Table Of ContentKlaus .Fiedler . Effizientes Gewassergutemanagement
Springer
Berlin
Heidelberg
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Paris
Santa Clara
Singapur
Tokio
Klaus Fiedler
Effizientes
Gewassergiitemanagement
Eine Theoretische Analyse mit Praxisbezug
Mit 39 Abbildungen
, Springer
Dr. KLAUS FIEDLER
Am Kohlberg 4
D-51643 Gummersbach
ISBN-13: 978-3-642-64454-2 e-ISBN-13: 978-3-642-60553-6
DOl: 10.1007/978-3-642-60553-6
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Fiedler, Klaus: Effizientes GewiissergUtemanagement : eine theoretische Analyse mit Praxisbe
zug 1 Klaus Fiedler. -Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Budapest; Hongkong; London;
Mailand; Paris; Santa Clara; Singapur; Tokio: Springer. 1996
Zugl.: Siegen, Univ., verand. Diss
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@Springer-VerlagBerlinHeidelberg 1997
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1997
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SPIN: 10539247 30/3136 -543210 -Gedruckt auf saurefreiem Papier
Vorwort
In der umweltokonomischen Literatur wird die Belastung der Umwelt durch
Schadstoffe aus Produktion und Konsum als Externalitaten- und Kollek
tivgiiterproblem analysiert. Die vorliegende interdisziplinare Studie
konzentriert sich auf das Umweltmedium Wasser. In Totalmodellen werden
die theoretischen Grundlagen der Nutzungskonkurrenz und des effizienten
Managements dieser emeuerbaren natiirlichen Ressource sowie die Wir
kungsweise von Abwasserabgabe, Entwasserungsgebtihr, Gewassergiite
standard und Wasserp£ennig analysiert.
Diese Studie ist die iiberarbeitete Fassung meiner Dissertation, die yom
Fachbereich 5 der Universitat Gesamthochschule Siegen angenommen wurde.
An dieser Stelle sei Herm Prof. Dr. Pethig fiir die Betreuung gedankt, die
sowohl gemeinsame Forschungsaktivitaten, Tagungsvortrage in Venedig,
Tillburg, Lugano, Dublin und Kopenhagen, kritische Anmerkungen und
Hilfestellungen umfal3t. Herm Prof. Dr. Buhr danke ich fiir die Erstellung des
Zweitgutachtens und fiir weitere Hinweise.
Weiter danke ich meiner Frau Petra Ullmann-Fiedler, die mich wahrend
der effektiv fiinfjahrigen Entstehungsphase der Studie, die ihr gewidmet ist, in
jeder nur erdenklichen Weise unterstiitzt hat.
Ferner hat diese Studie erheblich von meinem Physikstudium an der Uni
versita.t Oldenburg profitiert. Viele physikalische Denkweisen und Analyse
methoden, die ich von den Herm Prof. Dr. Karl Haubold und Prof. Dr.
Alexander Rauh erlernt habe, sind insbesondere in das zweite Kapitel
eingeflossen.
Schliel3lich danke ich der Firma 1I0pfermann Arzeneimittelll aus Wiehl bei
Gummersbach fiir die praktische Einfiihrung in industrielle Kuppelproduk-
VI Vorwort
tionsprozesse [die das Gewllssergilteproblem zunl!.chst auslOsen] und in die
nachfolgende moderne intra-industrielle Schadstoffreduktion nach den
allgemein anerkannten Regeln der Technik einer industriellen Klaranlage.1
Gummersbach, im Juli 1996
Ilnsbesondere danke ich Herm Brabeck fUr die fachlich kompetente FUhrung durch die
IndustriekllLranlage der Firma Opfermann. All meinen Kollegen aus dem Produktions
bereich danke ich fUr die natUrlich-lreundschaftliche EinfUhrung in industrielle
Produktionsprozesse.
Inhaltsverzeichnis
Abbildungszeichnis
Tabellenverzeichnis
Verzeichnis der wichtigsten Symbole
1 Einf6hrung ....................................... 1
1.1 Das Gewllssergllteproblem ............................ 1
1.2 Aufbau der Studie .................................. 2
2 Naturwiaaenschaftliche Grundlagen nat6rlicher
Selbstreinigungsprozease in Wasserresaourcen ... ......... 4
"
2.1 Problemstellung ................................... 4
2.2 Hypothesen der umweltakonomischen Literatur Uber natUrliche
Selbstreinigungsprozesse in Wasserressourcen 4
••••• I ••••••••
2.3 Selbstreinigungsmodelle der naturwissenschaftlichen Literatur ... 7
2.3.1 Grundmodell und Modellpramissen ...................... 7
....................
2.3.2 Chemische Selbstreinigungsmodelle , 9
2.3.3 Biologische Selbstreinigungsmodelle ..................... 21
......... .........
