1. Iddo Kan, 1,2 Mickey Rapaport-Rom, 1 David Haim 1 & Mordechai Shechter 1 1. Natural Resource & Environmental Research Center, University of Haifa, Israel 2. Department of Agricultural Economics & Management, The Hebrew University of Jerusalem, Israel Jerusalem, Israel שימוש חקלאי במים: שיקולי כמות, מליחות ועלות יום עיון בנושא "מים מותפלים לשימוש חקלאי בערבה" 7.10.2008 Funding sources  The GLOWA project – (Germany & Israel)  The CIRCE project (FP6) – European Council  The Governmental Authority for Water and Sewage (Israel)  The Ministry of Environmental Protection (Israel)

2. Vegetative Agricultural Land- Use Economic Presenting the Part 1Model Applications to the ARAVA region Part 2

3. Objectives of VALUE  Investigate impacts of various factors (e.g., prices, water availability, water quality) on the agricultural water use, land use and farmers’ profits.  Estimate agricultural demand functions for freshwater, treated-wastewater and brackish water.

4. Positive Mathematical Programming (PMP) Model

5. Main Features of the PMP model  The model attempts to mimic farmers’ decision making with respect to allocation of land and water among crops.  Optimality = maximum profits.  Assuming that farmers aware of yield-responses to water applications and water quality.  Adaptation to changes in various factors is by changing the set of decision variables: irrigation and land allocation among crops.

6. Our Requirements from the PMP model:  Production functions represent responses validated by scientific-based agronomic models/experiments.  The model reproduces observed management in a base year – 2002 in our case.  Calibration is based on a solid micro-economics theory.  The model is based on aggregated regional data from official public-open information sources.

7. Developing the Model

8. Regional-scale analysis Applied to 21 Ecological Regions

9. Two-stage analysis (Howitt, 1995): Step I. Calibrating the model for each region Step II. Computing the optimal allocation of agricultural land and surface water among crops under various scenarios

10. The Programming Problem

11. Evapotranspiration’s Response to Water and Salinity Pepper Letey, Dinar & Knapp (1985)Shani (2005)

12. w ET 1) Estimate (Kan, Schwabe & Knapp, 2002) 2) Calibrate a) Output equals base-year yields: b) Surface-water’s VMP equals surface-water’s price: w Yield w VMP

13. The Programming Model

14. py-p w w-F PepperPalm py-p w w-f(x) py-p w w-f(500-x) Calibration for Land Allocation Land (dunam) NIS/Dunam

15. The Calibrated Model

16. Data Required Data Required  Regional land allocation among crops (dunams).  Water consumption by each crop (mm/yr).  Availability of water sources (m 3 /year) and salinity levels (dS/m).  Soil and climate characteristics (for the simulation model).  Water prices (NIS/m 3 ).  Output prices (NIS/ton)  Production costs (NIS/dunam, NIS/ton) All data are from official publications, for the year 2002.

17. Nationwide Average Water Applications (mm/year) כמויות מים נצרכותגידולכמויות מים נצרכותגידול 700 שמוטי 1500 תות שדה 800 אשכוליות 1400 בצל יבש 800 לימונים 1050 גזר 750 תפוחי עץ 1750 חסה 700 אגסים 1200 כרוב 600 אפרסקים 1200 כרובית 650 שזיפים 450 כרפס ( סלרי ) 350 ענבי מאכל 500 צנון וצנונית 300 ענבי יין 500 קנרס ( ארטישוק ) 1140 בננות 350 שום 0 זיתים - בעל ( 75%)500 שעועית 750 זיתים - שלחין ( 25%)70 חיטה 500 שקדים 0 שעורה 900 אבוקדו 460 כותנה 1200 תפוחי אדמה 200 חמצה 400 אבטיחים 300 תירס קלחים 250 מלונים 150 אפונה לשימורים 700 עגבניות - שטח פתוח (40%)550 אגוזי אדמה 1800 עגבניות - חממות (60%)200 חמניות 1200 מלפפונים 0 מספוא בעונת החורף 850 חצילים 450 מספוא גס - עונת הקיץ 700 פלפל וגמבה 2000 תמר 350 קישואים

