Wakeford, 2015)。

(30)

表2-1 WEF Nexus 安全性改善建議(Wakeford, 2015)

水資源安全能源安全糧食安全

1.實踐農村和城市綜合水資源管理，使需水量與經濟增長脫鉤。

2.投資供水基礎設施，擴大安全用水量。

3.提升水價值鏈各階段，

抽象、運輸、處理、配水和廢水處理的效率。

4.管理用水需求，提高農業、工業和住宅部門的用水效率。

5.減少水系統對一般能源和化石燃料的依賴。

6.提高水系統對氣候相關衝擊的韌性，並透過虛擬水貿易提高水安全。

7.減少水資源浪費，並以廢水為資源。

8.減少水污染和進行濕地復育，以生態基礎設施來保護水質。

1.擴大對現代能源的利用，能提升生活品質與減少傳統能源的污染。

2.建立對外部能源衝擊的抵禦能力，如強化能源自主性。

3.提高能源效率，從供應和使用端減少浪費。

4.減少能源系統對水資源的依賴。

5.避免生質能源與糧食生產潛在的競爭。

6.減少能源系統對環境的影響，特別是對水質的影響。

1.提高農業永續生產力。

2.降低農業生產所需的能源，如推動生態農業。

3.提高食品加工、分銷和儲存階段的能源和水的效率。

4.提高農業和糧食生產中的水生產效率。

5.需求面管理、鼓勵節約能源的飲食方式。

6.減少糧食價值鏈各階段的浪費。

(31)

2.1.3 水-能源-糧食交織研究方法工具

WEF Nexus 於國際報告書與學術研究上已成為專有名詞，相關文獻的特色為透過交織關係將水、能源、糧食串聯進而對議題進行分析。WEF Nexus 一詞的提出，提供了於水、能源、糧食資源管理中加入「交織思維」（Nexus thinking）的管理方式，藉著強調水、能源、糧食資源系統之間的鏈結互動，建立整合性的決策框架，以改善單一資源部門的治理方法，促進跨部門合作與避免衝突（WEF, 2011;

Biggs et. al., 2015；Keskinen et. al., 2016）。如 Keskinen 等人（2016）所述，WEF nexus 扮演多種角色，可被理解為分析途徑、概念框架或一種倡議。但也正因如此，

雖然WEF Nexus 概念已被廣泛接受，很大程度上仍然只是提出交織概念，並無一套明確定義與標準分析方法（Smajgl et. al., 2016）。

WEF Nexus 還需要有評估工具來充分量化水能糧和其他因素之間的關係。以科學方法建立 Nexus 量化評估工具可以衡量政策對不同部門、自然資源利用和環境的影響（Wakeford, 2015），使決策者有更好的決策依據，以便確定和評估在人類經濟繼續增長時需要考慮的取捨和促進協同效益的可能性。

然而，水、能源、糧食資源錯綜複雜的關係，除了資源本身外還涉及氣候變遷、

生態服務系統、經濟效益、資源分配與國家安全等等不同面向。不同地區有不同的脆弱特性、系統韌性與經濟能力，面對的水、能源、糧食資源風險挑戰因地區而異，

因此關注的議題也不同。本研究由文獻回顧各國案例後整理表2-2，用以歸納不同國家或區域所面臨的WEF 風險問題區域差異。例如：已開發國家中的美國，因為高度能源密集，大量熱電電廠坐落內陸，導致內陸地區的淡水資源壓力。而低度開發中國家面臨基礎設施缺乏，牽涉衛生等問題。且區域、國家或地區所牽涉的層面有所差異，如區域層面可能涉及國際間跨境資源的衝突而地區則更關注於部門對資源的競爭。由於WEF Nexus 議題複雜度高且相對新穎，故國際上對 WEF Nexus

(32)

現階段的討論定性描述較多，定量研究較少(林暐，2017)。

表2-2 不同地區資源議題(UN Water, 2015; Wakeford et.al., 2015; Hoff, 2011)

依不同決策目標或地域特性所發展出的WEF Nexus 評估工具有所差異，未必適用所有地區。如前述所提到，對交織系統缺乏的明確定義，使得交織議題在整合上仍存在爭議點，很難確定何為所謂成功的交織系統。Albrecht 等人(2018)回顧 WEF Nexus 量化工具時提出，因特定議題或區域發展的 WEF Nexus 定量分析工具，

