Assessing the water-energy-food nexus : A novel participatory framework that combines System Dynamics and Cross-Impact Analysis to address cross-sectoral challenges in Andalusia

In today's world, ensuring water, energy and food security, as well as conserving ecosystems are some of the most pressing sustainability challenges. Our current systems of food production, energy use, and water management often operate in silos. However, these sectors are, by nature, interconnected, food production requires both water and energy, while pumping, treating, and transporting water require energy, and energy production requires water, among many other interrelationships. This siloed approach to management leads to a lack of coordination and significant trade-offs across systems. Moreover, this lack of coordination across sectors and socioeconomic activities has negative consequences for ecosystem conservation, which is vital for ensuring natural resource security. To tackle these issues, it is imperative to design policies or solutions that can effectively address sectoral and cross-sectoral challenges. The water-energy-food (WEF) nexus approach is a systemic and integrated approach designed to manage resources and coordinate sectors comprehensively. By increasing efficiency, reducing trade-offs, building synergies, and improving governance across sectors and resources, the nexus approach has the potential to enhance water, energy, and food security. These characteristics make the WEF nexus an effective approach for supporting policy making. Consequently, the nexus approach has gained considerable attention in the last decade, leading the scientific community to develop new methodologies and adapt existing tools to address cross-sectoral challenges, and guide policy making efforts. Despite the advancements and ongoing efforts, some of these methodologies are too theoretical, conceptual, or complex to put into practice. Achieving effective governance of the WEF nexus remains elusive, making it difficult to address water-energy-food security and ecosystem conservation. Within the scope of this PhD thesis, we have conducted a literature review and identified up to eleven main features in methodologies and tools that are necessary to effectively evaluate the WEF nexus. Based on these features and our knowledge, we selected four criteria that are crucial to operationalize the nexus: (1) tools that integrate quantitative and qualitative information, (2) tools capable of analysing cross-sectoral policies, (3) tools capable of assessing at different spatial scales, and (4) tools capable of simulating future scenarios at different temporal scales. After evaluating various methodologies and tools that address the nexus, we have found no methodology or tool that meets all four criteria. Therefore, the overarching objective of this thesis is to fill this gap in nexus studies by developing a novel participatory WEF nexus framework for co-designing and evaluating nexus solutions, encompassing these four criteria. The Solution Evaluation Framework (SEF) consists of five main phases: (1) identifying nexus solutions, (2) nexus dialogues, (3) nexus modelling, (4) nexus evidence, and (5) nexus-coherence assessment. Throughout the evaluation process, the framework integrates various methodologies. In the nexus dialogues phase, we engage stakeholders and experts from different nexus sectors to identify challenges, co-design solutions and understand the cross-sectoral interlinkages using Fuzzy Cognitive Mapping (FCM). In the nexus modelling phase, we apply system dynamics models (SDM) to simulate different solution scenarios and quantify cross-sectoral interlinkages. Finally, in the nexus-coherence assessment phase, we utilize cross-impact analysis (CIA) and network theory to integrate quantitative and qualitative methodologies and measure the synergies and trade-offs of implementing a nexus solution. The other objective of this thesis is to test the usefulness and applicability of the developed framework. To achieve this, the framework was applied to a practical case study involving an increase in irrigation water prices in Andalusia, Spain for the horizon of 2030. Following the methodology of the SEF, we worked with a panel of experts representing various sectors in Andalusia. Additionally, a system dynamics model was developed to simulate the WEF nexus system in the region. Finally, cross-impact analysis (CIA) and network theory were used to evaluate the solution. The results of the case study revealed that there is a sensitive relationship between water availability, irrigation costs and agricultural production, mainly due to the high level of technology in agricultural irrigation systems in the region. An increase in water price could generate synergies by promoting water security and ecosystem conservation. However, trade-offs were observed, particularly impacting the food sector in the region. The main challenges encountered in applying the framework were the integration of qualitative and quantitative information and the reconciliation of spatial and temporal scales across sectors. Beyond the obtained results, the evaluation of this case study allowed us to demonstrate the capability of the SEF to evaluate nexus solutions by uncovering hidden properties, identifying leverage points, and highlighting key aspects of the complex cross-sectoral system. The framework can be adapted to accommodate different case studies, considering their unique challenges and spatial and temporal scales. Furthermore, it facilitates the evaluation and coordination of multiple policies simultaneously, thereby contributing to nexus-coherence policy making, which gives it a competitive advantage over other methodologies focused on nexus analysis. To conclude, participatory approaches that combine qualitative and quantitative methods prove suitable for identifying and evaluating solutions aimed at improving WEF nexus governance. RESUMEN Garantizar la seguridad hídrica, energética y de alimentos, y lograr la conservación de los ecosistemas, son algunos de los desafíos de sostenibilidad más