書籍介紹
一、計畫緣起
臺灣降雨豐枯比懸殊、坡短流急，氣候變遷現象使農業水資源短少問題更顯嚴峻，因應缺水危機下，研擬氣候變遷下水資源多元開發及有效利用為重要課題。近年來智慧化水資源利用之推動亦為國際趨勢，農業占整體水資源的大宗約70~73 %，如何由農業生產過程導入智慧化管理，達成節水且同時兼顧農業生產本質的目標是為本計畫之重點所在。本計畫今年度以桃園市為研究區域，擬整合物聯網(IoT)感測技術、智慧環控管理技術初步建立智慧節水管理系統，並以2次現地示範區省水試驗進行驗證，配合作物栽培管理分析平台，建立前瞻智慧節水管理系統，可作為氣候變遷下提升水資源韌性重要調適策略方案。
二、計畫基本資料盤點
計畫資料蒐集包含桃園水源利用、農作資料、智慧農業案例蒐集；桃園市水源利用以地面水為主，以2017年水權量為例，用水標的運用依序為家用及公共給水(76 %)；農業用水(22 %)；工業用水(2 %)，桃園市境內可供糧食生產地為34,885.7 ha，位於桃園及石門水利會灌區內之比例為63.5 %、灌區外為36.5 %。桃園市作物以水稻為主(約63.1 %)，蔬菜類次之(28.6%)，其餘8.3 %為雜糧、特用作物、水果類及花卉。智慧農業案例已初步完成國際案例(美國、日本、西班牙、印度)及國內案例之蒐。
三、標的作物篩選暨灌溉管理方法探討
臺灣地區對於作物分類以農委會(2006)編撰之台灣農家要覽分類最為詳盡；本計畫針對短期旱作物、長年作物、稻作之特性說明。短期旱作物以蔬菜而言就有47種之多，桃園市2018年種植各類蔬菜之面積情形中其他葉菜類2,596.25 ha，其餘栽培面積前6高者分別為不結球白菜、竹筍、莧菜、蕹菜、西瓜、菠菜。長年作物一般係指長年種植果樹類作物，茶(樹)雖為長年作物，但因具有特定用途可作工業原料及具高經濟價值，因此可被歸類為特用作物(又稱工藝或商用作物)栽培。桃園市2018年長年作物種植面積前6高者分別為桃、柿、香蕉、桶柑、紅龍果、文旦柚。桃園市所種植的稻米品種以台梗14號和桃園3號最多。
農業灌溉用水標準依作物種類及灌溉方法而有差異，分水田及旱田用水。以北部地區為例，實施續灌及輪灌制度下之水稻灌溉用水量分別為3,594 mm/yr、2,851 mm/yr。不同灌溉方式會影響期作單位面積用水量，其中輪灌較續灌方式可節水19.51~29.08 %(一期作)、22.02~31.12 %(二期作)。另不同土壤亦有不同之水田計畫用水深，依臺灣省水利局(1977)所列：黏土(8 mm/day)、坋質壤土(10 mm/day)、壤土(12 mm/day)、砂質壤土(15 mm/day)、砂土(20 mm/day)，可依此迅速計算水田每期作或每年需水量。
本計畫標的作物篩選考量(1).作物需水特性、(2).用水來源、(3).作物代表性、(4).國土規劃適宜性、(5.)是否地方重點發展作物等篩選原則綜合評析，進行本計畫本年度與後續推動之標的作物篩選，本年度標的作物以短期旱作物為主，分別為葉菜類蔬菜的小白菜及萵苣等2種；後續2年度標的作物篩選建議分別為2020年的(1).果菜類蔬菜(胡瓜或蕃茄)、(2).常綠果樹(紅龍果)；2021年的(1).水稻、(2).根莖類蔬菜(馬鈴薯或芋頭)。
四、智慧節水管理系統之先期規劃
智慧節水管理系統建置主要是建立田區微氣候監測站，構建環境監測系統，感測元件包含(1).溫度、(2).濕度、(3).風速風向計、(4).日輻射計、(5).大氣壓力計、(6).雨量計、(7).土壤水分張力計、(8).自記水位計、(9).自動資料蒐集記錄器；智慧灌溉系統採用以色列Netafim滴灌設備作；透過NMC PRO灌溉控制器及網路傳輸裝置(4G)進行資料紀錄及傳輸整合。
