ProdukHukum Pendidikan

International Hydrological Programme
Groundwater As a Key for Adaptation to Changing Climate and Society
The 20th IHP Training Course
2010/11/9 14:00‐16:30 Nagoya University

Institutional Responses to Groundwater Problems
‐The Cases for Public Regulation on Groundwater‐

Takahiro Endo
endo@envr.tsukuba.ac.jp
Environmental Diplomatic Leader Program,
Graduate School of Life and Environmental Sciences, 
University of Tsukuba

Hydrological cycle and water management

(Source: USGS)

◆ What is “Integrated Water Resource Management” ?
Management that pays attention to …...
connection between surface and 

ground water / quantity and quality
connection between water resource and 
other resources
connection between water and other sectoral 
policies( ex. Energy, agriculture)
coordination of various stakeholders’interests
Mitchell 1990:1‐2, Grigg 1999:528, Babel 2005:575, Mitchel 2005:1336 

Q: Why do we need to impose public regulation on groundwater?

The aims of lecture
1, The nature of environmental problems
2, Theoretical framework to analyze efficient use of water 
resources
3, Reasons why public regulation on groundwater are necessary
3‐1: Land subsidence
3‐2: A conflict between surface water users 
and groundwater  users
3‐3: Groundwater banking


1, The Nature of environmental problems
Q1,  Why do we need to protect environment ?  (Rationale)  
1, Nature is valuable in itself. (Nature has an intrinsic value.)
2, Protecting nature will improve human‐being welfare.   
Environmental problems will decrease human‐welfare.
(Nature has an instrumental value.)
Eco‐system service
Provisioning
・Food
・Freshwater
・Wood  and  Fiber 
etc.

Regulating
・Climate Regulation
・Flood Regulation
・Disease Regulation
・Water Purification etc.

Cultural

・Aesthetic
・Spiritual
・Educational
・Recreational etc.

Supporting 
・Nutrient Cycling
・Soil Formation
・Primary Production etc.
Millenium Eco‐system Assessment. Ch.1, p.28.

5

Q2,  How can we protect environment ?    

Scarcity of Resources

Institution 

Human nature

1. selfish
2. Limited altruism
3. Limited understanding 
and will

Appropriate use of 
natural resources

Environmental policy =  not to change human nature itself, but to 
make the most of selfish mind so as to promote environmental 
protection.  A problem of institutional design

individual and group(1)

http://www.nttdocomo.co.jp/product/foma/style/l04b/index.html

http://ilgiornalieri.blogspot.com/2009/02/
mandeville‐la‐favola‐delle‐api‐vizi.html

B. Mandeville “Private vice, public virtue”


http://www.greekshares.com/capitalism.php

A.Smith “Invisible hand”

individual and group(2)
Rich grassland

sheep pasturage

additional pasturage by other fellows

Over‐grazing

・The price of sheep/vegetation/precipitation etc.
・A tool for understanding of the basic structure of 
environmental problems A tale of “Tragedy of Commons”

What’s the difference?


Sphere where self‐
interest works in a 
positive way.
Individual rationality 
= Social rationality

Cell‐phone
Pencil
Car
Jeans
Ice cream

Sphere where self‐
interest works in a 
negative way.
Individual rationality 
≠ Social rationality

Grassland
River

Groundwater
Air

Classification of goods and services
Excludability
Private goods
・Cable TV

・Ice‐cream

・uncongested freeway

・Cloth
・Toilet in private house

Public goods

Commons

・national security


・Migrant fish/bird

・Prevention of infectious 
disease

・Grassland

・biodiversity

・Public toilet

・water

Non‐rivalness

Environmental problem:
accumulation of negative impacts
Public toilet /grassland / water


Individual A’s use may produce negative spillovers.
・Toilet:A dirty toilet makes the next user feel bad.
・Grassland:An additional new sheep decreases grass available to 
existing sheep.
・Aral sea:Upstream diversion decreases water available to 
downstream users etc.
Natural resource uses without limitation
accumulation of the same kind of negative spillovers
=Excessive use of resources Environmental problems

What should be done?

grassland / water etc.

grassland / water etc.

No self‐responsibility, “nuisance”
“negative spillover effect”

If s/he uses less, the damage will 

disappear.
・If I stop groundwater pumping, somebody 
else will capture groundwater instead of me.
・If everyone except for me stops 
groundwater pumping, my use will give little 
impact on volume of groundwater.

Even if people share a common benefit, they can not always achieve it voluntarily.
:Social Dilemma, Collective Action Problem 
“Everybody’s business is nobody’s business”
The need for public regulation

Olson 1965, Dawes 1975

Institutional response

grassland / water etc.

No self‐responsibility, “nuisance”
“negative spillover effect”


grassland / water etc.

If each one has to pay for damages 
to others, s/he will use less.

