Modernization criteria assessment for water resources planning; Klamath Irrigation Project, U.S.

Abstract

Agricultural irrigation is the largest consumer of diverted surface water and groundwater resources in the world, with major regions becoming critically water deficit. Agriculture in the western United States (US) and elsewhere has reached the point where the demands from irrigators, domestic users, and various commercial interests for allocated quantities and qualities are beyond acceptable levels for environmental needs in many river basins. Despite decades of investment in irrigation projects by governments, foreign lending agencies, and development banks in numerous countries, irrigation performance remains unsatisfactorily low and in many places progress is being reversed due to water logging, salinization, over-drafting of aquifers, environmental degradation, and infrastructure deterioration. Maintaining current irrigation practices will lead to worsening environmental and economic consequences.

To restore healthy ecosystems and sustain irrigated agriculture, irrigation modernization should be promoted as a key component of basin-level water management to effectively balance competing water needs. Improvements in the technical and economic efficiency of irrigation water use through modernization increase the quantity and quality of freshwater available in a river basin. Significant public and private investments in modernization will be required to facilitate the precise control and monitoring of reallocated flows at different levels of irrigation systems, especially on a real-time basis, and thus provide excellent water delivery service to water districts, end-users, and other commercial and environmental stakeholders. This doctoral study investigates a specific problem that many irrigation professionals and water resources planners will face in the future: how to effectively analyze and make an assessment of irrigation modernization project-alternatives.

Selecting the best modernization strategy to pursue from potential project-alternatives in water resources planning is a complex decision-making process. Irrigation modernization alternatives and their impacts involve a variety of diverse stakeholders in the selection of preferred engineering solutions based on subjectively defined criteria (quantitative and qualitative). As a consequence, technical feasibility, environmental, social/community, institutional, political, and economic factors have to be properly assessed as part of water resources planning.

This research introduces a strategic decision analysis methodology for the definition, evaluation, ranking, and selection of appropriate modernization strategies in an engineering case study of the Klamath Irrigation Project (89,000 ha). In 2001 a combination of events occurred there that led to one of the most prominent conflicts over water supplies in the U.S. Due to stricter flow requirements put in place to protect fish species and a critical drought, irrigation water was unexpectedly withheld from the majority of farms in the Project, resulting in major economic losses, calling the basis for environmental restrictions into question, and generating intense political controversy.

The composite programming approach is applied to develop a project ranking index based on standardized indicators – effective for analyzing the trade-offs associated with balancing technical and water conservation considerations with eco-system health, economics, and risk. This modernization criteria assessment requires defining the management objectives according to the nature of the internal processes and agro-hydrological features of the system, selection of alternative engineering solutions, selection of appropriate decision criteria relevant to the specific water-related problems, and the assignment of desirable and critical threshold values pertinent to each criterion. Input data consist of hydrologic, agronomic, engineering, economic, and political/policy information.

Landwirtschaftliche Bewässerung zählt weltweit zu den größten Verbrauchern von Oberflächenwasser- und Grundwasservorkommen, wobei in ausgedehnten Regionen ein beträchtlicher Wassermangel herrscht. In vielen Flussgebieten im Westen der USA ist der Bedarf seitens Bewässerung, häuslichem Gebrauch und unterschiedlichen kommerziellen Nutzern hinsichtlich ökologischer Erfordernisse nicht mehr akzeptabel. Obwohl jahrzehntelang größere Investitionen in Bewässerungsprojekte durch Regierungen, internationale Kreditanstalten und Entwicklungsbanken in zahlreichen Ländern getätigt wurden, verharrte die Leistungs-fähigkeit von Bewässerungssystemen auf geringem Niveau. Häufig ist eine Verschlechterung aufgrund von Vernässung, Versalzung, Übernutzung von Aquiferen, Umweltverschmutzung und Verfall der Infrastruktur eingetreten. Werden die gegenwärtigen Bewässerungspraktiken beibehalten, ist von zunehmenden wirtschaftlichen und die Umwelt betreffenden Schäden auszugehen.

Um Ökosysteme wiederherzustellen, die Bewässerungslandwirtschaft zu erhalten und konkurrierende Wasseransprüche zu vereinbaren, sollte der Modernisierung der Bewässerung eine Schlüsselrolle innerhalb der Wasserwirtschaft auf Flussgebietsebene zukommen. Verbesserungen der technischen und wirtschaftlichen Effizienz der Bewässerung im Zuge der Modernisierung erhöhen die Wassermenge und -qualität innerhalb eines Flussgebiets. Dabei sind erhebliche öffentliche und private Investitionen in die Modernisierung erforderlich, um eine präzise Kontrolle und ein Monitoring der umverteilten Ströme, möglichst in Echtzeit, auf unterschiedlichen Ebenen der Bewässerungssysteme zu ermöglichen. Diese Dissertation behandelt eine besondere Problemstellung, mit der zahlreiche Bewässerungsfachleute und Wasserwirtschaftler in Zukunft konfrontiert sein werden: Wie können verschiedene Optionen zur Modernisierung der Bewässerung effektiv analysiert und beurteilt werden?

Die Auswahl der besten Modernisierungsstrategie aus möglichen Alternativen ist ein komplexer Entscheidungsfindungsprozess bei der wasserwirtschaftlichen Planung. Die verschiedenen Alternativen zur Modernisierung der Bewässerung und deren Auswirkungen betreffen eine Vielzahl unterschiedlicher Akteure mit subjektiv definierten Kriterien (quantitativ und qualitativ). Daher müssen die technische Umsetzbarkeit sowie soziale, die Umwelt betreffende, behördliche, politische und wirtschaftliche Faktoren bei der wasser-wirtschaftlichen Planung sorgfältig bewertet werden.

Diese Untersuchung stellt eine Methodik zur Entscheidungsanalyse für die Definition, Bewertung, Einordnung und Auswahl der geeigneten Modernisierungsstrategie anhand einer technischen Fallstudie des Bewässerungsprojekts Klamath (89.000 ha) vor. Im Jahr 2001 kam es aufgrund des Zusammentreffens verschiedener Ereignisse zu einer der bedeutendsten Auseinandersetzung über die Wasserversorgung in den USA. Infolge von strengeren Vorgaben des Mindestdurchflusses zum Schutz der Fischarten und einer ausgeprägten Dürre wurde das Bewässerungswasser den meisten Farmen unerwartet vorenthalten, was zu größeren wirtschaftlichen Ausfällen und der Infragestellung der Umweltschutzvorgaben führte sowie eine heftige politische Debatte auslöste.

Der Ansatz des “composite programming” wird verwendet, um einen Projekt-Rangordnungs-Index zu entwickeln, der auf standardisierten Indikatoren basiert. Er stellt ein wirkungsvolles Instrument dar, um technische Belange, Maßnahmen zur Wassereinsparung mit Erfordernissen von Umweltschutz, Wirtschaft und mit Risikoabwägungen abzustimmen. Diese Bewertung anhand von Modernisierungs-Kriterien erfordert die Definition von Zielsetzungen bei der Betriebsführung, die Auswahl alternativer technischer Lösungsansätze, die Auswahl geeigneter Entscheidungskriterien sowie die Festlegung anzustrebender und kritischer Schwellenwerte zu jedem entsprechenden Kriterium. Die Eingangsdaten bestehen aus hydrologischen, agronomischen, technischen, wirtschaftlichen und politisch vorgegebenen Informationen.