本計畫並開發一個管理平台供管理者及用戶共同使用，完整架構包括用戶使用介面(前臺)及管理者查詢及管理介面(後臺)。本計畫今年度以完成前臺開發為主。系統功能主要為環境監控、作物生長紀錄、用水分析、耕地地理資訊儲存、用戶耕地管理等。
五、智慧節水試驗規劃
本計畫智慧節水試驗於農工中心位於大園區試驗田區執行(如摘圖-1)，示範場域位屬桃園水利會桃園大圳第4支線4-5號埤塘灌區，田區坵塊長為93 m、寬17 m(面積：0.1581 ha)，田面經2018年農委會計畫試驗以雷射整平，田區上游現設有供水蓄水池提供試驗供水所需。
示範場域控制系統施設以完整記錄及擷取所有數據為前提，施設2組控制系統，第1組為智慧節水滴灌系統、第2組為氣象暨土壤水分記錄站，布置示意圖如摘圖-2。因此示範場域(田區)設置1套智慧滴水灌溉系統，作為試驗組的主要灌溉設施。田區設置氣象監測設備1組，包含紀錄擷取器、溫度計、溼度計、壓力計、雨量計、日照計(日輻射計)、風速計等設施。為監測兩田區之土壤水分狀況，每一試驗組施設土壤水份計6支；流量監測方面，為監測兩試驗田區於試驗期間之分別引灌水量及排出田區水量，各田區設置1組入流監測及出流監測；其中入流量監測統一由滴灌系統的2組流量計分別觀測試驗組及對照組之供灌水量，因此另需於設置2組流量觀測設備，2組分別施設於2田區之出流口處；由於本計畫於田間實施，水量極小，採用6吋PVC排水管配合自記水位計監測方式獲得排水量。
2次試驗作物依序為小白菜及萵苣，試驗期間為7~9月，示範場域包含試驗組(滴灌區)及對照組(溝灌區)，每一區試驗田長25 m、寬15 m(面積375 m2)，試驗水源為桃園大圳灌溉原水，各試驗田區設置10畦，每畦種植400株，每1試驗田區4,000株，總計第1次試驗蔬菜總株數為8,000株，第2次試驗根據第1次試驗進行株距調整，每一畦種植300株(共75排，每一排種植4株)，每一試驗區種植3,000株，總株數為6,000株。
六、智慧節水管理系統實施之效益評估
第1次智慧節水試驗期間共計試驗20日；本計畫依據智慧節水管理系統試驗成果初步顯示採用智慧節水系統(滴灌)較傳統農法(溝灌)節省水量約57.7 %，如摘表-1所示；另作物品質評估，針對作物抽樣800株進行(1).生長株高、(2).葉片數量、(3).單葉葉寬、(4).單株總葉寬等4項參數觀測，利用Rg(H) (株高生長倍數)、Rg(L) (葉數生長倍數)等指標進行評估，以釐清省水灌溉對於對於生長及產量之影響；試驗成果顯示Rg(H)及Rg(L)分別介於0.86~1.05及0.91~1.04，綜合評估顯示本年度試驗中滴灌或溝灌方式對作物生長雖無明顯正面或負面影響，但滴灌節水量遠高於溝灌，灌溉時間也較短，對作物產量亦具微幅正面效益。
第2次智慧節水試驗共計30日；依據智慧節水管理系統試驗成果顯示採用智慧節水系統(滴灌)較傳統農法(溝灌)節省水量約77.3 %，如摘表-2所示；另作物品質評估，以作物抽樣400株的方式分析顯示使用滴灌之水量僅約溝灌水量22%的前提下，單株株高約傳統溝灌的1.24倍、平均總葉面寬為1.25倍、平均單株重量高達1.91倍；顯見灌溉方法選用及感測元件之搭配決定灌排時機，有助於大幅減省水源又可確保(提升)原有作物品質及產量之雙贏目標。
七、回收水應用於農業灌溉之可行性評估
