Upload
ezra-fletcher
View
215
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Iddo Kan,Iddo Kan,1,21,2 Mickey Rapaport-Rom, Mickey Rapaport-Rom,11
David HaimDavid Haim11 & Mordechai Shechter & Mordechai Shechter11
1. Natural Resource & Environmental Research Center, University of Haifa, Israel1. Natural Resource & Environmental Research Center, University of Haifa, Israel
2. Department of Agricultural Economics & Management, The Hebrew University of 2. Department of Agricultural Economics & Management, The Hebrew University of Jerusalem, IsraelJerusalem, Israel
שימוש חקלאי במים:שימוש חקלאי במים:שיקולי כמות, מליחות ועלותשיקולי כמות, מליחות ועלות
יום עיון בנושא "מים מותפלים לשימוש חקלאי בערבה"יום עיון בנושא "מים מותפלים לשימוש חקלאי בערבה"7.10.20087.10.2008
Funding sourcesFunding sources The GLOWA project – (Germany & Israel)The GLOWA project – (Germany & Israel) The CIRCE project (FP6) – European CouncilThe CIRCE project (FP6) – European Council The Governmental Authority for Water and Sewage (Israel)The Governmental Authority for Water and Sewage (Israel) The Ministry of Environmental Protection (Israel)The Ministry of Environmental Protection (Israel)
VVegetativeegetativeAAgriculturalgriculturalLLand-and-UUseseEEconomicconomic
Presenting thePresenting the
Part 1
ModelModel
Applications to the ARAVA regionApplications to the ARAVA region
Part 2
Objectives of VALUEObjectives of VALUE
Investigate impacts of various factors (e.g., prices, Investigate impacts of various factors (e.g., prices, water availability, water quality) on the agricultural water availability, water quality) on the agricultural water use, land use and farmers’ profits.water use, land use and farmers’ profits.
Estimate agricultural demand functions for Estimate agricultural demand functions for freshwater, treated-wastewater and brackish water. freshwater, treated-wastewater and brackish water.
Positive Positive Mathematical Mathematical Programming Programming
(PMP) (PMP) ModelModel
Main Features of the PMP model Main Features of the PMP model
The model attempts to mimic farmers’ decision The model attempts to mimic farmers’ decision
making with respect to allocation of land and water making with respect to allocation of land and water
among crops. among crops.
Optimality = maximum profits.Optimality = maximum profits.
Assuming that farmers aware of yield-responses to Assuming that farmers aware of yield-responses to
water applications and water quality.water applications and water quality.
Adaptation to changes in various factors is by Adaptation to changes in various factors is by
changing the set of decision variables: irrigation and changing the set of decision variables: irrigation and
land allocation among crops.land allocation among crops.
Our Requirements from the PMP model:Our Requirements from the PMP model:
Production functions represent responses validated Production functions represent responses validated
by scientific-based agronomic models/experiments.by scientific-based agronomic models/experiments.
The model reproduces observed management in a The model reproduces observed management in a
base year – 2002 in our case.base year – 2002 in our case.
Calibration is based on a solid micro-economics Calibration is based on a solid micro-economics
theory.theory.
The model is based on aggregated regional data from The model is based on aggregated regional data from
official public-open information sources.official public-open information sources.
Developing the ModelDeveloping the Model
Regional-scale analysisRegional-scale analysis
Applied toApplied to21 Ecological Regions21 Ecological Regions
Two-stage analysis (Howitt, 1995):Two-stage analysis (Howitt, 1995):
Step IStep I. Calibrating the model for each region . Calibrating the model for each region
Step IIStep II. Computing the optimal allocation of . Computing the optimal allocation of
agricultural land and surface water agricultural land and surface water
among crops under various among crops under various
scenariosscenarios
The Programming ProblemThe Programming Problem
si
fi
ssi
ffi
i
si
fii
ssi
I
ii
ffi
I
ii
I
ii
I
iii
si
sfi
fiiiii
wwx
ww
cwcwc
www
Wwx
Wwx
Xx
ts
xfwpwpcwypxΠsi
fii
,
,
,
..
