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On the use of game theoretic models for water resources management

Über die Anwendung spieltheoretischer Modelle zur Wasserbewirtschaftung

  • Water quality degradation and water scarcity are two serious problems, and water resources management related to those problems usually involves conflicts. In the absence of market and exclusive property rights, those conflicts are unavoidable. Game theory is an appropriate approach to simulate and resolve such conflicts. The overall objective of this research is to develop a practical methodology and mechanism to promote the maximization of public welfare from a socio-economic and environmental perspective using game theory. There are three main goals: 1) to use game theory to illustrate and analyze phenomena of water resources management, 2) to set up non-cooperative and cooperative game theoretic simulation models of water conflicts in a river basin, and 3) to apply the game theoretic simulation approach into water conflicts involved in the Hanjiang River Basin (HRB) in China. In the case of HRB, the Municipalities of Beijing, Hanzhong, Ankang and Shangluo, Shiyan and the Cities of Xixia and Xichuan are defined as the main players.Water quality degradation and water scarcity are two serious problems, and water resources management related to those problems usually involves conflicts. In the absence of market and exclusive property rights, those conflicts are unavoidable. Game theory is an appropriate approach to simulate and resolve such conflicts. The overall objective of this research is to develop a practical methodology and mechanism to promote the maximization of public welfare from a socio-economic and environmental perspective using game theory. There are three main goals: 1) to use game theory to illustrate and analyze phenomena of water resources management, 2) to set up non-cooperative and cooperative game theoretic simulation models of water conflicts in a river basin, and 3) to apply the game theoretic simulation approach into water conflicts involved in the Hanjiang River Basin (HRB) in China. In the case of HRB, the Municipalities of Beijing, Hanzhong, Ankang and Shangluo, Shiyan and the Cities of Xixia and Xichuan are defined as the main players. For each main player, industry, households and agriculture are defined as the sub-players. Statistical and econometric regression modeling methods are used to formulate payoff functions of the players. The models are evaluated by forecasting and scenarios analyses. Cost-benefit Analysis (CBA) and demand-supply principle (DSP) are applied to compare the game outcomes. Economic valuation methods (EVMs) are applied to the value transformation. Scenario analysis is also employed to analyze the future risks and uncertainties. The main results prove that the non-cooperative game will cost all players an overall loss, though it yields benefits to some players. However, cooperative game results show that there is an overall benefit, though some players have loss. Comparing with the results of non-cooperative and cooperative games, it finds that cooperation makes all the players better off though some players are worse off. Scenario results illustrate that player one and his sub-players have serious water deficits even in the optimistic scenario. Thus, cooperation with other players is the dominant strategy for this player. The risks of non-cooperation come from some other players and sub-players. The game theoretic simulation approach and results benefit not only different groups of water stakeholders, but also decision makers to make policies on water quantity allocation, water quality protection, water pricing as well as ecological loss compensation.zeige mehrzeige weniger
