1. 義守大學
土木與生態工程學系
碩士論文(初審)
以系統動力學探討供水系統之配置
－以澎湖離島為例
Application of System Dynamics to The
Allocation of Water Supply System-A Case
Study in Penhu
研 究 生：黃明揚
指導教授：詹明勇 副教授
中華民國一百年六月
I
3. 總目錄
第一章 緒論 ............................................................................................................ 1
1-1 研究動機 ..................................................................................................... 1
1-2 研究目的 ..................................................................................................... 2
1-3 研究內容 ..................................................................................................... 2
1-4 研究架構與流程 ......................................................................................... 3
第二章 文獻回顧 .................................................................................................... 6
2-1 水資源供水系統分析方法 ......................................................................... 6
2-2 系統動力學 ............................................................................................... 12
2-2-1 系統動力學之發展與特性 ............................................................ 12
2-2-2 系統動力學之基本概念 ................................................................ 14
2-2-3 系統動力學之組成元件 ................................................................ 17
2-2-4 系統動力學之分析流程 ................................................................ 20
2-2-5 系統動力學之發展工具 ................................................................ 22
第三章 背景簡介與模式建置 .............................................................................. 25
3-1 背景概述 ................................................................................................... 25
3-1-1 自然條件概述 ................................................................................ 25
3-1-2 人口與經濟現況 ............................................................................ 30
3-1-3 水資源供需情況 ............................................................................ 31
3-2 模式建構 ................................................................................................... 35
3-2-1 現況供水系統系統動力模式建置 ................................................ 38
3-2-2 需求層面系統動力模式建置 ........................................................ 43
3-2-3 評估指標系統動力模式建置 ....................................................... 45
III
4. 3-3 模式趨勢測試 ........................................................................................... 47
第四章 策略情境分析 .......................................................................................... 51
4-1 現況情境分析 ........................................................................................... 52
4-2 策略情境分析 ........................................................................................... 54
4-3 情境討論 ................................................................................................... 97
第五章 結論與建議 .............................................................................................. 98
5-1 結果 ........................................................................................................... 98
5-2 後續建議 ................................................................................................... 98
IV
5. 圖目錄
圖 1.1 研究流程圖 ............................................................................................................. 4
圖 2.1 正、負向因果關係圖 ................................................................................ 15
圖 2.2 正向因果回饋環路與特性圖 .................................................................... 16
圖 2.3 負向因果回饋環路與特性圖 .................................................................... 17
圖 2.4 系統動力學之分析流程圖 ........................................................................ 22
圖 3.1 研究範圍圖 ................................................................................................ 26
圖 3.2 歷年月平均降雨量比較圖 ........................................................................ 29
圖 3.3 澎湖縣歷年人口數變動圖 ........................................................................ 30
圖 3.4 澎湖四鄉鎮各水庫位置圖 ........................................................................ 32
圖 3.5 供水系統與策略方案整合架構圖 ............................................................ 36
圖 3.6 整合架構之因果回饋環路圖 .................................................................... 37
圖 3.7 馬公供水系統系統動力模式圖 ................................................................ 39
圖 3.8 白沙供水系統系統動力模式圖 ................................................................ 41
圖 3.9 西嶼供水系統系統動力模式圖 ................................................................ 42
圖 3.10 需求面系統動力模式 .............................................................................. 44
圖 3.11 評估指標系統動力模式 .......................................................................... 47
圖 3.12 模式趨勢測試之變數趨勢圖 .................................................................. 48
圖 3.13 人口數模擬結果與歷史資料趨勢比較圖 .............................................. 49
圖 3.14 遊客數模擬結果與歷史資料趨勢比較圖 .............................................. 49
圖 3.15 每人每日生活用水量模擬結果與歷史資料趨勢比較圖 ...................... 50
圖 4.1.a 現況情境下總需水量及總供水量之趨勢圖 .......................................... 53
圖 4.1.b 現況情境下年缺水率及缺水指數之趨勢圖 .......................................... 53
圖 4.1.c 現況情境下評估指標模式之變數趨勢圖 .............................................. 54
V
6. 圖 4.2.a 情境一下總需水量及總供水量之趨勢圖 .............................................. 55
圖 4.2.b 情境一下年缺水率及缺水指數之趨勢圖 .............................................. 56
圖 4.2.c 情境一下評估指標模式之趨勢圖........................................................... 56
圖 4.3.a 情境二下總需水量及總供水量趨勢圖................................................... 58
圖 4.3.b 情境二下年缺水率及缺水指數趨勢圖 .................................................. 59
圖 4.3.c 情境二下評估指標模式趨勢圖............................................................... 59
圖 4.4.a 情境三下最高移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ......... 62
圖 4.4.b 情境三下最高移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ......... 63
圖 4.4.c 情境三下最高移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ..................... 63
圖 4.5.a 情境三下中值移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ......... 64
圖 4.5.b 情境三下中值移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ......... 65
圖 4.5.c 情境三下中值移動平均變動率之評估指標趨勢圖 ............................. 65
圖 4.6.a 情境三下最低移動平均變動率之總需水量及總需水量趨勢圖 ......... 66
圖 4.6.b 情境三下最低移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ......... 67
圖 4.6.c 情境三下最低移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ..................... 67
圖 4.7.a 情境四下總需水量及總供水量趨勢圖 ................................................. 69
圖 4.7.b 情境四下年缺水率及缺水指數趨勢圖 ................................................. 69
圖 4.7.c 情境四下評估指標模式趨勢圖.............................................................. 70
圖 4.8.a 情境五下最高移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ......... 71
圖 4.8.b 情境五下最高移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ......... 72
圖 4.8.c 情境五下最高移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ..................... 72
圖 4.9.a 情境五下中值移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ......... 74
圖 4.9.b 情境五下中值移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ......... 74
圖 4.9.c 情境五下中值移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ..................... 75
VI
7. 圖 4.10.a 情境五下最低移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ....... 76
圖 4.10.b 情境五下最低移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ....... 76
圖 4.10.c 情境五下最低移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ................... 77
圖 4.11.a 情境六下最高移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ....... 79
圖 4.11.b 情境六下最高移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ....... 79
圖 4.11.c 情境六下最高移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ................... 80
圖 4.12.a 情境六下中值移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ....... 81
圖 4.12.b 情境六下中值移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ....... 81
圖 4.12.c 情境六下中值移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ................... 82
圖 4.13.a 情境六下最低移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ....... 83
圖 4.13.b 情境六下最低移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ....... 84
圖 4.13.c 情境六下最低移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ................... 84
圖 4.14.a 情境七下最高移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ....... 86
圖 4.14.b 情境七下最高移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ....... 86
圖 4.14.c 情境七下最高移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ................... 87
圖 4.15.a 情境七下中值移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ....... 88
圖 4.15.b 情境七下中值移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ....... 88
圖 4.15.c 情境七下中值移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ................... 89
圖 4.16.a 情境七下最低移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ....... 90
圖 4.16.b 情境七下最低移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ....... 90
圖 4.16.c 情境七下最低移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ................... 91
圖 4.17.a 情境八下最高移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ....... 92
圖 4.17.b 情境八下最高移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ....... 92
VII
8. 圖 4.17.c 情境八下最高移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ................... 93
圖 4.18.a 情境八下中值移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ....... 94
圖 4.18.b 情境八下中值移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ....... 94
圖 4.18.c 情境八下中值移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ................... 95
圖 4.19.a 情境八下最低移動平均變動率之總需水量及總供水量趨勢圖 ....... 96
圖 4.19.b 情境八下最低移動平均變動率之年缺水率及缺水指數趨勢圖 ....... 96
圖 4.19.c 情境八下最低移動平均變動率之評估指標模式趨勢圖 ................... 97
VIII
9. 第一章 緒論
1-1 研究動機
水是地球上最重要的環境資源之一，更是人類賴以維生及經濟發展不可
或缺的基本要件。臺灣地區近年來因為生活水準的提高、經濟活動的發展及
產業結構的改變，水資源需求量正在大幅度地增加，對於供水品質與穩定性
的要求也相對地提高，加上氣候變遷及突發事件之影響，在在都造成水資源
系統供給壓力逐漸加重。此外開發水資源的成本日漸提高，加上民眾環保及
永續意識的推廣，導致傳統水資源開發行為已逐漸不符其效益，況且水資源
供水系統隨著時間的變遷也趨向複雜化與多元化，使得管理者進行決策會更
為艱難。因此，如何有效地利用及調配水資源供水系統，維持水資源供需之
平衡、達到水資源永續發展之願景，即是我們當前所面臨的重大考驗。
澎湖群島擁有得天獨厚的海洋生態資源，長久以來皆以觀光產業為發展
重點，但受限於特殊的地理環境，自然資源卻是非常匱乏，特別是水資源短
缺最為嚴重。澎湖群島全區地勢平坦，降雨量稀少，無過多的河川地表水可
供利用，由於風速、日照等氣候因素影響，使得蒸發量遠高過降雨量，尤其
在降雨較少的冬季更為明顯，也使得澎湖地區常發生缺水情形。而澎湖地區
的自來水源大部分皆仰賴地下井水，但因過度抽取地下水源，部分地區地下
水位已有明顯降低，甚至於有海水入侵地下水鹽化的現象。
近年來澎湖群島因觀光產業發展快速、氣候變遷條件特殊，缺水情形一
再重演，有關單位除了採取限水措施外，情節嚴重時，一度從臺灣本島以船
運水因應。水源短缺問題除了大量耗費社會成本，也限制了澎湖群島地方產
業的發展。政府部門雖然陸續增建海水淡化廠、改善水庫管路以增加供水量，
1
10. 填補了部分用水的不足，但從澎湖地區長期發展的角度來看，針對水資源進
行有效地管理與開發是地方生存與發展的基本要素，不能讓水源短缺成為當
地產業發展的限制，澎湖地區若要長期地永續發展，即必須解決區域內水資
源缺乏的問題。
傳統上對於水資源調配問題分析有模擬法與優選法兩種方式，而系統動
力學是屬於模擬法的其中一種，強調能顯示整個系統動態行為隨時間變化的
特性，並幫助決策者了解一個複雜系統架構和特性的方法論。最初是由 Jay W.