,max
1
1
1
1,, iii cwy ,
500
600
700
800
900
1000
1100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
AW (mm/yr)
ET
(m
m/y
ear)
500
600
700
800
900
1000
1100
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
AW (mm/yr)
ET
(m
m/y
ear)
Evapotranspiration’s Response to Water and SalinityEvapotranspiration’s Response to Water and Salinity
PepperPepper
Letey, Dinar & Knapp (1985)
Shani (2005)
0
100
200
300
400
500
600
0 200 400 600 800 1000 1200
w
ET
1c
2c
3c1) Estimate
(Kan, Schwabe & Knapp, 2002)
2) Calibrate
a) Output equals base-year yields:
b) Surface-water’s VMP equals
surface-water’s price:
cwETgy ~,~~
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 200 400 600 800 1000 1200
w
Yie
ld
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
0 200 400 600 800 1000 1200
w
VM
P
cwET ,
wpw
cwETgp
~,~
y~
w~
wp
w~
cwETgy ,
c~ cwETgcwy ,,
The Programming ModelThe Programming Model
si
fi
ssi
ffi
i
si
fii
ssi
I
ii
ffi
I
ii
I
ii
I
iii
si
sfi
fiiiii
wwx
ww
cwcwc
www
Wwx
Wwx
Xx
ts
xfwpwpcwypxΠsi
fii
,
,
,
..
,max
1
1
1
1,, ii xf iii cwy ,
0
200
400
600
800
1000
0 100 200 300 400 500
pypy--ppwww-Fw-Fpypy--ppwww-Fw-F
pypy--ppwww-Fw-F
PepperPepper PalmPalm
pypy--ppwww-fw-f((xx))
pypy--ppwww-fw-f(500-(500-xx))
Calibration for Land AllocationCalibration for Land Allocation
Land (dunam)
NIS
/Dun
am
iiiii xxf
The Calibrated ModelThe Calibrated Model
si
fi
ssi
ffi
i
si
fii
ssi
I
ii
ffi
I
ii
I
ii
I
iiii
si
sfi
fiiiii
wwx
ww
cwcwc
www
Wwx
Wwx
Xx
ts
xwpwpcwETgpxΠsi
fii
,
,
,
..
,max
1
1
1
1,,
Data RequiredData Required
Regional land allocation among crops (dunams). Regional land allocation among crops (dunams).
Water consumption by each crop (mm/yr).Water consumption by each crop (mm/yr).
Availability of water sources (mAvailability of water sources (m33/year) and salinity levels (dS/m)./year) and salinity levels (dS/m).
Soil and climate characteristics (for the simulation model).Soil and climate characteristics (for the simulation model).
Water prices (NIS/mWater prices (NIS/m33).).
Output prices (NIS/ton)Output prices (NIS/ton)
Production costs (NIS/dunam, NIS/ton)Production costs (NIS/dunam, NIS/ton)
All data are from official publications, for the year 2002. All data are from official publications, for the year 2002.
