ETH Library Transboundary water allocation in the Zambezi River Basin Doctoral Thesis Author(s): Beck, Lucas Publication date: 2010 Permanent link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-006205803 Rights / license: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information, please consult the Terms of use. DISS.ETH NO. 19048 Transboundary Water Allocation in the Zambezi River Basin Dissertation submitted to ETH ZURICH for the degree of Doctor of Sciences presented by Lucas Beck Dipl. Kult–Ing. ETHZ born 26.February 1974 citizen of Switzerland accepted on the recommendation of Prof. Dr. Thomas Bernauer, examiner Prof. Dr. Wolfgang Kinzelbach, co–examiner Dr. Tobias Siegfried, co–examiner October 2010 i Acknowledgements After a few years working in the private sector, it was quite a change to be back in academia writing this PhD work. This thesis would not have been completed, and I would also not have been able to focus on the one topic for a couple of years, had it not been for the support of many people who helped me in various ways. First and foremost, I would like to thank Thomas Bernauer who was in many respects probably the best supervisor imaginable and my host for four years. He introduced me to the world of political science and also motivated me on a personal level on many occasions. My utmost gratitude goes to Wolfgang Kinzelbach whose excellent and challenging comments and questions really inspired me to dig deeper into my research topic. To Tobias Siegfried I am deeply indebted. With him I had probably the most enriching and intense discussions on my thesis. He not only enhanced my own understanding of the subject but also helped me, on a personal level, to derive more and more pleasure from doing this work and stopped me losing my motivation for this exciting topic. When delving into the Pandora’s box of the fair division of water resources, I was able to count on the excellent advice of Steven Brams from the NYU during my extended stay in New York. As part of a larger team working in different fields on the Zambezi River Basin, I received a lot of important feedback from Philipp Meier, Claudia Casarotto, David Senn and Amaury Tilmant, for which I am extremely grateful. Special thanks in this respect go to Johny Wu¨est who was an invaluable support during my field research in Zambia, Zimbabwe and Mozambique. I would also like to express my special gratitude to Janine Sutter for her extensive advice on GIS-related matters and, of course, to Luzia Bieri, Bettina Sch¨appi, Moritz Imfeld and Fabian Blaser who all contributed to this work, to a greater or lesser extent, in the writing of their own masters or bachelor theses. Lastbutnotleast,Iwouldliketothankallmyfriendsandespeciallymyfamily,without whose support it would definitely not have been possible to find enough motivation to achieve this work. Lucas Beck, October 2010 ii iii Summary The Zambezi River Basin (ZRB) is the fourth–largest African river catchment and the largest within the Southern African Development Community (SADC). It extends over an area comparable to double the size of France and, in terms of its discharge at the delta into the Indian Ocean, is similar to the Rhine or Danube rivers. It is populated by roughly 36 million people and shared by eight riparian countries including Angola, Botswana, Malawi, Mozambique, Namibia, Tanzania, Zambia and Zimbabwe. The thesis presented here addresses three research fields in the context of transbound- ary water resources allocation using a case study on the Zambezi River Basin (ZRB). To complement this work, the fourth and final part addresses the monitoring of water quality in Europe. The first part concentrates on water use scenarios in the ZRB which are developed with the aim of identifying major impacts on the present system. The scenarios are based on strong assumptions in terms of socio–economic and demographic development as well as extreme climatic conditions. These scenarios, which explore the limits of the possible water development opportunities, are compared to a moderate scenario that is designed according to a more customary approach and projects water use based on historic de- velopment trajectories. On the basis of these scenarios, the potential impact on