Probleme der Wasserwirtschaft

Traditionell• Mengenproblem

– Unterscheide: Abfluss und Volumen

• Güteproblem– Unterscheide: Konzentration und Fracht

Probleme der Wasserwirtschaft

Heute weiter gefasst:• Triade aus

– Ökologischer Nachhaltigkeit– Ökonomischer Effizienz und– Sozialer Verträglichkeit

Dargebot

• Flusswasser• Seewasser• Quellwasser• Grundwasser• Regenwasser

Aufgabe: Beurteile Wasserressourcen Raum Zürich nach Menge und Güte

Struktur des Wasserverbrauchs global• Landwirtschaft 71% (60-90% konsumtiv)• Industrie 20% (5% konsumtiv)• Haushalt 9% (5-10% konsumtiv)

Wertschöpfung pro eingesetzter Einheit

• Autoindustrie 100 US$/m3

• Trinkwasser 5 US$/m3

• Bewässerter Reis 0.10 US$/m3

Landwirtschaft ist global am problematischsten: Bauern brauchen am meisten und können am wenigsten zahlen -> Raubbau. Was ist am problematischsten in der Schweiz?

Mengenproblem: Am wichtigsten für Landwirtschaft und ÖkologieGüteproblem: Am wichtigsten für Trinkwasser und Ökologie

Nachfragesektoren im Einzelnen

• Haushalt und Kleingewerbe– Menge eher klein, Güteanforderung hoch

• Landwirtschaft– Menge sehr gross, Güteanforderung geringer

• Industrie– Menge eher gross, Güteanforderung hoch

• Natur– Menge sehr gross, Güteanforderung in einigen

Parametern hoch

Wasserbedarf im Haushalt

• Bedarf liegt bei– 300-600 L/d/P in Grossstädten mit moderner Infrastruktur, – 10-40 L/d/P in Wassermangelgebieten und – 2 L/d/P im ländlichen Kenia (absolute biologische Grenze)

Verbrauch • Seit 1950 hat sich die Weltbevölkerung verdoppelt

während sich der Wasserverbrauch verdreifacht hat• Gesamtbedarf im Haushalt steigt bis 2050

wahrscheinlich weiter um Faktor 1.8• Minimaler Bedarf für Planungszwecke 50 L/d/P

Das TrinkwasserproblemRund 1 Milliarde Menschen haben keinen

Zugang zu sauberem Trinkwasser

Trinkwasser macht nur etwa 1 %0 des Gesamtsüsswasserbedarfs aus!

Das Trinkwasserproblem ist deshalb vergleichsweise leichter lösbar als das Bewässerungswasserproblem:

Problem von Organisation, Institutionen, Ausbildung, Investitionen, technischem Know-how

Quelle für Trinkwasser in Ost-Kongo

Typische Probleme:Nähe Latrine-Brunnen, Zusammenbruch der techn. und administrativen Infrastruktur, höhere Preise fürTrinkwasser für die Armen als für uns.

Kostengünstige Massnahmen können oft eine Menge bewirken.

Geschätzte notwendige Investition: 200-300 Mrd. US$ Zum Vergleich: US Verteidigungsbudget 2008: 480 Mrd. US$

Pedalpumpe in Niger

Zugang zu sicherem Trinkwasser und Abwasserentsorgung in Entwicklungsländern

1994

Ohne Zugang zu Abwasserentsorgung:

2,8 Milliarden Menschen(2009: fast unverändert)

Ohne Zugang zu sicherem Trinkwasser:

1,1 Milliarden Menschen(2009: 0.8 Mrd.)

• Rund 3 Mio. Todesfälle pro Jahr durch wassergetragene Krankheiten (v.a. Diarrhöen)

• Zum Vergleich: AIDS rund 2 Mio. Tote pro Jahr• Jährlich:

– 1.0 Milliarde Durchfallerkrankungen

Todesursachenstatistik WHO 2004

Cause Deaths in Mio./a

%

Ischaemic heart diseaseStroke and other cerebrovascular diseaseLower respiratory infections Chronic obstructive pulmonary diseaseDiarrhoeal diseasesHIV/AIDSTrachea, bronchus, lung cancersTuberculosisDiabetes mellitusRoad traffic accidents

7.256.153.463.282.461.781.391.341.261.21

12.810.8 6.1 5.8 4.3 3.1 2.4 2.4 2.2 2.1

Wasserverbrauch in der Landwirtschaft

• Nahezu 20% der Kulturfläche sind bewässert. Sie tragen mit fast 50% zur Gesamtproduktion bei. Bewässerungslandwirtschaft ist 2-3 mal effizienter als regenabhängige Landwirtschaft