本計畫考量桃園市境內各水資源回收中心及其周圍灌區位置，針對大溪水資源回收中心及桃園北區水資源回收中心等2處水資源回收中心，作為回收水應用於農業灌溉之可行性評估廠區。初步調查成果顯示回收水水質符合景觀澆灌用途、若經稀釋後符合農業用水水質標準後可初步應用於農業灌溉。針對大溪水資源回收中心，初步規劃以月眉圳灌區末流、大溪水資源回收中心周遭12ha土地中約10.6 ha農牧用地為示範區域，研擬分散式加壓供水系統及重力式供水系統等供水方案。
桃園北區水資源回收中心回收水現行放流承受水體為南崁溪，考量其緊鄰桃園農田水利會2-23號池，且現有生態池原為該池之一部分，故初步規劃於生態池興建一連絡水路至2-23號池，並於生態池端設制水門一座，平日將回收水蓄存於生態池內，連絡水路制水門之起閉操作則依桃園農田水利會2-23號池灌區需求調配，受益之供灌面積以2-23號池灌區計算，受益面積約143.56 ha。
八、宣導推廣影片製作
本年度針對智慧節水系統，包含感測元件、控制及展示系統等之說明及應用以影片方式記錄，作為計畫成果宣傳用途，利後續節水系統之應用與推廣，宣傳腳本內容規劃包含引言、片頭、各片段落及結語；影片於2019/07/18就灌溉系統設備安裝、土壤感測元件與氣象設備佈置等進行拍攝；於2019/8/16拍攝田間節水試驗設施、田區整理、菜苗種植；於2019/9/16拍攝第2期(萵苣)試驗作物收成、訪問水務局局長、簡報發表試驗結果等，最後剪輯完成長度5分鐘之宣導推廣影片，另配合水務局之智慧水利及智慧城市政策宣傳，相關成果配合年代電視拍攝，於2019/11/2晚上9時年代電視台「台灣向前衝」播出。
目次
桃園市智慧節水管理系統研發與水資源多元應用計畫
成果報告目錄
頁次
摘要摘-I
AbstractA-I
目錄I
圖目錄圖-I
表目錄表-I
第一章 前言1-1
1-1 計畫緣起1-1
1-2 工作項目及內容1-2
第二章 計畫基本資料盤點2-1
2-1 桃園市主要標的作物資料蒐集2-1
2-2 桃園市多元水源盤查2-12
2-3 國內外相關案例蒐集探討2-25
第三章 標的作物篩選暨灌溉管理方法探討3-1
3-1 作物概述3-1
3-2 作物用水資料彙整3-6
3-3 作物慣行灌溉方法彙整3-12
3-4 標的作物篩選及灌溉管理方法彙整3-15
第四章 智慧節水管理系統之先期規劃4-1
4-1 作物環境感測器整合4-1
4-2 作物環境控制系統整合4-8
4-3 作物栽培智慧管理平台發展4-9
4-4 作物栽培智慧管理平台後續發展規劃建議4-31
第五章 智慧節水試驗規劃5-1
5-1 示範場域布置與監測規模說明5-1
5-2 示範田區參數調查及試驗規劃5-3
第六章 智慧節水管理系統試驗歷程及效益評估6-1
6-1 智慧省水試驗歷程6-1
6-2 感測元件資料蒐集分析6-7
6-3 灌溉用水量差異評估6-14
6-4 短期標的作物品質差異評估6-18
6-5 短期標的作物產量差異評估6-25
6-5 成本分析6-27
第七章 回收水應用於農業灌溉之可行性評估7-1
7-1 回收水利用之探討7-1
7-2 桃園市應用回收水之可能性探討7-12
第八章 宣導推廣影片製作8-1
第九章 結論與建議9-1
9-1 結論9-1
9-2 建議9-4
參考文獻參-1
附錄
附錄一、期初報告審查會議記錄及辦理情形
附錄二、期中報告審查會議記錄及辦理情形
附錄三、期末報告審查會議記錄及辦理情形
附錄四、作物栽培智慧管理平台網頁弱點初檢結果與建議報告
附錄五、作物栽培智慧管理平台網頁弱點複檢結果與建議報告
圖目錄
頁次
圖2-1 桃園市境內作物種植面積比較2-3
圖2-2 桃園市境內作物產值比較2-3
圖2-3 桃園市境內蔬菜類種植面積比較2-3