Forrester 在 福 特 基 金 會 (Ford Foundation) 與 史 隆 基 金 會 (Alfred P. Sloan
Foundation)贊助下發展，主要利用一個訊息傳遞的因果回饋關係，分析企業
政策的制定，後來此方法進而被擴展到複雜的物理、生物學、社會學、經濟
等領域(蘇昱維,2008)。
1-2 研究目的
為穩定提供澎湖地區之用水需求，並保育澎湖地區日趨鹽化之地下水
源，本研究利用系統動力學理論探討澎湖地區水資源利用現況，建立一套系
統動力模式，針對各項情境策略進行檢討評估，以作為管理者訂定政策之參
考。此模式可描述當地整體水資源利用之架構，分析觀察未來系統演變之趨
勢，以協助決策者選擇適當的策略方案。
1-3 研究內容
為瞭解澎湖地區水資源供水系統運用關係以及各種策略對供水系統造成
的衝擊影響，本研究將根據系統動力學理論來分析澎湖地區供水系統利用現
況。本研究首先整合相關研究文獻、資料，接著利用系統動力學建立系統動
力模式，用以描述當地供水系統之整體架構，並評估其策略之永續性及成效，
2
11. 提供決策者改善供水系統配置之參考。基於上述之研究目的，本論文主要的
內容如下：
探討澎湖地區水資源問題特色
了解系統動力學理論，如操作方式、限制條件、運用特色等
建立一系統動力模式，用以模擬澎湖地區水資源運用現況，並對模式
進行測試及驗證
根據相關區域供水系統操作策略，設計情境分析與政策模擬，並提出
建議，供管理者政策擬定之依據
1-4 研究架構與流程
本研究為了能夠改善前述研究範圍內水資源現況，首先針對研究區域的
水資源背景進行了解，根據其現況確認問題及研究目的，藉由整合國內外相
關研究文獻及報告，確定其水資源系統架構，並運用系統動力學的觀點，建
立一系統動力模式，再進行情境模擬並提出結論與建議。
本研究主要流程，如圖 1.1 所示，其架構可分為五個章節，各章節具體內
容摘要如下：
第一章 緒論：本章為研究基礎之建立，主要內容為研究動機、目的、內
容與架構之概述。此章節說明澎湖水資源所面臨的問題與本研究所要探
討的主要內容。
第二章 文獻回顧：本章將主要研究內容之相關理論及文獻作一整理與回
顧，並彙整相關研究及理論，從中獲取背景知識，作為建置系統動力模
式之基礎。
3
14. 第二章 文獻回顧
位於台灣海峽的澎湖群島，因為特殊的地理環境及氣候條件，長期忍受
缺水之苦，加上近年來觀光產業的發展，遊客人數逐漸增加，也讓當地水資
源供需壓力擴大。本研究以澎湖縣馬公本島、湖西鄉及西嶼鄉為研究區域，
探討區域內水資源短缺問題。根據前章節所述之研究動機、目的，此章將針
對區域水資源供水系統調配分析 系統動力學理論及模擬工具進行文獻回顧，
、
以確立本研究使用之研究方法與模式建置之概念。
2-1 水資源供水系統分析方法
區域供水系統包括蓄水、取水、用水及分水等，為一複雜之系統，而區
域內各供水設施之間應如何配合調配運用，更與該區域之水文特性、水庫位
置、容量、需水量大小及評估指標等因素有關，其系統設計上之困難性可見
一斑。傳統上針對水資源供水系統均基於水量平衡的原理進行分析，在技術
上主要可分為模擬法及優選法，以下依序介紹此兩種方法。
一、 模擬法：
模擬法為一種學習實際系統運轉的演算程序，以程式語言將實際系
統操作的特性與行為複製呈現，可詳細並準確地描述系統的細節與複雜
性，以符合實際現場操作之情形。其代表性模擬模式者為美國陸軍工程
師團(1973)所發展的 HEC-5 模式(防洪及水庫系統聯合運轉模式)，其主要
目的為防洪控制，用以模擬在防洪時期或非防洪時期以及兩者同時考慮
時，對於水庫水量管理之影響，並選擇了數種可行之替代水路系統，以
期達到最大防洪淨效益。經濟部水資會(水利署前身)於 1985 年曾與荷蘭
戴伏特水工所(Delft Hydraulics)合作發展一針對台灣地區設計的水量分配
6
15. 電腦模式(RIBASIM，RIver BAsin SIMulation)，荷蘭提出之 RIBASIM 模
式係修正自美國麻省理工學院發展之 MITSIM 模式，此模式可模擬一複
雜供水系統之水量調配，並具有水質分析、經濟評估等多項功能， 亦屬
於模擬模式之範圍。
林松青等(1990)提出簡化型串聯水庫運用模式，將串聯水庫疊加成一
等量水庫，然後進行該等量水庫之模擬演算，以求得整個串聯水庫系統
之出水能力，並因忽略串聯水庫間之側向流量，故特別分析側向流量相
關因子之變動對於運用模擬結果之影響，以推求簡化型模式適用之條件
與範圍。徐年盛等（ 1992）進行淡水河流域地表水與地下水最佳聯合運
用之模擬模式的研究。吳瑞賢等人(1996)以模擬分析配合局部搜尋之方
法，應用於曾文水庫與烏山頭水庫運轉規線之制定並研究其操作。林松
青等人(1998)採用保持各水庫水位指標相等原則之放水策略，藉由數學解
析方式，推導並聯水庫系統中任一水庫放水量之通式，並據以發展系統
聯合運轉之模式。楊淑敏(1998)利用 RIBASIM 模式進行分析攔河堰、淨
水場及水庫增建計劃在各目標年時不同方案組合之最大供水量，並試以
找出一組最佳聯合調配方案，使得淡水河流域地區在未來一、二十年內
免於面臨缺水之苦。黃文政等人(2000)藉由歷史流量及序率水文模式所產
生的合成流量，配合水庫旬計進水量及各標的常水年旬計配水量等資
料，針對水庫實際營運上所遭遇的問題，進行水庫系統的模擬分析與探
討， 以尋求理想之操作規線。柯志昌等人(2004)以系統動力學為基礎，
檢視高屏溪流域之水資源與都市發展政策，顯示供給策略將會加速總體
水資源之耗竭，應加強需求管理方面的策略。張良正等人(2007)應用系統
動力學考量多元化水源開發的可能性，藉此評估節約農業用水與其他水
資源策略間的影響與經濟效益評估。
7
16. 模擬法雖然能了解系統細節，符合實際操作現況，但缺點為不能提
供數學意義上之最佳解，所以分析時通常需要許多判斷，方可確保水資
源調配結果符合既定用水優先順序或其他運用原則。
二、 優選法：
優選法是將系統的操作問題以嚴謹的數學形式表達，再應用數學的
優選方式求解，常用的數學規劃方法為線性規劃法(Linear Programming,
簡稱 LP)、動態規劃法(Dynamic Programming,簡稱 DP)、網流法(Network
Flow Programming, 簡 稱 NFP) 、 混 合 整 數 規 劃 法 (Mixed-integer
Programming)以及以人工智慧為基礎之類神經網路法(Neural Network)
等，且多為探討多水庫之規劃與經營操作問題，依據系統內現有蓄水量
在跨時刻優選出最佳沛水量方式亦可稱為動態優選模式。鄭韻如(2002)
以線性規劃為核心建立多水庫聯合營運模擬模式，並應用於南部區域水
資源調配之探討，其模擬模式中應用線性規劃法求解各個模擬時刻系統
之最佳水量調配；李志鵬(2004)利用線性規劃發展一有效率且可彈性地應
用於各種複雜水資源系統之多水庫聯合營運跨時刻優選模式，並以遺傳
演算法為南部區域之曾文、烏山頭及南化三座水庫制定一組可同時考慮
長、短期水文狀況之多水庫聯合營運複合式操作規線，以期使三水庫之
營運能發揮最大效益，使南部區域的水資源能有最佳之運用。
網流規劃為線性規劃的特殊解法之一，其將原線性規劃問題的對偶
模式(dual model)加以轉換，成為一跨時段的網路系統，再對此特殊網路
形式問題加以求解。周乃昉(1998)利用動態網流模式由歷史紀錄分析水資
源在區域內跨時刻最佳配水量後，再進一步以類神經網路模式學習系統
內即時配水特性，歸納出系統最佳經營調配策略。徐年盛(2003)利用線性
8
17. 混合整數規劃建立多水庫系統聯合操作模擬模式，以水庫供水比例取代
水庫水位指標，利用長期優選模式且在系統中之水量能夠跨時段使用之
條件下，事先求得最佳水庫供水比例。並將所求得之最佳水庫供水比例，
進行逐時段優選模式以便與考慮水庫水位指標進行比較。
動態規劃相當適合用以求解多時段之水庫操作問題，但應用在多水