★ The rule of irresponsibility must be changed.
the system that makes a resource user realize 
“negative spill over effect” and burden the cost.
Moral, Custom, Law =Institution
dilemma

A solution for social 

2, Theoretical framework: groundwater pumping
Marginal cost

Total cost

Total benefit

Pumping 
volume

Pumping 
volume

Pumping 
volume
Marginal benefit

Pumping 
volume

Groundwater pumping: private decision
Total cost
Total benefit

TC
TB

Pumping 
volume

Marginal cost
Marginal benefit
MC

MB

v1

Pumping 
volume

Groundwater pumping: private decision
Total cost
Total benefit

TC
TB

Pumping 
volume

Marginal cost
Marginal benefit

Private decision leads to 
excessive pumping.
How can we move v1 to v*?

SMC
PMC

DWL

Negative spillover
MB

V*

v1

Pumping 
volume

= How can we fill the gap 
between PMC and SMC?

Groundwater pumping: private decision
Total cost
Total benefit

TC
TB

Pumping 
volume

Marginal cost
Marginal benefit
SMC

PMC

DWL

Negative spillover
MB

V*

v1

Pumping 
volume

1,  Land subsidence 
problem due to 
excessive 
groundwater 
pumping
2, A conflict between 
surface water users 
and groundwater 
users
3, Environmental 
services of 
groundwater

3‐1: Land subsidence

Seoul

Osaka
Tokyo

1930’s ~
Taipei
Bangkok
Manila
Osaka information center on urban civil 
engineering

Present

1960’s ~
Jakarta

The mechanism of land subsidence

The causes of land subsidence
1, Natural compaction
2, Groundwater pumping
Osaka information center on urban civil 
engineering

Osaka in 1958

Jakarta in 2009

Land subsidence recorded on a well (Koiwa, Tokyo)

Ground Level in 1938

30cm

5cm
8cm
5cm
4cm
3cm
1.5cm
4cm

1963
1964
1965
1967
:
:

C
A

C

B

A
B

Marginal cost
Marginal benefit
SMC
PMC

DWL
Cost

Benefit

Negative spillover
MB

A’s calculation
V*

Cost

v1

Pumping 
volume

Benefit

Cost

Cost

Calculation from 
social viewpoint

A well‐owner does not always take account of 
external cost to other well‐owners.
The pumping volume may be optimal for A, but it is 
excessive for society as a whole. 

C
A

C

B

A
B

Marginal cost
Marginal benefit
SMC
PMC

DWL
Cost

Benefit

Negative spillover
MB

A’s calculation
V*

Cost

v1

Pumping 
volume

Benefit

Cost

Cost

Calculation from 
social viewpoint

*Can we give well‐owners incentive to compensate B and C 
without public regulation on groundwater?

Land subsidence in Bangkok

Osaka

Seoul

Tokyo

Taipei
AYUTTHAYA

Bangkok
Manila
PATHUM THANI

1960’s ~

NAKHON PATHOM

NONTHABURI

BANGKOK

Jakarta
SAMUT PRAKAN

SAMUTSAKHON

GULF OF THAILAND
0

10 km

Land subsidence in Bangkok
・Comprehensive survey on 
groundwater during 1978~1981
Land subsidence was observed 
in eastern and south‐eastern 
Bangkok
Concern for higher flood risk 
led to land subsidence 
management policy  
Ramnarong 1999:54 Buapeng 2006:4

3
0.1M m
10万㎥/日

1977 Groundwater Act

30
25

Estimated volume of pumping
実際の揚水量推計値
揚水許可量

1983 Mitigation of the GW 
Crisis and Land Subsidence in 
Bangkok

20
15
10

Permitted volume of pumping

Construction of waterworks

5
0
1978

1985 Groundwater Charge + 
2004  Groundwater 
Preservation Charge

80

82

84

1985

86

88

87

90

89

92

91

94

93

96

95

98  2000 

97

99

02

01

04

03

0

‐10

‐20

‐30

‐40

‐50

‐60

cm

観測地A
イ発電公社
Observation site 1

Observation site 2
観測地B
ュラロンコン大学商業会計学部
Source: Department of Groundwater Resources, Ministry of Natural Resources and 
Environment

06

05

Groundwater Areas in 1977

1977 Groundwater Act
・ Regulation on groundwater pumping in Bangkok and 
adjacent Provinces 
・The only legal constraint against private pumping
・Permit‐based system in “Groundwater Areas”
・ New wells were prohibited where public water  
supply had been available
・A system of groundwater charged was admitted 
Ramnarong 1999:55‐56, Das Gupta and Babel 2005:459

1983 Mitigation Plan
・Long term plan from 1983‐2000
・Designation of “Critical Zone”
the target area for GW pumping reduction
・Gradual reduction of pumping by MWA 

