Date post: | 06-Apr-2016 |
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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