庫之操作問題時，最大的困難點在於多考慮一座水庫即增加一個系統變
數，及一個至數個決策變數，以致受到維度障礙(Curse of Dimensionality)
之限制。
而本研究所使用之系統動力學理論亦為模擬法的一種，在 1969 年，
Forrester 利用系統動力學理論進行都市動態之研究，分析工業、房屋及人口
部門三者之間的相互關係，發現在初期因環境適合工商發展、居住條件舒適，
人口會快速上升，但因人口增加使有限的土地資源達到飽和時，都市會因房
屋老化、工商發展停滯等因素導致人口衰退。Simonovic 等人(1997)利用系統
動力學概念建立水資源供需模型並應用在埃及地區，藉以評估氣候變遷對於
水資源供需的影響情形，結果顯示水庫的蒸發對於水資源規劃是非常重要
的。Sajjad Ahmad 等人(2000)利用系統動力學建立水庫操作模型，並應用在
加拿大 Shellmouth 流域上的 Assiniboine 水庫，除了針對現有溢洪道進行洪水
影響的研究外，另優選出另一個溢洪道，且曾針對水庫初始水位進行洪水季
節溢流和水庫溢流進行敏感度分析。XU 等人(2002)應用水資源系統動力學
(WRSD)分析中國大陸黃河流域的永續性。結果顯示長期使用地下水將面臨環
境與生態的挑戰，另外廢污水回收策略在考量黃河永續利用應為優先策略之
一 Stave 和 Krystyna(2003)利用系統動力學方法與水管理的概念建立拉斯維加
。
斯水資源模型，藉由模型闡述保存水的重要性與價值。Ahma 等人(2003)利用
9
18. 系統動力學方法進行洪水警戒區域研究，以加拿大曼尼托巴流域的溫尼伯地
區為研究對象，結果顯示目前所劃分的洪水警戒區域可因應未來氣候變遷所
造 成 的 洪 水 容 量 。 Nandalal 等 人 (2003) 將 系 統 動 力 學 與 地 理 空 間 資 訊
(Geographic Information System,GIS)結合，提出一種新方法叫空間系統動力學
(Spatial System Dynamic,SSD)，用來模擬加拿大曼尼托巴流域紅河洪水氾濫的
情形。而國內也有許多專家學者利用系統動力學理論解決各領域之問題，以
下主要整理使用於水資源相關領域之文獻。
一、 水質：
1. 李孟璁(2001)以高雄愛河地區為研究對象，利用河川水質模式並配
合系統動力學的 STELLA 軟體建構模擬模式，評估不同的閘門操
控策略以及污水處理廠處理策略方案對愛河水環境與生態環境的
衝擊。
2. 李任馥(2007)提供高屏溪流域水量水質改善參考外，並展示用系統
動力學於河川水量水質管理策略評估的可行性。
3. 陳禹志(2007)以大甲溪流域為研究對象，針對各項污染源架構出系
統動力模式，模擬評估增加河川生態基流量、養猪離牧、風景區遊
憩污染防治及鄉鎮污水下水道系統等相關防治方案之成效。
4. 鐘易達(2009)利用系統動態學探討大鵬灣地區因觀光遊憩開發對
環境水質所造成的因果回饋衝擊與不同管理策略的可能影響 並建
，
立一決策支援使用介面，使策略選擇更有彈性。
二、 供需水量：
1. 詹麗梅(2001)為了明瞭區域供水系統的運用情形，利用系統動力學
10
19. 理論及 STELLA 軟體建立供水系統之模擬模式，進而評價其永續
性，更建立評價指標與評價方法，以探討不同供水策略對供水系統
永續性之影響。
2. 陳明業(2002)建立淡水河水資源系統動力模式，研究範圍包括台
北、板新、石門及基隆供水區域，針對 2002-2020 年之供需水情況，
進行各項規劃方案之永續性評估。
3. 張婉如(2006)應用系統動力學建立多元化水資源策略分析模型，以
台中地區大甲溪與大安溪流域作為研究區域 分析各種供水策略並
，
探討缺水量與成本之間相互影響的關係。
三、 其他：
1. 黃鈺珊(2001)藉由系統動力學模擬工具，建構高屏溪流域水資源使
用與都市系統模式，針對高屏溪流域之水資源與都市發展政策，進
行政策試驗，檢視是否達到永續發展之理念。
2. 李明益(2002)應用系統動力學 與永續指標概念建立河川流域系統
與水管理決策之架構 以探討河川系統內各種組成與作用對河川流
，
域系統整體之影響程度。
3. 阮威堯(2003)研究烏溪流域之水資源開發政策，並考量政策實施可
能造成環境負荷超過當地涵容能力或改變水資源體系 故依 規
， 據 畫
方案內容之特性，利用系統動力學理論及 VENSIM 軟體建立模
式，評估烏溪流域水資源政策規劃方案對水體環境之衝擊程度。
4. 周建宏(2007)以綜合治水之思維為方向，利用系統動力學理論中之
各種系統基模組合出整體的综合治水模式 並分析各基模變數間的
，
11
20. 因果關係和趨勢型態。
5. 蘇昀柏(2007)提出一整合系統圖與流程圖成為系統動力流圖的新
方法，並以五個水資源案 例來驗證此方法之有效性，透過各種情境
模擬來進一步分析系統的反應。
6. 蔡欣妤(2009)利用系統動力模式建立農業灌溉系統，經由改變引灌
水量及河水堰取水量操作方式，探討對灌溉區域農作物之影響。結
果顯示減量供應引灌水量至五成後，依舊可維持作物之生長需求。
模擬法在操作上雖然不能保證為數學意義上之最佳解，且不對系統未來
之入流量進行預測，但相較於優選法更能考慮系統的細節及複雜性，可符合
目前實際的操作現況；在計算分析上，前者先設定如何去進行試誤疊代計算，
而後者則利用網流高效率的求解能力進行分配調整，優點為能找出滿足既定
用水優先順序與水系內水庫操作規則的水量調配策略。相較於其他模擬法的
計算繁瑣及較無彈性，系統動力學正可以克服這些缺點，再由上述系統動力
學的相關研究可知，雖然有些系統動力相關研究考慮水資源供給，但都僅限
於估算平均年所得之供給量，並無作整體河川流域取水設施與各區域需水量
之研究，故本研究擬以系統動力模式把研究區域的需水系統、供水系統與流
域水資源作整合，以評估整體地區水資源利用情形。
2-2 系統動力學
2-2-1 系統動力學之發展與特性
系統動力學(System Dynamics)發展於 1950 年代後期，係由美國麻省理工
學院(Massachusetts Institute of Technology)之史隆管理學院(Sloan School of
Management)的 Forrester 教授所提出。其理論的最大特色，在於應用因果關係
12
22. 三、 在數據缺乏情況下仍可進行分析
在研究有關社會經濟議題時最怕遇到的問題，便是數據不足以及某
些參數或關係難以量化。由於系統動力學以回饋環路為基礎，再加上其
內部多重回饋環路的存在，使得系統行為在模式中對大多數參數是較不
敏感的。因此，縱使社會經濟中有許多的關係是難以量化的，但只要估
計的參數落在可信度內，模式依然可以顯示出相同的變化趨勢、行為模
式、波動週期以及時間滯延等問題。
四、 對預測的態度是強調條件
舉凡任何系統或模型皆強調含有預測性質存在的未來。系統動力學
模式對未來預測的態度是強調產生結果的條件，即是有條件的預測，觀
察輸入不同的條件會產生不同的預測結果。以預測社會經濟系統為例，
在輸入此種類似政策模擬的條件後，其預測結果更能貼近真實行為，並
作為決策者判斷的依據。
五、 擅長分析高階、非線性具時間變化的問題
社會經濟系統往往需要用高階、非線性及具時間變化的方程式加以
說明，但處理上極為困難，所獲得之結果又不可靠。系統動力學能利用
電腦模擬處理大量資料，對處理此種複雜問題有相當大的功用。
2-2-2 系統動力學之基本概念
系統動力學係包含控制系統論、資訊理論、決策論、電腦模擬等理論為
一體的管理新方法、新工具和新概念。系統動力學為描述、探索和分析複雜
系統內流程、訊息、組織邊界與策略的一種嚴謹的研究方法，可透過定量化
的系統模擬與分析來進行系統結構與行為之設計。系統動力學是處理訊息回
14
23. 饋系統之動態行為的一種方法論，因此對於極複雜的動態、回饋且具時間滯
延(Time Delay)的問題，能提供整體、長期且較周延的解決方法。
除了強調系統與時間的關係外，系統動力學另一重要的基礎為決定變數