apremiantes de nuestros tiempos. Nuestros sistemas de producción de alimentos, uso de energía y gestión del agua a menudo funcionan por separado. Sin embargo, estos sectores estar intrínsecamente conectados, la producción de alimentos requiere agua y energía, mientras que el bombeo, tratamiento y transporte de agua requieren energía, a la vez, la producción de energía requiere agua, entre muchas otras interrelaciones. La gestión sectorial aislada genera una falta de coordinación y perjuicios significativos entre los distintos sistemas. Además, esta falta de coordinación entre sectores y actividades socioeconómicas tiene consecuencias negativas para la conservación de los ecosistemas, que son fundamentales para garantizar la seguridad de los recursos naturales. Para abordar esta problemática, es imperativo diseñar políticas o soluciones que puedan abordar de manera efectiva los retos sectoriales e intersectoriales. El enfoque de nexo agua-energía-alimentación (WEF por sus siglas en inglés) es un enfoque sistémico e integrado diseñado para gestionar recursos y coordinar los sectores de manera holística. Permite aumentar la eficiencia, reducir los perjuicios, crear sinergias y mejorar la gobernanza en todos los sectores y recursos, en ese sentido el enfoque del nexo tiene el potencial de mejorar la seguridad hídrica, energética y alimentaria. Además, estas características hacen que sea un enfoque eficaz para guiar la formulación de políticas. Es por esto por lo que el enfoque nexo WEF ha ganado considerable atención en la comunidad científica. Ha habido un impulso por desarrollar nuevas metodologías y adaptar herramientas existentes que permitan abordar los desafíos intersectoriales y guiar la formulación de políticas. Sin embargo, a pesar de los avances y los esfuerzos en curso, algunas de estas metodologías son demasiado teóricas, conceptuales o complejas para ponerlas en práctica. Todavía no se ha logrado alcanzar la gobernanza efectiva del nexo WEF, lo que dificulta garantizar la seguridad del agua, la energía y los alimentos, y lograr la conservación del ecosistema. Dentro del marco de esta tesis doctoral, hemos realizado una revisión de la literatura e identificado hasta once características principales en metodologías y herramientas que son necesarias para abordar de manera efectiva el nexo WEF. Basándonos en estas características y nuestro conocimiento, hemos seleccionamos cuatro criterios que son cruciales para operacionalizar el nexo, estos son: (1) herramientas que integren información cuantitativa y cualitativa, (2) herramientas capaces de analizar políticas intersectoriales, (3) herramientas capaces de evaluar a diferentes escalas espaciales, y (4) herramientas capaces de simular escenarios futuros a diferentes escalas temporales. Después de hacer una evaluación de las metodologías y herramientas existentes, no hemos encontrado ninguna que cumpla con estos cuatro criterios. Por lo tanto, el objetivo general de esta tesis es cubrir el vacío en los estudios de nexo mediante el desarrollo de un novedoso marco participativo para co-diseñar y evaluar soluciones de nexo, abarcando estos cuatro criterios. El Marco de Evaluación de Soluciones (SEF por sus siglas en inglés) consta de cinco fases principales: (1) identificación de soluciones de nexo, (2) diálogos de nexo, (3) modelado de nexo, (4) evidencia de nexo y (5) evaluación de coherencia de nexo. A lo largo del proceso de evaluación, el marco integra varias metodologías. En la fase de diálogos de nexo, involucramos a un panel de expertos de los diferentes sectores para identificar desafíos, co-diseñar soluciones y comprender las relaciones intersectoriales utilizando mapas cognitivos difusos (FCM). En la fase de modelado de nexos, aplicamos modelos de dinámica de sistemas (SDM) para simular diferentes escenarios de solución y cuantificar las relaciones intersectoriales. Finalmente, en la fase de evaluación de la coherencia del nexo, utilizamos análisis de impacto cruzado (CIA) y teoría de redes para integrar metodologías cuantitativas y cualitativas y medir las sinergias y perjuicios de implementar una solución de nexo. El siguiente objetivo de esta tesis es probar la utilidad y aplicabilidad del marco de evaluación de soluciones desarrollado. Para esto, se estudió el aumento del precio del agua de riego en Andalucía - España en el horizonte 2030 como caso de estudio práctico. Siguiendo el marco metodológico SEF, se trabajó con un panel de expertos de varios sectores de Andalucía. Adicionalmente, se desarrolló un modelo de dinámica de sistemas para simular el nexo WEF en la región. Finalmente, se utilizó el análisis de impacto cruzado (CIA) y la teoría de redes para evaluar la solución. Los resultados del estudio revelaron que existe una relación sensible entre la disponibilidad de agua, los costos de riego y la producción agrícola. Esto principalmente por el alto grado de tecnificación de los sistemas de riego agrícola de la región. El incremento en los precios del agua podría promover la seguridad hídrica y la conservación de los ecosistemas. Sin embargo, podría generar perjuicios que afectan particularmente al sector alimentario de la región. Los principales desafíos encontrados al aplicar el marco fueron la integración de información cualitativa y cuantitativa, y la reconciliación de escalas espaciales y temporales entre sectores. Más allá de los resultados obtenidos, la evaluación de este caso de estudio nos permitió demostrar la capacidad del marco SEF para evaluar soluciones de nexo al descubrir propiedades ocultas, identificar puntos de apalancamiento y resaltar aspectos clave en el complejo sistema intersectorial. Además, facilita la evaluación y coordinación de múltiples políticas simultáneamente, contribuyendo así a la formulación de políticas coherentes para el nexo. Todo esto otorga una ventaja competitiva sobre otras metodologías centradas en el análisis de nexo. Como conclusión final, los enfoques participativos que combinan métodos cualitativos y cuantitativos apuntan a ser los adecuados para identificar y evaluar soluciones destinadas a mejorar la gobernanza del nexo WEF.