NATURAL RESOURCE ECONOMICS

(1)

NATURAL RESOURCE ECONOMICS

Sponsored by a Grant TÁMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0041 Course Material Developed by Department of Economics,

Faculty of Social Sciences, Eötvös Loránd University Budapest (ELTE) Department of Economics, Eötvös Loránd University Budapest

Institute of Economics, Hungarian Academy of Sciences Balassi Kiadó, Budapest

(2)

2

NATURAL RESOURCE ECONOMICS

Week 7

Water-basin level management of natural capital 1/a

Water demage prevention, surface and sub-surface water management

Gábor Ungvári

Outline

• Aspects of surface water resource management

• Institutional boxes:

– water damage prevention,

– surface and sub-surface water management,

– agriculture

• Types of materialization:

– Inland water control (excess water),

– Flood control (excess water),

– Irrigation (water scarcity),

– Water supply for fisheries,

– Water supply for environmental protection (water scarcity),

• Indirect effects

(3)

3

The problems, therefore the sectors too, are connected!

Somlyódy L.: A hazai vízgazdálkodás stratégiai pillérei 2. ábra.

Vízügyi közlemények 2000 3–4 379. oldal

(4)

4

Surface water resources – land

• Is the allocation of land use among the main methods of use effective.

• Is it justifiable to maintain an unbalanced situation?

• If the profitable benefits off-set the costs.

• Benefits: agricultural (option of effective intensive production structure); infrastructure

development; community supporting

• Costs: ineffective activities of environmental

protection; the opportunity costs of undeveloped eco-system services (including the cultural and aesthetic aspects);

• Are the costs of stabilizing production conditions off-set by the produced excess value?

• The economically rational scope of intensity increasing solutions have been exhausted – if they were available at all.

The current system of landscape management

Systems built out for water-redirection

• Low-land

– Redirecting excess water: area of inland flood control 44.000 km2, out of which 27.000 km2 is cultivated, 41% of total cultivated area.

– 42.000 km inland water channel; – in 1940 only about 16.000 km – Suction-pump capacity: 1940 200 m3/s; 1995 950 m3/s

• Hill-country

– Second order stream 53.000 km – out of which inland water area is 6.000 km (1.500 settlements with 1.800 streams), 17.000 km “regulated”

– Flood area of streams 4.300 km2

(5)

5 – Erosion-threatened 23.000 km2

Systems built for water-replenishment

• Irrigation

– In 1995 3.170 km2 area accessible for irrigation, 200-500 million m3 – 73% Great Hungarian Plain, 24% Transdanubia, the rest distributed over

other hill-areas.

Maintaining the infrastructure of surface and sub-surface water management

• Water administration directorates, water management associations

• Operation means the maintenance of capacities, which is not feasible

• Part of the inland water problems can be traced back to the untenability of capacities

Ownership rights:

• Owned by local governments and private individuals: 34–39%

• Saleable state ownership (FVM, managing association): 43–47%

• State-owned water works 18–19%

Táblázat A vízfolyás és csatornahálózat hossza, kilométer

Megnevezés Síkvidéki területek csatornahálózata Dombvidéki területek vízfolyáshálózata

1999 2003 2004 2006 2003

Állami tulajdonú, KÖVIZIG

kezelésű 8 178 8 460 8 100 8 100 4 115

Állami tulajdonú, FVM hivatali

kezelésű 3 478 3 100

Társulati 16 140 19 754 16 100 15 527

FVM felügyelete alá tartozó

forgalomképes állami 19 600

Önkormányzati 5 166 1 800 3 866

Magán (üzemi) 12 777 12 900 28 201

Önkormányzati és magán 14 802 17 943 14 700 14 300

Összesen 42 598 46 157 42 600 42 000 51 833

Eltérés az összegzett értéktől 0 0 600 0

Forrás: A Tisza-völgy síkvidéki belvízvédelmi koncepciója, tanulmány (1999), Vízügyi Központ és Közgyűjtemények (2003), Kolossváry-Udvari (2004), Csongrád megyei Földművelésügyi Hivatal tájékoztatója (2006)