18. Treated Wastewater Irrigation Standards (Halperin) קולחים באיכות גבוהה – קולחים מרמת איכות שניוניתחסמיםתת חלוקההגידול A A1 גידולי תעשיה ( כגון כותנה ) או מספוא גידולים שניתן להשקות ללא חסמים A2 ייבוש הפרי בשמש ( 60 יום לפחות ) אחרי השקיה אחרונה ( חמניות, תירס פופקורן, חמצה, חיטה ) A3 אבטיח לגרעיני מאכל או לזרעים, המושקה רק לפני הפריחה B2 B1 ארטישוק גידולים שמותר להשקות בקולחים באיכות גבוהה + 2 חסמים או בקולחים באיכות בינונית + 3 חסמים 2 B2 צבר, תמר, זיתים, פרחים 2 B3 תירס למאכל 2 B4 אגוזים, בוטנה 2 B5 שקדים, רימון, פירות טרופיים ( מנגו, אפרסמון, אבוקדו ) 2 B6 נשירים ( תפוח עץ, שזיף, אגס, אפרסק, משמש ) + דובדבן 2 B7 הדרים 2 B8 ענבים ( בהדליה גבוהה או רגילה ) C C1 בוטנים גידולים שמותר להשקות בקולחים באיכות גבוהה + 2 חסמים שאינם חייבים בחיטוי 2 C2 ירקות מבושלים עם קליפה ( חצילים, דלעת ) 2 C3 ירקות מבושלים הגדלים בקרקע ( תפוחי אדמה ) D 2, חובת חיטוי D1 ירקות עם קליפה ( אבטיח, מלון, אפונה ) גידולים שמותר להשקות בקולחים באיכות גבוהה + 2 חסמים אך חייבים בחיטוי 2, חובת חיטוי D2 ירקות שנאכלים חי, הגדלים מעל הקרקע ( פלפל, עגבנייה, מלפפון, פפריקה, קישואים ) 2, חובת חיטוי D3 שעועית 2, חובת חיטוי D4 ירקות שנאכלים חי, הגדלים בקרקע ( גזר, צנון, בצל ) 2, חובת חיטוי D5 ענבים ללא * הדליה (= ענבי יין ) E E תות שדה, ירקות מכוסי עלים ( חסה, כרוב, כרובית, סלרי ) גידולים שמותר להשקות אותם אך ורק בקולחים מרמה " בלתי מוגבלת "

19. Crops’ Salinity Tolerance דירוג עמידות 50EC הגידולדירוג עמידות 50EC הגידול T18 שעורה MS6.35 מלפפונים T 17.89 תמר MS5.87 תפוחי - אדמה T17.32 כותנה MS5.87 תירס MT13.04 חיטה MS5.15 חסה MT12.25 זיתים MS5.07 ופלפל גמבה MT12.25 ארטישוק MS5.05 וצנון צנונית MT10.02 קישואים S4.93 אשכוליות MS9.86 סלרי MS4.92 אגוזי אדמה MS8.35 חצילים S4.83 תפוזים MS7.55 עגבניות S4.57 גזרים MS7.55 מספוא S4.33 בצל MT7.5 חמצה S4.28 שזיפים MS7.08 בננות S4.13 שקדים MS7.08 מלונים S4.08 אפרסקים MS7.08 אבטיחים S3.63 שעועית MS7.08 כרובית S2.52 תות - שדה MS7.08 חמנייה S2.33 תפוחי עץ MS7.06 שום S2.33 אגסים MS6.95 כרוב S2.33 אבוקדו MS6.71 ענבי מאכל S2.33 לימונים MS6.71 ענבי יין S2.33 אפונה

20. Agricultural Water Prices תקנות נציבות המים לשנת 2002 לחקלאות תאריךמדרגותהקצבה מחירים (₪ למ " ק ) מים שפיריםמ 1/1/2002 א 50%0.819 ב 30%0.987 ג ויותר 20%1.324 מ 9/5/2002 א 50%0.857 ב 30%1.033 ג ויותר 20%1.386 מ 16/7/2002 א 50%0.892 ב 30%1.075 ג ויותר 20%1.443 מי קולחיםמ 1/1/2002 עד 50% 0.58 מעל 50% 0.451 מ 9/5/2002 עד 50% 0.607 מעל 50% 0.472 מ 16/7/2002 עד 50% 0.632 מעל 50% 0.491 מי שפד " ןמ 1/1/2002 נובמבר - אפרילחודשי חורף 0.663 מאי - אוקטוברחודשי קיץ 0.701 מ 9/5/2002 נובמבר - אפרילחודשי חורף 0.694 מאי - אוקטוברחודשי קיץ 0.734 מ 16/7/2002 נובמבר - אפרילחודשי חורף 0.722 מאי - אוקטוברחודשי קיץ 0.764 מליחיםמחירם נקבע על פי מחיר המים השפירים, ממנו מורדת עלות המים על פי רמת המליחות שלהם. ההנחה היא שמחירי המים המליחים של מקורות נמוכים ב - 25 % בממוצע ממחיר המים האזוריים השפירים של מקורות.

