Infrastructure cost implications of urban forms in developing countries : an analysis of development patterns in Ghana

Abstract

The interdependency or relationship between infrastructure costs and urban form has been an important issue in town and regional planning over the years. Debates have generated among practitioners and theorists for over three decades now as to which development is the most cost efficient. However, the conclusions are still fuzzy and not clear, partly, because both practitioners and theorists often deliberately or unintentionally gloss over the realistic impacts of alternative development patterns in their submissions. Interestingly, most planning authorities rarely know and consider the costs of alternative development patterns in their decision making process. Besides, studies on infrastructure costs efficiency of alternative developments have constantly focused on developed countries without any attention to developing countries. This study then sought to contribute to the debate from developing countries’ perspective – using Ghana as the reference point – by analysing the effects of urban forms on infrastructure costs from both developing and developed countries’ points of view; determining the urban form that is infrastructure costs efficient as well as recommending to planners and policy makers in developing countries, possible areas in the development process, where infrastructure costs could be reduced.

In approaching the study, both qualitative and quantitative methods were employed. The qualitative approach deals with the literature review of urban sprawl, particularly its general impacts and influence on the costs of infrastructure. Again, the phenomenon of urban sprawl is situated in the context of both developing and developed countries with differences and similarities of attributes in the different economic regions of the world ascertained. The literature review, further, focuses on how infrastructure costs relate to urban forms as well as analysing how the urban structures (with respect to social and spatial distributions) in both developing and developed countries affect infrastructure costs and financing. The conclusions of the literature review form the bedrock of the investigation and further reinforce the isolation of the effect of urban configuration on infrastructure costs. A graph theoretic tool, by means of AutoCAD, was employed for further isolation of the effect of urban configuration on infrastructure costs. Pattern classification – to delineate the primary urban patterns – coupled with agreement in literature on historical and current urban patterns gave rise to four hypothetical residential neighbourhood patterns – tributary, radial, grid and hybrid patterns. The four hypothetical patterns held all other factors constant and isolated the effect of street patterns and density on the capital costs of roads, water and electricity distribution networks.

The study found out that, generally, the major factors that drive the current urban development patterns – urban sprawl – in developed countries have reached, relatively, higher levels of development in comparison with developing countries. Therefore, developed countries have higher urban dispersion potential and hence higher infrastructure costs vis-à-vis developing countries. The phenomenon also occasions a shift from intra-city to inter-city infrastructure costs concerns in the case of developed countries while in developing countries, emphasis is on intra-city infrastructure costs concerns with respect to urban forms. Again, the phenomenon of urban sprawl is perceived to be occasioned by market distortions and failures. The market distortions and failures leading to urban sprawl are deemed to be anchored in the cost-sharing scheme of infrastructure financing. Hence, the externalities and market failures associated with the cost-sharing scheme (which induces urban sprawl) could be dealt with so as to ensure more efficient urban forms through marginal costs pricing of infrastructure. The phenomenon of urban sprawl albeit evident in developing counties (particularly Ghana), does not fit exactly into the developed countries’ scheme of urban sprawl – both in causes and impacts. Besides, the urban structures of both developing and developed countries are different and have different implications on the costs of infrastructure development and financing. The study also found out that there is a relationship between urban forms and infrastructure costs. However, the relationship is not a single relationship but rather a multiple one. The intrinsic purpose of these relationships, as claimed by studies in developed countries, is independent of the socio-economic situation of any particular region. Hence, this relationship is presumably applicable in developing countries as well. It has also been shown in this study that apart from density, lot size, lot shape, location and dispersion of developments, street pattern or configuration relates to and has influence on infrastructure costs, particularly network infrastructure.

