Systems analysis of water resources and the transition to the circular bioeconomy in Andalusia

Abstract

The last two decades have seen a great deal of optimism regarding the potential benefits of the bioeconomy, with many academic publications, public policies, strategies, and government programmes deeming it inherently sustainable. However, little attention has been paid to issues related to the negative aspects of its impact on environmental, social, and economic sustainability. This is changing slowly as a growing number of authors are reporting that the materialization of the bioeconomy’s sustainability potential faces considerable hurdles, from the initial “food versus fuel” debate on biofuels to growing concerns about matters such as water scarcity, land degradation, biodiversity loss, and land use change. Likewise, while the multidisciplinary nature of the bioeconomy requires knowledge and skills from several fields and the cross-fertilization of ideas among different groups of actors, most efforts made to promote and evaluate its development have followed traditional business-as-usual approaches, addressing the components and processes in an isolated fashion. This also is changing, although slowly, through the application of systems thinking methods. The need to approach these matters adequately is highlighted by the bioeconomy’s large demand for raw materials, such as water, which makes it inherently highly exposed to the risks of going beyond the limits of sustainability, thus suggesting that efforts to design and implement effective, objective, and impartial governance mechanisms are urgently required. Furthermore, the emerging nature of the sector makes it highly dependent on ongoing political commitment and substantial public investments, underscoring the need to identify the trade-offs of promoting bioeconomy growth to ensure that government support does not encourage the unsustainable use of resources. Accordingly, this thesis work aims to contribute to the reduction of these gaps by applying a systems thinking approach to the analysis of the interconnections that exist between learning, knowledge, water resources, and the development of a sustainable bioeconomy in Andalusia, using the comarca of Axarquia, in the province of Málaga (Southern Spain), as a case study due to the challenges that it faces as a result of severe structural water scarcity conditions. This document is organized in six parts, with Chapter 1 consisting of an introduction where context is provided and the need for this research is justified, followed by a description of both the objectives and structure of this doctoral thesis in Chapter 2. Subsequently, Chapter 3 describes the application of qualitative system dynamics modelling methods to the analysis of Andalusia’s circular bioeconomy, leading to valuable insights into its complexity due to the existence of non-linear processes, multiple feedback loops, and time delays. The models generated in this part of the study led to the identification of 20 key interventions points where targeted actions by governments and other actors could help overcome the pervasiveness of information asymmetries in the sector. Furthermore, when confronted with the current scenario, the cause-effect relationships and causal cycles described in this chapter suggest that the Andalusian innovation system needs greater collaboration and coordination along and across the triple helix for the sustainable development of the region’s bioeconomy. In Chapter 4, the basin closure process in Axarquia is examined through the application of the European Environment Agency’s DPSIR (driving forces, pressures, state, impact, and response model of intervention) framework. In this semi-arid region, an economic boom driven by significant population growth, greater influx of tourists, and the expansion of irrigated export-oriented subtropical crops has led to a chronic structural scarcity condition that has been intensified by a long and extreme drought. While the authorities have responded through supply-side measures such as incorporating reclaimed wastewater in the system and planning the deployment of desalination infrastructure, the findings described in this chapter indicate that demand control and proper governance are required to guarantee sustainability in the region. Chapter 5, in turn, describes the application of participatory systems modeling and network analysis tools to identify the main components of the water-energy-food-ecosystems (WEFE) nexus in Axarquia, explore how the different elements of the system are interconnected, and develop a primary list of points where effective interventions could be implemented to promote long-term sustainability within it. Most remarkably, several potential leverage points were identified, with governance and regulations being at the center of the issues that need to be addressed to ensure the sustainability of water availability within the nexus. In this scenario, fostering the production and use of alternative water resources in the region seems to offer an adequate solution to address the growing imbalance between supply and demand in the short term, but effective demand-side measures will also be required to ensure long-term sustainability. Lastly, Chapter 6 describes the main conclusions drawn from this thesis, outlining areas where water governance measures could positively impact the development of a sustainable bioeconomy in Andalusia, as well as policies and programs that could promote knowledge sharing and learning for water management and the bioeconomy. In addition, future lines of research are proposed to advance sustainable water management in the region and contribute to the development of a strong bioeconomy sector that is sustainable in the long term. Overall, this doctoral thesis provides a strong foundation to understand the dynamics that govern the links between water and the bioeconomy in regions where the availability of freshwater resources is a significant concern. Furthermore, it lays the groundwork for the development of models and scenarios to simulate the impact of various policies and interventions on the overall system. This is especially relevant for Andalusia, a region heavily reliant on agriculture and other natural resource-based industries, where water scarcity and the periodical incidence of droughts pose important challenges for the development of a sustainable bio-based economy, particularly in the arid and semi-arid areas that cover most of the region.

