title: Water in input-output analysis
title: improving global water consumption and water footprint assessments
titleType: Subtitle
Creators: name: Bunsen, Jonas
Publisher: name: Technische Universität Berlin
Year: 2023
Subjects: subject: 500 Naturwissenschaften und Mathematik::500 Naturwissenschaften::502 Verschiedenes
subject: input-output analysis
subject: water consumption
subject: water footprint
subject: sustainable production
subject: sustainable consumption

description: In many of the world's watersheds, anthropogenic freshwater consumption is exceeding sustainability thresholds. The resulting water scarcity can be a major constraint on ecosystems, human life and agricultural and industrial production processes. Combined with altered hydrological cycles caused by man-made climate change, the unsustainable anthropogenic use of freshwater has far-reaching and often irreversible environmental and socio-economic consequences. The importance of water scarcity as a global concern has been widely recognised for decades and has therefore become a key priority in the United Nations' 2030 Agenda for Sustainable Development which includes a specific Sustainable Development Goal on freshwater. However, given the lack of progress towards these goals, there is an urgent need for scientifically robust methods and databases to assess freshwater consumption and support informed decision-making to mitigate water scarcity. Following the narrative of "limits to growth", Rockström et al. (20091,b) proposed the concept of planetary boundaries, which set limits on the sustainable anthropogenic appropriation of the Earth's carrying capacity, including for freshwater. The concept can be used as an impact assessment method in water footprinting, a standardised method for assessing the potential environmental impacts of water consumption. A potentially complementary method for studying the relationship between water consumption and the potential environmental impacts of water consumption and large-scale economic consumption, such as that of an entire nation, is input-output analysis. However, there are several research gaps in both the topics of a planetary boundary for freshwater and water consumption in input-output analysis. In particular, there are research gaps in their combined application. The overarching goal of this dissertation was to improve the application of input-output analysis for global water consumption and water footprint assessments. A particular focus was also put on integrating the concept of a planetary boundary for freshwater consumption into such assessments. The first research goal was to identify the main research gaps and challenges in water consumption and water footprint assessments in the context of a planetary boundary for freshwater consumption. This research goal was addressed by a review of the scientific literature in relation to the concept of a planetary boundary for freshwater consumption. The second research goal was to apply and improve input-output analysis-based water consumption and water footprint assessments in the context of the concept of a planetary boundary for freshwater consumption. This research goal was addressed through a case study of Germany's consumption-induced water consumption and corresponding impacts. In addition, an approach was demonstrated to integrate geo-referenced data into the transaction matrix of an existing input-output table to allow for improved and more transparent water consumption and water footprint assessments. This dissertation is the first research work to provide a systematic review of the literature on a planetary boundary for freshwater consumption. It proposes to apply the concept of a planetary boundary for freshwater in the context of input-output analysis and demonstrates the feasibility of this proposal. Yet, it also identifies poor resolution of commonly available input-output databases as a major limitation to the robustness of such assessments. It also points out that the compilation of satellite accounts for water consumption and water footprint of agricultural primary production, the main global driver of anthropogenic water consumption, in input-output analysis, is typically based on national averages that do not capture the spatial differences in water scarcity. To address these research gaps, this dissertation compiled characterisation factors that align with the concept of a planetary boundary for freshwater consumption and which indicate the exceedance of the local safe operating spaces of watersheds. It also allocates the national production-based inventory of Germany to watersheds worldwide and finds that 15% of Germany's external water consumption exceeds what watersheds can provide sustainably. Finally, the combined research summarily culminates in the Input-Output Global Hybrid Analysis of Agricultural Primary Production (IO-GHAAPP) approach to water consumption and water footprint assessments in input-output analysis in which a spatial crop production model is integrated into monetary input-output data to allow for a more transparent assessment and a more accurate compilation of satellite accounts. In the IO-GHAAPP input-output table, 44 agricultural primary production sectors are available for the 164 regions, resulting in a total of 7,216 region-sector combinations. The total number of region-sector combinations increased from 19,680 to 24,600, compared to the original input-output table. The proportion of region-sector combinations representing agricultural primary production in the total number of region-sector combinations increased from 12% to 29%. Overall, this dissertation demonstrates how the concept of local safe operating spaces for freshwater consumption and input-output analysis can be combined. It also demonstrates how input-output data can be hybridised with other source data to allow for more transparent water-related assessment. This is important because input-output analysis is one of the most widely applied methods for macro-economic sustainability assessments. The results contribute to a more detailed assessment of consumption-induced water consumption and water footprints, and are of value to stakeholders seeking to better understand the links between trade and consumption and consumption-induced water consumption and water footprints. The code for the IO-GHAAPP database and the IO-GHAAPP database are openly available under a Creative Commons Attribution 4.0 International License and could as well be adapted for other research purposes. The IO-GHAAPP approach can assist all practitioners involved in macroeconomic studies of consumption-induced water consumption and water footprints. Assessments using the IO-GHAAPP database can help to inform decision-makers to better understand consumption-induced water consumption and water footprints and to develop appropriate mitigation strategies. To further strengthen the robustness of the IO-GHAAPP approach, data not only on sectoral production mixes but also on the corresponding consumption mixes would be required. In addition, the availability of data with time series to hybridise the source input-output data could extend the potential scope of the IO-GHAAPP approach to analyses assessing the historical development of water consumption and water footprints as well as future scenarios.