In isolating the effect of street patterns on urban forms, the total capital costs of three infrastructure (roads, water and electricity distribution networks) revealed the tributary pattern as the most economical pattern in terms of the capital costs of linear infrastructure while the grid pattern is the least economical. The tributary pattern showed a 27% costs savings per dwelling over the costs of the grid pattern. The radial and hybrid patterns also indicated 9% and 3% savings per dwelling, respectively, in comparison with the grid pattern. Clearly, the savings in capital costs of linear infrastructure by the tributary, radial and hybrid patterns in comparison with the grid pattern, largely, resulted from savings in water distribution and road networks. The study showed that – it appears – other factors such as demand, density and type of distribution system other than the configuration of the street pattern influence the costs of electricity distribution network significantly. The capital costs per dwelling showed a gradual rise in infrastructure cost as one moved from the pure tributary pattern towards the pure grid pattern. Besides, in isolating the effect of density on linear infrastructure costs, it was revealed that the capital costs per dwelling of linear infrastructure reduce sharply, initially, with increasing density and later reduce, marginally, with further increments in density. Again, a density from 13 DPH to 53 DPH means approximately a 300% increment in density. However, the corresponding decrease in capital costs per dwelling for linear infrastructure was about 68% across the alternative hypothetical residential patterns.

The general street pattern in Ghana is the cellular or grid type which is expensive in terms of linear infrastructure. Thus, since most developing countries (including Ghana) have fiscal challenges, urban configurations which reduce infrastructure costs and enhance revenues would be more appropriate. Thus, as shown by this study, the tributary pattern appears to fulfil this goal. However, the shortfall in accessibility – a key planning goal – could be augmented by a carefully designed network of footpaths. This measure fits well into Ghana or developing countries’ scheme of transportation – slow mode or walking. Again, geometry seems to provide a tool to optimise the values of infrastructure costs minimisation and accessibility enhancement. The fused grid, a new residential neighbourhood layout, is a good example. See Grammenos et al. (2008) for more discussions on the fused grid model. Besides, the price of infrastructure comprises costs and profits. Hence, an approach like urban configuration which seeks to reduce the costs is not enough. Other factors or areas which also influence the price of infrastructure to the user should also be considered and their effects – preferably – minimised. Such areas are developer or client’s costs, risks and contingencies related to the infrastructure development and profit margin of the construction contractor or developer.