Table: Length of water channel and sewage system (km)

Táblázat A vízfolyás és csatornahálózat hossza, kilométer

Megnevezés Síkvidéki területek csatornahálózata Dombvidéki területek vízfolyáshálózata

1999 2003 2004 2006 2003

Állami tulajdonú, KÖVIZIG

kezelésű 8 178 8 460 8 100 8 100 4 115

Állami tulajdonú, FVM hivatali

kezelésű 3 478 3 100

Társulati 16 140 19 754 16 100 15 527

FVM felügyelete alá tartozó

forgalomképes állami 19 600

Önkormányzati 5 166 1 800 3 866

Magán (üzemi) 12 777 12 900 28 201

Önkormányzati és magán 14 802 17 943 14 700 14 300

Összesen 42 598 46 157 42 600 42 000 51 833

Eltérés az összegzett értéktől 0 0 600 0

Forrás: A Tisza-völgy síkvidéki belvízvédelmi koncepciója, tanulmány (1999), Vízügyi Központ és Közgyűjtemények (2003), Kolossváry-Udvari (2004), Csongrád megyei Földművelésügyi Hivatal tájékoztatója (2006)

Table: Length of water channel and sewage system (km)

(6)

6

Land-use decisions that impact the conditions of water management

• In multi-functional systems, how to charge the costs of infrastructure maintenance and operation to the users

• Communal and private use

• Previously only state subsidiaries, then contributions

• The current financing framework cannot support the planned capacity level – BUT increasing costs is not feasible due to the current activity-pattern of users.

• Financing trap

– Insufficient resources

– Only partially operational infrastructure

– Greater exposure – greater chance of manifestation of random problems – High ration of damage prevention – high operational costs

– Decreasing spending on infrastructure-maintenance

• Changing needs:

– The transformation of agriculture has changed the needs of the primary users – The transformation of society has changed the needs relating to agriculture /

land use.

• For the adaptation of users, that is, changing the demand for the service, the users also need to be aware of the costs of the service.

• For effective land-allocation, it is necessary to

– Know the actual costs of water-system maintenance and

– Know the value of ecological services that materialize as communal benefits (as income for the land user)

– VKI notions: cost recovery

– Develop the institutions of governmental demand – market of ecological services

(7)

7

Agricultural water services – irrigation

• Decreasing consumption – despite charges lower than the costs of providing water access

• Socio-political aspects instead of resource-management approaches

• VKJ at times of drought 0 HUF, then completely abolished

• Management anomalies – only those are charged who can be made to pay – fixed charges concentrated on a decreasing consumer base

• Abundance and scarcity at the same time:

• One-third of the annual

agricultural water consumption manifests during the highest- demand period of the year (July-August). At the same time, out of the VKI’s 42 planning sub-unit the narrow- bore water yield does not reach this ratio in 33 cases. It is necessary to retain water between periods.

• Even those that could pay do not have access.

• (The conflicts of maintaining fishing ponds – unpaid ecological services)

Mezőgazdasági vízfelhasználás alakulása 1970-2004

0 200 400 600 800 1000 1200

1970. 1975. 1980. 1985. 1990. 1992. 1993. 1994. 1995. 1996. 1997. 1998. 1999. 2000. 2001. 2002. 2003. 2004.

Agricultural water-consumption 1970–

2004

A mezőgazdasági vízfelhasználás alakulása, millió m3

Megnevezés 2000 2001 2002 2003 2004 Megoszlás 2004

Halastó ellátására 505,5 502,4 463,2 456,3 385,9 64%

Öntözés 178 180,2 186 184,5 182,2 30%

Állattenyésztés 28,7 29,3 28,9 29,2 27,9 5%

Egyéb 8,5 4,4 1,5 0,0 6,4 1%

Mezőgazdasági saját víztermelés összesen 720,7 716,3 679,6 670,0 602,4 99%

Viziközműtől vásárolt víz 4,8 4,1 4,7 3,8 3,4 1%

Mindösszesen 725,5 720,4 684,3 673,8 605,8 100%

Agricultural water-consumption, million m3

(8)

8

Water management controversies in the region

Changes in the size of irrigable areas km2 based on resources accessible at low-waterIrrigation is

not a solution to regional water scarcity.

