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!