都市農業在永續智慧城市水-糧食-能源鏈結下的協同效用

Abstract

"水、糧食和能源是延續生命體和維繫都市運作的三種最重要資源，三者間的供應與使用息息相關。全球人口的快速增長、集中與都市化，大幅增加對水、糧食和能源需求，並對這些資源存量與使用效率形成巨大壓力。台灣雖然預計未來五十年人口將較目前下降，但都市化的趨勢依然明顯，可預期仍將對水、糧食和能源的供應有極大壓力。因此近來國際間針對水，糧食和能源鏈結關係(water-food-energy nexus)的研究越來越多，亦發展出各種分析工具方法來評估三種資源的供應、消耗量，以及彼此間的交互影響與競合關係，期能探索出資源分配利用的最佳化協同效益。然大部分研究的空間規模尺度都很大，例如從國家、河川流域、地理區域等角度來進行後驗的總量分析，而從地方上能事前先經過整體規劃再務實執行的機制，卻尚不多見，特別是從都市農業對水、糧食、能源資源在都會區的影響與貢獻的研究極其有限。2020年起全球新冠肺炎流行病暴發後，各種出行流動的管控措施影響了許多商品貨物及糧食的流通與供應，都市農園遂再度成為在地鮮蔬生產能否有效滿足局部自主供應的議題。 為落實在地資源鏈結之理念，本研究從水-糧食-能源鏈結的資源使用觀點着手，利用市中心的閒置土地空間，結合在地能源、資源收集與市政水電的併用來進行都市農業生產，並以系統動態模型（System Dynamics Modeling, SDM）方法，計算各資源的入出流量，再從水資源與能源的供給與消耗面，分析糧食就近生產所需的單位水電消耗量與收成量之間的關連性（關係）。而作物生長受在地氣候影響很大，故本研究先利用類神經網路方法下之自組織映射（Self-organizing Map，SOM），從北台灣歷史氣象資料中聚類找出北台灣的氣候類型，並特別分析臺北市氣候類型在時間分佈上的特徵，再結合台北市屋頂農園實際成功案例，建構台北市都市農園葉菜作物於氣候-水-糧食-能源資源鏈結之系統動態模型，並進一步以2018年氣象資料為模擬背景，發展全年依氣候條件配置葉菜種植（葉萵苣和地瓜葉）的系統動態基礎模式，探討台北市都市農園（屋頂農場）全季節葉菜作物種植生產在氣候與資源間的關聯性以及資源投入與產出間的利用效率，以提供都市與農業相關部門在規劃發展都市農業時，為未來潛在糧食安全風險提前部署都市地區農園儲備建置時提出策略參考。 本研究模型特色在於能隨時間的演進，透過描述資源的連續性、變化和交互行為特徵，有效捕捉水-糧食-能源鏈結間動態串聯。本研究以台北市大安老人中心屋頂農園實際成功的都市農園生產工作與收穫資料為案例基礎，所建構的氣候-水-能源-糧食鏈結模型評估了台北市屋頂農場葉菜作物生產的有效性和資源利用效率，其結果表明，2018年在120平方公尺的栽植面積裡，全年度在地連續種植葉萵苣和地瓜葉的總年產量可達1.001噸，而該年作物生長期間共需水量為1,170.5噸（包含使用596.8 噸的雨水回收再利用，和213.2 噸的自來水），以及總共645.1千瓦時的能源需求（包括298.4千瓦時太陽能光伏發電和45.8千瓦時的市政電力）。以種植的葉菜類單位面積計算，2018年平均每平方公尺需要9.8噸的澆灌水（5.0 ton/m2 來自雨水回收，以及1.8 ton/m2 的市水供應），以及每平方公尺需要 5.4 kwh的能源需求以啟動澆灌馬達工作（2.5 kwh/m2 來自太陽綠能的收集，以及 0.4 kwh/m2 的市電供應)；再以此單位用量擴展到台北市的建築屋頂的面積，若其中30%的面積（56,602 m2）能施行屋頂農園種植葉萵苣和地瓜葉，其2018年屋頂農園的模擬收穫量得以推估出，除了當年綠水綠能的收集使用外，另僅需消耗4,460噸的市水和575,000kWh市電的能資源成本，供應周邊4,312人（或1,437個三口之家）的全年鮮蔬食用。 本研究分析結果將可提供相關決策單位對都會區鮮蔬葉菜類之糧食供應進行產地的有效調整配置與生產，增加城市居民新鮮農產蔬果的來源，並消除部分糧作因來自外地衍生的”食物里程”與運輸成本，以降低農產品市售價格，且能有效調節天災後的蔬菜供應質量與控制菜價波動，提升都市農業對水、糧食、能源資源的協同效益，期能更符合智慧永續城市的目標。 "