圖2-4 桃園市境內蔬菜作物產值比較2-3
圖2-5 桃園市作物位置分布2-5
圖2-6 農田水利會與可供糧食生產地2-5
圖2-7 桃園農田水利會灌區2-7
圖2-8 石門農田水利會灌區2-9
圖2-9 桃園市自排水取水灌溉遭受重金屬污染農地之分布一覽2-11
圖2-10 桃園市境內2017年地面水水權取水量比例一覽2-12
圖2-11 桃園市地面水分布(排水系統)2-15
圖2-12 桃園市地面水分布(灌溉系統)2-17
圖2-13 桃園市水資源回收中心分布位置2-18
圖2-14 桃園市地下水井分布位置2-24
圖2-15 智慧農業之科技工具概念圖2-25
圖2-16 九州地區-橫竹(洋葱)及唐津(草莓)溫室栽培案例2-32
圖2-17 四万十町番茄株式會社番茄滴灌系統2-33
圖2-18 西班牙巴塞隆納Poblenou公園的SmartIrrigation智能灌溉系統2-36
圖3-1 短期葉菜類(十字花科非結球葉菜)栽培管理作業曆3-29
圖3-2 番茄栽培管理作業曆3-30
圖3-3 柑橘類栽培管理作業曆3-31
圖3-4 茶葉栽培管理作業曆3-32
圖3-5 一般水田水份管理配合圖3-33
圖4-1 環境監測系統主要感測元件一覽4-5
圖4-2 Netafim滴灌系統灌溉配置圖4-6
圖4-3 滴灌系統灌溉配置圖4-7
圖4-4 氣象設備安裝情形4-7
圖4-5 灌溉系統安裝情形4-8
圖4-6 作物栽培智慧管理平台系統架構圖4-12
圖4-7 前臺系統架構圖4-12
圖4-8 本計畫資料庫實體—關係示意圖4-25
圖4-9 查詢系統雛型功能-查看各耕地分區內容4-26
圖4-10 查詢系統雛型功能-可查詢作物與監測設備內容4-26
圖4-11 查詢系統雛型功能-灌溉延時查詢畫面4-27
圖4-12 查詢系統雛型功能-給水量查詢畫面4-28
圖4-13 查詢系統雛型功能-灌溉量查詢畫面4-28
圖4-14 查詢系統雛型功能-日照量查詢畫面4-28
圖4-15 查詢系統雛型功能-氣壓查詢畫面4-29
圖4-16 查詢系統雛型功能-土壤含水率查詢畫面4-29
圖4-17 查詢系統雛型功能-10分鐘雨量查詢畫面4-29
圖4-18 查詢系統雛型功能-電池電壓查詢畫面4-30
圖4-19 查詢系統雛型功能-新增生長紀錄功能4-30
圖4-20 LoRa無線通訊系統架構圖4-33
圖4-21 SIGFOX無線通訊系統架構圖4-34
圖4-22 邊際運算與雲端運算共同架構示意圖4-41
圖5-1 本計畫示範場域(試驗田區)周邊區位圖5-1
圖5-2 本計畫示範場域(試驗田區)坵塊空拍圖5-2
圖5-3 智慧節水灌溉系統之感測元件及控制系統整合安裝一覽5-4
圖5-4 示範場域(試驗田區)之畦塊及土溝佈置5-5
圖5-5 每一畦塊之作物栽培行距示意圖5-5
圖5-6 試驗組及對照組編號實景5-5
圖5-7 示範場域(試驗田區)之感測元件及灌溉設備布置示意圖5-8
圖6-1 智慧節水灌溉試驗田區初期整備歷程6-2
圖6-2 第2次智慧節水灌溉試驗(小白菜)田區試驗觀測歷程6-4
圖6-3 第2次智慧節水灌溉試驗(萵苣)田區試驗觀測歷程6-5
圖6-4 智慧節水灌溉試驗田區病蟲害防治及施肥歷程6-7
圖6-5 智慧節水灌溉試驗期間之氣象觀測資料一覽6-9
圖6-6 第1次智慧節水灌溉試驗期間之土壤水份觀測資料一覽6-11
圖6-7 第2次智慧節水灌溉試驗期間之土壤水份觀測資料一覽6-12
圖6-8 第2次智慧節水灌溉試驗期間之滴灌區、溝灌區土壤水份比較6-13
圖6-9 第1次智慧節水灌溉試驗期間之給水量觀測資料一覽6-15
