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Doctoral Thesis
2015

An integrated computable general equilibrium model including multiple types and uses of water

Luckmann, Jonas Jens

Abstract (English)

Water is a scarce resource in many regions of the world and competition for water is an increasing problem. To countervail this trend policies are needed regulating supply and demand for water. As water is used in many economic activities, water related management decisions usually have complex implications. Economic simulation models have been proven useful to ex-ante assess the consequences of policy changes. Specifically, Computable General Equilibrium (CGE) models are very suitable to analyze the consequences of water-related management decisions, as they consider the interlinkages between different sectors and economic agents within an economy. However, so far there is no CGE model which provides a holistic picture of the water sector including all aspects of provision, demand and management. Against this background, in this thesis a CGE model (STAGE_W) is developed which is especially focused on the water sector and provides a generic, integrated and flexible framework to incorporate various water sources from which several water activities produce water commodities of differing quality. These are consumed by other activities or by households. The applications presented in this thesis are to the best knowledge of the author the first CGE approaches to depict the recycling of wastewater and the provision of brackish groundwater as independent activities. Another novelty of the model is that it is capable to depict cascading water use. Furthermore, the inclusion of several water specific taxation instruments allows for a wide range of water policy simulations. To demonstrate the capabilities of the model, STAGE_W is applied to a Social Accounting Matrix for Israel. Based on this database several case studies are conducted which are presented in three scientific articles. Israel provides an ideal example as the country is strongly affected by water scarcity and is also among the world leaders regarding the development of new water sources and technologies. In the first article, a literature review on previously existing approaches of water depiction in CGE models is provided along with a detailed description of the specifics of STAGE_W. The model is applied to simulate a reduction of freshwater resources. The effects of this shock are analyzed with and without further increasing the desalination capacity. The results show that the economic effects are slightly negative under both scenarios. Counterintuitively, the provision of additional potable water through desalination does not substantively reduce the negative outcomes. This is mainly due to the high costs of desalination, which are currently subsidized in Israel. The second article simulates an abolishment of the discriminatory water pricing system currently established in Israel. Instead, two alternative schemes are introduced: price liberalization, which unifies the prices for all potable water consumers at cost recovery rates, and marginal pricing, lifting the potable water price to the cost of desalination. It is found that both schemes yield a double dividend by simultaneously saving water and increasing economic growth. Thereby, marginal pricing allows for larger water savings while price liberalization results in higher economic growth. In the third article, the model is further refined: the quantity of sewage available for reclamation is linked to the water consumption of economic entities connected to a sewer system. This allows to depict cascading water use and to endogenously estimate the marginal value of unpurified sewage. It is shown that a consideration of this link is crucial, if a high share of potable water is reclaimed and used. In this case, reducing the potable water consumption of municipalities also negatively affects the availability of reclaimed wastewater and thereby reduces its potential as a substitute for potable water. These case studies provide evidence of the validity of the model developed. The model results cannot necessarily be anticipated, as they are the outcome of complex interrelations within the model and none of the previous models has the capacity to capture all the relevant aspects of the water sector which influence these outcomes. Therefore, it is concluded that STAGE_W constitutes a helpful tool to implement a more sustainable management of water resources, allowing policy makers to ex-ante estimate the economy-wide effects of water related decisions. As the whole economy is depicted, a more holistic picture of effects resulting from changes in the water sector can be drawn in comparison to single sector models or cost-benefit analyzes.

Abstract (German)