There is not enough summer surface water resource that would be comparably sufficient.

FORGATÓKÖNYVEK ÉGHAJLAT VÁLTOZÁS NÉLKÜL

FELSZÍ- NI VÍZBŐL

FELSZÍN ALATTI VÍZBŐL

ÖSSZE- SEN

1 Jelenlegi viszonyok 3 800 950 4 750

2 1 + A mederben hagyandó hozam 50%-kal nő 3 550 950 4 500 3 2 +Külföldön lefolyás csökken, vízhasználat nő,

tervezett tározók megépülnek 3 100 950 4 050

4 3 + Technológiaváltás (víztakarékos öntözés,

kedvezőbb vízigényű növények) 3 900 1 200 5 100

5 4 + Gazdaságosnak ítélt átvezetések 4 450 1 200 5 650

FORGATÓKÖNYVEK ÉGHAJLAT VÁLTOZÁS ESETÉN

ÖSSZE- SEN

6 (3) + enyhe éghajlat változás, 0,3 C 2 050 850 3 100

7 (3) + közepes éghajlat változás 0,7 C 1 600 800 2 400

8 (3)+ közepes éghajlat változás, szárazabb hazai

változat 1 050 700 1 750

9 (7) + technológiaváltás (víztakarékos öntözés,

10 4 + Gazdaságosnak ítélt átvezetések, további hazai és

külföldi tározási lehetőségek 2 850 1 000 3 850

km²

FORGATÓKÖNYVEK ÉGHAJLAT VÁLTOZÁS NÉLKÜL

ÖSSZE- SEN

1 Jelenlegi viszonyok 3 800 950 4 750

2 1 + A mederben hagyandó hozam 50%-kal nő 3 550 950 4 500 3 2 +Külföldön lefolyás csökken, vízhasználat nő,

tervezett tározók megépülnek 3 100 950 4 050

4 3 + Technológiaváltás (víztakarékos öntözés,

5 4 + Gazdaságosnak ítélt átvezetések 4 450 1 200 5 650

FORGATÓKÖNYVEK ÉGHAJLAT VÁLTOZÁS ESETÉN

ÖSSZE- SEN

6 (3) + enyhe éghajlat változás, 0,3 C 2 050 850 3 100

7 (3) + közepes éghajlat változás 0,7 C 1 600 800 2 400

8 (3)+ közepes éghajlat változás, szárazabb hazai

változat 1 050 700 1 750

9 (7) + technológiaváltás (víztakarékos öntözés,

10 4 + Gazdaságosnak ítélt átvezetések, további hazai és

külföldi tározási lehetőségek 2 850 1 000 3 850

km²

(9)

9

The connection between land use and water quality

• Millennium Ecosystem Assessment – identifies overnutrition as one of the key drivers of eco-system degradation

• Water Framework Directive survey:

– 33% of flowing waters, 26% of static Waters

– 50% of natural flowing waters is affected

– Quantity of load

• Point sources of water pollution 2,9 kt/year,

• Non-point sources of water pollution 2 kt/year, out of which 85% is agricultural

– Reason: proximity of plough-lands, lack of puffer area

• Diffusive load and erosion = Damage to nutrient cycle and loss of soil

• Diffusive load on low-lands results from redirecting inland water

The connection between diffusive and erosion – area distribution

Water Framework Directive

The Hungarian section of the Duna‘s water reservoir

(10)

10

Flood risk management of the river Tisza

Cost-benefit analysis, results

Point-based diffuse rate Point-based diffuse rate

(11)

11

The increase of the height of flood prevention embankments based on Vágás I The increase of the height of flood prevention embankments based on Vágás I