Critical Zones in 1983

Critical Zones in 1995

Ramnarong 1999:55, 57 Buapeng 2006:5

Ramnarong 1999:56, IGES 2006:75, Buapeng 2006:5 を基に作成

Construction of waterworks
0.1M m3 /day
60 
50 
40 
30 
20 
Sam Lae pumping station 
at Chap Phraya River

10 


Year
1978 81

84

87

90

93

96

99 

02

05

Estimated volume of groundwater  pumping 

Source: (Endo forthcoming)

Permitted volume of groundwater  pumping 
Water supply by Metropolitan  Waterworks Authority
Groundwater pumping by Metropolitan  Waterworks  Authority

MWA(Metropolitan Waterworks Authority)
: State enterprise whose function is to provide industrial and domestic water 
supply in Bangkok and the adjacent areas.

1985  Groundwater Charge System

0.1M㎥/day

Baht/㎥

12 

18 
16 
14 
12 
10 






15.81

10 

Samut Prakan


Nonthaburi


Bangkok


1985

90

95

Groundwater Conservation Charge

2000

05

Total Groundwater Fee
Source: (Endo forthcoming)

Is groundwater charge system really working?
GW pumping in July,2004: 1290㎥

August, 2004: 2480㎥

September, 2004: 1138㎥

Data collected at Santi Asok temple  65/1 Soi Nawamin 44, Klongkum, Buenkum, 
Bangkok, 10240

Bill :41718 Bahts

41718 Bahts÷ 1290 2480 1138 ㎥
=41718 Bahts÷4908㎥
=8.5 Bahts/㎥

Lessons and recommendations for policy makers
Marginal cost
Marginal benefit
SMC
PMC

DWL

Negative spillover
MB

V*

v1

Pumping 
volume

1, The necessity of government intervention 
・It is hard for private company to move v1 to v* due to social dilemma.
2, Groundwater pricing system works with conditions. 
・Groundwater Charge works only when alternative sources of  water supply exists.
( Users has no choice but to keep using groundwater without alternative sources. )

Lessons and recommendations for policy 
makers
4, Importance of adaptive management
・Areas of land subsidence move. Therefore, restriction area  
should be modified regularly in accordance with monitoring 
data. Monitoring is extremely important.
5, Gradual expansion of regulation worked in both cases.
・If it is hard to restrict all the groundwater pumping at 
one time, restriction on new wells should be considered 
first. 
6, Preparing alternative sources of water supply is the most  
effective resolution against land subsidence problem.
・ Alternative sources of water supply includes not only 
surface water, but also recycled water, desalinated water. 
・Subsidy system may be necessary for making the price of 
industrial water cheaper. 

3‐2 A conflict between surface water users 
and groundwater users

A

Negative impacts from upstream 
users to downstream users
Cost

B
Diversion of a unit of water
Cost

Benefit

Cost
Marginal cost
Marginal benefit

C
SMC

DWL

A’s calculation

PMC
Negative spillover

Cost
Benefit

Cost

Cost

Calculation from 
social viewpoint

MB
Diversion
V*
v1
An Upstream diverter does not always take account of 
external cost to downstream users.
The diversion may be optimal for A, but it is excessive for 
society as a whole. 

A

Cost

B
Diversion of a unit of water
Cost

Benefit

Cost
Marginal cost
Marginal benefit

C
SMC
PMC

DWL

A’s calculation

Negative spillover
Cost

MB

Benefit

Cost

Cost

Calculation from 
social viewpoint

Diversion
V*

v1

*Can we give A incentive to compensate B and C where there is 
no public regulation on groundwater?

A boundary between surface and ground water 
in Japanese legal system
1868~1896
・Flood control as a priority issue
・Water allocation rule with less importance
1896:The (Old) River Law
・Centralized management of rivers
・Subsidy from national government
・The main concern : Flood control
3 1964: The River Law 
・Economic development after WWII
: The necessity of water allocation rule 
in addition to flood control policy
4 1997: Amendments on The River Law 
・Environmental factors
* Surface water is subject to public regulation: public water

Groundwater as “private water”
◆1896/3/27 Supreme Court Decision
・Right of use groundwater belongs to the ownership of land. 
・A landowner can make free use of groundwater that lies below 
its land.
◆Civil Code§207:Subject to limitations by laws and ordinances, 
the ownership of land extends both above and below its surface
Groundwater use based on land ownership
=A theory of private water 
Ogawa1998:313 Ogawa 2003:15‐16 

Saijo city, Ehime, Japan

Saijo City
・Population: 58110 (2000)
・Average precipitation
1413mm 1909~2001
・Kamo River
Catchment area:229 km2       
Class‐B River)
(Saijo City 1984:505,Saijo City 2003:19 

Kamo River : A  losing stream 

5.5 km

Groundwater with long history

伊予国地理図志稿

弘法水 Kou‐bou water

西條誌稿本 巻の三 西条市・愛媛大作成CD‐ROM

Area without waterworks
(population: about 40,000)

An impact of the legal boundary
西条市
地下水涵養に
悪影響?