Die Interdependenzen zwischen Infrastrukturkosten und Stadtform sind seit Jahren ein wichtiges Thema in der Stadt- und Regionalplanung. Es wird seit über drei Dekaden darüber gestritten, welche Entwicklungformen die größte Kosteneffizienz aufweisen. Allerdings sind die Schlussfolgerungen noch unklar, weil Praktiker und Theoretiker oft dazu neigen, die realistischen Auswirkungen alternativer Entwicklungsmodelle absichtlich oder auch unabsichtlich nicht hinreichend zu berücksichtigen. Interessanterweise können nur wenige Planungsbehörden die Kosten alternativer Planungsmodelle einschätzen und diese bei ihrem Entscheidungsprozess abwägen. Darüber hinaus haben sich Studien über Infrastrukturkosteneffizienz von alternativen Entwicklungen von Städten hauptsächlich auf die Industrieländer bezogen und somit die Entwicklungsländer vernachlässigt. Diese Studie versucht, einen Beitrag zur Debatte aus der Perspektive der Entwicklungsländer zu leisten. Dabei wird das Land Ghana als Bezugsraum verwendet. Der Beitrag beinhaltet folgende Punkte: • Analyse der Auswirkungen der Stadtform auf Infrastrukturkosten aus der Perspektive der Industrie- und Entwicklungsländer. • Bestimmung der Stadtform, die infrastrukturkosteneffizient ist. • Empfehlung an Planer und Entscheidungsträger in Entwicklungsländern über mögliche Bereiche, wo Infrastrukturkosten im Entwicklungsprozess reduziert werden könnten. In dieser Studie werden sowohl qualitative als auch quantitative Methoden eingesetzt. Die qualitative Annäherung erfolgt über eine Auswertung der Literatur zu Urban Sprawl, insbesondere dessen allgemeine Auswirkung auf Infrastrukturkosten. Das Phänomen des Urban Sprawl wird hier auch im Kontext der Industrie- und Entwicklungsländer diskutiert. Dabei werden Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den unterschiedlichen wirtschaftlichen Regionen der Welt festgestellt. Des Weiteren verfolgt die Literaturauswertung das Verhältnis zwischen Infrastrukturkosten und Stadtformen und analysiert die Auswirkung von urbanen Strukturen und räumlichen Konfigurationen auf Infrastrukturkosten und deren Finanzierung in Industrie- und Entwicklungsländern. Die Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen der Literaturauswertung bilden die Grundlage für die weiteren Arbeitsschritte und grenzen der Auswirkung von urbanen Konfigurationen auf Infrastrukturkosten ein. Das Hauptkonzept für die Abgrenzung der Auswirkung von urbanen Konfiguration auf Infrastrukturkosten wird mit einem graphentheoretischen Tool mit Hilfe von AutoCAD umgesetzt. In Anlehnung an die Literatur wurden auf der Grundlage von historischen und gegenwärtigen Stadtmodellen modellhafte Siedlungsstrukturmuster bzw. Stadtgrundrisse klassifiziert. Es wurden vier hypothetische Modelle von Wohnsiedlungen erarbeitet: tributary (dt. Sackgassengrundriss), radial (dt. radialer Grundriss), grid (dt. Schachbrettmuster), und hybrid. Für diese vier hypothetischen Grundrissmodelle werden zunächst alle anderen Faktoren als konstant angenommen und die Auswirkung von Straßenmustern und Straßendichte auf die Kapitalkosten der Straßen-, und der Wasser- und Stromverteilungsnetzwerke isoliert. Die Studie zeigt, dass -im Allgemeinen- die Faktoren, welche die gegenwärtigen Muster der urbanen Entwicklung beeinflussen, in den entwickelten Ländern eine relativ höhere Intensität erreicht haben als in den Entwicklungsländern. Daher haben Industrieländer im Vergleich zu Entwicklungsländern ein höheres Potential der Siedlungsdispersion und somit höhere Infrastrukturkosten. Dieses Phänomen verursacht in den Industrieländern eine Verschiebung von intra-städtischer zu inter-städtischer Infrastrukturkosten, während in Entwicklungsländern mehr Wert auf intra-städtische Infrastrukturkosten mit Bezug auf die Stadtform gelegt wird. Es wird vermutet, dass das Phänomen des Urban Sprawls durch Marktverzerrungen- und -versäumnisse verursacht wird. Zudem scheinen die Marktverzerrungen und -versäumnisse, die zum Urban Sprawl führen, im Kostenverteilungsschema der Infrastrukturfinanzierung verankert zu sein. Die externen Faktoren und die Marktversäumnisse, die mit dem Kostenverteilungsschema, das Urban Sprawl auslöst, verbunden sind, könnten beeinflusst werden, um effizientere Stadtgrundrisse durch eine Grenzkostenkalkulation von Infrastruktureinrichtungen sicherzustellen. Das Urban Sprawl Phänomen, in Entwicklungsländern, insbesondere Ghana, passt nicht genau