system dynamics modelling of the water-energy-food nexus: nile basin case study

Water, energy and food are essential resources not only for human well-being but also for the socioeconomic development of any country. The challenge of the coming decades will be to ensure universal access to basic needs, while at the same time meeting a growing demand due to the pressures of population growth, economic development and climate change. The Water-Energy-Food Nexus aims to manage these systems in an integrated and sustainable way, ensuring that resources are available and accessible to all while minimising environmental impact. This approach requires a full understanding of the complex interactions and relationships between the three spheres and collaboration and cooperation between different stakeholders, particularly in challenging contexts such as transboundary river basins. In this context, the aim of the study is to build a model representing all the complexities and interconnections between water, energy and food that occur within one of the most globally problematic transboundary basins: the Nile River. In particular, Egypt and Ethiopia were analysed in detail, due to their importance both geographically and socio-economically. The System Dynamics theory was selected as a suitable methodology to reproduce all the dynamics and complexities of the Water-Energy-Food Nexus in Egypt and Ethiopia, considering the interdependence between upstream and downstream countries. The final model also makes it possible to compare unilateral development scenarios with cooperation scenarios for the sustainable management of dams planned by the Ethiopian government along the Blue Nile. The results of the simulations show that, following the current path, water shortage will begin in mid-2026, which can be avoided if Egypt implements mitigation policies. Ethiopia’s unilateral development path can cause a serious water stress situation, leading to a cumulative water shortage of 160 bcm. Cooperation and careful management of the dams are necessary to avoid a water shortage to mitigate the interrelated negative effects on the country’s agricultural and energy production.

L’acqua, l’energia e il cibo sono risorse essenziali non solo per il benessere umano, ma anche per lo sviluppo socioeconomico di qualsiasi Paese. La sfida dei prossimi decenni sarà garantire l’accesso universale ai bisogni primari, soddisfando allo stesso tempo una domanda crescente, dovuta alla pressione della crescita demografica, dello sviluppo economico e del cambiamento climatico. Il nesso acqua-energia-cibo mira a gestire questi sistemi in modo integrato e sostenibile, garantendo che le risorse siano disponibili e accessibili a tutti, minimizzando l’impatto ambientale. Questo approccio richiede non solo una piena comprensione delle complesse interazioni e relazioni tra le tre sfere, ma anche collaborazione e cooperazione tra le diverse parti interessate, in particolare in contesti complessi come i bacini di fiumi transfrontalieri. In questo contesto, l’obiettivo dello studio è costruire un modello che rappresenti tutte le complessità e le interconnessioni tra acqua, energia e cibo che avvengono all’interno di uno dei bacini transfrontalieri più problematici a livello globale: il fiume Nilo. In particolare, Egitto ed Etiopia sono stati analizzati in dettaglio, per la loro importanza sia a livello geografico che socioeconomico. La teoria del System Dynamics è stata selezionata come metodologia particolarmente adatta a riprodurre tutte le dinamiche e complessità del nesso acqua-energia-cibo in Egitto ed Etiopia, considerando anche l’interdipendenza tra paese a monte e a valle. Il modello finale rende inoltre possibile, tramite indicatori selezionati, confrontare scenari di sviluppo unilaterale con scenari di cooperazione per la gestione sostenibile delle dighe pianificate dal governo etiope lungo il Nilo Azzurro. I risultati delle simulazioni mostrano che, seguendo l’attuale percorso, la carenza idrica inizierà a metà del 2026, il che può essere evitato se l’Egitto implementa politiche di mitigazione. Il percorso di sviluppo unilaterale dell’Etiopia può causare una grave situazione di stress idrico, portando a una carenza d’acqua cumulativa di 160 bcm. Per evitare una carenza idrica sono necessarie la cooperazione e un’attenta gestione delle dighe, per mitigare gli effetti negativi interconnessi sulla produzione agricola ed energetica del Paese.