title: Sustainable Water Use in Arid Agricultural Areas Based on System Dynamics and Water Footprint: a Case Study of Zhangjiakou City, China
Creators: name: Ma, Weijing
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2021
Subjects: Green water
Water footprint
Arid agricultural areas
Blue water
System dynamics
Agriculture
Landwirtschaft, Veterinärmedizin
Zhangjiakou City

description: The water resource is an indispensable natural capital for human production and life. On the one hand, insufficient water resources and uneven temporal and spatial distribution in arid agricultural areas are the objective reasons for restricting social and economic development and fragile ecological environment. On the other hand, socio-economic development occupies a large amount of ecological water, especially the unscientific planning and unreasonable expansion of irrigated agriculture, which makes a large amount of water wasted. Therefore, in this study, Zhangjiakou, China, a city with less than 400 m3 of water per capita per year, was taken as a case study area to explore the sustainable use of water in arid agricultural areas from the perspective of blue water (surface water and groundwater) and green water (soil water). First, a complex system dynamics model, reflecting the relationships between the water resources subsystem and other socioeconomic subsystems in Zhangjiakou City, was established using Vensim PLE to simulate water demand (2015-2035) in four designed alternative development scenarios: the Current Development Scenario (CDS), the Economic Priority Scenario (EPS), the Water-saving Priority Scenario (WPS), and the Balanced Development Scenarios (BDS). Secondly, with the help of CropWat 8.0, the water footprint and its spatiotemporal characteristics and variations of the main crops in Zhangjiakou City for 2005, 2010, and 2015 were estimated. Furthermore, an in-depth analysis of blue water, green water, and food productivity and economic benefits of water footprint was further investigated by introducing three new indicators, i.e., green water footprint occupancy rate, blue water footprint deficit, and virtual water consumption per GDP. Finally, from the perspective of the ecological zone, the spatiotemporal matching characteristics of agricultural water footprint and socioeconomic factors were analyzed using the Gini coefficient and imbalance index. The main findings are as follows: The variables related to irrigation farmland are the main driving factors of water demand, especially the area and the average water consumption of irrigated land. Therefore, reducing the area of irrigated farmland and improving the efficiency of agricultural irrigation water will be the main direction of water-saving in Zhangjiakou City. But it is vital to consider various factors, e.g., agricultural GDP and farmers’ income, to determine the degree of reduction of irrigation area. Besides, in the four development scenarios, regardless of which development model is chosen, the water demand per ten thousand yuan GDP will eventually fall to around 20 m3 in 2035. Therefore, reducing water demand only by slowing down economic growth cannot improve the efficiency of water use, and even result in inefficiency of water supply capacity. Zhangjiakou City should adopt a dynamic and efficient water-saving model that not only sustains regional socio-economic development but also protects ecological security in the whole Beijing-Tianjin-Hebei region. The total water footprint requirement of Zhangjiakou City increased from 1.671 billion m3 in 2005 to 1.852 billion m3 in 2015, of which the ratio of green water to blue water was around two. The total water footprint requirement in the counties of the mountainous Bashang area is lower than those of the Baxia area, and the gap between them was further expanding. The green water footprint occupancy rate in counties of the Bashang area was 43%-49%, with an average of 44%, while it was 51%-59% in counties of the Baxia area, with an average of 54%. The highest green water footprint occupancy rate in a year was from May to August, at 58%-83%. In terms of blue water footprint deficit, in general, it was lower in the Bashang area than in the Baxia area. The changing trends in food production and economic benefits of water footprint were not always the same. Therefore, it is necessary to consider them simultaneously when developing policies from the perspective of water footprint. The agricultural water footprint of Zhangjiakou City increased from 3.61billion m3 in 2005 to 5.30 billion m3 in 2015, an increase of 1.69 billion m3, of which the water footprint of animal products increased by 1.59 billion m3. Therefore, in addition to continuing to optimize the planting structure, implement efficient water-saving irrigation measures, and control the water footprint of crops, the government needs to strictly prohibit overload grazing and develop modern animal husbandry to reduce the water footprint of animal products, especially in counties of high-altitude ecological zones I, II and IV. The Gini coefficient and the imbalance index of agricultural water footprint and socioeconomic factors indicate that the spatial distribution of agricultural water footprint and planting area, population, agricultural GDP was relatively balanced, but there were still some significant differences. It means that the adjustment of the agricultural structure in each county requires a comprehensive consideration of multiple socioeconomic factors.