雖然許多研究提出了許多有用的工具方法，但有時反而與Nexus thinking 並沒有明確的關聯，且具有議題之侷限性，可能會限制水、能源、糧食資源管理的改善、跨 Nexus 工具方法需要能實際配合

(33)

水、能源、糧食系統背後的社會和政治環境，以得出最佳解決方案。因此還需要新的觀點來擴展我們對水、能源、糧食相互影響與獨立性的理解。

目前大多數的討論著重在資源使用量的安全性。但量化分析還應能進一步探討水、能源、糧食資源在永續利用、人類福祉和公平正義不同面向的綜合評估(Hoff, 2011)。生態服務系統是三個交織子系統提供服務的基礎，生態服務系統受環境衝擊而致使衰退亦可能會影響水、能源、糧食的生產供應 (White, et. al., 2018)。為了使水、能源、糧食能資源永續地被使用，對水、能源、糧食資源部門環境衝擊的量化對永續發展有所幫助。傳統上常用的永續定量評估工具包括物質流分析、能源流分析、生態足跡、碳足跡、水足跡、生命週期評估等等。其中物質流與能源流分析，

用於了解特定時間下能資源空間的流量流向，可觀察資源分配與浪費情形。生態足跡、碳足跡與水足跡等足跡工具，則是計算出生命週期中能資源、土地的使用量，

但也因考量的是產品或服務之生命週期，並無時空概念。最後，生命週期評估類似於足跡評估工具，為評估產品或服務生命週期中資源使用與廢棄物產生對環境的衝擊，不同於前者的是該方法包含眾多衝擊評估項目與衝擊量化方法，較足跡工具評估提供了更多環境衝擊面向的資訊，但同樣缺乏時空流向與流量面向的理解。上述工具的個別使用，針對不同的評估考量皆已出現在WEF Nexus 的量化評估上。

於 WEF Nexus 量化的研究中使用 LCA 工具的目的是描繪不同情境的環境影響，對環境衝擊進行量化評估，以實現水、能源、糧食資源的永續利用（Mannan et. al., 2018）。相反的，於 LCA 中運用 WEF Nexus 思維也被認為是對 LCA 的一種改進，例如過去LCA 用於糧食系統目標為提高食物生產的效率，背後所投入水與能源是隱含的，而透過明確界定水、能源和糧食之間的關係，將水與能源問題所須的關注點（如造成各自供應系統壓力的因素）一併納入考慮（De Laurentiis et. al., 2016）。因此 LCA 透過結合 WEF Nexus 思維亦能凸顯出更永續、更全面的解決方案。

(34)

WEF Nexus是國際新興熱門議題，我國在WEF Nexus之研究與決策應用上仍處於萌芽階段，有必要在此議題上增進對我國WEF Nexus系統的理解。目前多數 WEF Nexus工具與報告書多重視水、能源、糧食資源因交織產生資源供需風險的問題，如IRENA增量風險評估，其設計資源供需關係矩陣（圖2-4），計算增加或減少資源供給，對應之其他資源、土地或環境排放之增加或減少，意義是資源直接的供給與消耗，乃是評估因交織關係而可能產生資源供需不平衡的情形，但事實上不同的資源使用方式也會產生不同面相的環境衝擊，不應被忽略。生命週期評估(life cycle assessment, LCA)工具除考慮資源直接消耗量外，也評估背後之間接消耗量與污染物排放，其結果亦能呈現各方面的環境衝擊。雖然生命週期評估之衝擊評估方法還需要逐漸細緻化、本土化，仍可初步採用國際上較上普遍的生命週期評估方法替WEF Nexus議題應用LCA之框架建構研究雛型(中技社，

2016)。

圖2-4 IRENA 增量風險評估矩陣(IRENA，2015)

(35)

A., & Darton, 2016)、生質沼氣生產(Pacetti et al.,2015) 或是僅以糧食系統為主體，

如卡達食物生產系統(Al-Ansari et al.,2015)、糧食環境足跡(Jeswani et al., 015)，多為研究者設計之單純簡化的較小型系統。於都市、國家等宏觀尺度WEF Nexus 運用 LCA 的研究較少，近兩年其他宏觀尺度研究案例的邊界與工具大致為如表 2-3 所彙整的幾種類型。

(36)

表2-3 彙整近兩年之宏觀尺度之 WEF nexus 研究案例

(37)