(12)

12

Growing danger of flooding – a hopeless endeavor

• The defense system itself perpetuates the risk – flood storage of dams filling up

• The changing land- use decreases the effectiveness of the defense system – meeting of floods due to quicker run-off

• Negative effects of climate change – uneven distribution of annual rainfall – rainfall concentrated to winter months and growing amount of rain

falling at individual instances

Szlávik Lajos: A Tisza-völgy árvízvédelme és fejlesztése, Földrajzi Konferencia, Szeged 2001

http://geography.hu/mfk2001/cikkek/Szlavik.pdf

(13)

13 Dr. Kovács, Váriné: A Vásárhelyi-terv továbbfejlesztését megalapozó hidrológiai és hullámtér hidraulikai vizsgálatok eredményei a Közép-Tiszán

http://www.vizugy.hu/vir/vizugy.nsf/0/361e6f4e45d0f1fbc1256e5b004d64a8?opendocument#2%

c3%81

Methodology

• Comparable versions of run-offs

– Effects of climate change considered, the process of floodplains silting up

• Cost-benefit analysis

– Finding the combined minimum of expenditures and damages

– Calculating costs incurred at different times on present value

• Data

– Damages: residential goods and properties; public buildings; evacuation;

industrial, agricultural and road damages

– Investment; maintenance; defense

(14)

14

(15)

15

Cumulated damage at disaster points by damage types

• The distribution of disaster points

–

Residential 22% – Evacuation 12%

–

Industrial damage 40%

–

Agricultural 3%

–

Road damage 22%

–

Strong concentration: the top 20% of disaster points have 47% of the damages, the bottom 40% have 20% of the damages

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000

24 20 22 10 30 16 7 19 18 5 1 11 4 21 3 15 6 12 17 23 2 27 28 14 29 9 13 8 26 25

mezőgazdasági kár átlaga

ipari kar kat.pont szamitas alapjan [mill.ft]:

utkar[mill.ft]:

kitelepitesi ktsg[millio]:

ingosagok kara[millio]:

elarasztott teglalakas 2 kar[millio]:

(16)

16

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000

Millió Ft

p

alap helyzet mélyártér vtt6 vtt11

No dam- construction (MÁSZ+0) scenarios

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Millió Ft

p

töltés mélyártér vtt6 vtt11

0.5 meter dam- construction (MÁSZ+0,5) scenarios

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Millio Ft

p

1 meter dam- construction (MÁSZ+1) scenarios

 Várható kárérték és csökkenése, 3% diszkont ráta mellett

Sorrend Az összesített várható árvízi kár

jelenértéken Mrd Ft

Kár csökkentés különbsége MÁSZ+0-hoz képest*, jelenértéken, Mrd Ft

Szcenáriók

1 14 1610 VTT11 MÁSZ+1

2 25 1600 VTT11 MÁSZ+0,5

3 32 1593 VTT6 MÁSZ+1

4 32 1593 Mélyártéri árapasztás MÁSZ+1

5 56 1569 MÁSZ+1

6 82 1542 Mélyártéri árapasztás MÁSZ+0,5

7 90 1535 VTT11 MÁSZ+0

8 97 1528 VTT6 MÁSZ+0,5

9 282 1342 MÁSZ+0,5

11 538 1087 VTT6 MÁSZ+0

* a MÁSZ 0 scenárió várható kárértéke 1614 Mrd Ft.