description: In vielen Wassereinzugsgebieten weltweit überschreitet der menschliche Süßwasserverbrauch die Grenzen der Nachhaltigkeit. Die daraus resultierende Wasserknappheit kann erhebliche Auswirkungen auf Ökosysteme, menschliches Leben sowie landwirtschaftliche und industrielle Produktionsprozesse haben. In Verbindung mit veränderten Wasserkreisläufen, die durch den vom Menschen verursachten Klimawandel hervorgerufen werden, hat der nicht nachhaltige Süßwasserverbrauch durch den Menschen weitreichende und oft irreversible ökologische und sozioökonomische Folgen. Die Bedeutung der Wasserknappheit als globales Problem ist seit Jahrzehnten allgemein anerkannt und wurde daher zu einer der Hauptprioritäten in der Agenda 2030 für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen, die ein eigenes Ziel zum Thema Süßwasser beinhaltet. Angesichts der mangelnden Fortschritte bei der Erreichung dieser Ziele besteht jedoch ein dringender Bedarf an wissenschaftlich fundierten Methoden und Datenbanken zur Bewertung des Süßwasserverbrauchs und zur Unterstützung einer fundierten Entscheidungsfindung, um Wasserknappheit zu verringern. Aufbauend auf dem Konzept der "Grenzen des Wachstums" haben Rockström et al. (2009a,b) das Konzept der planetaren Grenzen vorgeschlagen, dass Grenzen für die nachhaltige menschliche Aneignung der ökologischen Tragfähigkeit der Erde, einschließlich des Süßwasserverbrauchs, festlegt. Das Konzept kann auch als Wirkungsabschätzungsmethode im Rahmen des Wasser-Fußabdrucks verwendet werden, einer Methode zur Bewertung potenzieller Umweltwirkungen im Zusammenhang mit Wasser. Eine potenziell ergänzende Methode zur Untersuchung der Wechselwirkungen zwischen Wasserverbrauch und Wasser-Fußabdruck und dem wirtschaftlichen Konsum in großem Maßstab, z.B. eines ganzen Landes, ist Input-Output-Analyse. Es gibt jedoch eine Reihe von Forschungslücken sowohl zum Thema einer planetaren Grenze für den menschlichen Süßwasserverbrauch als auch zum Thema Wasserverbrauch in der Input-Output-Analyse. Insbesondere gibt es auch Forschungslücken bei der kombinierten Anwendung der beiden Themen. Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsarbeit war es daher, die kombinierte Anwendung von Input-Output-Analyse und der Bewertung des globalen Wasserverbrauchs und des Wasser-Fußabdrucks zu verbessern. Ein besonderer Schwerpunkt lag dabei auf der Integration des Konzepts einer planetaren Grenze für den menschlichen Süßwasserverbrauch in solchen kombinierten Anwendungen. Das erste Forschungsziel bestand darin, die wichtigsten Forschungslücken und Herausforderungen bei der Bewertung des Wasserverbrauchs und des Wasser-Fußabdrucks im Zusammenhang mit einer planetaren Grenze für den menschlichen Süßwasserverbrauch zu identifizieren. Dieses Forschungsziel wurde durch eine Durchsicht der wissenschaftlichen Literatur zum Thema Wasserverbrauch im Zusammenhang mit dem Konzept der planetaren Grenze adressiert. Das zweite Forschungsziel bestand in der Anwendung und Verbesserung von auf Input-Output-Analysen basierenden Bewertungen des Wasserverbrauchs und des Wasser-Fußabdrucks im Zusammenhang mit dem Konzept einer planetaren Grenze für den Süßwasserverbrauch. Dieses Forschungsziel wurde im Rahmen einer Fallstudie zum konsumbezogenen Wasserverbrauch in Deutschland und dessen Auswirkungen untersucht. Darüber hinaus wurde ein Ansatz demonstriert, georeferenzierte Daten in die Transaktionsmatrix einer bestehenden Input-Output-Tabelle zu integrieren und entsprechende Satellitenkonten unter Berücksichtigung von Charakterisierungsfaktoren auf Einzugsgebietsebene zu erstellen. Diese Forschungsarbeit ist die erste Forschungsarbeit, die einen systematischen Überblick über die Literatur zu einer planetaren Grenze für den Süßwasserverbrauch gibt. Sie schlägt vor, das Konzept einer planetaren Grenze für Süßwasser im Rahmen von Input-Output-Analysen anzuwenden und demonstriert die Machbarkeit dieses Vorschlags. Sie weist jedoch auch darauf hin, dass die schlechte Auflösung