Nationwide Average Water Applications Nationwide Average Water Applications (mm/year)(mm/year)
כמויות מים נצרכות גידול כמויות מים נצרכות גידול
700 שמוטי 1500 תות שדה800 אשכוליות 1400 בצל יבש800 לימונים 1050 גזר750 תפוחי עץ 1750 חסה700 אגסים 1200 כרוב600 אפרסקים 1200 כרובית650 שזיפים 450 כרפס )סלרי(350 ענבי מאכל 500 צנון וצנונית300 ענבי יין 500 קנרס )ארטישוק(
1140 בננות 350 שום0 (75%זיתים - בעל ) 500 שעועית
750זיתים - שלחין
(25%) 70 חיטה500 שקדים 0 שעורה900 אבוקדו 460 כותנה
1200 תפוחי אדמה 200 חמצה400 אבטיחים 300 תירס קלחים250 מלונים 150 אפונה לשימורים
700עגבניות - שטח
(40%פתוח ) 550 אגוזי אדמה
1800עגבניות - חממות
(60%) 200 חמניות1200 מלפפונים 0 מספוא בעונת החורף850 חצילים 450 מספוא גס - עונת הקיץ
700 פלפל וגמבה תמר 2000350 קישואים
Treated Wastewater Irrigation Treated Wastewater Irrigation Standards (Halperin)Standards (Halperin)הגידול תת חלוקה חסמים
קולחים באיכות גבוהה – קולחים מרמת איכות שניונית
גידולי תעשיה )כגון כותנה( או מספוא
A1
A
יום לפחות( אחרי השקיה אחרונה )חמניות, 60ייבוש הפרי בשמש )תירס פופקורן, חמצה, חיטה(
A2
גידולים שניתן להשקות ללא חסמים
אבטיח לגרעיני מאכל או לזרעים, המושקה רק לפני הפריחה
A3
ארטישוק B1 2 B
צבר, תמר, זיתים, פרחים B2 2 גידולים שמותר להשקות 2בקולחים באיכות גבוהה +
חסמים או בקולחים באיכות חסמים3בינונית +
תירס למאכל B3 2
אגוזים, בוטנה B4 2
שקדים, רימון, פירות טרופיים )מנגו, אפרסמון, אבוקדו( B5 2
נשירים )תפוח עץ, שזיף, אגס, אפרסק, משמש( + דובדבן B6 2
הדרים B7 2
ענבים )בהדליה גבוהה או רגילה( B8 2
בוטנים C1
C
ירקות מבושלים עם קליפה )חצילים, דלעת( C2 2 גידולים שמותר להשקות 2בקולחים באיכות גבוהה +
ירקות מבושלים הגדלים בקרקע )תפוחי אדמה(חסמים שאינם חייבים בחיטוי C3 2
ירקות עם קליפה )אבטיח, מלון, אפונה( D1 , חובת חיטוי2 D
עגבנייה, )פלפל, הקרקע מעל הגדלים חי, שנאכלים ירקות מלפפון, פפריקה, קישואים( D2
, חובת חיטוי2 גידולים שמותר להשקות 2בקולחים באיכות גבוהה +
חסמים אך חייבים בחיטוישעועית D3
2,חובת חיטוי
ירקות שנאכלים חי, הגדלים בקרקע )גזר, צנון, בצל( D4 , חובת חיטוי2ענבים ללא *הדליה )= ענבי יין( D5 , חובת חיטוי2
תות שדה, ירקות מכוסי עלים )חסה, כרוב, כרובית, סלרי( E
E
גידולים שמותר להשקות אותם אך ורק בקולחים מרמה "בלתי מוגבלת"
Crops’ Salinity ToleranceCrops’ Salinity Tolerance
דירוג עמידות 50EC הגידול דירוג עמידות 50EC הגידול
T 18 שעורה MS 6.35 מלפפונים
T 17.89 תמר MS 5.87 תפוחי-אדמהT 17.32 כותנה MS 5.87 תירס
MT 13.04 חיטה MS 5.15 חסה