之間因果回饋的關聯性，即是在建模程序中相當重要的因果回饋圖的繪製。
使用者必須針對整體系統的因果回饋關係來進行架構，其具有的意義如下：
說明變數之間的因果關係與作用方向
藉由因果回饋關係的確認來說明系統之問題
藉由因果回饋關係將複雜問題作簡潔而系統化之表示
藉由變數間的因果回饋關係說明系統之邊界範圍與基本結構
其中，因果關係之表示主要在說明變數與變數之間的關係為正向或負
向，而無數量上之意義，即是數量之大小並不會影響到因果關係的存在與否。
正向的意義即是當一方數量增加時，另一方數量亦會隨著增加；或一方數量
減少時，另一方數量亦會跟著減少。負向即是當一方數量增加時，另一方數
量則會隨之減少；而當一方數量減少時，則另一方數量則會隨之增加。兩方
變數以因果關係方式連接，在圖形表達上可使用單箭號連接，箭頭原點表示
影響變數，箭頭終點表示被影響的變數。若兩者為正向因果關係，則於箭頭
旁以『＋』表示，反之，則於箭頭旁以『－』表示，如圖 2.1 所示。
圖 2.1 正、負向因果關係圖(蔡耀毅,2007)
若將一系列之因果關係串接成因果回饋關係環路，亦即某一變數同時為
15
25. 變數一
系
統
狀
態 目標
變數五 變數二
變數四 變數三 目標
時間
圖 2.3 負向因果回饋環路與特性圖
2-2-3 系統動力學之組成元件
構成系統動力學的模式架構，需要透過微分方程式才能完成，這些微分
方程系統不僅用來描述變數之間所呈現的交互作用，且方程系統還能逐步隨
著時間進行求解，並表現出每個時間點變化的趨勢。系統動力學模式即是利
用流(Flow)以及元素的組成元件，來表示所設定的方程組。其中流又可分為實
體流(Material flow)與資訊流(Information flow)，元件則可視為構成系統動力學
的三個基本元件，如表所示，包括積量(Level)、率量(Rate)以及輔助變數
(Auxiliary)，分別描述如下 (Forrester，1968) ：
流
系統動力學以流的概念來表示真實世界中各組成份子的運作及其互
動情形。在真實世界中，舉凡自然資源的循環、能量的傳遞、土地面積
的消長，皆可用流的概念來表示。莊韶政(2000)認為流在模式中有起點、
終點與中間數個不同狀態的過程，但起點與終點並不一定代表著真實世
界中的起點與終點，而是表示系統模式中的邊界與範圍，至於中間的狀
17
27. 看，率量就是積量對時間的微分，亦是積量變數 Y 隨著時間改變的量，
如表 2.1 所示。率量也代表著決策行動的起點，透過資訊的收集與處理，
形成對某一特定流中某一狀態的控制政策。
輔助變數
輔助變數在系統動力學模式中有三種涵義，第一為資訊處理的過
程，可作為不同的積量或率量之間資訊傳遞的中介者。第二為某些特定
的環境參數值，該參數值為一常數，例如調整次數；也有可能是某些單
位的轉換值，例如漁船數與漁獲量之間，可透過每艘船所捕獲之漁獲量
此一輔助變數來做轉換。第三為系統的輸入測試數值，可以用常數或是
函數(Function)表示，大部分系統動力學建模軟體都提供很多的函數供使
用者利用。前兩者皆可視為率量的一部分，且與率量共同形成某一特定
目的之管理控制機制，而最後一項則是用以測試模式行為的各種情境。
輔助變數在線流圖中以圓來表示，如表 2.1 所示。
表 2.1 系統動力學各組成元件(Sterman,2000)
圖形項目 定義 數學意義 概述
具有累加儲存的功能，可藉由率
積量 Y
量的流入與流出改變其數值。
dY 以加減乘除等數學方式表示，並
率量
dt 結合運算常數、係數以及資料。
C 、 X 、 F (Y ) 、
可輸入各操作單元之原始資料及
輔助變數
F (t ) 、 F ( X ) 其數值。
19
29. 件，即為了解系統特性、體認所需解決之問題，並訂定模式建立之目標。
二、 系統的描述
在確認問題所在以及訂定目標之後，接著就是找出所要研究的系統
範圍，針對所有會影響問題之因素加以描述，屏除與所研究問題無關的
變數，以減少花費心思於這些變數當中，並進一步釐清系統內各因素間
的因果與相互關係。
三、 因果回饋圖的繪製
系統思考中一個重要的觀念便是回饋，將系統內所有的因果關係全
部連結完成後，便形成了所謂的因果回饋圖，藉由此回饋圖的繪製，可
清楚了解各變數彼此之間的關聯性，及其系統中主要與次要環路。這些
資訊有助於進一步決定出解決問題的思維與邏輯。
四、 系統動力模式的建立
由於文字或口語之描述無法清晰而簡潔的表示各因素間之關係，故
此步驟更進一步將因果回饋圖以系統動力學之組成元件建置出系統動力
模式，並在各組成元件中輸入數據及方程組，用以描述系統中之目標、
資訊來源、各模擬政策以及系統內各變數間之相互關係。
五、 模式評估與驗證
此步驟之目的即在確認與驗證所建立之系統動力模式有無達成原先
設計與規劃之目標，且尚需注意其表現行為是否合理地表示真實世界之
情境，如未達成，則須回到前一步驟重新檢視模式，並進行改良與修正。
六、 各政策的情境模擬
21
33. 第三章 背景簡介與模式建置
本研究為探討澎湖本島水資源供水系統變化趨勢，根據第二章所述之系
統動力學建模流程，此章節將針對澎湖本島區域進行背景簡介，並提出整體
系統架構，建立系統動力模式，提供後續章節以進行策略模擬與情境分析。
3-1 背景概述
3-1-1 自然條件概述
一、 地理位置
澎湖群島位於中國大陸與台灣之間的台灣海峽上，是台灣唯一的島
縣，由大大小小約 90 座島嶼所組成，合計面積 124.93 平方公里，散佈在
南北長約 60 公里、東西寬約 40 公里的海面上。群島位置約在台灣嘉義
縣與金門縣之間，東向台灣、距嘉義縣東石鄉 44 公里，往西與金門縣相
距 170 公里，往北至基隆相距 360 公里，往南至台南縣距離 96 公里，地
理位置十分特殊。全區有人居住的島嶼僅有 19 座，行政區域劃分為馬公
市、湖西鄉、白沙鄉、西嶼鄉、望安鄉及七美鄉。群島中以澎湖本島的
面積最大，其次是漁翁島、白沙島、七美嶼及望安島。澎湖縣最大的三
個島包括了澎湖本島(馬公市與湖西鄉)、白沙島(白沙鄉)、漁翁島(西嶼
鄉)，以上島嶼目前皆有橋樑連接，澎湖本島與白沙島之間以中正大橋相
連，而白沙島及漁翁島則以跨海大橋銜接，三大島嶼面積合計約 104.41
平方公里，為本論文之研究範圍，如圖 3.1 所示。
二、 地形特色
澎湖群島是由玄武岩流組成的熔岩臺地，經千百萬年海水侵蝕與岩盤升
25
36. 在澎湖的降雨量遠不如在台灣來得多。因此，特殊的地理因素及氣候條
件讓澎湖地區平均年降雨量僅約 1000mm，遠少於同緯度在台灣本島的嘉
義(年降雨量 1700mm)，更少於阿里山的平均年降雨量(4000mm)，如圖
3.2 所示。
表 3.1 澎湖地區氣象概況表
平均 平均 平均 日照 相對 降雨 平均
氣象 降水量
氣溫 最高溫 最低溫 時數 溼度 日數 風速
月份 (℃) (℃) (℃) (hr) (%) (mm) (天) (m/s)
一月 17.5 25.7 12.0 109.6 75 7.8 5 11.7
二月 18.5 28.8 10.8 86.2 83 20.8 7 10.5
三月 20.9 30.8 11.8 169.2 77 3.3 3 11.4
四月 21.7 31.0 14.9 111.4 82 30.8 6 9.7
五月 25.2 32.3 19.5 171.1 85 71.3 12 7.4
六月 26.8 33.1 21.8 153.0 87 137.1 11 9.4
七月 28.6 36.2 23.9 240.4 84 95.6 7 7.6
八月 29.3 34.3 25.6 259.0 82 8.3 4 6.5
九月 28.0 33.0 22.9 211.9 83 238.9 7 20.5
十月 25.2 31.8 19.0 127.5 77 52.9 5 14.4
十一月 21.5 25.4 18.0 130.4 76 8.3 6 10.6
十二月 19.0 27.2 11.9 188.1 70 13.1 2 11.8