water availability at various specific locations, as well as at country level, is assessed. The second part addresses the problem of fair water allocation. Assuming that coun- triescontinuetoconsumewaterresourcesinanon–cooperativefashion,thispartdiscusses how a fair distribution of benefits and costs might look, and enhances the assumption that externalities caused by disproportionate water use can be balanced out among the different countries by means of compensation payments. Based on three principles of fairness, namely efficiency, equitability and envy-freeness, a policy is then developed and applied to the ZRB, taking account of the same water demand scenarios developed in iv the first part of this thesis. It is assumed that, under certain conditions, the principles of efficiency and equitability can be satisfied. We also see envy–freeness as a result of inter- state bargaining, where it is ultimately the capability of the countries that decides the extent to which upstream countries are willing to relax their insistence on their territorial sovereignty and make concessions in favor of downstream users. The third part looks at the influence of hydro–political and economic asymmetry on transboundary water allocation, and a formal model is developed that describes how the political power exercised by downstream countries influences the allocation of water up- stream. While existing research mainly concentrates on optimizing water allocation to the highest economic benefit, it is assumed in this part that, ultimately, water does not flow to the highest economic benefit but simply to the most powerful country. The result of such an allocation is illustrated by means of a case study on the Zambezi. ThefourthpartisapaperonwaterqualitymonitoringinEurope,whichiscomplemen- tary to the research on the allocation of water quantities in the ZRB. Here, we examine the political, economic and ecological aspects of international water quality monitoring, the main concern being whether the measuring and reporting of water quality are based on strategic considerations and, if so, how this impacts data quality. The first three parts of this thesis rely on a hydrologic model that simulates water availability at selected locations in the ZRB based on demands by the different users. Game theoretic methods are also used here alongside the conventional methods applied to the hydrological modeling of river basins. v Zusammenfassung Das Sambesibecken ist das viertgr¨osste Wassereinzugsgebiet Afrikas und erstreckt sich u¨ber eine Fl¨ache vergleichbar mit der doppelten Fl¨ache Frankreichs. Der Fluss selber entspringt im n¨ordlichen Sambia und mu¨ndet nach rund 2600 km in Mosambik in den IndischenOzean,miteinemVolumendasungef¨ahrdemdesNiloderdesRheinentspricht. Der Sambesi ist ein internationales Gew¨asser und beinhaltet Anteile von acht L¨andern welche alle der Su¨dafrikanischen Entwicklungsgemeinschaft (SADC) angeh¨oren. Dazu geh¨oren Angola, Botswana, Malawi, Mosambik, Namibia, Tansania, Sambia und Sim- babwe.ImGebietdesSambesilebenrund36MillionenMenschenwelchezueinemgrossen Teil von den Wasserressourcen des Flusses abh¨angig sind. Die vorliegende Arbeit untersucht drei Bereiche der Forschung u¨ber Grenzu¨berschrei- tendes Wasserresourcenmanagement mit besonderem Augenmerk auf der Allokation von Wasserressourcen im Sambesibecken im Su¨dlichen Afrika. In einem vierten Teil wird zu- dem erg¨anzend der Aspekt der Wasserqualit¨at behandelt im Zusammenhang mit der grenzberschreitenden Kontrolle von Wasserqualit¨at in Europa. Der erste Teil widmet sich der Entwicklung von m¨oglichen Nutzungsszenarien fu¨r den Zeitraum von 2000–2050. Die Szenarien zeigen auf, welche Auswirkungen eine beschleu- nigte Entwicklung der wirtschaftlichen, sozio¨okonomischen und demographischen Sek- toren des Gebietes unter ungu¨nstigsten Klimaeinwirkungen auf die Wasserwirtschaft haben k¨onnte. Dies im Vergleich zu einem moderaten Szenario welches der g¨angigen PraxisentsprichtdiemehrheitlichSzenarienausdervergangenenEntwicklungextrapoliert und nicht erkundet, welche Folgen eine volle Aussch¨opfung des Wassernutzungspotenzials haben k¨onnte. DerzweiteTeilderArbeitbefasstsichmitdemEntwurfeinerMethodefu¨reinegerechte Allokation von Wasserressourcen: Es wird