MT 12.25 זיתים MS 5.07 גמבה ופלפלMT 12.25 ארטישוק MS 5.05 צנונית וצנוןMT 10.02 קישואים S 4.93 אשכוליותMS 9.86 סלרי MS 4.92 אדמה אגוזיMS 8.35 חצילים S 4.83 תפוזיםMS 7.55 עגבניות S 4.57 גזריםMS 7.55 מספוא S 4.33 בצלMT 7.5 חמצה S 4.28 שזיפיםMS 7.08 בננות S 4.13 שקדיםMS 7.08 מלונים S 4.08 אפרסקיםMS 7.08 אבטיחים S 3.63 שעועיתMS 7.08 כרובית S 2.52 תות-שדהMS 7.08 חמנייה S 2.33 עץ תפוחיMS 7.06 שום S 2.33 אגסיםMS 6.95 כרוב S 2.33 אבוקדוMS 6.71 מאכל ענבי S 2.33 לימוניםMS 6.71 יין ענבי S 2.33 אפונה
Agricultural Water PricesAgricultural Water Prices לחקלאות2002תקנות נציבות המים לשנת
מחירים )₪ למ"ק( הקצבה מדרגות תאריך
0.819 50% א 1/1/2002מ מים
שפירים
0.987 30% ב
1.324 20% ג ויותר 0.857 50% א 9/5/2002מ
1.033 30% ב
1.386 20% ג ויותר 0.892 50% א 16/7/2002מ
1.075 30% ב
1.443 20% ג ויותר
0.58 50%עד 1/1/2002מ מי
קולחים
0.451 50%מעל
0.607 50%עד 9/5/2002מ
0.472 50%מעל
0.632 50%עד 16/7/2002מ
0.491 50%מעל 0.663 חודשי חורף נובמבר-אפריל 1/1/2002מ מי שפד"ן
0.701 חודשי קיץ מאי-אוקטובר 0.694 חודשי חורף נובמבר-אפריל 9/5/2002מ
0.734 חודשי קיץ מאי-אוקטובר 0.722 חודשי חורף נובמבר-אפריל 16/7/2002מ
0.764 חודשי קיץ מאי-אוקטובר מחירם נקבע על פי מחיר המים השפירים, ממנו מורדת עלות המים על פי רמת המליחות שלהם. מליחים
בממוצע ממחיר המים האזוריים השפירים של 25%ההנחה היא שמחירי המים המליחים של מקורות נמוכים ב- מקורות.
Regional Agricultural Water Prices Regional Agricultural Water Prices (NIS/m(NIS/m33))
מחיר מי שפדן
מחיר מים מליחים - ממוצע משוקלל
מחיר מי קולחים - ממוצע משוקלל
מחיר מים שפירים - ממוצע משוקלל אזור אקולוגי
− − − 0.951 רמת הגולן− − 0.290 0.388 החולה− − − 0.937 מרום גליל− − − 0.921 מעלה גליל− 0.455 0.455 0.732 גליל מערבי− − − 0.467 בקעת כנרות− 0.228 0.305 0.321 בית שאן− − 1.365 1.365 הר גלבוע ובקעת חרוד− 0.258 − 0.886 בקעת הירדן− − 1.365 0.949 גליל תחתון− 0.910 0.657 0.927 עמק יזרעאל− − 1.365 1.004 נצרת− 0.455 0.532 0.954 חדרה− 0.455 0.455 0.970 רעננה− 0.455 0.455 0.933 רחובות− − 1.187 0.907 ירושלים− − 0.548 0.926 יו"ש
0.724 0.885 0.910 0.995 לכיש0.724 1.204 − 1.005 בשור0.724 0.805 1.365 0.860 נגב
− 0.398 − 0.627 ערבה
מ"ק לדונם שטח חקלאי )m3/year 106מים (
סה"כ שפירים (דונם 103) סה"כ שפד"ן קולחים מליחים)4 dS/m(
שפירים)1 dS/m( אזור
291 291 95 27.70 - - - 27.70 רמת הגולן341 320 178 60.59 - 3.64 - 56.95 עמק החולה364 364 56 20.27 - - - 20.27 מרום הגליל42 42 26 1.07 - - - 1.07 מעלה הגליל
167 142 248 41.44 - 6.16 - 35.29 הגליל המערבי675 675 59 39.86 - - - 39.86 בקעת כנרות490 405 123 60.06 - 0.10 10.24 49.72 בקעת בית שאן377 360 41 15.39 - - 0.72 14.67 הגלבוע וגבעת חרוד