年平均 23.5 30.8 17.7 163.2 80 688.2 6 11.0
資料來源：中央氣象局，2010。
除了過少的年降雨量，降雨量在乾季與雨季的分別也相當明顯。每
年的 10 月到翌年的 3 月屬於乾季，降雨量約 200 公厘，約佔全年降雨量
的 20%；每年的 4 月至 9 月是雨季，降雨量約 800 公厘左右，佔全年降
雨量的 80%。全年的降雨日約 95 天，只佔了全年天數的 26%左右，遠低
於台北的 182 天，也略低於嘉義的 108 天和高雄的 97 天。
蒸發是澎湖地區喪失水量的主要因素之一，由於全年季風強勁，日
照充足，使得年蒸發量可高達 1600 多公厘，遠遠超過年降雨量。由於高
28
37. 蒸發量及低降雨量使得地表水面蒸發相當快速，土壤表層極易乾燥，而
且雨量過於集中在夏季，此種情況在冬季蒸發量和降雨量相差甚多時尤
其明顯，使得地表水源難以貯留，也讓農作物和草木常因缺水現象，而
無法生長。
900
800
月 700
平
均 600 澎湖
降 500 嘉義
雨
量 400 阿里山
(
m 300
m
)
200
100
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 月份
圖 3.2 歷年月平均降雨量比較圖(資料來源：中央氣象局，1981-2010)
六、 季風
季風是澎湖特殊的自然現象，澎湖位於季風標準區域內，當秋末初
冬的東北季風通過管狀的台灣海峽時，風力加速，使得澎湖冬季經常籠
罩在冷冽的季風之下。在季風的系統下，澎湖地區冬天吹拂著來自高緯
度地區的風，風向多為北北東；因為缺乏地形的屏蔽，使得澎湖冬天的
風速相當大，自 10 月後自翌年 1 月風速都維持在 6m/sec 以上，相當於 4
級風，然後風速慢慢趨緩。雖然平均風速僅為 4 級風，但當有結構完整
的大陸冷氣團南下時，風速常常會達到 8 級以上，陣風亦會達到 12 級以
29
38. 上。在海面上，風速也比陸地上更為強勁。夏天時，亞洲的季風改由太
平洋吹向亞洲大陸，澎湖的風向也因而改變轉為南風，風速較為和緩，
平均風速約在 3.5m/sec 左右，相當於 3 級風。自 8 月底，風向再度轉為
北北東，風速也逐漸加大。
3-1-2 人口與經濟現況
一、 人口現況
澎湖縣人口總數至 98 年底統計為 96,210 人，如圖 3.3 所示，人口密
度每平方公里為 758 人，六鄉市以馬公市占全縣總人口的 58.66%為最
多，每平方公里 1,660 人密度最高；七美鄉人口僅占 3.71％最少；望安鄉
每平方公里 344 人密度最低，顯見人口分佈極不均勻。澎湖縣總戶數為
33,134 戶，每戶平均戶量為 2.90 人，家庭組織以小家庭為主。
圖 3.3 澎湖縣歷年人口數變動圖(98 年底)
30
39. 二、 經濟結構
雖然澎湖縣四面環海，海面箱網養殖業發達，但從 行業別分析，民國
95 年第 1 季統計的農林漁牧業人口僅佔 8.57％，工業人口占 20％，而在
推動觀光產業的政策下，服務業就業人口佔 71.43％，顯示觀光產業已有
初步成效，值得繼續推動。
澎湖縣在民國 93 年受政府雇用的人數占就業人口的 33.90％，遠高
於全台灣的平均數 10.16％，顯示公共行政業人口甚高，建構相當特殊且
穩定的社會經濟結構。本縣社會型態轉變的趨勢為由農業為主，逐漸轉
型為工商業，再漸次轉為服務業為主，明白顯示了未來行業的走向。民
國 98 年服務業達 72.37％，已成為本縣最主要的就業市場；工業部分則
占了 19.77％；而農林漁牧業逐漸萎縮，於 98 年僅占 7.86％。
3-1-3 水資源供需情況
目前澎湖地區主要供水水源包括水庫水、地下水 (包括深井與鹽化井)、經
淡化處理後之海水淡化水以及遭逢嚴重缺水現象時，自台灣本島以船運運補
淡水，而供水操作順序會因豐、枯水期而有所不同。
一、 地表水
由於澎湖地區位處離島，地勢低平，較少河川溪流匯集水源，一旦
有降雨則都逕流入海，很難仰賴降雨來提供足夠的用水需求。目前澎湖
本島四鄉鎮內已使用的水庫包括有馬公市的興仁、東衛水庫，湖西鄉之
成功水庫，西嶼鄉的小池水庫以及位於白沙鄉全台唯一的赤崁地下水
庫，其位置與基本資料如圖 3.4 及表 3.2 所示。在澎湖地區各水庫集水區
均無明顯之河川水路匯集雨水導入水庫，因此儲存水源之效益並不顯
31
40. 著。此外，因為各水庫集水區之土地利用狀況以草荒地、農地及少數社
區、聚落及營區為主，集水區之逕流受到土地涵水是否飽和影響，故降
雨後一般產生逕流的時間較長且逕流量較降雨量減少許多，甚至無逕流
產生，因而水庫之地表入流量也受到限制，時常有缺水或空庫等現象。
圖 3.4 澎湖四鄉鎮各水庫位置圖
表 3.2 澎湖四鄉鎮各水庫之基本資料表
集水面積 自來水 計畫年供水量
水庫名稱 行政區域 計畫標的
(km2) (CMD) (M3)
成功水庫 湖西鄉 5.11 公共給水 3,500~7,000 1,148,000
興仁水庫 馬公市 2.27 公共給水 2,238 817,000
東衛水庫 馬公市 1.30 公共給水 1,041 380,000
赤崁地下水庫 白沙鄉 2.14 公共給水 1,918 700,200
小池水庫 西嶼鄉 1.05 公共給水 803 293,300
資料來源：經濟部水利署
32
41. 另根據經濟部水利署之「澎湖地區供水改善規劃」及參考澎湖地區
水庫營運概況之水庫實際供水資料得知，研究範圍內五座水庫(成功、興
仁、東衛、小池以及赤崁地下水庫)民國 90 年至民國 99 年總平均年供水
量約為 217.94 萬立方公尺，其中成功水庫約為 113.27 萬立方公尺，興仁
水庫約為 46.38 萬立方公尺，東衛水庫約為 21.05 萬立方公尺，赤崁地下
水庫約為 31.73 萬立方公尺，小池水庫約為 5.51 萬立方公尺，歷年平均
總供水率約為 59.36%，如表 3.3 所示。
二、 地下水
澎湖的地下水源可分為淺層及深層兩部分，淺層地下水多儲存在地
表具有裂隙及氣孔之玄武岩內，而深層地下水多儲存於玄武岩間之砂岩
層中。其主要來源為降雨，通常降雨後水位即快速上升，而後隨居民灌
溉、生活用水等抽用而下降；近年來因農業活動減少，生活用水亦漸仰
賴抽自水庫或深層地下水之自來水，淺層地下水之利用已漸趨減少，地
下水位普遍有較往年高之趨勢。淺層地下水位，在湖西鄉為地表下 2～30
公尺，在白沙鄉為地表下 2～20 公尺，在西嶼鄉為地表下 20 公尺左右。
在馬公、內垵及外垵一帶之淺井，則因過度抽取而有海水入侵現象。
三、 海淡水
澎湖地區因水文環境因素，水庫水源極 不穩定，地表水源長期缺乏，
地下水過度利用。目前 50%的供水水源為地下水，然大部分之地下水均
低於附近海域的海床，使得所抽取的地下水多為鹹水，必須再經淡化處
理後才能供民生使用。澎湖首座海水淡化廠，座落於成功水庫旁的成功
33
42. 表 3.3 澎湖地區各水庫歷年供水情況(單位：萬立方公尺)
水庫 年(民國) 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 總計
計畫供水量 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 148.00 1480.00
成功水庫 實際供水量 94.00 134.00 81.00 44.00 154.00 127.90 171.30 125.40 102.30 98.80 1132.70
供水率 0.6351 0.9054 0.5473 0.2973 1.0405 0.8642 1.1574 0.8473 0.6912 0.6676 0.7653
計畫供水量 81.80 81.80 81.80 81.80 81.80 81.80 81.80 81.80 81.80 81.80 818.00
興仁水庫 實際供水量 41.00 50.00 34.00 4.00 55.20 78.80 42.50 59.20 73.30 25.80 463.80