der allgemein verfügbaren Input-Output-Datenbanken eine wesentliche Einschränkung für die Robustheit solcher Bewertungen darstellt. Die Forschungsarbeit weist auch darauf hin, dass die Zusammenstellung von Satellitenkonten für den Wasserverbrauch und den Wasser-Fußabdruck der landwirtschaftlichen Primärproduktion, dem wichtigsten globalen Treiber des anthropogenen Wasserverbrauchs, in der Input-Output-Analyse in der Regel auf nationalen Durchschnittswerten beruht, die räumliche Unterschiede in der Wasserknappheit nicht erfassen. Um diese Forschungslücke zu adressieren, wurden in dieser Forschungsarbeit Charakterisierungsfaktoren entwickelt, die dem Konzept einer planetaren Grenze für Süßwasserverbrauch folgen und die Überschreitung lokaler sicherer Handlungsspielräume von Wassereinzugsgebieten reflektieren. Darüber hinaus wird der nationale produktionsbasierte Wasserverbrauch Deutschlands auf Wassereinzugsgebiete weltweit allokiert. Dabei wurde festgestellt, dass 15% des externen Wasserverbrauchs von Deutschland über das hinausgehen, was Wassereinzugsgebiete weltweit nachhaltig bereitstellen können. Zur Verbesserung der Datenbasis für die Bewertung des Wasserverbrauchs und des Wasser-Fußabdrucks, wird ein räumliches Modell der landwirtschaftlichen Primärproduktion in die monetären Input-Output-Daten integriert, um eine transparentere Bewertung und eine verbesserte Erstellung von Satellitenkonten zu ermöglichen. Die Forschungsbeiträge münden schließlich in dem Input-Output Global Hybrid Analysis of Agricultural Primary Production (IO-GHAAPP) Ansatz. Dieser dient der verbesserten Bewertung des Wasserverbrauchs und des Wasser-Fußabdrucks mit Input-Output-Analyse. In der IO-GHAAPP Input-Output-Tabelle stehen 44 Sektoren der landwirtschaftlichen Primärproduktion für die 164 Regionen zur Verfügung, was insgesamt 7.216 Region-Sektorkombinationen ergibt. Die Gesamtzahl der Region-Sektorkombinationen wurde gegenüber der Ausgangsdaten von 19.680 auf 24.600 erhöht. Der Anteil der Region-Sektorkombinationen, die die landwirtschaftliche Primärproduktion repräsentieren, an der Gesamtzahl der Region-Sektorkombinationen wurde von 12% auf 29% erhöht. Insgesamt zeigt diese Forschungsarbeit, wie das Konzept lokaler sicherer Handlungsspielräume für Süßwasserverbrauch und Input-Output-Analyse kombiniert werden können. Sie zeigt auch, wie Input-Output-Daten mit anderen Datensätzen hybridisiert werden können, um eine transparentere wasserbezogene Bewertung zu ermöglichen. Dies ist wichtig, da die Input-Output-Analyse eine der am häufigsten verwendeten Methoden für makroökonomische Nachhaltigkeitsbewertungen ist. Die Ergebnisse tragen zu einer detaillierteren Bewertung des konsuminduzierten Wasserverbrauchs und des Wasser-Fußabdrucks bei und sind für Stakeholder nützlich, die die Zusammenhänge zwischen Konsum und Handel sowie Wasserverbrauch und Wasserknappheit besser verstehen wollen. Der Code für die IO-GHAAPP Datenbank und die IO-GHAAPP Datenbank sind unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License frei verfügbar und können auch für andere Forschungszwecke angepasst werden. Der IO-GHAAPP-Ansatz kann von allen Anwendenden genutzt werden, die an makroökonomischen Studien zum konsuminduzierten Wasserverbrauch und zum Wasser-Fußabdruck arbeiten. Analysen mit der IO-GHAAPP Datenbank können dazu beitragen, Entscheidungsträger zu informieren, um den konsuminduzierten Wasserverbrauch und den Wasser-Fußabdruck besser zu verstehen und geeignete Reduktionsstrategien zu entwickeln. Um die Robustheit des IO-GHAAPP-Ansatzes weiter zu erhöhen, wären nicht nur Daten zu den sektoralen Produktionsmixen, sondern auch zu den entsprechenden Verbrauchsmixen erforderlich. Darüber hinaus könnte die Verfügbarkeit von Daten mit Zeitreihen zur Hybridisierung von Input-Output-Daten den potenziellen Anwendungsbereich des IO-GHAAPP-Ansatzes auf Analysen zur Bewertung der historischen Entwicklung des Wasserverbrauchs und des Wasser-Fußabdrucks sowie auf Zukunftsszenarien erweitern.