2.3.4 Kooperatives Selbstreinigungsmodell " 38
2.4 Tra.nsforma.tion des Scha.dstoffmel3konzepts in ein Mel3konzept fUr
Gewllssergilte ..................................... 40
2.5 Abschliel3ende Bemerkungen zum Kapitel 2 44
••• I ., " ••••• I •
VIII Inhaltsverzeichnis
3 Effizientea Gewassergiitemanagement in einem einfachen
dynamischen Allokationsmodell .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1 Problemstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2 Das Modell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.3 Optimale Kontrolle der Gewassergiite ............ . . . . . . 55
3.4 AbschlieBende Bemerkungen zum Kapitel3. . . . . . . . . . . . . . . 69
4 Effizientes Gewassergiitemanagement in
statischen Allokationsmodellen ..... . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.1 Problemstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 Das Gewassergiitegrundmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.1 Zweistufige Abwasserbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.2.2 Produktionstechnologie fur das Konsumgut .............. 75
4.2.3 Produktionstechnologie fur Gewassergiite . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2.4 Struktur des Gewassergiitegrundmodells . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 Gewassergiitemodell mit vollstandigen und teilweise
fiktiven Markten ................................. 93
4.3.1 Das Modell. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4.3.2 Komparative Statik des Gewassergiitemarktmodells . . . . . . . . 101
4.4 Gewassergiitemodelle mit gewassergiitepolitischen Eingriffen 117
4.4.1 Das Laissez-faire-Modell als Ausgangspunkt fur
gewassergUtepolitische Eingriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4.2 Gewassergiitemodelle mit politisch gesetztem
Gewassergiitestandard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . .. . 120
4.4.3 Modelle mit Abwasserabgabe und Entwasserungsgebtihr .... . 155
4.5 AbschlieBende Bemerkungen zum Kapitel 4 ............. . 211
4.6 Anhang zum Kapitel 4 ............................ . 213
4.6.1 Herleitung des Nettoemissionsansatzes aus dem
Bruttoemissionsansatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
4.6.2 Herleitung der Eigenschaften der stationaren okologischen
Geichgewichtsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
4.6.3 Herleitung der Eigenschaften der
Gewassergiiteproduktionsfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
4.6.4 Zweiter Schritt des Beweises zur Proposition 4.4 mithilfe des
Bruttoansatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Inhaltsverzeichnis IX
5 Effiziente Trinkwasserpreissetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 231
5.1 Problemstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 231
5.2 Das Trinkwassergrundmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 232
5.2.1 Produktionstechnologie im Industriesektor .............. " 232
5.2.2 Bereitstellung von Selbstreinigungsdiensten und Rohwassermenge
und Produktion von Rohwassergiite im Rohwasserwerk ...... 234
5.2.3 Produktionstechnologie fUr Trinkwasser im Wasserwerk . . . . .. 245
5.2.4 Struktur des Trinkwassergrundmodells. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 247
5.2.5 Effiziente Schattenpreise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 249
5.3 Trinkwassermodelle mit vollstandigen Mlirkten . . . . . . . . . . .. 261
5.3.1 Modell 1: Linear-homogene RohwassergUtetechnologie . . . . . .. 261
5.3.2 Modell 2: Null-homogene RohwassergUtetechnologie .. . . . . .. 284
5.4 Der Wasserp£ennig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 305
5.4.1 Erhebungsausgestaltung des Wasserp£ennigs. . . . . . . . . . . . . .. 305
5.4.2 Die Literaturkontroverse urn den Wasserpfennig. . . . . . . . . . .. 307
5.4.3 Ein Trinkwassermodell mit Wasserp£ennig . . . . . . . . . . . . . . .. 308
5.5 AbschlieBende Bemerkungen zum Kapite15 . . . . . . . . . . . . . .. 313
6 Abschlie8ende Bemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 315
Literatur .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .... 317
Sa.chverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 343
Ab b ild ungsverzeichnis
Abb.1.1. Bumerangmodell
Abb.2.1. Hypothesen der umweltokonomischen Literatur fiber den
Verlauf der stationaren Selbstreinigungsfunktion
Abb.2.2. Chemische Selbstreinigung ohne kontinuierliche Reaktions
partnerzufUhrung
Abb.2.3. Chemische Selbstreinigung mit kontinuierlicher Reaktions
partnerzuffihrung
Abb.2.4. Graphische Herleitung der stationaren chemischen Selbst
reinigungsfunktion
Abb.2.5. Stationare biologische Selbstreinigungsfunktion im Streeter
Phelps-Modell
Abb.2.6. Biologische Selbstreinigung im Monod-Modell
Abb.2.7. Graphische Herleitung der stationa.ren Monod-Selbst
reinigungsfunktion
Abb.2.8. Graphische Transformation des Schadstoff- in das Gewa.s
sergii teme6konzept
Abb.2.9. Stationare chemische Gewassergiiteregenerationsfunktion
Abb.2.10. Stationare Streeter-Phelps-Gewassergfiteregenerationsfunk
tion
Abb.3.1. Graphische Herleitung der Transformationsfunktion
Abb.3.2. Wirkung der Zeitdiskontrate auf das optimale stationa.re
Gleichgewicht
Abb.3.3. Optimale Zeitp£ade und optimale Gleichgewichte