• Bewässerte Fläche in 1995: 254 Mio. ha von insgsamt 1500 Mio. ha Ackerland 2010 geschätzt: 290 Mio. ha, 2025 geschätzt: 330 Mio ha

• Wasserbedarf für Bewässerung variiert je nach Klima und Feldfrucht zwischen 1,000 und 25,000 m3 pro ha und Jahr

• In der Zukunft wird die Entwicklung des Wasserbedarfs der Landwirtschaft von der Verbreitung wassereffizienter Technologien abhängen

Wichtigste Länder mit Bewässerung Land Bew. Fläche in 106 haIndien 57

China 54

Pakistan 19

Asien (mit I,C,P) 188

USA 22

Welt 277

(Source: Wikipedia)

Wasserverbrauch der Industrie• In Industrieländern: industrieller

Wasserverbrauch und Schadstoffemissionen seit den 80er Jahren stabil oder abnehmend

• In Entwicklungsländern: industrieller Wasserbrauch und Schadstoffemissionen stark zunehmend

• Effizienz: Beispiel Papierindustrie (Schweden: Nullemission, Südchina: 2/3 des Eingangsmaterials als Abfall im Abwasser zusammen mit Lauge u. a.) Small need not be beautiful…

Wasserdaten Schweiz(bei BAFU, kantonalen Stellen)

Web-Adressen: Z. B.http://www.hydrodaten.admin.ch/d/

http://www.bafu.admin.ch/grundwasser/07500/index.html?lang=de

http://www.wasserqualitaet.ch/deutsch/pagesnav/frames.htm

http://www.climate-change.ch/4DCGI/wasser/daten.html

Verwendung von FAO Aquastat(FAO: UN Food and Agricultural

Organisation)

Web-Adresse

http://www.fao.org/AG/AGL/aglw/aquastat/main/index.stm

Sozio-ökonomische Bezüge der Wasserwirtschaft

Vielfältig! Beispiele:• Common pool Problem• Abschreibungsproblem• Unsicherheitsproblem• Wasserpreis

Hauptproblem:Implementierung von Massnahmen

Gemeingüter (GG) und Open Access Ressourcen (OAR)

GG• Exklusivität praktisch

unmöglich• Starker Anreiz zum

Schummeln• Gut nicht additiv: Nutzung

durch A hat keine Folgen für Nutzung durch B

• Z. B. Wetterbericht, Offentliche Ordnung

OAR• Exklusivität praktisch

unmöglich• Starker Anreiz zum

Schummeln• Gut additiv: Durch A

benutzte Einheiten können nicht mehr durch B genutzt werden

• Z. B. Wasserressourcen

Problemstellung Spieltheorie

Strategie von ASrategie von B

Strategie 1 Strategie 2

Strategie 1 a,a b,c

Strategie 2 c,b d,d

Auszahlungsmatrix eines Spiels für 2 Spieler mit binärer Wahlmöglichkeit

In den roten Feldern sind die Gewinne für A und B angegeben

Common Pool Problem

Bauer A Bauer BNeubildung N

Endzustand: Neubildung = Entn. Bauer A + Entn. Bauer BKooperatives Verhalten: Beide Bauern pumpen N/2 von Anfang an. Grundwasserspiegel (und damit Notvorrat) bleibt hochNichtkooperatives Verhalten: Beide Bauern pumpen soviel wie möglich. Grundwasserspiegel wird stark abgesenkt, Pumpkosten steigen für beide Bauern, Reserve für Trockenperiode gering

Auszahlungsmatrix: Common Pool Nicht-Nullsummenspiel für 2 Spieler

10/10 3/15

15/3 7/7Bau

er A

k

nk

k nkBauer B

k: kooperativ, nk: nichtkooperativ, A/B Gewinne für Spieler A und B

Ergebnis:• Spiele dieser Struktur werden auch ”Gefangenendilemma”

genannthttp://de.wikipedia.org/wiki/Gefangenendilemma

• Das Resultat ist nk/nk

Beachte:• Jeder Spieler hat seine dominante Strategie gewählt (d.h.

diejenige, die den höchsten Gewinn liefert ungeachtet der Entscheidung des anderen Spielers)

• Das Resultat ist ein Nash Gleichgewicht (Kein Spieler kann sich verbessern durch Verändern seiner Strategie, wenn der Gegenspieler seine Strategie nicht ändert)

