Water scarcity is one of the major challenges of the century. Climate change and population growth are exacerbating this problem, especially in river basins with arid climates such as the Middle East or North Africa, calling for the design of integrated water management strategies to meet competing water demands in interconnected Water-Energy-Food systems. In this work, we explore the potential for integrating innovative technological solutions, namely desalination and aquaponics, into conventional water management measures to mitigate existing tradeoffs. Our approach is demonstrated on the Nile River Basin, a paradigmatic example of transboundary river basin where the overexploited traditional water sources cannot fully satisfy the increasing water demands, thus requiring innovative solutions to address this challenge. Here, we first investigate the optimal operation of the major water infrastructures in the basin to explore the tradeoffs between hydropower generation and irrigation supply across Ethiopia, Sudan, and Egypt. Then, we run different experiments, we analyse the role of desalination and aquaponics in reducing the Egyptian water demand in the Nile Valley for different water reductions target. Desalination is widely used in many of the Middle East's countries and offers the possibility to unlock the potential contribution of sea water in meeting the water demand of the coastal region. Aquaponics is a soilless agricultural technique characterized by lower levels of water consumption than traditional techniques. The results demonstrate the effectiveness of integrated management solutions in arid river basins and the potential application of new technologies for reducing the agricultural water demand, even though they cannot completely replace low quality water sources. Desalination and aquaponics increase water availability and improve water quality, although they require high investments and energy consumption. It is concluded that these measures increase the flexibility of water management strategies in arid areas when coping with water scarcity and low water quality conditions.
La scarsità d'acqua costituisce una delle principali sfide del secolo. I cambiamenti climatici e la crescita della popolazione peggiorano questo problema, soprattutto nei bacini fluviali con climi aridi come il Medio Oriente o il Nord Africa, rendendo necessaria la definizione di strategie di gestione integrata delle risorse d'acqua al fine di soddisfare la domanda d'acqua nei sistemi interconnessi Acqua-Energia-Alimentazione in competizione tra loro. In questo lavoro, esploriamo il potenziale per l'integrazione di soluzioni tecnologiche innovative, ovvero dissalazione e acquaponica, all'interno della gestione tradizionale delle risorse d'acqua per mitigare i conflitti esistenti. Il nostro approccio è dimostrato sul bacino del fiume Nilo, un esempio paradigmatico di bacino transfrontaliero in cui le tradizionali fonti d'acqua ormai sovrasfruttate non possono soddisfare la crescente domanda d'acqua, richiedendo così soluzioni innovative. Inizialmente è esaminato il funzionamento ottimale delle principali infrastrutture idriche del bacino per esplorare i tradeoff tra la generazione di energia idroelettrica e la fornitura d'acqua per l'irrigazione in Etiopia, Sudan ed Egitto. Successivamente, sono stati svolti alcuni esperimenti per analizzare il ruolo della dissalazione e dell'acquaponica nel ridurre la domanda d’acqua nella Valle del Nilo per diversi obiettivi di riduzione d'acqua. La dissalazione è ampiamente utilizzata in molti dei paesi del Medio Oriente e offre la possibilitá di sfruttare il potenziale contributo dell'acqua di mare per soddisfare la domanda d'acqua della regione costiera. L'acquaponica è una tecnica agricola su substrato, caratterizzata da un minore consumo d'acqua rispetto alle tecniche tradizionali. I risultati dimostrano l'efficacia delle soluzioni nella gestione integrata dei bacini fluviali aridi e la possibile applicazione di nuove tecnologie per ridurre la domanda d'acqua agricola, nonostante queste non possano sostituire completamente risorse d'acqua di bassa qualità. Acquaponica e dissalazione aumentano la disponibilità d'acqua migliorandone la qualità, al prezzo di alti investimenti e consumi energetici. Si conclude che queste misure aumentano la flessibilità delle strategie di gestione dell'acqua nelle zone aride affrontando la scarsità e le condizioni di bassa qualità d'acqua.
Integrating desalination and aquaponics in the Nile River basin
PIURI, VERONICA
2020/2021
Abstract
Water scarcity is one of the major challenges of the century. Climate change and population growth are exacerbating this problem, especially in river basins with arid climates such as the Middle East or North Africa, calling for the design of integrated water management strategies to meet competing water demands in interconnected Water-Energy-Food systems. In this work, we explore the potential for integrating innovative technological solutions, namely desalination and aquaponics, into conventional water management measures to mitigate existing tradeoffs. Our approach is demonstrated on the Nile River Basin, a paradigmatic example of transboundary river basin where the overexploited traditional water sources cannot fully satisfy the increasing water demands, thus requiring innovative solutions to address this challenge. Here, we first investigate the optimal operation of the major water infrastructures in the basin to explore the tradeoffs between hydropower generation and irrigation supply across Ethiopia, Sudan, and Egypt. Then, we run different experiments, we analyse the role of desalination and aquaponics in reducing the Egyptian water demand in the Nile Valley for different water reductions target. Desalination is widely used in many of the Middle East's countries and offers the possibility to unlock the potential contribution of sea water in meeting the water demand of the coastal region. Aquaponics is a soilless agricultural technique characterized by lower levels of water consumption than traditional techniques. The results demonstrate the effectiveness of integrated management solutions in arid river basins and the potential application of new technologies for reducing the agricultural water demand, even though they cannot completely replace low quality water sources. Desalination and aquaponics increase water availability and improve water quality, although they require high investments and energy consumption. It is concluded that these measures increase the flexibility of water management strategies in arid areas when coping with water scarcity and low water quality conditions.| File | Dimensione | Formato | |
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