供水率 0.5012 0.6112 0.4156 0.0489 0.6748 0.9633 0.5196 0.7237 0.8961 0.3154 0.5667
計畫供水量 38.00 38.00 38.00 38.00 38.00 38.00 38.00 38.00 38.00 38.00 380.00
東衛水庫 實際供水量 29.00 12.00 7.00 41.00 22.70 27.80 2.10 25.50 31.00 12.40 210.50
供水率 0.7632 0.3158 0.1842 1.0789 0.5974 0.7316 0.0553 0.6711 0.8158 0.3263 0.5539
計畫供水量 70.00 70.00 70.00 70.00 70.00 70.00 70.00 70.00 70.00 70.00 700.00
赤崁地下
實際供水量 6.00 4.00 23.00 21.00 29.00 67.30 38.00 47.10 47.60 34.30 317.30
水庫
供水率 0.0857 0.0571 0.3286 0.3000 0.4143 0.9614 0.5429 0.6729 0.6800 0.4900 0.4533
計畫供水量 29.33 29.33 29.33 29.33 29.33 29.33 29.33 29.33 29.33 29.33 293.30
小池水庫 實際供水量 5.00 6.00 1.00 2.00 7.10 11.70 3.40 11.20 6.40 1.30 55.10
供水率 0.1705 0.2046 0.0341 0.0682 0.2421 0.3989 0.1159 0.3819 0.2182 0.0443 0.1879
計畫供水量 3671.30
合計 實際供水量 2179.40
供水率 0.5936
34
43. 淨水廠內，耗資 1 億 3 千 4 百萬元，日產水量 2,000 噸，於民國 84 年 8
月開始運轉供水。澎湖海水淡化廠是採用先進的逆滲透式的海水淡化原
理取得淡化水，目前是將海水淡化所得的淡水和淨水廠處理水庫水源所
得的處理水相互混合，供作民生用水。各海水淡化廠基本資料整理如表
3.4 所示。
表 3.4 澎湖本島四鄉鎮海水淡化設備概況表
設計供水量 實際營運時間 實際造水量
海水淡化廠 位置 備註
(立方公尺/日) (日) (萬立方公尺/年)
烏崁海水淡化廠 整建中，採部
馬公市 7,000 122 52.27
一廠 分出水
烏崁海水淡化廠
馬公市 3,000 365 111.57
二廠(套裝)
烏崁海水淡化廠 興建中，採部
馬公市 5,500 364 200.20
三廠(擴建工程) 分出水
西嶼 750 噸
西嶼鄉 750 － － 興建中
海水淡化廠
15,500
合計 364.04
(不含西嶼)
資料來源：經濟部水利署，民國 99 年。
3-2 模式建構
本研究利用系統動力學理論針對澎湖地區區域供水系統建立模擬模式，
並選擇適當的策略以滿足未來目標年的用水需求量。根據系統動力學所述之
建模流程，為了清楚所要研究系統之範圍以及各變數間的相互關係，本節將
根據所整理之背景資料，整合需求層面及供給層面之情境策略，提出澎湖地
區區域供水系統整合架構圖，如圖 3.5 所示。接著提出之系統整合架構圖，配
合系統動力學理論，界定各變數彼此之間的關聯性，繪製出其整合架構之因
果回饋圖，如圖 3.6 所示，以便後續建立其系統動力模式。
35
44. 需求策略 供給策略
總需求量 總缺水量
總供水量
供水系統
圖 3.5 供水系統與策略方案整合架構圖
本研究提出之情境分析包含供給層面及需求層面，供給策略如水庫改
善、海水淡化廠增建以及再生水源之利用等工程，增加水源的供應量以滿足
未來目標年之用水需求；而需求策略如水價調整、管線汰換以及節水宣導等
方案，以降低區域內的需求用水量。藉由實施需求及供給層面的情境策略，
希冀可達到減少澎湖地區缺水情形之預期效果。
在整合架構因果回饋圖當中，藉由探討整體系統的總缺水量來表示系統
當下的狀態，本研究所期望的目標即是系統總缺水量越小越好。於此，系統
內部遂即產生了差距，使管理者必須採取適當行動，以期縮小系統內部之差
距。在採取的行動方面，本研究提出需求及供給兩方面的策略，需求方面包
含水價調整、管線汰換以及節水宣導等方案，以降低系統之總需求量；供給
36
46. 3-2-1 現況供水系統系統動力模式建置
根據第二章文獻回顧所描述之系統動力學建模流程，本節將延續前節所
描繪之整合架構之因果回饋環路圖，配合系統動力學內的基本元件，建置澎
湖地區供水系統之系統動力模式。澎湖地區供水系統依原水來源及管線系統
大致可分為馬公、白沙、西嶼三個系統，根據各系統內之供水設施可分別建
置出個別之子系統動力模式。
馬公系統內因包含馬公市及湖西鄉，擁有廣大之島嶼面積，人口眾多以
及商業活動頻繁等因素，用水需求最為迫切。境內供水水源主要有成功、興
仁、東衛三座地表水庫，以及烏崁海水淡化廠以海淡水供應，加上當特殊缺
水情事時，皆自台灣以輪船運水至此，再由馬公系統管線或以水車方式分配
原水，故馬公系統之缺水情況與其他系統相較平緩，其系統動力模式如圖 3.7
所示，變數說明如表 3.5 說明。
因配合經濟部水利署為保育水資源而辦理之地下水停抽政策，且因地下
水井數量統計不詳，故在供水系統分析中不考慮系統內當地深淺地下水井之
抽取量，只選擇各系統內之水庫為主要積量，並配合區域內海各水淡化廠之
供應，以及當特殊乾旱現象而啟動之船運供水，為目前供水系統現況之總供
水量。目前澎湖海水淡化廠皆是將海水淡化所得之淡水和淨水場處理水庫水
源所處理之淡水相互混合，以供作民生需求用水，故在模式中將其視為一般
變數納入計算。馬公系統中除地表湖庫水源外，另有烏崁海水淡化廠生產原
水供給民生用水，依興建順序共有三期設備，設計造水量分別為 7,000CMD、
3,000CMD 以及 5,500CMD，全年約可造水 565.75 萬立方公尺。根據經濟部
水利署民國 99 年統計，因實施維修擴建工程等因素，烏崁海水淡化一廠採部
分產水，該年範圍內海水淡化廠實際造水量僅約 364.04 萬立方公尺。
38
47. 圖 3.7 馬公供水系統系統動力模式圖
表 3.5 馬公系統動力模式變數說明
變數 說明
Rain 年平均降雨量(公釐)
Rain inflow rate1 成功水庫集水區降雨量流入水庫比率
Area1 成功水庫集水面積(公畝)
Inflow1 成功水庫入流量(立方公尺)
Chenggong Reservoir 成功水庫存量(立方公尺)
Clean1 成功水庫存量調整函數
Supply1 成功水庫供水量(立方公尺)
S R W rate1 成功水庫供水率
Rain inflow rate2 興仁水庫集水區降雨量流入水庫比率
Area2 興仁水庫集水面積(公畝)
Inflow2 興仁水庫入流量(立方公尺)
Singren Reservoir 興仁水庫存量(立方公尺)
39
48. Clean2 興仁水庫存量調整函數
Supply2 興仁水庫供水量(立方公尺)
S R W rate2 興仁水庫供水率
Rain inflow rate3 東衛水庫集水區降雨量流入水庫比率
Area3 東衛水庫集水面積(公畝)
Inflow3 東衛水庫入流量(立方公尺)
Dongwei Reservoir 東衛水庫存量(立方公尺)
Clean3 東衛水庫存量調整函數
Supply3 東衛水庫供水量(立方公尺)
S R W rate3 東衛水庫供水率
D W1 烏崁海水淡化一廠供水量(立方公尺)
D W2 烏崁海水淡化二廠供水量(立方公尺)
D W3 烏崁海水淡化三廠供水量(立方公尺)
Shipping Water 輪船運水供水量(立方公尺)
Water treatment plant1 馬公系統淨水場處理量(立方公尺)