• Das Resultat ist ineffizient

Upstream-Downstream Problem

Die OKACOM Vertreter vonNamibia, Botswana, Angola

Auszahlungsmatrix: upstream-downstream Spiel für 2 Spieler

10/10 10/10

12/2 12/2Ups

tream

k

nk

k nkDownstream

k: kooperativ, nk: nichtkooperativ, A/B Gewinne für Spieler A und B

Resultat• Resultat dieses Spiels: Upstream kooperiert nicht

Beachte:• Upstream wählt seine dominante Strategie, Downstream ist

indifferent• Das Result ist ineffizient in dem Sinne, dass der

Gesamtgewinn grösser ist für k/k.• Es gibt jedoch Spielraum für Verhandlung Downstream kann

den Kooperationsvorteil von 8 Einheiten mit Upstream teilen. Z. B. Upstream kooperiert und erhält 3 Einheiten als Kompensation von Downstream. Ab 2 Einheiten Übertrag ist Upstream wieder auf dem nicht-kooperativen Maximum.

Andere Spiele mit ähnlichem Ausgang

• Überleitung zwischen Einzugsgebieten

• Wartung von Bewässerungssystemen

• Das Resultat in allen angeführten Spielen ist nk/nk• Grund für Pessimismus: Tragedy of the Commons, (Hardin, 1968)

• Zeitdimension (wir spielen immer wieder und lernen, Kooperation kann in folgenden Spielen belohnt, Nichtkooperation bestraft werden)

• Option Regeln und Strafen einzuführen• Möglichkeit der Kommunikation und der Gründung

von Nutzerorganisationen

Auswege aus dem Dilemma

10/10 3/15

15/3 7/7Spi

eler

A

k

nk

k nk

Spieler B

Stabilisierung von k/k durch Strafe , nach der die Spieler bei einem Verstoss permanent zu nk/nk zurückkehren müssen.

Damit Strafe wirksam ist, muss für die Auszahlungsmatrix gelten:

Stabilisierung der kooperativen Lösung

, , , ,1nk k k k k k nk nka a a a

Hier erhält man δ>5/8Raffiniertere Strafen können konstruiert werden

Abreu, 1988

P um ping forirriga tion q

G roundwaterT able

S tock S

Farm 1 Farm 2 Farm 3

R echarge r

Applied W ater q

Benefit B

Applied W ater q

C osts C

q = r

M anagem ent under S usta inab ility C onstra in ts

R esu lts

la rge num ber of independent un its

tim e [years ]

S tock S

50

sm all num ber of independent units

O ptim al: C ooperative Behaviour

M axim ize: B (S ,q ) – C (S ,q) Subject to hydro log ica l and susta inab ility constra ints

„Tragedy of the commons“

Kosten und Nutzenfunktionen

• Typische Form der Nutzenfunktion– Gesetz der abnehmenden Grenznutzen– Im Bewässerungsfall: Anstieg bis auf Optimum,

dann negativer Grenznutzen wegen zu hoher Bodenfeuchte

• Typische Form der Kostenfunktion– Kostenprogression– Im Bewässerungsfall: Grössere Pumpraten

brauchen grössere Pumpen, Rohrleitungen etc.

q

C

q

C

Möglichkeiten zur Regelung

• Kollektives Handeln• Administrative Regelung• Wasserpreis nach dem Prinzip der

Opportunitätskosten (Schattenpreis)• Wassermärkte

– In hochentwickelten Volkswirtschaften bei Wassermangel bereits eingesetzt

Kollektives Handeln (Verband)

10/10 3/15

15/3 7/7Bau

er A

k

nk

k nkBauer B

k: kooperativ, nk: nichtkooperativ, A/B Gewinn für Spieler A and Be sind die Transaktionskosten für Verhandeln und Überwachen der Vereinbarung

oder 10-e/10-e

Ostrom, 1990

Kollektives Handeln• Bauern verhandeln vor Festlegen der Pumpraten• Nur einstimmig akzeptierte Abkommen können vollzogen

werden• Deshalb ist die Gleichverteilung das wahrscheinliche Resultat

der Verhandlungen• Überwachung ist essentiell• Kollektives Handeln verursacht Transaktionskosten z. B. für

Verträge, Überwachung der Einhaltung, Infrastruktur.. • Bauern wählen die Verhandlungslösung im Beispiel, wenn die

Transaktionskosten e kleiner als 3 sind• Das schlechtest mögliche Resultat bei Kooperation ist gleich

der Wahl nk/nk

Ostrom, 1990

Administrative Regelung• Definiere Eigentums-/Nutzungsrechte für Wasser

Traditionell: OAR in humiden Regionen, Privateigentum in ariden Regionen

• Eigentumsrechte sind tendenziell an Landbesitz gekoppelt

• Drei grundlegende Vorgehensweisen: – öffentliche Zuteilung (Infrastruktur von Staat/Gemeinde

gestellt, Vorteil: Economy of scale)– Anrainerdoktrin (Korrelation zu Uferanteil)– Regel des Gewohnheitsrechts (“Wer zuerst kommt mahlt

zuerst”)