description: Die Wasserressourcen sind ein unverzichtbares natürliches Kapital für die Produktion und das Leben der Menschen. Einerseits sind unzureichende Wasserressourcen und deren ungleichmäßige zeitliche und räumliche Verteilung in ariden landwirtschaftlichen Gebieten die objektiven Ursachen für die Einschränkung der sozialen und wirtschaftlichen Entwicklung und des fragilen ökologischen Umfelds. Andererseits nimmt die sozioökonomische Entwicklung eine große Menge an ökologischem Wasser in Anspruch, insbesondere durch die unwissenschaftliche Planung und die unangemessene Ausweitung der Bewässerungslandwirtschaft wird eine große Menge Wasser verschwendet. Daher wurde in dieser Studie Zhangjiakou, China, eine Stadt mit weniger als 400 m3 Wasser pro Kopf und Jahr, als Fallbeispielsgebiet herangezogen, um die nachhaltige Nutzung von Wasser in semiarid-ariden landwirtschaftlichen Gebieten aus der Perspektive von blauem Wasser (Oberflächenwasser und Grundwasser) und grünem Wasser (Bodenwasser) zu untersuchen. Zunächst wurde mithilfe von Vensim PLE ein komplexes Systemdynamikmodell erstellt, das die Beziehungen zwischen dem Teilsystem Wasserressourcen und anderen sozioökonomischen Teilsystemen in der Stadt Zhangjiakou widerspiegelt, um den Wasserbedarf (2015-2035) in vier alternativen Entwicklungsszenarien zu simulieren: das Current Development Scenario (CDS), das Economic Priority Scenario (EPS), das Water Saving Priority Scenario (WPS) und das Balanced Development Scenario (BDS). Zweitens wurden mit Hilfe von CROPWAT 8.0 der Wasserfußabdruck sowie seine raumzeitlichen Eigenschaften und Variationen der Anbaukulturen in der Stadt Zhangjiakou für 2005, 2010 und 2015 geschätzt. Darüber hinaus wurde eine eingehende Analyse der Produktivität von blauem Wasser, grünem Wasser und Lebensmitteln sowie des wirtschaftlichen Nutzens des Wasserfußabdrucks untersucht, indem drei neue Indikatoren eingeführt wurden: die Belegungsrate des grünen Wasserfußabdrucks, das Defizit des blauen Wasserfußabdrucks und der virtuelle Wasserverbrauch pro BIP. Schließlich wurden für ökologische Zonen die raum-zeitlichen Übereinstimmungsmerkmale des landwirtschaftlichen Wasserfußabdrucks und sozioökonomische Faktoren unter Verwendung des Gini-Koeffizienten und des Ungleichgewichtsindex bestimmt. Die wichtigsten Ergebnisse sind die folgenden: Die Variablen im Zusammenhang mit der Bewässerung von Ackerland sind die Hauptfaktoren für den Wasserbedarf, insbesondere die Fläche und der durchschnittliche Wasserverbrauch von bewässertem Land. Daher werden die Reduzierung der bewässerten Ackerfläche und die Verbesserung der Effizienz des landwirtschaftlichen Bewässerungswassers die Hauptrichtung der Wassersparmaßnahmen in der Stadt Zhangjiakou sein. Es ist jedoch wichtig, verschiedene Faktoren zu berücksichtigen, z. B. das landwirtschaftliche BIP und das Einkommen der Landwirte, um den Grad der Verringerung der Bewässerungsfläche zu bestimmen. Außerdem wird in den vier Entwicklungsszenarien, unabhängig davon, welches Entwicklungsmodell gewählt wird, der Wasserbedarf pro zehntausend Yuan BIP im Jahr 2035 auf etwa 20 m3 sinken. Ein reduzierter Wasserbedarf nur durch die Verlangsamung des Wirtschaftswachstums wird die Effizienz der Wassernutzung nicht erhöhen; vielmehr kann das sogar zu vermehrter Ineffizienz der Wasserversorgung führen. Die Stadt Zhangjiakou sollte ein dynamisches und effizientes Wassersparmodell einführen, das nicht nur die regionale sozioökonomische Entwicklung unterstützt, sondern auch die ökologische Sicherheit in der gesamten Region Peking-Tianjin-Hebei schützt. Der Gesamtbedarf des Wasserfußabdrucks der Stadt Zhangjiakou stieg von 1,671 Milliarden m3 im Jahr 2005 auf 1,852 Milliarden m3 im Jahr 2015, wovon das Verhältnis von grünem Wasser zu blauem Wasser bei etwa zwei lag. Der Gesamtbedarf des Wasserfußabdrucks in den Landkreisen des bergigen Bashang-Gebietes war geringer als in dem Baxia-Gebiet, und der Abstand zwischen ihnen wurde weiter vergrößert. Die Auslastung des grünen Wasserfußabdrucks in den Bezirken des Bashang-Gebiets betrug 43% bis 49% mit einem Durchschnitt von 44%, während sie in den Bezirken des Baxia-Gebiets 51% bis 59% mit einem Durchschnitt von 54% betrug. Die höchste Auslastung des grünen Wassers in einem Jahr lag zwischen Mai und August bei 58% bis 83%. In Bezug auf das Defizit an blauem Wasser war es im Gebiet von Bashang im Allgemeinen niedriger als im Gebiet von Baxia. Die sich ändernden Trends der Lebensmittelproduktion und die wirtschaftlichen Vorteile des Wasserfußabdrucks waren nicht immer gleich. Daher müssen sie gleichzeitig berücksichtigt werden, wenn Strategien unter dem Gesichtspunkt des Wasserfußabdrucks entwickelt werden. Der landwirtschaftliche Wasserfußabdruck der Stadt Zhangjiakou stieg zwischen 2005 und 2015 von 3,61 Milliarden m3 auf 5,30 Milliarden m3, ein Anstieg von 1,69 Milliarden m3, wovon der Wasserfußabdruck für tierische Produkte um 1,59 Milliarden m3 zunahm. Daher muss sich die Regierung neben der weiteren Optimierung der Anbaustruktur, der Umsetzung effizienter wassersparender Bewässerungsmaßnahmen und der Kontrolle des Wasserfußabdrucks von Kulturpflanzen widmen sowie die Überweidung strikt verbieten und eine moderne Tierhaltung entwickeln, um den Wasserfußabdruck tierischer Produkte zu verringern, insbesondere in den hoch gelegenen ökologischen Zonen I, II und IV. Der Gini-Koeffizient und der Ungleichgewichtsindex des landwirtschaftlichen Wasserfußabdrucks sowie sozioökonomische Faktoren weisen darauf hin, dass die räumliche Verteilung des landwirtschaftlichen Wasserfußabdrucks und der Anbaufläche, der Bevölkerung und des landwirtschaftlichen BIP relativ ausgeglichen war, es jedoch immer noch einige signifikante Unterschiede gab. Dies bedeutet, dass die Anpassung der Agrarstruktur eine umfassende Berücksichtigung mehrerer sozioökonomischer Faktoren erfordert.