2,689 2,483 9 23.53 - - 1.80 21.72 בקעת הירדן127 116 129 16.42 - 1.47 - 14.95 הגליל התחתון195 62 250 48.62 - 32.97 0.24 15.41 עמק יזרעאל45 27 104 4.66 - 1.86 - 2.80 הרי נצרת
329 225 233 76.82 - 24.26 - 52.55 חדרה451 393 164 74.05 - 8.99 0.45 64.60 רעננה234 163 346 80.74 - 20.62 3.92 56.19 רחובות310 84 82 25.33 - 18.50 - 6.84 הרי ירושלים177 177 32 5.61 - 0.01 - 5.60 יהודה ושומרון139 75 378 52.39 7.39 14.17 2.59 28.24 לכיש295 43 228 67.46 53.90 - 3.76 9.80 הבשור175 25 638 111.63 76.19 13.78 5.48 16.18 הנגב823 75 68 55.95 - - 48.84 5.12 הערבה261 157 3,485 909.58 137.48 146.53 78.05 545.52 סה"כ
Land and Water UseLand and Water Use
%סה"כפארןצופרעין יהבחצבהעידןמחיראיכות
EC<1.91.275,268699,10013,488190,67012908,5382.8%
EC 1.9-2.65 0.82362,9994,258,5002,303,0002,408,3002,920,90012,253,69937.3%
EC 2.65-3.4 0.773,656,7002,910,9004,314,8831,738,800438,60013,059,88339.8%
EC 3.4-4.10.69537,900794,1001,015,7001,270,0003,617,70011.0%
EC>4.10.6400001,328,1001,328,1004.0%
EC>4.8 0.60097,50000097,5000.3%
EC>5.20.55739,100739,1002.3%
0.68000833,6000833,6002.5%מים קורוסיביים
4,562,8678,760,1008,386,1715,171,3705,957,61232,838,120
צריכת מים בערבה תיכונה (מ"ק) )מקור - רשות הניקוז, (2007
Part 2Part 2Application to the Arava RegionApplication to the Arava Region
Some Data (CBS, 2002)Some Data (CBS, 2002)Freshwater consumption = 5×106 m3/year
Freshwater price = 0.63 NIS/m3
Salty-water consumption = 48×106 m3/year
Salty-water price = 0.40 NIS/m3
Total cultivated land = 67,700 dunams
Main crops:
Pepper – 7,100 dunams
Water melons & Melons – 12,500 dunams
Palm – 2,200 dunams
Water-Mix ScenariosWater-Mix Scenarios
No mixNo mix (basic) – Every crop is irrigated by only (basic) – Every crop is irrigated by only one predetermined type of water.one predetermined type of water.
Regional mixRegional mix – The two water sources are first – The two water sources are first blended, and the mix is used for irrigation.blended, and the mix is used for irrigation.
Field mixField mix – Every crop can be irrigated by – Every crop can be irrigated by a specific mixture of the two water types.a specific mixture of the two water types.
Demand FunctionsDemand Functions
Stage 1 - Run the model under various Stage 1 - Run the model under various combinations of Freshwater and Salty-combinations of Freshwater and Salty- water water prices, and record the associated prices, and record the associated Freshwater Freshwater and Salty-water consumptions.and Salty-water consumptions.