Magong Supply 馬公系統供水量(立方公尺)
在白沙供水系統，主要水庫為赤崁地下水庫，為台灣唯一之地下水庫，
以設置地下截水牆攔截地下水加以貯蓄而成。因白沙與馬公供水系統之供水
管線相連通，故白沙系統除赤崁地下水庫外，並無其他之供水設施，如遇嚴
重缺水情形，皆由馬公系統管線聯合供水紓解缺水壓力，建置之系統動力模
式如圖 3.8 所示，變數說明如表 3.6 說明。
西嶼系統除了有一地表水庫-小池水庫外，另有已興建完工之 750 噸海水
淡化廠，因目前仍為試車驗收階段，故尚未啟用供水，其供水能力將列入第
四章情境策略分析探討。西嶼系統其系統動力模式建置如圖 3.9 所示，變數說
明如表 3.7 說明。
在各模式中，水庫入流量主要來自澎湖地區降雨，而各水庫入流量之推
算方式乃採用降雨與逕流之關係，以降雨量乘上地表逕流係數之方式來概
估，依據中央氣象局澎湖氣象站民國 91 年至 99 年歷年年雨量資料推估水庫
40
49. 圖 3.8 白沙供水系統系統動力模式圖
表 3.6 白沙系統動力模式變數說明表
變數 說明
Rain 年平均降雨量(公釐)
Rain inflow rate4 赤崁地下水庫集水區降雨量流入水庫比率
Area4 赤崁地下水庫集水面積(公畝)
Inflow4 赤崁地下水庫入流量(立方公尺)
Chinken Grouder Reservoir 赤崁地下水庫存量(立方公尺)
Clean4 赤崁地下水庫存量調整函數
Supply4 赤崁地下水庫供水量(立方公尺)
S R W rate4 赤崁地下水庫供水率
Water treatment plant2 白沙系統淨水場處理量(立方公尺)
Baisha Supply 白沙系統供水量(立方公尺)
41
50. 圖 3.9 西嶼供水系統系統動力模式圖
表 3.7 西嶼系統模式變數說明表
變數 說明
Rain 年平均降雨量(公釐)
Rain inflow rate5 小池水庫集水區降雨量流入水庫比率
Area5 小池水庫集水面積(公畝)
Inflow5 小池水庫入流量(立方公尺)
Hsiaochieh Reservoir 小池水庫存量(立方公尺)
Clean5 小池水庫存量調整函數
Supply5 小池水庫供水量(立方公尺)
S R W rate5 小池水庫供水率
Water treatment plant3 西嶼系統淨水場處理量(立方公尺)
Shiyu Supply 西嶼系統供水量(立方公尺)
42
51. 入流量，其推估公式如下所示：
Q = k × P× A
其中 Q：為水庫入流量
P：為年降雨量
k：為地表逕流係數(runoff coefficients)，逕流係數之大小與流域特性、土
地利用狀況、地質、坡度、降雨強度及降雨延時等因子有關，澎湖
地區過去水資源開發計畫所應用之逕流係數皆採用定值。
A：為集水區面積
而澎湖地區因特殊自然條件限制而雨量稀少且蒸發量大，水庫常出現缺
水或空庫的現象，由 3.1.3 節整理之澎湖地區水庫歷年供水情形可得知，其歷
年平均總供水率約為 0.5936。
3-2-2 需求層面系統動力模式建置
本研究探討澎湖地區之用水需求量，以民生用水及觀光用水為主，至於
工業及漁業用水，因澎湖地區工業發展較為緩慢，故本研究在推估用水需求
量時將不考慮工業及漁業用水，需求面系統動力模式如圖 3.10 所示，其變數
如表 3.8 說明。
民生用水的推估方式主要是由模式中推估之人口數量乘上每人每日生活
用水量乘上供水普及率，即為民生用水之需求量。在觀光用水的推估上，根
據經濟部水利署之「澎湖地區供水改善規劃」中建議，將觀光用水之每人每
日生活用水量以 226 公升估算，故觀光用水之推估方式即為遊客數乘上遊客
43
52. 圖 3.10 需求面系統動力模式
表 3.8 需求面系統動力模式變數說明表
變數 說明
population 人口數(人)
birth 出生數(人)
death 死亡數(人)
population move 人口遷移數(人)
birth rate 出生率
death rate 死亡率
move rate 遷移率
tourists 遊客數(人)
per P water 每人每日生活用水量(噸)
change of per P water 每人每日生活用水量變動量(噸/天)
per P water rate 每人每日生活用水量增加率
water price policy 水價調整對每人每日生活用水量之影響
water supply rate 自來水供水普及率
water demand 水資源需求量(立方公尺/年)
之每人每日生活用水量，即為觀光用水之需求量。
模式當中的主要積量人口數，其影響之率量分別為出生數、死亡數以及
44
53. 遷移數。根據澎湖縣政府主計處統計，澎湖地區歷年來出生率與死亡率變動
不大，近幾年則呈現小幅上升的趨勢，本研究採用近九年(民國 90 年至 98 年)
年平均值分別為 9.771%與 8.352%，另外遷移率在近九年(民國 90 年至 98 年)
年平均值為 6.614%，使人口呈現微幅成長。在觀光遊客數方面，根據交通部
觀光局之「澎湖國家風景區遊客調查暨旅遊人次推估模式建立規劃」所建立
之模式推估，至民國 101 年之遊客人數可達約 60 萬人次。
在需求面模式另一積量為每人每日生活用水量，影響之率量為每人每日
生活用水量增加率。影響每人每日生活用水量之因素包括氣候、地理環境、
風俗習慣、生活水準、水源取得難易度、自來水供水量、水質及水價等。主
要是假設當民眾用水習慣受到需求改善策略如自來水價格調整或節約用水措
施所影響時，可表現出民眾每人每日生活用水量之增減量。在模式中，每人
每日生活用水量之初始值是採取經濟部水利署所統計之民國 98 年澎湖縣每人
每日生活用水量。而每人每日生活用水量變動率則根據經濟部水利署之各標
的用水統計資料庫，取自民國 90 年至民國 98 年底為止澎湖縣每人每日生活
用水量增加率之平均值。
3-2-3 評估指標系統動力模式建置
對於供水系統而言，首重就是必須維持其供水的穩定度，本研究將以國
內水利單位常用之缺水指數(Shortage Index,SI)來表示其供水系統供水之穩定
度，並用以評估後續設定之各情境策略對供水系統改善之效益，其定義為：
2
100 N St
SI = ∑
N t =1 Dt
上式中 SI=缺水指數
45
54. N=總模擬時刻
St=各時刻缺水量
Dt=各時刻需水量
缺水指數主要是在描述缺水量與需水量之間的關係，以時刻缺水率(缺水
量/需水量)之平方來表現缺水之程度，並以全模擬時刻缺水率平方之平均為代
表，為其計算之缺水指數。公式中將不同時刻間之缺水狀況予以平均，對於
特殊之乾旱狀況給予較高之權重。於式中模擬時刻期距依使用者定義之不
同，可分為日、旬或為年，本研究將沿用國內一般之定義，將以年為時刻間
距之計算單位。過去水利單位常以缺水指數=0.5~2.0 作為供水計算之標準，
根據經濟部水利署澎湖地區供水改善規劃中建議，本研究將以 SI=1 作為其缺
水風險之上限。
依據圖 3.6 整合架構之因果回饋環路圖，配合前述之評估指標計算公
式，即可建置 出供水系統之評估指標模式，如圖 3.11 所示，其變數詳如表 3.9
說明。在評估指標模式中的總供水量變數，即是由前述建置之供水系統模式
中的馬公、白沙、西嶼三個供水系統總供水量之總和，並與需求面系統模式
所得之總需水量計算，便可得到各時刻整體供水系統之總缺水量及缺水率，
藉由利用評估指標公式，將各時刻缺水率之平方以模式內積量方式加總累計
後，即可得到整體供水系統之缺水指數。
46
55. 圖 3.11 評估指標系統動力模式
表 3.9 評估指標系統動力模式變數說明表
變數 說明
Shiyu Supply 西嶼供水量(立方公尺/年)
Baishi Supply 白沙供水量(立方公尺/年)
Magong Supply 馬公供水量(立方公尺/年)
water supply 總供水量(立方公尺/年)
water demand 總需水量(立方公尺/年)