於都市、國家等宏觀尺度中探討能資源使用造成的環境衝擊可稱為都市代謝 (Urban Metabolism)，都市代謝乃是將一個社會經濟系統看作有如生物代謝般使用自然資源並排放廢棄物的過程，利於了解社會經濟系統運作的過程，是操縱人類社會能源和物質流動特徵的有效框架(Chester et. al., 2012)。於都市代謝中運用生命週期評估(簡稱 UM-LCA)，即為運用生命週期思維來評估都市活動所造成的各種環境衝擊，並以相對應的環境指標供決策者參考。除此之外，LCA 亦有國際標準方法及資料庫，可透過不斷地更新評估方法與盤查資料庫，讓都市代謝的評估也能與時俱進(Goldstein et al., 2013)，故以 UM-LCA 用於評估都市生產消費之環境責任深具潛力，是近期正發展中的研究。不過該類研究仍有改進方向，如還需要建立完整的都市代謝架構框架、強化都市不同部門之間的關聯性等等(陳思蓉，2016)。因如都市等宏觀尺度涉及眾多產品與服務，單用LCA 較顯不足，宏觀尺度運用生命週期評估多半需結合投入產出分析法(Input-Output analysis)之 top-down 方法輔助，但因以 IO 表為基礎，有較無法反應製程技術變動帶來的效應、貨幣單位與物理單位如何轉換、污染物品項較少等彈性上的限制(林鼎傑，2010；范景雯，2012)。

相較於LCA，以物質為基礎的物質流分析(material flow analysis, MFA)更常見於都市代謝的研究，其藉由系統化的方法對物質在複雜的都市系統中進行追蹤，評估城市物質來源、流向和存量，在探討物質與人類活動的關係上具有優势。而應用於 WEF Nexusu 議題，由於水、能源、糧食等資源在不同區域資源限制的差異明顯，如特定地區水資源取得相較其他地區極度依賴能源，受空間因素影響。而同一地點不同時間下，對於的交織關係亦會有所差異(如逐年變化之差異或不同季節之差異)，也受時間因素影響，運用物質流分析追蹤資源的流向，能藉以強化對資源在特定時空流佈的理解，應用於WEF Nexus 可以強化都市代謝中資源交織的鏈結，

對資源來源與流向的理解亦可提升對資源供需關係的操作性進行情境分析，因此部分WEF Nexus 研究藉由物質流分析區分時空邊界來賦予資源時空屬性以追蹤特

(38)

定時空下資源流向與流量。

如稍前所述，UM-LCA 是較近期發展出的研究議題。同時，傳統都市代謝研究亦較少關注不同流量之間的相互作用(Chen, S., & Chen, B., 2017)。本研究欲探討 WEF Nexus 在大尺度下的代謝特徵，將物質流分析與生命週期評估兩個工具做結合，以物質流分析，盤查我國水、能源、糧食資源從原料取得、處理到各部門使用等階段的流量與流向並釐清資源間交織關係，幫助對水、能源、糧食資源的代謝情形進行有效描述，藉以彌補生命週期評估宏觀分析上的不足。再藉由生命週期評估將WEF Nexus 系統所造成的環境衝擊量化，作為代謝情形的評估指標。

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2.2 物質流分析

2.2.1 物質流分析的目的與應用

物質流分析(material flow analysis, MFA)是都市代謝與工業生態學常用的分析方法(Brunner and Rechberger, 2004)。是幫助永續發展的有力工具(Huang, Vause, Ma

& Yu, 2012)。如果將社會經濟系統看作是生物體，而不同程序想像是生物體的器官，

社會經濟系統必須攝食(取用物料)並排泄(產生污染物)得以運作，物質流分析便是用於檢視人類經濟活動的代謝表現，以提供決策者採取適當有效的對策進行改善。

該分析方法是以系統性的分析方法，評估由特定區域及時間建構出的系統邊界內，

物質流流入(input)、存量(stock)及流出(output)情形，並判斷物質的來源。典型的物質流分析系統組成包含系統邊界和邊界內資源輸入、生產、消耗（或使用）、廢棄物流出和廢棄物庫存等不同階段程序(process) (Li and Kwan, 2018)，如圖 2-5 所示。

圖2-5 物質流系統概念圖(Li and Kwan, 2018)

同時，質量守恆觀念的運用是物質流分析得以強化其系統性分析功能的關鍵。

經濟合作暨發展組織(OECD)就建議進行物質流分析時可以搭配質量守恆定律

(40)