Expected damage-value and its decrease, with 3% discount rate

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000

Millió Ft

p

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

0 20000 40000 60000 80000 100000 120000

Millió Ft

p

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Millió Ft

p

-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000

Millió Ft

p

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Millio Ft

p

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

Millio Ft

p

Szcenáriók

1 14 1610 VTT11 MÁSZ+1

2 25 1600 VTT11 MÁSZ+0,5

3 32 1593 VTT6 MÁSZ+1

5 56 1569 MÁSZ+1

7 90 1535 VTT11 MÁSZ+0

8 97 1528 VTT6 MÁSZ+0,5

9 282 1342 MÁSZ+0,5

11 538 1087 VTT6 MÁSZ+0

Szcenáriók

1 14 1610 VTT11 MÁSZ+1

2 25 1600 VTT11 MÁSZ+0,5

3 32 1593 VTT6 MÁSZ+1

5 56 1569 MÁSZ+1

7 90 1535 VTT11 MÁSZ+0

8 97 1528 VTT6 MÁSZ+0,5

9 282 1342 MÁSZ+0,5

11 538 1087 VTT6 MÁSZ+0

(17)

17

Results

Overall Costs

Mrd Ft Order

Expected damage Mrd Ft

Expenditure Mrd Ft

MÁSZ+0 – alaphelyzet 1747 1624 122

VTT6 MÁSZ+0 692 11 538 155

MÁSZ+0,5 454 10 282 172

VTT11 MÁSZ+1 405 9 14 390

Mélyártéri árapasztás MÁSZ+0 397 8 319 78

VTT6 MÁSZ+1 360 7 32 329

VTT6 MÁSZ+0,5 327 6 97 230

MÁSZ+1 311 5 56 255

VTT11 MÁSZ+0,5 309 4 25 284

VTT11 MÁSZ+0 284 2 90 194

Mélyártéri árapasztás MÁSZ+0,5 242 1 82 159

Overall Costs

Mrd Ft Order

Expected damage Mrd Ft

Expenditure Mrd Ft

MÁSZ+0 – alaphelyzet 1747 1624 122

VTT6 MÁSZ+0 692 11 538 155

MÁSZ+0,5 454 10 282 172

VTT11 MÁSZ+1 405 9 14 390

VTT6 MÁSZ+1 360 7 32 329

VTT6 MÁSZ+0,5 327 6 97 230

MÁSZ+1 311 5 56 255

VTT11 MÁSZ+0,5 309 4 25 284

VTT11 MÁSZ+0 284 2 90 194

Mélyártéri árapasztás MÁSZ+0,5 242 1 82 159

(18)

18

Comparing flood control strategies on the River Tisza, Refining the Vásárhelyi Plan

A Tisza árvízi szabályozása a Kárpát-medencében NKFP – 3/A 0039/2002 BME Víziközmű és Környezetmérnöki Tanszék

Az árvízi védekezési rendszerek várható ráfordításai a Tisza magyarországi szakaszán, MrdFt, 3% diszkontláb mellett, a vizsgált 100 éves időszakra

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Mélyártéri árapasztás és 0,5 méter gát emelés 11 Tározó gát emelés nélkül Mélyártéri árapasztás és 1 méter gát emelés 11 tározó és 0,5 méter gát emelés 1 méter gát emelés 6 tározó és 0,5 méter gát emelés 6 tározó és 1 méter gát emelés Mélyártéri árapasztás gát emelés nélkül 11 tározó és 1 méter gát emelés 0,5 méter gát emelés 6 tározó gát emelés nélkül

Alaphelyzet Beruházási költség

Védekezési költség Árvízi elöntés kár értéke

Mélyárterek elárasztása Mélyárterek elárasztása The shift the current

VTT Act aims at reaching within 25 years

Expected expenditure on flood control defense strategies for the Hungarian section of the Tisza, Mrd HUF with 3% discount rate, projected for 100 years

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Mélyárterek elárasztása Mélyárterek elárasztása The shift the current

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Mélyárterek elárasztása Mélyárterek elárasztása Mélyárterek elárasztása Mélyárterek elárasztása The shift the current

Expected expenditure on flood control defense strategies for the Hungarian section of the Tisza, Mrd HUF with 3% discount rate, projected for 100 years

(19)

19

Comparing flood control strategies on the River Tisza,

as part of the Vásárhelyi Plan

Eco-system services of floodplains – mitigating functions – 1

Az árvízi védekezési rendszerek várható kárértékei a Tisza magyarországi szakaszán, MrdFt, 3% diszkontláb mellett, a vizsgált 100 éves időszakra