pricewaterSaltypricepFreshwaterDFreshwater f ,
priceFreshwaterpricerSalty-wateDwaterSalty s ,
Estimation ProcedureEstimation Procedure
Stage 2 – Estimate the demand functions:Stage 2 – Estimate the demand functions:
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
0 50 100 150 200
Freshwater (106 cm/year)
Fre
shw
ater
Pri
ce (
NIS
/cm
)
Freshwater Demand
Salty-Water Price + 50%
Salty-Water Price - 50%
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 20 40 60 80 100 120 140
Salty Water (106 cm)
Sal
ty-W
ater
Pri
ce (
NIS
/cm
)
No Mix(Basic)
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
0 50 100 150 200
Freshwater (106 cm/year)
Fre
shw
ater
Pri
ce (
NIS
/cm
)
Field Mix
Freshwater
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
0 20 40 60 80 100 120 140
Salty Water (106 cm/year)
Sal
ty-W
ater
Pri
ce (
NIS
/cm
)
Salty-Water Demand
Freshwater Price + 50%
Freshwater Price - 50%
Salty Water
Fre
shw
ater
Pri
ce (
NIS
/m3 )
Fre
shw
ater
Pri
ce (
NIS
/m3 )
Sal
ty-W
ater
Pri
ce (
NIS
/m3 )
Sal
ty-W
ater
Pri
ce (
NIS
/m3 )
Salty-Water (106 m3/year)
Salty-Water (106 m3/year)
Freshwater (106 m3/year)
Freshwater (106 m3/year)
0 2 4 6 8 10
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
ws
wf
ps = pf
Salinity ratio: cs =2c f
ws0 2 4 6 8 10
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
wf
ps =0.5pf
0 2 4 6 8 10
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
ws
wf
ps =0.25pf
The Field-level Mixing DilemmaThe Field-level Mixing Dilemma(Kan, Schwabe and Knapp, 2002)(Kan, Schwabe and Knapp, 2002)
Freshwater
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
0 20 40 60 80 100 120
Freshwater (106 cm/year)
Fre
shw
ater
Pri
ce (
NIS
/cm
)
Salty-Water Price = 0.8
Salty-Water Price = 0.6
Salty-Water Price = 0.4
Salty-Water Price = 0.2
Salty Water
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0 20 40 60 80 100
Salty-Water (106 cm/year)
Salt
y-W
ater
Pri
ce (
NIS
/cm
)
Freshwater Price = 1.88
Freshwater Price = 1.57
Freshwater Price = 1.26
Freshwater Price = 0.94
Regional Mix
Fre
shw
ater
Pri
ce (
NIS
/m3 )
Freshwater (106 m3/year) Salty-Water (106 m3/year)
Sal
ty-W
ater
Pri
ce (
NIS
/m3 )
DesalinationDesalination
2) Desalinate the regional salty water.2) Desalinate the regional salty water.
2) Desalinated-water’s price = 2.0 NIS/m2) Desalinated-water’s price = 2.0 NIS/m33
AssumptionsAssumptions
1) Desalinated water is mixed with the 1) Desalinated water is mixed with the natural freshwater. natural freshwater.
OptionsOptions1) Add desalinated freshwater to the region. 1) Add desalinated freshwater to the region.
Add desalinated Add desalinated freshwaterfreshwater
Desalinate local Desalinate local salty-watersalty-water
ProfitProfit(10(1066 NIS/year) NIS/year) No mixNo mix 4343 4343
Field-level mixField-level mix 9393 9292
Regional mixRegional mix 8181 8181
Cultivated landCultivated land(dunam)(dunam) No mixNo mix 67,75067,750 67,75067,750
Field-level mixField-level mix 67,75067,750 67,75067,750
Regional mixRegional mix 50,35050,350 50,35050,350
FreshwaterFreshwater(10(1066 m m33/year)/year) No mixNo mix 5.35.3 5.35.3
Field-level mixField-level mix 37.737.7 36.436.4
Regional mixRegional mix 47.147.1 47.147.1
Salty waterSalty water(10(1066 m m33/year)/year) No mixNo mix 48.048.0 48.048.0
Field-level mixField-level mix 19.719.7 16.916.9
Regional mixRegional mix 0.00.0 0.00.0
ResultsResults
Main FindingMain Finding
Desalinate, but Don’t blend Desalinate, but Don’t blend
Allocate freshwater to Allocate freshwater to salinity-sensitive crops (pepper).salinity-sensitive crops (pepper).
Allocate salty-water toAllocate salty-water tosalinity-tolerant crops (palm).salinity-tolerant crops (palm).
Thank you for your Thank you for your attention!attention!