(principle of mass balance) (OECD, 2008)。依此定律，特定時間內封閉系統中物質的質量是不會隨時間而變動的，藉此來加強掌握物質的流向與流量。

物質流分析透過將系統拆解成許多的程序、流量及存量的組合，並從物質流入及流出各程序的質量平衡中，查看物質的如何被使用與造成的環境影響，對系統內之物質流動提供一個完整的視野 (Brunner & Rechberger, 2004)。若再搭配數值化指標建立，可進一步量化物質流量與流向的意義，進行不同方案或情境的比較。由此可以有效地找出環境問題熱以利排定管理的優先順序；促進物質循環利用，結合循環經濟的概念；也可減少社會經濟系統代謝的環境影響，強化永續物料管理。

總結物質流分析主要的目的為(Brunner and Rechberger, 2004)：

1. 以完整明確有系統的方法定義方式描述系統內物質的流量及存量。

2. 以利於決策為目的，將複雜的系統盡可能簡化。

3. 運用質量平衡的觀念，量化目標物質各單元的流量與存量。

4. 用明確、易理解的方式呈現系統內物質的流量與存量。

5. 將結果做為資源、環境和廢棄物管理政策的考量依據。

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2.2.2 不同時空尺度與標的物的物質流分析

如前一章節所敘述，物質流分析乃是用以描述特定時間、空間下物質的流入、

存量及流出，再依分析結果提出改善的建議，因此物質流分析特別強調物質的時間、

空間特性。特定時空的設定，也就是設定系統邊界的範圍，通常由研究目的決定。

物質流可依時空尺度與標的物進行分類。時間空間的設定會影響研究結果；依標的物的設定盤查的思考方式有所差異，狹義上也可以歸納為三種類型：物質流分析 (material-flow)、元素流分析(Substance-flow) 、能源流分析(energy-flow)。此下將針對物質流分析方法應用在不同時間、空間尺度與標的物的情況進行介紹：

A. 不同時空尺度

在時間上，包括單一時間點或多個時間點的研究尺度。單一時間點的研究，通常是提出對現況物質的流量與流向狀況，並對此現況進行評估，再進一步提出不同的改善方案，進行不同情境的比較。這裡的單一時間點物質流，事實上是一段時間區間內物質的平均流量與存量。選擇越短的時間區間能提供越高的時間解析度，能夠更精確的反應時間點特性，但資料的取得難度也相對較高，須考量其必要性。而選擇較長的時間區間，則是將系統視為即使有短暫不穩定起伏但並不會影響長時間的物質流結果，以簡化系統便於分析(中技社，2013)。時間區間的選定，應由研究目的欲反應之時間特性來決定。因許多相關單位統計資料通常以年為單位，同時以可以避免季節差異，因此許多對於人為系統的物質流分析研究的時間區間通常以年作為單位，如蘇宏仁，2009；李秀雯，2012；呂冠霖，2013；陳思蓉，2016；

林暐，2017 等研究皆以年作為年作為物質流時間的基準。

而多個時間點的研究，著重於觀察物質流情形隨時間序列的變化，能呈現出物質流變化的趨勢，用以觀察社會經濟代謝隨時間的推移。這類研究通常會對物

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質流流量與存量相關影響因子進行探討。物質流結果的影響因子若發生變化，將影響物質流結果的增減情形。因此，影響因子可視為物質流結果的驅動力，提供相關調適策略的依據，便於找出著手處對影響因子進行干預，使得物質流結果越趨理想，可以用來作為污染量、廢棄物量亦或是資源需求量的推估，以提早做出因應對策(蘇宏仁，2009)。

在空間上，系統邊界由大至小，可以是跨國、國家、區域、社區或企業等不同尺度，常會與其相對的地理邊界一致(中技社，2013)。空間之邊界設定時，如同時間之邊界設定須與實際研究目的相符，且應以能將所有程序與物質流納入的情況下，盡可能地縮小系統邊界為準則。以某都市營養鹽的物質流分析為例，若該都市並非自身所需糧食的生產地，則系統範疇除該都市外，同時也該納入提供該都市糧食的農業地區(Brunner & Rechberger, 2004)。