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Mélyártéri árapasztás és 0,5 méter gát emelés 11 Tározó gát emelés nélkül

Mélyártéri árapasztás és 1 méter gát emelés 11 tározó és 0,5 méter gát

emelés 1 méter gát emelés 6 tározó és 0,5 méter gát

emelés 6 tározó és 1 méter gát emelés

Mélyártéri árapasztás gát emelés nélkül 11 tározó és 1 méter gát

emelés 0,5 méter gát emelés

6 tározó gát emelés nélkül Beruházási költség

Turning to integrated strategies of water-retention and land usage adaptation

is necessary Expected expenditure on flood control defense strategies for the Hungarian section of the Tisza, Mrd HUF with 3% discount rate, projected for 100 years

Az árvízi védekezési rendszerek várható kárértékei a Tisza magyarországi szakaszán, MrdFt, 3% diszkontláb mellett, a vizsgált 100 éves időszakra

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Mélyártéri árapasztás és 0,5 méter gát emelés 11 Tározó gát emelés nélkül

Mélyártéri árapasztás és 1 méter gát emelés 11 tározó és 0,5 méter gát

emelés 1 méter gát emelés 6 tározó és 0,5 méter gát

emelés 6 tározó és 1 méter gát emelés

Mélyártéri árapasztás gát emelés nélkül 11 tározó és 1 méter gát

emelés 0,5 méter gát emelés

6 tározó gát emelés nélkül Beruházási költség

Turning to integrated strategies of water-retention and land usage adaptation

is necessary Expected expenditure on flood control defense strategies for the Hungarian section of the Tisza, Mrd HUF with 3% discount rate, projected for 100 years

Overall costs Mrd Ft

Decrease in relation to the

embankment- construction scenario Mrd Ft

Shift in terms of 1 hectare of used area millFt/ha

MÁSZ+0 – alaphelyzet 1747

Mélyártéri árapasztás MÁSZ+0 397 1350 10,4

MÁSZ+0,5 454 1293

Mélyártéri árapasztás MÁSZ+0,5 242 212 1,6

MÁSZ+1 311 1436

Mélyártéri árapasztás MÁSZ+1 295 15 0,1

Overall costs Mrd Ft

Decrease in relation to the

embankment- construction scenario Mrd Ft

Shift in terms of 1 hectare of used area millFt/ha

MÁSZ+0 – alaphelyzet 1747

Mélyártéri árapasztás MÁSZ+0 397 1350 10,4

MÁSZ+0,5 454 1293

Mélyártéri árapasztás MÁSZ+0,5 242 212 1,6

MÁSZ+1 311 1436

Mélyártéri árapasztás MÁSZ+1 295 15 0,1

(20)

20

Changes in the VTT-concept – unfulfilled opportunity

• Solutions provided by the current plan and questions left unanswered – Decreasing flood tide only, without water replenishment or

– Land usage accommodation, landscape water replenishment with protection functions

• Tarpa 2001 – First aim: decreasing the water-level tide of the rare great floods.

Minimal area required – great water-depth – high specific costs of investment – with the passing of the flood the redirecting the water into the river

• Planning efforts to coordinate flood-control, agricultural, conservational aspects, resulting in the 2004/LXVII VTT Act

• The regression of the plan – failure to reach the necessary cooperation due to the lack of governmental coordination and due to specific lobby interests – VTT 1003/2007 Government decree

– Water surplus remains to be diverted between dams – Implementation is expanded to a 25-year duration

– Rate of implementation conditioned by prospective available funds

The planning area of the

regional development of the VTT

(21)

21 Landscape management in the Bodrogköz floodplains

Cigánd emergency reservoir and the connecting Tiszakarád landscape management model area during high water

Landscape management in the Bodrogköz floodplains

Cigánd emergency reservoir and the connecting Tiszakarád landscape management model area during high water

Cigánd emergency reservoir and the connecting Tiszakarád landscape management model area during low water