A spatial model (SWAM) for water efficiency and irrigation technology choices : A case study from Northwestern China

Abstract

In order to deal with the water scarcity problem, public and private sectors have made tremendous efforts worldwide. This study is to provide policy makers with a theoretical and quantitative tool to manage public water supply and conveyance systems more efficiently and to support the optimal allocation of water for irrigation projects. Furthermore, the current situation and potential likelihood of adopting modern irrigation technology are taken into account for private individuals. To achieve the objectives of this study, a spatial mathematic model, SWAM, was designed to assess the impacts of public and private investment on social welfare and water resource allocation. To fulfill the research target, a field survey was conducted in the cropping season of 2000/2001 in Liquan County, Shaanxi, China. The results of the field survey reveals: (1) Traditional surface irrigation still plays an important role in the survey area. (2) The water price becomes higher with the distance to the water source due to an increase of water conveyance costs. (3) Increasing water prices motivate farmers to adopt new water saving technologies. (4) Compared with imported irrigation technology, locally produced seepage irrigation technique under average conditions is more economic and practical for low-income farmers to save water, as compared to expensive imported technologies, in the survey area.Based on the field survey findings, a spatial water allocation model (SWAM), which contains an econometric model and a mathematical programming model by using General Algebraic Modeling System (GAMS), was designed. Three sets of scenarios were designed to test different impacts of different policy orientations, respectively. By analyzing the impacts of status of public investment, model results indicate that public investment will always function positively in an irrigation system, and will do especially well in a system under low soil permeability. On the other hand, its impacts on social welfare and water resource allocation are smaller under high soil permeability. By analyzing the impacts of simultaneous public and private investment undertaken, the model results suggest that different distributions of irrigation technology will certainly change water resource allocation. And moreover an optimal solution can be achieved if different technologies at different locations rather than going for one fixed type technology are adopted. This will not only reduce total costs, but also ensure social welfare and better water use efficiency. At last the model assesses the impacts of price regime change. The model results strongly suggest that a high water price drives farmers to go for water saving technologies, and moreover, sufficient financial credibility can drive such adoption activity. Based on the model and simulation results, the following policy recommendations can be made: (1) As public investment plays a very important role in water saving activities, government should make more efforts to improve water use efficiency, either in water generation or conveyance systems. Public investment in water conveyance system will do better under low soil permeability rather than high soil permeability. Under such a condition, an irrigation project should be rejected if it would be constructed under high soil permeability. (2) The study unveils a relationship of combination between public and private investment. With regard to effects of water efficiency, they are complementary. With regard to absolute costs of public and private investment, they show a more substitutional relationship. One investment increasing will lead to the other decreasing. Considering the vulnerable economic situation of Chinese farmers, it may be rational to let the government do more to improve water use efficiency rather than individual farmers. By doing this, the overall water use efficiency will be improved. However, due to substiutional relationship, this may not be a big burden for the public budget. (3) A high water price is the biggest incentive for farmers to adopt modern water saving technology. For government, it is very crucial to set a reasonable water price level. Such a price level should be able to encourage farmers to adopt water saving technology, and