water shortage 缺水量(立方公尺/年)
water shortage rate 缺水率
in1 各時刻缺水率之平方
total water shortage 模擬時刻之缺水率平方之總和
shortage index 缺水指數(SI)
3-3 模式趨勢測試
本研究以系統動力學分析澎湖區域內供水系統之供需水情形，主要目的
在於觀察整體系統趨勢行為，並非追求測試結果與實際情形完全一致，而是
希望能使模擬結果之趨勢變化與現況系統趨勢符合。故模式在使用前須先進
行合理且合適之驗證，以比較其模式與真實系統間之差異是否能被接受。系
47
57. 史資料之成長趨勢相仿，如圖 3.13、圖 3.14 以及圖 3.15 所示，足以與現實系
統觀察的現象相符，故可推論模式之結構為有效的。
圖 3.13 人口數模擬結果與歷史資料趨勢比較圖
圖 3.14 遊客數模擬結果與歷史資料趨勢比較圖
49
58. 圖 3.15 每人每日生活用水量模擬結果與歷史資料趨勢比較圖
澎湖縣由於資源缺乏且交通不便，歷年來人口嚴重流失，不過近十年人
口數量增減趨勢變動不大，整體上呈現微幅成長之趨勢，但近一兩年出現較
大變動之因素，根據澎湖縣政府(2008)統計分析，可能與遷居外縣市鄉親於選
舉期間為取得投票權而紛紛將戶籍遷入有關。澎湖縣遊客人數成長近十年呈
現漸趨平穩現象，出現較大變動之年度有可能係受到當年度重大事件之影
響，如民國 91 年之華航澎湖外海空難事件、以及民國 92 年之 SARS 疫情事
件等影響。在每人每日生活用水量方面，因澎湖縣近年經濟成長、生活環境
改善，連帶使得居民用水需求增加，使每人每日生活用水量逐漸成長，而近
年來隨著環保與永續意識影響，使其呈現平穩趨勢。
50
59. 第四章 策略情境分析
近來年澎湖地區隨著當地觀光產業發展與人口成長，使得用水需求的增
加，依現況供水系統已無法滿足其未來用水需求，如此將造成供需失衡而產
生區域性缺水問題。故本研究將利用前一章節已建置之系統動力模式針對供
水系統提出各項策略情境，並觀察各情境之成效，以提供管理者制定決策之
依據。
本研究所建構之系統動力模式模擬將自民國 100 年開始至民國 130 年，
其模式的單位時間尺度為年，共計 30 個時間單位。為了觀察整體系統在為期
30 年的模擬時間當中的趨勢變化，本研究主要將以評估指標模式內之總需水
量、總供水量、年缺水率以及缺水指數(Shortage Index,SI)了解其供水系統之
供水穩定度，並了解各項策略對供水系統所帶來之影響。
根據經濟部水利署澎湖地區供水改善規劃(2006)，本研究所提出之管理措
施，針對供給面策略有(A)將海水淡化廠提升至最大產量；(B)增建一海水淡化
廠；(C)增加再生水源之利用等三項工程，以求增加水源之供應量可滿足未來
目標年的用水需求。而在需求面則僅先提出(D)合理水價調整策略之考量，以
降低區域內的需求用水量。希冀藉由決策者實施需求及供給層面的策略情
境，可達到減少澎湖地區缺水情形之預期效果。
根據策略實施後的模擬結果，可以知道每項策略對系統所產生之影響，
但各項策略之間若能搭配實施，對整體系統將會有相互影響的結果。故本研
究在各項策略情境單一實施後，提出將供給面策略與需求面策略互相搭配實
施以及四項策略同時實施之多重策略情境，並觀察其策略搭配組合對系統所
產生的變化情形，其管理策略情境搭配組合如表 4.1 所示。
51
60. 表 4.1 本研究提出之策略情境搭配組合表
策略層面 供給面 需求面
策略代號 (A) (B) (C) (D)
海水淡化廠 興建一海水 增加再生水源
策略說明 合理水價調整
最大產量 淡化廠 之利用
情境一 v
情境二 v
情境三 v
情境四 v v
情境五 v v
情境六 v v
情境七 v v v
情境八 v v v v
4-1 現況情境分析
本研究將以現況供水系統不實施任何管理政策之方式作為現況情境分
析，藉由觀察評估指標模式內之總需水量、總供水量、年缺水率以及缺水指
數等變數，了解目前澎湖地區現況供水系統之供需水情形。後續再分別探討
本研究所提出之策略情境組合，以便供各種情境對照參考其效益之用。其在
現況情境下之評估指標模式之模擬結果如圖 4.1.a、圖 4.1.b 及圖 4.1.c 所示。
由圖 4.1.a 之變數趨勢圖可得知，在模擬時刻的 30 年間，澎湖地區總需
水量從 759 萬噸/年增加到 1,161 萬噸/年，而依現況情境之總供水量僅可提供
369 萬噸/年，遠遠不及其總需水量。在現況情境的模擬下，供水系統內年缺
水率因總供水量遠不及總需水量，自模擬初期之 0.52 一路增加至 0.6，也連帶
使得根據年缺水率計算之缺水指數最終來到 8.19，如圖 4.1.b 所示。可見在此
現況情境之下，澎湖地區是嚴重缺水的。
52
62. 而圖 4.2.c 則是現況情境下評估指標模式之趨勢圖，可見隨著模擬時刻向
後推移，總供水量雖維持 369 萬噸/年之穩定供水，但總需水量隨模擬時間呈
現增加之現象，使得系統內年缺水率及缺水指數在模擬時刻內一路成長上
升，足以顯現其供水系統在現況情境下之缺水情形。
圖 4.1.c 現況情境下評估指標模式之變數趨勢圖
4-2 策略情境分析
根據表 4.1 本研究提出之策略情境搭配組合表，為了解各項策略組合情
境設計對系統所產生之影響，本研究主要以評估指標模式內之缺水指數
(Shortage Index,SI)此項變數判別其供水系統之供水穩定度，並觀察情境設計
對供需水量變化之關係。以下就各項策略搭配之情境分別論述。
情境一：(A)提昇海水淡化廠至最大產量
54
65. 依據圖 4.2.b 之年缺水率及缺水指數之趨勢圖顯示，因系統內供水量
小於需水量，故年缺水率隨模擬時間上升，故缺水指數亦隨之增加，當
模擬時刻終了時，年缺水率為 0.44，缺水指數則來到 2.42。而圖 4.2.c 則
是整體系統動力模式之評估指標模式之變數趨勢圖，可見隨著模擬時刻
向後推移，總供水量雖維持平穩不變，但總需水量呈現穩定成長之現象，
使得系統內年缺水率及缺水指數在模擬時刻內一路成長上升。
情境二：(C)增加再生水源之利用
澎湖地區主要水資源計畫除了提高海水淡化廠之產量外，因再生水
源處理對環境衝擊因素較小，故成為近來考量之重要替代水源。本研究
在再生水源策略設計部分，除考量經濟部水利署在離島地區推廣之雨水
貯存利用，亦加入了針對都市生活廢污水之回收利用考量，以兩項再生
水源增加供水系統之總供水量，以下就雨水貯存利用及都市廢污水回收
利用設計策略分述如後：
1. 雨水貯存利用：
根據離島地區雨水貯留利用規劃(2004)一書中評估澎湖地區雨
水貯留利用潛能，其將澎湖地區雨水利用規劃分為建築物集水、地形
集水以及集水區集水等三大面向收集雨水 分析結果顯示三大面向之
，
出水能依序為 23,7532 噸/年、56,152 噸/年以及 237,441 噸/年，共可
提供 317,346 噸/年之出水能。
2. 廢污水回收
都市廢污水是指來自居民在淋浴、洗滌、排泄等過程中所產生的
廢污水。都市污水相較工業廢水，具有水量穩定、水質單純的優點，
57
66. 若能將其放流水加以處理回收，轉為次級用水、工業用水、以及各類
緊急備用水源之用途 依據內政部營建署污水下水道第四期建設計劃
。
中指出，針對澎湖馬公市區規劃興建之污水下水道設施，其規劃之第
一期工程污水處理廠年處理規模亦應不得小於 1917100 噸 後續工程
，
應視污水處理成長率進行擴建。針對都市污水處理廠進行放流水回收
之效率，因其水質較佳，若將再生水作為次級用水，實際可再生水量
約為總放流水量的 90%以上。
本研究將再生水源利用此項策略情境設計為雨水貯存利用及生活廢
污水回收利用兩部分共同執行，並引用其相關計畫之評估結果作為參
數，以增加至供水系統系統動力模式之內，希望由此策略情境可提高政
體系統之總供水量，以求減緩澎湖地區之缺水情事，其情境模擬結果如
圖 4.3.a、圖 4.3.b 及圖 4.3.c 所示。
圖 4.3.a 情境二下總需水量及總供水量趨勢圖
58