  • Die Verschlechterung der Wasserqualität und die Verknappung des Wassers sind zwei schwerwiegende Probleme der Wasserbewirtschaftung, die häufig zu Konflikten führen. Ohne eine geeignete Definition von Eigentumsrechten bzw. ohne einen Wassermarkt sind Konflikte unvermeidlich. Die Spieltheorie ist ein geeigneter Ansatz zur Simulation und Lösung solcher Konflikte. Das Gesamtziel dieser Forschung ist die Entwicklung einer praktikablen Methodik, um mit Hilfe der Spieltheorie eine Optimierung der öffentlichen Wohlfahrt zu realisieren. Dies umfasst soziale und wirtschaftliche Aspekte ebenso wie auch Aspekte der Umwelt. Es gibt drei wesentliche Ziele: 1) Die Darstellung von Phänomenen der Wasserbewirtschaftung mit Hilfe der Spieltheorie; 2) die Modellierung und Simulation von Konflikten der Wasserwirtschaft durch kooperative und nicht-kooperative Spiele; 3) die Anwendung der Spieltheorie zur Lösung von Konflikten zwischen verschiedenen Gewässernutzungen in dem Hanjiang-Flussgebiet (EHF). Im Fall von EHF stellen die Städte Beijing, Hanzhong,Die Verschlechterung der Wasserqualität und die Verknappung des Wassers sind zwei schwerwiegende Probleme der Wasserbewirtschaftung, die häufig zu Konflikten führen. Ohne eine geeignete Definition von Eigentumsrechten bzw. ohne einen Wassermarkt sind Konflikte unvermeidlich. Die Spieltheorie ist ein geeigneter Ansatz zur Simulation und Lösung solcher Konflikte. Das Gesamtziel dieser Forschung ist die Entwicklung einer praktikablen Methodik, um mit Hilfe der Spieltheorie eine Optimierung der öffentlichen Wohlfahrt zu realisieren. Dies umfasst soziale und wirtschaftliche Aspekte ebenso wie auch Aspekte der Umwelt. Es gibt drei wesentliche Ziele: 1) Die Darstellung von Phänomenen der Wasserbewirtschaftung mit Hilfe der Spieltheorie; 2) die Modellierung und Simulation von Konflikten der Wasserwirtschaft durch kooperative und nicht-kooperative Spiele; 3) die Anwendung der Spieltheorie zur Lösung von Konflikten zwischen verschiedenen Gewässernutzungen in dem Hanjiang-Flussgebiet (EHF). Im Fall von EHF stellen die Städte Beijing, Hanzhong, Ankang, Shangluo und Shian, Xixia und Xichuan die Hauptspieler dar. Für jeden Hauptspieler werden wiederum Industrie, Haushalt und Landwirtschaft als Sub-Spieler definiert. Die Auszahlungsfunktionen der Spieler werden durch statistische und ökonometrische Regressionsmodelle berechnet. Die Modelle werden mit Hilfe von Prognosen und Szenarien bewertet. Für den Vergleich der Spiele (oder Simulationen) wird die Kosten-Nutzen-Analyse und das Angebot-Nachfrage-Prinzip angewendet. Die Werttransformation wird auf der Grundlage wirtschaftlicher Bewertungsmethoden eingeschätzt. Risiken und Unsicherheiten werden durch die Erstellung von Zukunftsszenarien analysiert. Die Resultate zeigen, dass die nichtkooperativen Spiele zu einem Gesamtverlust führen, obwohl sie für einige Spieler vorteilhaft sind. Umgekehrt lassen die Ergebnisse der kooperativen Spiele einen Gesamtvorteil erkennen, wenngleich sie für einige Spieler zu Verlusten führen. Insgesamt kann anhand des Vergleiches der nichtkooperativen und der kooperativen Spiele ein Gemeinschaftsvorteil durch Zusammenarbeit festgestellt werden, obwohl dies für einige Spieler von Nachteil ist. Die Ergebnisse der Szenarienanalysen zeigen, dass sogar im optimistischen Szenario eine Wasserknappheit für Spieler 1 und seine Sub-Spieler auftritt. Deshalb ist die Zusammenarbeit für diesen Spieler und seine Sub-Spieler die beste Strategie. Das Risiko fehlender Zusammenarbeit wird durch andere Spieler und Sub-Spieler verursacht. Die Methoden der Spieltheorie ermöglichen Verbesserungen sowohl für verschiedene Interessengruppen als auch im gemeinschaftlichen Rahmen bis hin zur politischen Ebene. Dies umfasst die Wasserverteilung, den Schutz der Wasserqualität, die Festlegung von Wasserpreisen und die Abschätzung und Kompensation ökologischer Kosten.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Verfasserangaben: Shouke Wei
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-5869
Gutachter / Betreuer:Prof. Dr. Albrecht Gnauck
Dokumentart:Dissertation
Sprache:Englisch
Erstellungsjahr:2008
Datum der Abschlussprüfung:20.11.2008
Datum der Freischaltung:16.12.2008
Freies Schlagwort / Tag:Konflikte; Simulation; Spieltheorie; Szenarioanalysen; Wasserbewirtschaftung
Conflicts; Game theory; Scenario analysis; Simulation; Water resources
GND-Schlagwort:China; Wasserwirtschaft; Spieltheorie; Simulation
Name der Einrichtung zum Zeitpunkt der Publikation:Fakultät für Umweltwissenschaften und Verfahrenstechnik (eBTU) / LS Ökosysteme und Umweltinformatik
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