有別於企業、工廠等的小尺度物質流分析，大尺度的物質流分析(如都市、國家層級以上)，分析所需的資料通常為官方統計資料，而這些統計資料大都以行政區為單位來建置，因此，大尺度的物質流析，系統邊界通常會選擇國家、州、都市等行政區。這類大尺度的物質流研究多用以強調經濟系統與環境系統間的互動，經濟系統從環境系統獲資源，同時使污染物和廢棄物暴露至環境系統。大尺度也傾向關注研究經濟活動和環境問題的因果關係，預測未來潛在的問題，可能是資源稀缺，

或是污染物於環境中的累積。如經濟體物質流分析（Economy-wide MFA）目標為整個社會經濟體標的物質的進口、國內開採，存貨及環境排放之流量，多為回顧歷年來流量之趨勢，以便檢示資源流動與社經發展的互動，然對於經濟體系內的運作有時會被忽略。另一類可稱為地區物質流分析（Local system analysis）描述地區系統內為各單元程序組合之流動狀況，其是將社會經濟體表現出的物質流動，視為內部許多程序交互作用的結果，如考量加工、製造、消費、使用等階段之交互作用，

以進行組合排列優化系統(陳必晟，2014)。整體來說，以經濟系統為邊界得大尺度

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物質流分析較常見。

B. 不同標的物

前述所謂之「物質流分析」屬於廣義的定義。狹義來說「物質流分析」還可以依標的物特性再加以區出「物質流分析」、「元素流分析」與「能源流分析」，可視為物質流分析的延伸(李秀雯，2012；呂冠霖，2013；Li & Kwan, 2018；Zhang, 2015)，

說明如下:

狹義定義之「物質流分析」(Material-flow analysis)，主要針對原料、半成品、

產品、廢棄物等塊材進行分析，與元素流不同，目標通常是某種材料或混合物，分析時物質可能因轉換或分解而消耗。較容易的分析順序是先著重物質從系統流入流出，再釐清系統單元內部流動。

而「元素流分析」(Substance-flow analysis)的標的物為系統內特定單一化學元素或分子之流量、流向與存量元素不會經轉化而消失。順序是先釐清內部流動再來才是系統內外的流入流出。透過元素流分析，可以判斷元素的來源，了解其在經濟體系中之應用範圍及最終流向。

Zhang(2015)指出元素流和物質流分析概念類似，但嚴格來說使用了不同的方法。元素流分析是使用尤拉法來追踪標的元素的流動路徑，以觀察標的物生命週期的流動轉化。物質流分析則為橫截面的分析標的物在不同生命週期階段的流量與流向。元素流由內而外的分析方法，相當於“打開黑匣子”追踪流量，特別是在面對標的物轉化時，比物質流分析更容易，而且用於評估如何提高資源利用效率的時也更有效。可用於追踪社會經濟系統的轉變對環境的負面影響，缺點是這種方法一次只關注一種物質。相反地，物質流分析之由外而內的分析方法，若標的物以多種形式轉變，獲取相對應的分析數據將更加困難，但能更全面地估計都市的活動強度與規模，適合與不同城市間進行比較。

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「能源流分析」(Energy-flow analysis)，不同於前面兩者以物質為基礎，其乃是以能量為標的物加以分析。調查能源是否被有效使用或於哪個環節損失之流量，以評估能源使用效率。類似於物質流分析時質量守恆的概念，能量流方法主要遵循熱力學的兩個定律：（1）能量既不能創造也不能破壞，它只能從一種形式轉換為另一種形式；（2）在任何能源流動過程中，能源逐漸轉化為不可利用的廢熱。關注可運用的能量(如化學能和電能)與不可運用的能量(如廢熱)之流動與轉換。地球大部分之能源來自於太陽，能源流分析於意義上是以太陽能值是否被有效利用作為評價都市代謝表現的基礎，用於衡量大自然和人類在提供產品與服務之太陽能源利用效率。

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2.2.3 物質流分析的方法與步驟

物質流分析步驟，不同的研究有些許的差異，若以物質流基本觀念系統化程序模型為核心，描述物質在各種生命週期階段之間流動的操作運用，以累積多種物質之物質流分析經驗的丹麥環保署丹麥的研究來得最多。若根據其出版的物質流指引手冊(Lassen, 2000)，可以區為四大步驟，分別為: a.目標及系統範疇界定(Goal and system definition)、b.系統分析(System analysis)、c.流量盤查模式建立(Inventory and evaluation of data and modeling)、d.結果闡釋( Interpretation of the results)，此步驟順序也被許多的環境資源管理的研究中所運用，即使未註明引用自丹麥環保署，其基本步驟流程與意義仍舊相似。以下針對四大基本步驟意義與方法進一步的說明:

a. 目標及系統範疇界定(Goal and system definition)