A Water Conflict Between Saijo and 
Matsuyama
2006   A water diversion plan for 
Matsuyama city

Saijo Government opposed this plan with

松山市

anxiety that the plan may affect 
groundwater recharge in Saijo Area. 

Matsuyama
Saijo Government is worried about
黒瀬 ム 西条工水

negative externality on groundwater. 

What is problem?
西条市
地下水涵養に
悪影響?

松山市

Matsuyama
黒瀬 ム 西条工水

Case 1 : Saijo city governmet has a 
water right and takes water for 
various uses from Kamo River.

Case 2: Saijo city residents pumps up 
groundwater and use it for various 
uses.

Hard and Soft Measures for Conflict Prevention
B: Late comer
Matsuyama

Quantitative / Qualitative 
Nuisance

A:Existing water 
right holder
Saijo)

1, The River Law §23:Permitted water right system
Free access is not allowed.
2, The River Law §38‐43:Water Conciliation
A late comer is required to get consent from 
concerned river users and compensate them 
for losses caused by the planned diversion.
3, Dam
A late comer is usually required to make
a dam not to injure senior water rights.
4, The River Law §53: Drought Conciliation
In drought, concerned river users are supposed   
to make negotiations to settle water allocation.

A

Concerned River Users are………
Those who get permissions on 
the River Law §23‐29
Fishermen
Groundwater users outside of a 
river channel are not included.
Groundwater = Private Water 

Obligation to 
compensate
No obligation to 
compensate

Marginal cost
Marginal benefit
SMC
Surface water 
users

PMC

DWL
Well

Negative spillover
MB
Diversion
Groundwater users

V*

v1

Institutional pitfall
A

B

River Law 
: Surface water user 
× Surface Water User
Surface Water User 
×Groundwater user
D

C
Ground
water

Judicial decisions and civil code:
Groundwater user 
×Groundwater user

Implications of Saijo Groundwater Problem 
City A /
Country A

Ehime

Matsuyama
Saijo
City B /  
Country B

River basin ≠ Administrative unit
A horizontal boundary

Inefficient use of water

Legal status of surface water ≠Legal 
status of groundwater 
A vertical boundary

The necessity of three dimensional management of water resource

3‐3 Groundwater banking

Groundwater management in Kumamoto

Kumamoto 
city
Population
: about 70,000

Shirakawa river 
basin

50km

The main 
source of 
domestic 
water supply
: groundwater

1,2

3

4

出典:熊本市資料 熊本市地下水量保全プラン および 熊本の地下水

A

Positive impacts from upstream rice fields 
to downstream groundwater users
B

C

Benefit

Production of a unit of rice
Cost

Marginal cost
Marginal benefit

Benefit

DWL
PMC

A’s calculation

Cost

SMB
Benefit

Benefit

Positive spillover
PMB
Rice production

Benefit

Calculation from 
social viewpoint

v1
V*
An Upstream rice farmer does not always take account of 
external benefit to downstream groundwater users.
The production level may be optimal for A, but it is less than 
optimum for society as a whole. 

A

Positive impacts from upstream rice fields 
to downstream groundwater users
B

C

Benefit

Production of a unit of rice
Cost

Benefit

Marginal cost
Marginal benefit
DWL
PMC

A’s calculation
SMB
Cost

Positive spillover

Benefit

PMB

Benefit
Benefit

Calculation from 
social viewpoint

Rice production
V*
v1
*Can B and C give a rice farmer incentive to recharge 
groundwater without public regulation on groundwater?

Groundwater charge system in Kumamoto
A


C

B

X
Benefit

Production of a unit of rice

A case where there is no public regulation on groundwater
No one has incentive to pay A to increase recharge.
(“Everybody’s business is nobody’s business” situation)  
A



Subsidy

X
Benefit

Production of a unit of rice

Kumamoto 
city

B

C

Artificial groundwater 
recharge in Kumamoto
Total area of rice field 
used for recharge (ha/month)

Total recharge volume 
(×10000m3)

600

1800
1600

500
1400
1200

400

1000
300
800
600

200

400
100
200
0

0
2004

2005

2006

2007

Recharge volume by cooperative farmers
Recharge volume by cooperative business firms
Total area of rice field used for recharge (ha/month)

2008

Year

Conclusion
■Public regulation on groundwater is necessary, 
because……..
1, private use of groundwater without 
regulation may cause severe land subsidence.
2, it is difficult to solve water conflict between 
surface water users and groundwater users.
3, it hinders groundwater banking.