圖6-10 第2次智慧節水灌溉試驗期間之給水量觀測資料一覽6-16
圖6-11 第1次智慧節水試驗-小白菜株高試驗結果比較6-20
圖6-12 第1次智慧節水試驗-小白菜葉片數量試驗結果比較6-20
圖6-13 第1次智慧節水試驗-小白菜單葉葉寬試驗結果比較6-21
圖6-14 第1次智慧節水試驗-小白菜單株總葉寬試驗結果比較6-22
圖6-15 第2次智慧節水試驗-萵苣單株高度試驗結果比較6-23
圖6-16 第2次智慧節水試驗-萵苣單株重量試驗結果比較6-24
圖6-17 第2次智慧節水試驗-萵苣單株總葉寬試驗結果比較6-24
圖6-18 第1次智慧節水試驗-小白菜各畦之收成重量比較6-26
圖6-19 第2次智慧節水試驗-萵苣各畦之收成重量比較6-27
圖6-20 滴灌系統各元件組成之成本分析6-28
圖7-1 污水及回收水回收利用演進圖7-13
圖7-2 大溪水資源回收中心周遭灌排系統分布圖7-15
圖7-3 大溪水資源回收中心周遭環境概況7-16
圖7-4 大溪水資源回收中心回收水應用示範區域範圍7-18
圖7-5 大溪水資源回收中心回收水應用方案一7-20
圖7-6 大溪水資源回收中心回收水應用方案二7-21
圖7-7 桃園北區水資源回收中心周遭灌排系統分布圖7-24
圖7-8 桃園北區水資源回收中心回收水應用方案7-25
圖8-1 年代電視拍攝情形8-4
圖8-2 宣導推廣影片成品擷取畫面8-6
表目錄
頁次
表2-1 桃園市近3年主要作物種植面積、產量與產值2-2
表2-2 桃園市近3年主要蔬菜類作物種植面積、產量與產值2-3
表2-3 桃園市境內可供糧食生產地與農田水利會面積比例關係2-5
表2-4 桃園市歷年受重金屬污染農地之變化趨勢2-10
表2-5 桃園市境內2017年地面水水權登記引用水量2-13
表2-6 水利署大漢溪地面水水權登記引用水量2-14
表2-7 大漢溪水庫堰壩取水量統計2-14
表2-8 桃園市主要地面水系基本資料一覽表2-16
表2-9 桃園市給水系統供水能力基本資料一覽2-17
表2-10 桃園市主要水資源回收中心基本資料一覽表(I)2-19
表2-11 桃園市主要水資源回收中心基本資料一覽表(II)2-20
表2-12 桃園市各水資源回收中心處理污水量2-21
表2-13 桃園市未來10年內可供應回收水量2-22
表2-14 桃園市境內2017年地下水水權登記引用水量2-24
表2-15 國內相關計畫推動案例摘要2-30
表2-16 國外推動案例摘要2-39
表3-1 現有農業用水-作物類別分類一覽3-1
表3-2 桃園市2018年蔬菜種植面積一覽3-2
表3-3 桃園市2018年果品類及特用作物種植面積一覽3-3
表3-4 台梗14號、桃園3號和台南 11 號之水稻品種比較3-5
表3-5 國內主要旱作物不同需水量分類一覽3-7
表3-6 國內不同季節之主要旱作物需水量一覽3-7
表3-7 臺灣各區水稻灌溉用水量基準3-8
表3-8 各種型式之地上灌溉特性及適用場合比較3-14
表3-9 短期作物適合栽種之月份、生長日數及株行距表(I)3-16
表3-10 短期作物適合栽種之月份、生長日數及株行距表(II)3-17
表3-11 本計畫標的作物每公頃生產費用與收益3-17
表3-12 小白菜栽培季節及代表性品種3-17
表3-13 長年旱作物栽培特性一覽3-22
表3-14 蕃茄各期作的播種、定植及採收時間3-23
表3-15 桃園大圳灌區之農作時期一覽3-33
表4-1 作物主項名稱及代碼表4-17