為使物質流分析結果能應用於預期目標，首先要明確地設定分析之目的與所考慮的範疇。設定分析之目的，即釐清所欲解決之問題，往往跟目標物質本身的特性直接相關，物質流分析之目標物，一般會是經濟圈或環境圈影響較大的物質，可能是相對流量較大或是特定具重要意義之特定物質。而範疇界定指的則是定義分析時所涉及之空間與時間邊界，通常是根據目標再行定義。藉由目標及系統範疇界定，

對後續之系統分析與資料盤查步驟也能提升效率。

b. 系統分析(System analysis)

此階段為對流量、程序與存量進行定義，用以描述標的物於系統單元中的狀態，

包括系統中的子系統和子統內部的程序單元，並進一步辨識內部程序單元之間的關係。如2.2.1 節圖 2-5 的形式，圖中系統內存在之程序單元以方框表示，並將屬性與配置予以的定義，再將物質流動的程序作排序，以箭頭表示標的物的流動傳輸

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方向。流程圖之設計應以能完整表達系統的前提，盡可能的簡易為原則。

c. 流量盤查模式建立(Inventory and evaluation of data and modeling)

此階段為開始收集各程序單元間流向之流量與程序單元之存量資料。進行流量盤查時，須對資料取捨加以評估與建立流量推算模式。對於一些缺少監測或統計數據的物質流向，可參考其他案例或研究建立合理推估模式，以間接方式對流量進行估算。盤查與估算流量時也須以質量守恆進行檢查。值得注意的情況是，若各家機構之統計資料數值或定義存在差異，流量資料可能會發生無法對上的情況，因此可能會因為資料選用與假設而對結果造成不確定性(uncertainty)，故物質流分析之流量表達有時會以數值區間呈現，以顯示對資料精確度的掌握狀態。

d. 結果闡釋( Interpretation of the results)

最後，將整個過程與分析結果進行整合分析討論，可能會是主要標的物流量與流向、物質流關鍵驅動因子、環境排放源與貢獻量、解析改善物質流在環境與經濟上的成本效益、評估對人體健康危害、環境衝擊或資源浪費量，或是研析對於資料假設、模式建立以及不同數據資料間的選擇對於結果所產生的誤差等等，並釐清當中的利害相關人，進行原因探討與改善策略擬定。物質流分析得到的結果應有再現性，且應以簡潔明確、易懂的方式便於決策者或利害相關人的理解來呈現，增加分析結果的公信力。

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2.2.4 於 WEF Nexus 中運用物質流分析

以物質流分析研究WEF Nexus 議題的學術研究案例如：

1. 美國

Perrone 等人(2011)，將都市視為須從腹地獲取資源的「資源島」來探討都市座落位置的地理因素對都市水能資源流造成的影響，發展以物質流分析為基礎，用以描述空間因素的 Nexus 模型工具，探討不同水能部門之技術單元組合以及地理位置對於都市代謝的影響。該工具以不同技術與運輸方式的平均水能交織係數乘以水能量作為資源最終需求量的推估方法。透過調整能源型式、運輸距離以及都市水能需求端來突顯地理位置的重要性。研究說明案例都市坐落的地理位置如何影響其水能資源的來源，因此需要有特殊的資源組合和整體規劃。此研究也運用敏感度分析評估對於輸配損失系數與資源交織係數對於不同地理位置之水能資源耗用的影響。

2. 英國

Walker 等人(2014)，針對 WEF Nexus 議題探討資源如何流動對於都市代謝的影響。研究以倫敦為案例，將都市代謝的過程中運用元素流分析(SFA)分析五種資源

（C、N、P、水、能源）在五個社經部門（水、能源、廢物處理、糧食和林業）中的流入、轉變、流出等過程與流量，以揭示水處理部門各種技術單元組合所可能產生的協同作用和拮抗作用，期促進資源利用、減少污染物排放。在前述五種資源為基礎下，以代謝表現評估矩陣評估不同策略資源對於水系統與總系統分配的結果，

最後以經濟效益作為評估指標。研究結果顯示，尿液分離技術可以有效回收倫敦食物中的氮，而回收下水道中的廚餘和藻類可以有效地減少溫室氣體排放。