Administrative und Marktlösungen für Verschmutzungsprobleme

Klassisches Problem der Internalisierung von externen Kosten

• Grenzwerte setzen, Strafen (Polluter pays)• Handelbare Emmissionszertifikate• Pigou-Steuer (z. B. Abwasserabgabe)

Diskontierung: Bewertung der Zukunft

PVp: Gegenwärtiger Gesamtwert der Nettonutzen generiert durch Strategie pt: ZeitperiodenTp: Planungshorizontr: Diskontsatz (Zinssatz)NBt: Nettonutzen in Periode t

Loucks et al., 1981

r gross: Zukunft wenig wertr klein: Zukunft viel wert

t

T

t

tp NBrPV

P

1

)1(

Alternativen zur traditionellen Kosten-Nutzenrechnung gesucht…

• Der übliche neoklassische Ansatz für optimale Ressourcennutzung:

Maximierung der gegenwärtigen diskontierten Summe der Nettonutzen– Breite Anwendung in Kosten-Nutzen-

Analyse von Projekten und Umweltschutzmassnahmen

• Hauptnachteil: Kosten und Nutzen in der fernen Zukunft verschwinden

• Alternativen zu dem traditionellen Ansatz geben der Zukunft einen höheren Wert

0 20 40 60 80 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time [years]

Dis

coun

t Fac

tor

10%5% 2%

20 40 60 80 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Time [years]D

isco

unt F

acto

r

10%5% 2%

Welche Strategie soll gewählt werden?

Gegenwärtiger Wert der Nettonutzen bei unterschiedlichem Diskontsatz

A B

5% 49 51

10% 43 34

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Years from now

Year

ly n

et b

enef

it

Policy APolicy B

Dis

kont

satz

Unsicherheit

• Unsicherheit ist immer gegenwärtig• Ursachen: Variabilität der Umstände,

Unfähigkeit vorherzusagen oder zu messen• Stochastische meteorologische Prozesse• Unbekannte Entwicklungsbahnen• Klimaänderung• Menschliches Verhalten ...

Planung unter Unsicherheit

• Die Beziehung zwischen Designvariablen und Ergebnissen ist unsicher

• Ersetze unsichere Parameter durch Erwartungswerte oder kritische Werte (“worst case”-Analyse)

• Sensitivitätsanalyse übersetzt die Unsicherheit von Eingabeparametern in die Unsicherheit der Ergebnisse.

Alternative zu “worst case”• Eingabedaten werden als stochastische Verteilungen

angesehen• Das Ergebnis der Berechnung in die sie eingehen, ist dann

ebenfalls eine stochastische Verteilung• Monte-Carlo Methode: Durch Wahl von Realisationen von

Eingangsvariablen mittels Zufallgenerator und Simulation jeder Realisation ergibt sich Ensemble von Ergebnissen, das analysiert werden kann (z. B. nach Perzentilen)

• Massnahme ist gut, wenn Wahrscheinlichkeit des Versagens der Planung/Massnahme hinreichend klein ist

Entscheidung unter Unsicherheit

• Maximin Regel (konservativ)Wähle p3 (wegen 20)

• Maximax Regel (Grosses Risiko, grösster möglicher Gewinn)Wähle p1 (wegen 50)

• Minimax Regel (least regret, minimiert den maximalen entgangenen Vorteil, d.h. Unterschied zwischen maximalem und aktuellem Nutzen)Wähle p4 (Bilde Matrix in der spaltenweise das Spaltenmaximum subtrahiert wird und suche dann die Strategie p mit dem kleinsten Maximum )

Perman, p. 460

w1 w2 w3

p1 50 30 0

p2 30 45 5

p3 30 25 20

p4 40 35 10

Nettonutzenmatrixp: Strategien,

w: Gleichwahrscheinliche Systemreaktionen

Kann aufgefasst werden als Spiel eines Spielers gegen die Natur

Minimax-Regel wird üblicherweise vorgezogen!

Implementierung

• Gesetze und Verordnungen• Institutionen• Kontrollvorschriften• Bewusstseinsbildung• Steuermassnahmen über Preise und

Abgaben• Staat – NGOs - Privatwirtschaft• Stakeholderbegriff

Leitlinien

• Integrierte Wasser- wirtschaft IWRM

• Europäische Wasser- Rahmenrichtlinie

““IWRM is a process which promotes the co-ordinated development and management of water, land and related resources, in order to maximise the resultant economic and social welfare in an equitable manner without compromising the sustainability of vital ecosystems” (Global Water Partnership,Technical Committee).