not to do damage to farmers interests. Um Probleme der Wasserknappheit lösen zu können, haben sowohl private Unternehmen als auch der öffentliche Sektor weltweit enorme Bemühungen unternommen. Das Ziel dieser Studie ist es, mit Hilfe eines theoretisch-quantitaiven Instruments, die öffentliche Wasserversorgung und ein Bewässerungssystem effizienter zu gestalten sowohl eine optimale Allokation der Bewässerungsprojekte zu erreichen, um damit politischen Entscheidungsträgern eine Hilfestellung zu geben. Des weiteren werden die aktuelle Situation und die potenzielle Wahrscheinlichkeit für die Einführung von modernen Bewässerungstechnologien bei privaten Bauern berücksichtigt. Um die Forschungsziele erreichen zu können, wurden Feldforschungen in der Vegetatious Periode in den Jahren 2000 / 2001 in den Gebieten Liquan Country, Shaanxi, China durchgeführt. Die empirische Analyse hat zu den folgenden Ergebnissen geführt: (1) Die traditionelle Flächenbewässerung spielt in dem analysierten Gebiet immer noch eine wichtige Rolle. (2) Der Wasserpreis ist um so höher, je weiter man von der Quelle für Wasser entfernt ist, da damit die Wasserförderungskosten steigen. (3) Ein steigender Wasserpreis führt dazu, dass Landwirte eher bereit sind in neue Bewässerungstechnologien zu investieren. (4) Die vor Ort entwickelte Bewässerungstechnologie ist für Farmer mit wenig Einkommen billiger, einfacher und effizienter als importierte Bewässerungstechnologien. Das Ziel der Arbeit war es sodann, einen umfassenden Modellrahmen für eine Bewässerungsgebiet zu entwickeln, und eine sogenanntes raumbezogenes Wasserallokationsmodell (SWAM) zu etablieren. Der Rahmen besteht aus zwei Bereichen: Der eine Bereich ist ein ökonometrisches Modell, das Regressionsmethoden benutzt (SPSS). Der zweite Bereich ist ein mathematische Programmierungsmodell GAMS (General Algebraic Modeling System). Die erste Gruppe von Szenarien fokussiert auf den Einfluss der öffentlichen Investitionen auf die soziale Wohlfahrt. Die Modellergebnisse verdeutlichen, dass die öffentlichen Investitionen in das Bewässerungssystem immer einen positiven Effekt auf die Wasserallokation haben, speziell unter der Annahme, dass eine niedrige Bodendurchlässigkeit angenommen wird.Die zweite Gruppe der Szenarien hat die Verteilung der privaten Investitionen als Gegenstand. Die Modellergebnisse suggerieren, dass die unterschiedlichen Bewässerungstechnologien einen Einfluss auf die Wasserallokation haben. Weiterhin wird deutlich, dass eine optimale Lösung erreicht werden kann, wenn unterschiedliche Technologien in unterschiedlicher Entfernung von der Wasserquelle eingesetzt werden. Dies führt nicht nur Senkung der Kosten, sondern sichert auch die Wohlfahrt und steigert die Wassereffizienz. Die dritte Gruppe der Szenarien untersucht die Auswirkungen eines Preisregimewechsels. Diese Ausführungen zeigen eindeutig, dass ein hoher Wasserpreis Landwirte zu einem Wechsel zu wassersparenden Technologien veranlasst. Eine ausreichende finanzielle Kreditsicherung kann diese Tendenz weiter unterstützen.In dieser Arbeit sind mehrere Punkte zu diskutieren. Diese Studie analysiert die Beziehungen zwischen öffentlichen und privaten Investitionen. In Bezug auf die Wassereffizienz ergänzen sich öffentliche und private Investitionen. D. h. ein gut organisiertes Kanalsystem kann den Wasserverlust reduzieren. Dies führt dazu, dass die Kosten der Farmer für den Wassereinsatz sinken und damit einen größeren Spielraum für die Einführung moderner Bewässerungstechnologien haben. Betrachtet man die absoluten Kosten der privaten und öffentlichen Investitionen, so zeigt die Studie, dass hier eine substitutive Beziehung vorliegt. Dieses Ergebnis suggeriert, dass der Staat durch seine Unterstützung die Wassereffizienz verbessern kann: sowohl bei der Wasser-Bereitstellung als auch bei den Durchleitungssystemen. Nur bei sehr durchlässigen Böden sollten keine öffentliche Investitionen in das Kanalsystem vorgenommen werden.Wichtigster Anreiz für die Landwirte, moderne Bewässerungstechnologien einsetzen, ist ein hoher Wasserpreis. Für den Staat ist es damit besonders wichtig, ein vernünftiges Wasserpreisniveau festzusetzen. Solch ein Preisniveau sollte die Farmer zur Anwendung von moderner Bewässerungstechnologie ermutigen. Wird der Wasserpreis jedoch zu hoch festgelegt, so werden in erster Linie die Einkünfte der Landwirte sinken.