in das Urbanisierungsschema der Industrieländer und zwar weder in den Ursachen noch in den Wirkungen. Außerdem unterscheiden sich die Stadtstrukturen in Industrie- und Entwicklungsländern und haben unterschiedliche Folgen für die Kosten der Infrastrukturentwicklung und deren Finanzierung. Die Studie zeigt auch, dass es einen Zusammenhang zwischen Stadtform und Infrastrukturkosten gibt. Jedoch ist dieser Zusammenhang keine einfache, sondern eine vielfache Relation. Studien in Industrieländern behaupten, dass die grundsätzlichen Zusammenhänge zwischen Einflussgrößen und Infrastrukturkosten von der sozial-wirtschaftlichen Lage einer Region unabhängig sind. Diese Aussage gilt vermutlich auch für Entwicklungsländer. In dieser Studie wird auch gezeigt, dass die Dichte, die Grundstücksgröße, die Grundstücksform, die Lage und Ausdehnung von Entwicklungen sowie der Straßengrundriss einen Zusammenhang mit und eine Wirkung auf Infrastrukturkosten, insbesondere der Netzinfrastruktur, aufweisen. Durch die Abgrenzung der Wirkung von Straßengrundrissen auf die Stadtform zeigt sich, dass im Hinblick auf die gesamten Kapitalkosten von drei linearen Infrastrukturarten (Straßen-, Wasser-, und Stromverteilungsnetzwerke) der Sackgassengrundriss das wirtschaftlichste und der Schachbrettgrundriss das am wenigsten wirtschaftliche Modell ist. Der Sackgassen-grundriss zeigt eine Kostenersparnis von 27% je Wohnstätte gegenüber dem Schachbrettgrundriss. Im Vergleich zum Schachbrettgrundriss weisen der radiale Grundriss und das Hybridmodell eine 9%ige bzw. 3%ige Kostenersparnis je Wohnstätte auf. Die Kapitalkostenersparnis der linearen Infrastruktur im Sackgassengrundriss, im radialen Grundriss und im Hybridmodell ist im Vergleich zum Schachbrettgrundriss insbesondere auf Ersparnisse bei der Wasserverteilung und im Straßennetzwerke zurückzuführen. Zudem zeigt die Studie, so scheint es, dass andere Faktoren wie beispielsweise Nachfrage, Dichte und Verteilungssystem die Kosten des Stromverteilungsnetzwerks stärker beeinflussen als der Straßengrundriss. Die Kapitalkosten je Wohnstätte zeigen eine allmähliche Kostensteigerung bei der Umstellung von reinem Sackgassengrundriss auf einen Schachbrettgrundriss. Bei der Abgrenzung der Wirkung von Dichte auf lineare Infrastrukturkosten wird festgestellt, dass sich die Kapitalkosten der linearen Infrastruktur je Wohnstätte reduzieren. Bei einer anfänglichen Erhöhung der Dichte ist die Reduktion stark und nimmt mit einer weiteren Erhöhung kontinuierlich ab. Eine Erhöhung der Dichte von 13 Wohnungen je Hektar (DPH) bis 53 DPH bedeutet ungefähr eine 300%ige Dichte-Steigerung. Jedoch beträgt die entsprechende Reduktion der Kapitalkosten je Wohnstätte für lineare Infrastruktur lediglich 68% bei den untersuchten hypothetischen Stadtgrundrissen. Der allgemeine Stadtgrundriss in Ghana entspricht dem Schachbrettgrundriss, der mit Bezug auf lineare Infrastruktur sehr teuer ist. Da die meisten Entwicklungsländer (Ghana inklusive) finanzielle Schwierigkeiten haben, wären Stadtformen adäquater, die Infrastrukturkosten reduzieren und Einkünfte fördern. In diesem Sinne scheint der Sackgassengrundriss, wie diese Studie zeigt, dieses Ziel zu erreichen. Jedoch müssten auftretende Erreichbarkeitsdefizite – ein wichtiges Planungsziel - durch ein Netzwerk von Fußwegen ergänzt werden. Diese Maßnahme passt sehr gut zu dem Verkehrssystem von Ghana oder Entwicklungsländern, die durch langsame Verkehrsmittel oder zu Fuß gehen geprägt sind. Die Geometrie scheint ein Werkzeug zur Optimierung der Werte von Infrastrukturkosten und Erreichbarkeit bereitzustellen. Das angepasste Schachbrettmuster, ein neues Wohnsiedlungsmodell, das den Sackgassengrundriss und den Schachbrettgrundriss kombiniert, ist ein gutes Beispiel. Eine ausgiebige Diskussion des angepassten Schachbrettgrundrisses findet man in Grammenos et al. (2008). Der Preis von Infrastruktur umfasst sowohl Herstellungs- und Wartungskosten als auch Gewinne der Anbieter. Daher ist ein Ansatz wie die Anpassung des Straßengrundrisses, der allein die Erstellungskosten reduzieren soll, unzureichend. Andere Faktoren oder Bereiche, die den Infrastrukturpreis für den Verbraucher beeinflussen, sollten auch in Erwägung gezogen und in ihrer Wirkung verringert werden. Solche Faktoren oder Bereiche umfassen beispielsweise Entwicklerkosten, Risiko und Reserveaufschläge, sowie die Gewinnspanne der Auftragnehmer oder Projektentwickler.