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J. Grames:
"Introducing the Economic Decision Framework into Socio-hydrology";
Supervisor, Reviewer: A. Fürnkranz-Prskawetz, K. Prettner, G. Blöschl; Institut für Stochastik und Wirtschaftsmathematik, 2018; oral examination: 2018-03-15.

Menschliche Entscheidungen können Wassersysteme verändern, während Wassersysteme menschliche Entscheidungen beeinflussen. Diese komplexen wechselseitigen Feedbackmechanismen sind das Kernstück des jungen aufstrebenden Forschungsbereiches der Soziohydrologie. In dieser Dissertation verwenden wir einen interdisziplinären Zugang um Forschungsfragen der Soziohydrologie zu beantworten. Dabei werden Modelle und Gesetze aus der Hydrologie und dem Ressourcenmanagement in ökonomische Modelle eingebettet. Im Zentrum stehen optimale Entscheidungen von Haushalten, Firmen oder Gesellschaften. Zur Berechnung der optimalen Handlungsstrategien werden verschiedene Methoden der dynamischen Optimierung weiterentwickelt und die entsprechenden Lösungen analytisch und numerisch aufbereitet.

Die in dieser Dissertation entwickelten vielfältigen Modelle stellen formale Modellierungsmöglichkeiten anhand konkreter Beispiele dar. Unseres Wissens nach sind das die ersten mathematisch fundierten Modelle in der Soziohydrologie, die außerdem menschliche Entscheidungen und die verknüpften Feedbacks mit Wassersystemen endogen beschreiben. Drei konkrete Modelle wurden für zwei Anwendungsbereiche entwickelt: Einerseits Hochwassermanagement, welches Wasserdynamiken berücksichtigt, andererseits Phosphormanagement, welches Wasserqualität beeinflusst.

Die ersten beiden Modelle beschreiben eine Gesellschaft, beziehungsweise eine Firma, die in einer Hochwasser-gefährdeten Region angesiedelt ist. Wir identifizieren die optimalen Investitionsstrategien in Hochwasserschutzmaßnahmen. Die gesellschaftliche Perspektive wird in einem ökonomischen Wachstumsmodell beleuchtet, wo sich zwei Investitionsstrategien langfristig als optimal herausstellen. Wir nennen sie reiche und arme Ökonomien, wobei es sich die Reichen leisten können in Hochwasserschutz zu investieren und Kapitalstöcke aufzubauen, während die Armen bevorzugt ihre kleinere Wirtschaftsleistung direkt konsumieren anstatt Hochwasserschutz aufzubauen. Somit müssen sie beim kleinsten Hochwasser Schäden in Kauf nehmen, wie das zum Beispiel im Mekong-Delta in Vietnam der Fall ist. Zusätzlich vergleichen wir Simulationen mit häufigerem,intensiverem oder stochastisch auftretendem überhöhten Wasserpegel.

Für die Firmenperspektive verwenden wir ein partielles Gleichgewichtsmodell, das neben den optimalen Investitionsstrategien auch die optimale Lage der Produktionsstätte berechnet. Wie oft, wann und wieviel ist eine repräsentative Firma bereit in Hochwasserschutzmaßnahmen zu investieren? Um diese Frage zu beantworten, verwenden und erweitern wir die Impulskontrolltheorie und entwickeln einen Fortsetzungsalgorithmus für die numerische Lösung. Wir finden heraus, dass höheres Überflutungsrisiko und langfristigere Planung die Investitionsbereitschaft in Hochwasserschutz erhöhen und danach auch immer die Investitionen in Produktionskapital aufstocken und somit mehr produzieren.

Wir können daraus schließen, dass langfristige und nachhaltige Investitionsplanung zu einem gesunden Wirtschaftswachstum führt.

Das Ausmaß der wechselseitigen Einflüsse von Hochwasserschutzmaßnahmen und dem Wassersystem sind ausschlaggebend für die optimale Lage der Produktionsstätte, während ökonomische Rahmenbedingungen die optimale Investitionsstrategie prägen. Wenn bereits z.B. staatliche Hochwasserschutzmaßnahmen vorhanden sind, siedeln sich Firmen näher am Wasser an und die geringeren Ausgaben für Hochwasserschutz erlauben höhere erwartete Profite. Wenn Firmen durch Förderungen bereits große Produktionsanlagen haben, reduzieren sie mögliche Hochwasserschäden eher durch Abbau von Produktionskapital als durch eigenständigen Aufbau von Hochwasserschutz.

Das dritte Modell untersucht die Wechselwirkung von Haushaltskonsumentscheidungen, Düngeentscheidungen in der landwirtschaftlichen Produktion, und Umwelt-, speziell der Wasserqualität, um den Einfluss dieser Wechselwirkungen auf Phosphornutzung und -recycling zu verstehen. In einem ökonomischen Gleichgewichtsmodell wird unter anderem Angebot und Nachfrage von Phosphordünger modelliert und eine Materialflussanalyse integriert, um die Dynamiken der Phosphorbestände in Gewässern, Boden und Lebensmittelproduktion einzubinden. In diesem Rahmen wird die Einführung unterschiedlicher Abwasserbehandlungsverfahren zur Rückgewinnung von Phosphor untersucht. Aus dem Modell folgt, dass die Verwendung von recyceltem Phosphor die Umweltqualität und sogar die Profite für die Landwirtschaft erhöht. Außerdem ist die Ökonomie durch die Wiederverwertung von Phosphor weniger von Mineraldüngerimporten abhängig und somit resilienter gegen starke Preisschwankungen am globalen Phosphormarkt.

Insgesamt gibt es einen Bedarf Wiederaufbereitungstechnologien auszubauen, weil Landwirte bereit sind, mehr rückgewonnenen Phosphor als Düngemittel zu verwenden als üblicherweise verfügbar ist.̈

Insgesamt ist die Reduktion von Phosphor in den Böden und Gewässern nur möglich, wenn Phosphor rückgewonnen wird und der globale Düngerpreis steigt. Der Staat kann diesen technologischen Wandel unterstützen, in dem sie Rückgewinnungstechnologien für Phosphor fördert oder zusätzliche Steuern oder Abgaben für Phosphorimporte einführt. Alternativ müssten sich gesellschaftliche Werte verändern, so dass die Umweltqualität im Vergleich zum Konsum einen höheren Stellenwert einnimmt. Das erhöht die Bereitschaft mehr für Lebensmittel zu zahlen und ermöglicht den Landwirten somit einen finanziellen Beitrag zur Errichtung oder Erhaltung von Phosphorrückgewinnungsanlagen zu leisten.

Aus allen drei Modellen lernen wir, dass die Antizipation von Umweltveränderung, speziell Wasserdynamik und Wasserqualität, wirtschaftliche Entscheidungen und daraus entstehendes menschliches Verhalten ändert. Es gibt immer einen Kompromiss zwischen Investition in Konsum, Produktionskapital und Umwelt. Die optimale Investitionsstrategie hängt jedoch stark von den vorherrschenden ökonomischen Rahmenbedingungen und der Wertehaltung der Gesellschaft ab.

Sociohydrology, flood, phosphorus, feedbacks, optimization, impulse control