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

Aufgabe: Beurteile Wasserressourcen Raum Zürich nach Menge und Güte 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 Mengenproblem: Am wichtigsten für Landwirtschaft und Ökologie Güteproblem: Am wichtigsten für Trinkwasser und Ökologie Landwirtschaft ist global am problematischsten: Bauern brauchen am meisten und können am wenigsten zahlen -> Raubbau. Was ist am problematischsten in der Schweiz?

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

Rund 1 Milliarde Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser Das Trinkwasserproblem Rund 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 für Trinkwasser 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 sicherem Trinkwasser: 1,1 Milliarden Menschen (2009: 0.8 Mrd.) Ohne Zugang zu Abwasserentsorgung: 2,8 Milliarden Menschen (2009: fast unverändert) 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 disease Stroke and other cerebrovascular disease Lower respiratory infections Chronic obstructive pulmonary disease Diarrhoeal diseases HIV/AIDS Trachea, bronchus, lung cancers Tuberculosis Diabetes mellitus Road traffic accidents 7.25 6.15 3.46 3.28 2.46 1.78 1.39 1.34 1.26 1.21 12.8 10.8 6.1 5.8 4.3 3.1 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 ha Indien 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) 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 A Srategie von B Strategie 1 Strategie 2 a,a b,c 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 Neubildung N Bauer A Bauer B Endzustand: Neubildung = Entn. Bauer A + Entn. Bauer B Kooperatives Verhalten: Beide Bauern pumpen N/2 von Anfang an. Grundwasserspiegel (und damit Notvorrat) bleibt hoch Nichtkooperatives 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 Bauer B k nk 10/10 3/15 15/3 7/7 k Bauer A nk k: kooperativ, nk: nichtkooperativ, A/B Gewinne für Spieler A und B

Ergebnis: Spiele dieser Struktur werden auch ”Gefangenendilemma” genannt http://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 von Namibia, Botswana, Angola

Auszahlungsmatrix: upstream-downstream Spiel für 2 Spieler k nk 10/10 12/2 k Upstream nk 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)

Auswege aus dem Dilemma 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

Stabilisierung der kooperativen Lösung Spieler B k nk 10/10 3/15 15/3 7/7 Stabilisierung von k/k durch Strafe d, nach der die Spieler bei einem Verstoss permanent zu nk/nk zurückkehren müssen. Damit Strafe wirksam ist, muss für die Auszahlungsmatrix gelten: k Spieler A nk Hier erhält man δ>5/8 Raffiniertere Strafen können konstruiert werden Abreu, 1988

„Tragedy of the commons“

Kosten und Nutzenfunktionen q C 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

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) Bauer B k nk 10/10 3/15 15/3 7/7 k 10-e/10-e oder Bauer A nk k: kooperativ, nk: nichtkooperativ, A/B Gewinn für Spieler A and B e sind die Transaktionskosten für Verhandeln und Überwachen der Vereinbarung 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 p t: Zeitperioden Tp: Planungshorizont r: Diskontsatz (Zinssatz) NBt: Nettonutzen in Periode t r gross: Zukunft wenig wert r klein: Zukunft viel wert Loucks et al., 1981

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

Welche Strategie soll gewählt werden? B 5% 49 51 10% 43 34 Gegenwärtiger Wert der Nettonutzen bei unterschiedlichem Diskontsatz Diskontsatz

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 Kann aufgefasst werden als Spiel eines Spielers gegen die Natur w1 w2 w3 p1 50 30 p2 45 5 p3 25 20 p4 40 35 10 Nettonutzenmatrix p: Strategien, w: Gleichwahrscheinliche Systemreaktionen 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 ) Minimax-Regel wird üblicherweise vorgezogen! Perman, p. 460

Implementierung Gesetze und Verordnungen Institutionen Kontrollvorschriften Bewusstseinsbildung Steuermassnahmen über Preise und Abgaben Staat – NGOs - Privatwirtschaft Stakeholderbegriff

Leitlinien Integrierte Wasser- wirtschaft IWRM Europäische Wasser- “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). Integrierte Wasser- wirtschaft IWRM Europäische Wasser- Rahmenrichtlinie

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

Environmental Sustainability IWRM Komponenten Economic Efficiency Equity Environmental Sustainability Management Instruments Assessment Information Allocation Instruments Enabling Environment Policies Legislation Institutional Framework 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 Einzelziel: Eindimensionale Optimierung Mehrfache Ziele: Mehrdimensionale Optimierung x Auslegungs- und Entscheidungsvariablen p Pläne oder Strategien NB Nettonutzen für Einzelziel oder jedes Teilziel 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 Optimum Eine Pareto-optimale Strategie hat die Eigenschaft, dass eine zu optimierende Zielvariable nur erhöht werden kann, wenn man gleichzeitig eine andere Zielvariable verringert.

Mehrdimensionale Optimierung 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 Ökonomie (z. B. landw. Produktion) Ökologie (z. B. Zufluss zu Feuchtgebiet)

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