表4-2 作物次項名稱及代碼表(I)4-18
表4-3 作物次項名稱及代碼表(II)4-19
表4-4 物理量主項名稱及代碼表4-20
表4-5 物理量次項名稱及代碼表(I)4-20
表4-6 物理量次項名稱及代碼表(II)4-21
表4-7 主要水源名稱與代碼表4-21
表4-8 實體資料模型列表(I)4-22
表4-9 實體資料模型列表(II)4-23
表4-10 實體資料模型列表(III)4-24
表4-11 傳統資料倉儲和大數據資料池之比較4-32
表4-12 各種通訊方式分析表4-36
表5-1 智慧節水灌溉試驗期程規劃一覽5-3
表6-1 第1次智慧節水灌溉試驗之灌溉水量節水效益分析6-15
表6-2 第2次智慧節水灌溉試驗之灌溉水量節水效益分析6-17
表6-3 第1次智慧節水試驗-小白菜株高及葉片數量試驗結果6-19
表6-4 第1次智慧節水試驗-小白菜葉寬試驗結果6-21
表6-5 第2次智慧節水試驗-萵苣單株高、株重、葉面寬試驗結果6-23
表6-6 第1次智慧節水試驗-小白菜作物收成統計一覽6-25
表6-7 第2次智慧節水試驗-萵苣作物收成統計一覽6-26
表6-8 電費使用級距及單價一覽表6-28
表6-9 以色列Netafim滴灌系統供應面積與成本分析一覽6-29
表7-1 各國廢污水回收利用方式一覽7-5
表7-2 回收水應用於農業之水質標準7-6
表7-3 回收水應用於工業之水質標準7-7
表7-4 回收水應用於民生之水質標準7-8
表7-5 回收水應用於地表及地下水補注之水質標準7-9
表7-6 回收水應用於補注用水其他限制條件7-10
表7-7 世界各地開始進行污水回收利用相關行動一覽7-11
表7-8 大溪水資源回收中心放流水水質狀態一覽7-17
表7-9 大溪水資源回收中心回收水應用示範區域用地類別資料筆數7-18
表7-10 大溪水資源回收中心回收水應用示範區域用地類別面積7-19
表7-11 桃園北區水資源回收中心回收水水質狀態一覽7-23
表8-1 宣導影片腳本規劃(I)8-3
表8-2 宣導影片腳本規劃(II)8-4
表8-3 宣導推廣影片拍攝計畫8-5
編／著／譯者簡介
農業工程為發展農業現代化極重要之一環，秉承政府長期科學發展之決策，在有關政府機關代表及與水利界專家學者積極奔走籌備下，乃於民國60年間組織成立「財團法人農業工程研究中心」，為一非營利性科技研究民間學術團體。民國78年11月更改中央主管機關為行政院農業委員會迄今。
該中心設立目的為辦理工程技術應用於農業(含農林漁牧)、水與環境資源、環境生態、科學發展、應用服務及農村發展之農業工程技術研究與服務。
序言／導讀
因應臺灣水資源短少以及氣候變遷的雙重挑戰下，本計畫以農業行為的灌溉管理為出發點，在不破壞環境平衡、水資源使用更有效率的前提下，於農業生產過程導入智慧化管理，盼可達成節水且同時兼顧農業生產，作為氣候變遷下提升水資源任性的可行方案。
分類
其他詳細資訊
- 英文題名：Development of Smart Water-saving Management System and Multiple Application of Water Resources in Taoyuan City
- 適用對象：成人(學術性)
- 關鍵詞：智慧節水，智慧灌溉，調適策略
- 附件：CD-ROM
- 頁/張/片數：310
授權資訊
- 著作財產權管理機關或擁有者：經濟部水利署
- 取得授權資訊：聯絡處室：綜合企劃組
姓名：彭家怡
電話：02-37073057
地址：台北市信義路3段41-3號11樓