21. Regional Agricultural Water Prices (NIS/m 3 ) אזור אקולוגי מחיר מים שפירים - ממוצע משוקלל מחיר מי קולחים - ממוצע משוקלל מחיר מים מליחים - ממוצע משוקללמחיר מי שפדן רמת הגולן 0.951 −− − החולה 0.3880.290 − − מרום גליל 0.937 −− − מעלה גליל 0.921 −− − גליל מערבי 0.7320.455 − בקעת כנרות 0.467 −− − בית שאן 0.3210.3050.228− הר גלבוע ובקעת חרוד 1.365 −− בקעת הירדן 0.886−0.258− גליל תחתון 0.9491.365−− עמק יזרעאל 0.9270.6570.910− נצרת 1.0041.365−− חדרה 0.9540.5320.455− רעננה 0.9700.455 − רחובות 0.9330.455 − ירושלים 0.9071.187−− יו " ש 0.9260.548−− לכיש 0.9950.9100.8850.724 בשור 1.005−1.2040.724 נגב 0.8601.3650.8050.724 ערבה 0.627−0.398−

22. מ"ק לדונםשטח חקלאימים (10 6 m 3 /year) סה"כשפירים(10 3 דונם)סה"כשפד"ןקולחים מליחים (4 dS/m) שפירים (1 dS/m) אזור 291 9527.70--- רמת הגולן 34132017860.59-3.64-56.95עמק החולה 364 5620.27--- מרום הגליל 42 261.07--- מעלה הגליל 16714224841.44-6.16-35.29הגליל המערבי 675 5939.86--- בקעת כנרות 49040512360.06-0.1010.2449.72בקעת בית שאן 3773604115.39--0.7214.67הגלבוע וגבעת חרוד 2,6892,483923.53--1.8021.72בקעת הירדן 12711612916.42-1.47-14.95הגליל התחתון 1956225048.62-32.970.2415.41עמק יזרעאל 45271044.66-1.86-2.80הרי נצרת 32922523376.82-24.26-52.55חדרה 45139316474.05-8.990.4564.60רעננה 23416334680.74-20.623.9256.19רחובות 310848225.33-18.50-6.84הרי ירושלים 177 325.61-0.01-5.60יהודה ושומרון 1397537852.397.3914.172.5928.24לכיש 2954322867.4653.90-3.769.80הבשור 17525638111.6376.1913.785.4816.18הנגב 823756855.95--48.845.12הערבה 2611573,485909.58137.48146.5378.05545.52סה"כ Land and Water Use

23. צריכת מים בערבה תיכונה (מ"ק) 2007, ( מקור - רשות הניקוז )

24. Part 2 Application to the Arava Region

26. Some Data (CBS, 2002) Freshwater consumption = 5×10 6 m 3 /year Freshwater price = 0.63 NIS/m 3 Salty-water consumption = 48×10 6 m 3 /year Salty-water price = 0.40 NIS/m 3 Total cultivated land = 67,700 dunams Main crops: Pepper – 7,100 dunams Water melons & Melons – 12,500 dunams Palm – 2,200 dunams

27. Water-Mix Scenarios No mix (basic) – Every crop is irrigated by only one predetermined type of water. Regional mix – The two water sources are first blended, and the mix is used for irrigation. Field mix – Every crop can be irrigated by a specific mixture of the two water types.

28. Demand Functions Stage 1 - Run the model under various combinations of Freshwater and Salty- water prices, and record the associated Freshwater and Salty-water consumptions. Estimation Procedure Stage 2 – Estimate the demand functions:

29. No Mix (Basic) Field Mix Freshwater Salty Water Freshwater Price (NIS/m 3 ) Salty-Water Price (NIS/m 3 ) Salty-Water (10 6 m 3 /year) Freshwater (10 6 m 3 /year)

30. wsws wfwf p s = p f Salinity ratio: c s =2c f wsws wfwf p s =0.5p f wsws wfwf p s =0.25p f The Field-level Mixing Dilemma (Kan, Schwabe and Knapp, 2002)

31. Regional Mix Freshwater Price (NIS/m 3 ) Freshwater (10 6 m 3 /year)Salty-Water (10 6 m 3 /year) Salty-Water Price (NIS/m 3 )

32. Desalination 2) Desalinate the regional salty water. 2) Desalinated-water’s price = 2.0 NIS/m 3 Assumptions 1) Desalinated water is mixed with the natural freshwater. Options 1) Add desalinated freshwater to the region.

33. Add desalinated freshwater Desalinate local salty-water Profit (10 6 NIS/year) No mix 4343 Field-level mix 9392 Regional mix 8181 Cultivated land (dunam) No mix 67,75067,750 Field-level mix 67,75067,750 Regional mix 50,35050,350 Freshwater (10 6 m 3 /year) No mix 5.35.3 Field-level mix 37.736.4 Regional mix 47.147.1 Salty water (10 6 m 3 /year) No mix 48.048.0 Field-level mix 19.716.9 Regional mix 0.00.0 Results

34. Main Finding Desalinate, but Don’t blend Allocate freshwater to salinity-sensitive crops (pepper). Allocate salty-water to salinity-tolerant crops (palm).

35. Thank you for your attention!