angenommen, dass die verschiedenen Anrainer- staatendieWasserressourcenaufihremTerritoriumnichtkooperativsondernnurzureige- vi nen Gewinnmaximierung nutzen und damit nachteilige Folgen auf die Nachbarn in Kauf nehmen. Mit dieser Vorgabe wird ein Verfahren zur kooperativen Verteilung von Gewin- nen und Kosten aus der Wassernutzung vorgeschlagen, welches Auswirkungen des Verhal- tens von Obenanliegern auf die Untenanlieger u¨ber Kompensationszahlungen ausgleicht. Die hier entwickelte Methode schl¨agt eine gerechte Verteilung unter Beru¨cksichtigung von drei wesentlichen Prinzipien vor: namentlich Effizienz (efficiency), Gleichwertigkeit (eq- uitability) und Neidlosigkeit (envy-freeness). W¨ahrend unter gewissen Bedingungen die Prinzipien von Effizienz und Gleichwertigkeit erfu¨llt werden k¨onnen wird angenommen, dass Neidfreiheit das Resultat von zwischenstaatlichen Verhandlungen ist wo letztendlich die Verteilung von politischer und wirtschaftlicher Macht innerhalb des Einzugsgebiets daru¨ber entscheidet in welchem Ausmass die Obenanlieger zugunsten von Untenanliegern in Bezug auf Wassernutzung auf ihre territoriale Souver¨anitt und somit auf ihre im hy- drologischen Sinne privilegierte Position verzichten. Der dritte Teil behandelt den Einfluss von politischer Macht von Untenanliegern auf dasWasserallokationsverhaltenvonObenanliegern.W¨ahrendsichdiebisherigeForschung vor allem mit der Frage besch¨aftigt, wie eine internationale optimale Zuteilung von Wasserressourcen unter dem Gesichtspunkt von h¨ochster ¨okonomischer Effizienz ausse- hen mu¨sste, geht dieser Ansatz davon aus, dass Wasser in Realit¨at nicht zum h¨ochsten ¨okonomischen Nutzen, sondern schlichtweg zum m¨achtigsten Anrainer fliesst. Wie eine solche Allokation aussehen k¨onnte wird anhand des Sambesi aufgezeigt. Erg¨anzend zu der Forschung u¨ber die Allokation von Wasserquantit¨aten im Sambesi widmet sich der vierte Teil politischen, ¨okonomischen und ¨okologischen Bedingungen im Zusammenhang mit der internationalen Kontrolle von Wasserqualit¨at in Europa. Das Augenmerk liegt hier vor Allem in der Frage ob die Berichterstattung von na- tionalen Qualit¨atskontrollen auf strategischen Entscheidungen beruhen und somit die Datenqualit¨at beeinflussen. Der Beantwortung der Fragen aus den ersten drei Teilen dieser Arbeit dient ein hy- drologisches Modell welches den Einfluss von r¨aumlich verteilter Wassernachfrage auf die Verfu¨gbarkeit an spezifisch ausgew¨ahlten Orten sowie auf L¨anderebene dynamisch u¨ber die Zeit simuliert. Hierzu werden neben herk¨ommlichen Programmiermethoden zur Modellierung von Flusseinzugsgebieten auch spieltheoretische Ans¨atze verwendet. Contents vii Contents I Introduction 1 1. Introduction 3 1.1. The Zambezi River Basin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2. Research context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3. Main Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4. Existing Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.5. Model Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6. Water Quality Monitoring in Europe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.7. Authorships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 II Water Scenarios 19 2. Water Scenarios for the Zambezi River Basin, 2000 - 2050 21 2.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2. Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3. Supply – Demand Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4. Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 III Fair Water Allocation 43 3. Fair Water Allocation in Complex International River Systems 45 3.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2. Water Allocation: Existing Approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.3. The Notion of Fairness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4. Fair Water Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.5. Fair Water allocation in the Zambezi River Basin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.6. Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.7. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 IV Geography of Conflict 75 4. The Geography of Conflict in International River Basins 77 4.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78