Traditionelle Wasserwirtschaft• Fokus auf technischen Lösungen• Isolierte Projekte:

– Bewässerung und Dränage– Wasserversorgung und häusl. Abwasser– Hochwasserschutz– Wasserkraft– Industrie

mit fragmentierten subsektoralen Zuständigkeiten• Bedarfsdeckung statt Bedarfsmanagement• Wenig Beachtung von sozialen und ökologischen

Auswirkungen

Integrales Wasserressourcen Management (IWRM)

• Was wird integriert?– Alle Verbrauchersektoren und Natur– Soziale, ökonomische und ökologische Aspekte– Regierungsstellen, NGO, Privatsektor– Ganzes Flusseinzugsgebiet (upstream-downstream)– Landnutzung und Wasserwirtschaft– Alle Wasserressourcen (z. B. Oberflächenwasser und

Grundwasser)– Wasserressoucen, Bodenressourcen, Biodiversität– Quantität und Qualität– Bezug zu allen Sektoren der Volkswirtschaft

Ganzheitliche Betrachtung

Fischerei

Umwelt

Tourismus Industrie

Geldwirtschaft

Landwirtschaft

Energie

Wasser

IWRM KomponentenEconomicEfficiency Equity Environmental

Sustainability

Management Instruments Assessment Information Allocation

Instruments

EnablingEnvironment Policies Legislation

InstitutionalFramework Central -

Local River Basin Public -

Private

Balance “water for livelihood” and “water as a resource”

Wasserpreis

• Wasser hat einen Wert• Intrinsischer Wert, ökonomischer Wert, Wert für Nutzer• Der Wert des Wassers ist die Grundlage für seine Allokation

• Wasser ist im Prinzip kostenlos, seine Bereitstellung am richtigen Ort zur richtigen Zeit nicht• Wasser hat deshalb auch einen Preis

• Der Preis ist wesentlich für die Kostendeckung der Bereitstellung (Kapital-, Betriebs-, Wartungskosten)• Festlegung des Wasserpreises

- Gestehungskosten- Konzept der Opportunitätskosten (Schattenpreis)

- Umweltkosten (Externalitäten)

Planung heisst Optimierung

1 2 3maximize ( , , ,..., )p p p pnp P

NB x x x xÎ

1 21 2 3 1 2 3 1 2 3maximize [ ( , , ,... ), ( , , ,... ),..., ( , , ,... )]p p p p p p p p pp p pn n m np P

NB x x x x NB x x x x NB x x x xÎ

Einzelziel: Eindimensionale Optimierung

x Auslegungs- und Entscheidungsvariablen p Pläne oder StrategienNB Nettonutzen für Einzelziel oder jedes Teilziel

Mehrfache Ziele: Mehrdimensionale Optimierung

Loucks et al., 1981

Mehrdimensionale Optimierung

Entweder – Kombination der Ziele in eine Variable (durch Bewertung

und gewichtete Summierung)

oder– Bestimmung der Pareto-Front mit der Möglichkeit der

Verhandlung von Kompromissen auf der Paretofront

Definition: Pareto OptimumEine Pareto-optimale Strategie hat die Eigenschaft, dass eine zu optimierende Zielvariable nur erhöht werden kann, wenn man gleichzeitig eine andere Zielvariable verringert.

Mehrdimensionale Optimierung

Ökologie (z. B. Zufluss zu Feuchtgebiet)

Öko

nom

ie (z

. B. l

andw

. Pro

dukt

ion)

Pareto Front

Aufgabe des Ingenieurs: Erreichen der Pareto Front Verschieben der Pareto Front durch Technologie

Aufgabe der Politik:Entscheidung über Punkt auf der Pareto Front Möglichst in partizipativem Prozess

Für letztliche Entscheidung ist eine Gewichtung notwendig

• Wer gewichtet? Z. B. Verwaltung• Gewichtung setzt eine Bewertung in einer

einheitlichen Masseinheit voraus (top down)• Entscheidungsträger wissen meist nicht, was sie

wollen, bevor sie erfahren was sie bekommen können.

• Gewichtung sollte das Ergebnis eines gesellschaftlichen Diskussionsprozesses sein (bottom up, Beteiligung der Betroffenen)

Arbeit für Umweltingenieure im Wasserbereich für die nächsten 20 Jahre