In vielen Regionen der Erde ist Wasser eine knappe Ressource, die einer zunehmenden Nutzungskonkurrenz unterliegt. Um diesem Trend entgegenzuwirken, sind politische Maßnahmen nötig, die die Wasserversorgung und -Nachfrage regulieren. Da Wasser in vielen Produktionsprozessen benötigt wird, haben wassermanagementbezogene Entscheidungen zumeist komplexe Auswirkungen. Ökonomische Simulationsmodelle haben sich allgemein als geeignet erwiesen, um Konsequenzen von Politikänderungen vorab abzuschätzen. Besonders Allgemeine Gleichgewichtsmodelle (AGMs) eignen sich sehr gut, um Auswirkungen von Wassernutzungsentscheidungen zu analysieren, da sie die Verknüpfungen zwischen unterschiedlichen Wirtschaftssektoren und -Subjekten innerhalb eines Wirtschaftssystems abbilden. Dennoch gibt es bisher kein AGM, das den Wassersektor ganzheitlich darstellt und alle Aspekte der Wasserversorgung, -Nachfrage und -Bewirtschaftung berücksichtigt. Vor diesem Hintergrund wird in dieser Dissertation ein auf den Wassersektor fokussiertes AGM (STAGE_W) entwickelt, welches eine allgemeine und flexible Grundstruktur bietet, die es ermöglicht, unterschiedliche Wasserbezugsquellen, aus denen mittels verschiedener Aufbereitungsprozesse unterschiedliche Wasserqualitäten hergestellt werden, abzubilden. Dieses Wasser wird dann entweder in der Produktion von anderen Wirtschaftsgütern oder von Haushalten verwendet. Die dieser Dissertation zugrunde liegenden Fallstudien sind nach bestem Wissen des Autors die ersten auf AGM beruhenden Ansätze, die die Wiederaufbereitung von Abwasser und die Versorgung mit brackigem Grundwasser als unabhängige Produktionsprozesse darstellen. Eine weitere Neuheit des Modells ist die Abbildung mehrstufiger Wassernutzung. Die Einführung von mehreren wasserspezifischen Steuern ermöglicht darüber hinaus die Simulation verschiedenster Wasserpolitik-Szenarien. Um das Potential von STAGE_W zu demonstrieren, wird das Modell auf eine Social Accounting Matrix von Israel angewandt und damit mehrere Fallstudien durchgeführt, die im Rahmen von drei wissenschaftlichen Artikeln präsentiert werden. Israel ist dabei ein ideales Beispiel, da das Land stark von Wasserknappheit betroffen und gleichzeitig weltweit führend in der Erschließung von unkonventionellen Wasserquellen und der Entwicklung von Wassertechnologien ist. Der erste Artikel bietet eine Übersicht über die bisherigen Ansätze zur Darstellung von Wasser in AGMs und beschreibt die Besonderheiten von STAGE_W. Das Modell wird angewandt, um die Auswirkungen einer Frischwasserressourcenreduktion mit und ohne gleichzeitige Erhöhung der Entsalzungskapazität zu analysieren. Dabei zeigt sich, dass die ökonomischen Auswirkungen in beiden Fällen leicht negativ sind. Anders als erwartet, verbessert die Bereitstellung von Wasser aus zusätzlichen Entsalzungsanlagen die Situation nicht wesentlich. Dies liegt hauptsächlich an den hohen Entsalzungskosten, die gegenwärtig in Israel subventioniert werden. Im zweiten Artikel wird eine Abschaffung des derzeitigen diskriminierenden Preissystems für Trinkwasser simuliert. Zwei alternative Preissysteme werden stattdessen eingeführt: Preisliberalisierung (Angleichung der Trinkwasserpreise aller Verbraucher an die Bereitstellungskosten), und die Bepreisung zu Grenzkosten (Anhebung des Trinkwasserpreises für alle Verbraucher auf das Kostenniveau von Meerwasserentsalzung). Beide Preissysteme bringen eine doppelte Dividende durch gleichzeitige Wassereinsparungen und Wirtschaftswachstum. Im dritten Artikel wird das Modell erweitert: Die Menge des zur Wiederaufbereitung zur Verfügung stehenden Abwassers wird vom Wasserverbrauch der an ein Abwassersystem angeschlossenen Konsumenten abhängig gemacht. Dies ermöglicht die Darstellung gekoppelter Wassernutzung und die endogene Bestimmung des Schattenpreises von Abwasser. Es wird gezeigt, dass die Berücksichtigung dieser Koppelung sehr wichtig ist, wenn ein hoher Anteil des zur Verfügung stehenden Abwassers wiederaufbereitet und genutzt wird. In diesem Fall führt die Verminderung des kommunalen Wasserverbrauchs zu einer Reduktion des zur Verfügung stehenden aufbereiteten Wassers, was dessen Potential als Trinkwassersubstitut reduziert. Die beschriebenen Fallstudien belegen die die Aussagekraft von STAGE_W. Die Modellergebnisse können nicht unbedingt antizipiert werden, da sie das Resultat komplexer Interaktionen innerhalb des Modells sind. Keines der bisherigen Modelle ist in ähnlichem Umfang in der Lage, die relevanten Aspekte, die diese Ergebnisse beeinflussen, darzustellen. Somit ist STAGE_W ein geeignetes Instrument, um Optionen für eine nachhaltige Nutzung von Wasserressourcen zu simulieren. Es ermöglicht Politikern, vorab die gesamtwirtschaftlichen Folgen von Wassernutzungsentscheidungen abzuschätzen. Da STAGE_W die Gesamtökonomie abbildet, wird dabei – anders als bei Einzelsektormodellen und Kosten-Nutzenanalysen – ein ganzheitliches Bild der Auswirkungen von Änderungen im Wassersektor gezeichnet.

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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
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Institute of Agricultural Policy and Markets

Examination date

2015-05-10

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https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6002

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English

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Classification (DDC)
630 Agriculture

Collections

Institut für Agrarpolitik und Landwirtschaftliche Marktlehre

Original object

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Water resources Water policy Water pricing Economic water modelling Non-potable water Wasserpolitik Wasseraufbereitung Wasserpreis Ökonomische Wassermodellierung Brackiges Wasser

Standardized keywords (GND)

Wasser Ressourcen Entsalzung Recycling Allgemeines Gleichgewichtsmodell

BibTeX

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