En las dos últimas décadas se ha observado un gran optimismo respecto a los beneficios potenciales de la bioeconomía, con muchas publicaciones académicas, políticas públicas, estrategias y programas gubernamentales considerándola intrínsecamente sostenible, al mismo tiempo que se ha prestado poca atención a los aspectos negativos de su impacto en la sostenibilidad medioambiental, social y económica. Esta situación está cambiando lentamente, ya que cada vez son más los autores que señalan que la materialización del potencial de sostenibilidad de la bioeconomía se enfrenta a obstáculos considerables, desde el debate inicial sobre “alimentos frente a combustibles” hasta la creciente preocupación por cuestiones como la escasez de agua, la degradación del suelo, la pérdida de biodiversidad y el cambio de uso del suelo. Asimismo, mientras que la naturaleza multidisciplinar de la bioeconomía requiere conocimientos y habilidades de varios campos y el intercambio de ideas entre diferentes grupos de actores, la mayoría de los esfuerzos realizados para promover y evaluar su crecimiento han seguido enfoques de continuidad de los modelos tradicionales, abordando sus componentes y procesos de forma aislada. Esto también está cambiando, aunque lentamente, a través de la aplicación de métodos de pensamiento sistémico. La necesidad de abordar estas cuestiones de forma adecuada se ve acentuada por la gran demanda de materias primas que presenta la bioeconomía, entre ellas la demanda de agua, lo que hace que esté intrínsecamente muy expuesta a los riesgos de rebasar los límites de la sostenibilidad y sugiere que urge esforzarse por diseñar y aplicar mecanismos de gobernanza eficaces, objetivos e imparciales. Además, la naturaleza emergente del sector lo hace altamente dependiente de un compromiso político continuo y de grandes inversiones públicas, lo que subraya la necesidad de identificar las ventajas y desventajas de promover el crecimiento de la bioeconomía para garantizar que el apoyo gubernamental no fomente el uso insostenible de recursos. En consecuencia, este trabajo de tesis pretende contribuir a la reducción de estas brechas aplicando un enfoque de pensamiento sistémico al análisis de las interconexiones que existen entre el aprendizaje, el conocimiento, los recursos hídricos y el desarrollo de una bioeconomía sostenible en Andalucía, utilizando la comarca de la Axarquía, en la provincia de Málaga (Sur de España), como caso de estudio debido a los retos a los que se enfrenta como consecuencia de las graves condiciones estructurales de escasez de agua. Este documento está organizado en seis partes, con el Capítulo 1 consistente en una introducción donde se proporciona el contexto y se justifica la necesidad de esta investigación, seguido por una descripción tanto de los objetivos como de la estructura de esta tesis doctoral en el Capítulo 2. Posteriormente, en el Capítulo 3 se describe la aplicación de métodos cualitativos de modelado de dinámica de sistemas al análisis de la bioeconomía circular andaluza, generando valiosas perspectivas sobre su complejidad debido a la existencia de procesos no lineales, múltiples bucles de retroalimentación y retardos temporales. Los modelos generados en esta parte del estudio condujeron a la identificación de 20 puntos clave de intervención en los que las acciones específicas del gobierno y otros actores podrían ayudar a superar las numerosas asimetrías de información que existen en el sector. Además, frente al escenario actual, las relaciones causa-efecto y los ciclos causales descritos en este capítulo sugieren que el sistema de innovación andaluz necesita una mayor colaboración y coordinación a lo largo y ancho de la triple hélice para promover el desarrollo sostenible de la bioeconomía de la región. En el Capítulo 4 se examina el proceso de cierre de cuenca en la Axarquía mediante la aplicación del marco DPSIR (fuerzas motrices, presiones, estado, impacto y modelo de respuesta de intervención) de la Agencia Europea de Medio Ambiente. En esta región semiárida, el auge económico impulsado por un importante crecimiento demográfico, una mayor afluencia de turistas y la expansión de los cultivos subtropicales de regadío orientados a la exportación ha conducido a una situación de escasez estructural crónica que se ha visto intensificada por una larga y extrema sequía. Aunque las autoridades han respondido con medidas por el lado de la oferta, como la incorporación de aguas residuales regeneradas al sistema y la planificación del despliegue de infraestructuras de desalinización, las conclusiones descritas en este capítulo indican que se requiere un mayor control de la demanda y una gobernanza adecuada para garantizar la sostenibilidad en la región. El Capítulo 5, a su vez, describe la aplicación de herramientas participativas de modelado de sistemas y análisis de redes para identificar los principales componentes del nexo agua-energíaalimentación- ecosistemas (WEFE, por sus siglas en inglés) en la Axarquía, explorar cómo están interconectados los diferentes elementos del sistema y desarrollar una lista primaria de puntos en los que se podrían implementar intervenciones efectivas para promover la sostenibilidad a largo plazo. Entre los resultados más destacables se encuentra la identificación de varios puntos de influencia potenciales, siendo la gobernanza y la normativa el centro de las cuestiones que deben abordarse para garantizar la sostenibilidad de la disponibilidad de agua dentro del nexo. En este escenario, el fomento de la producción y el uso de recursos hídricos alternativos en la región parece ofrecer una solución adecuada para abordar el creciente desequilibrio entre la oferta y la demanda a corto plazo, pero también serán necesarias medidas eficaces del lado de la demanda para garantizar la sostenibilidad a largo plazo. Por último, el Capítulo 6 describe las principales conclusiones extraídas de esta tesis, esbozando áreas en las que las medidas de gobernanza del agua podrían tener un impacto positivo en el desarrollo de una bioeconomía sostenible en Andalucía, así como políticas y programas que podrían promover el intercambio de conocimientos y el aprendizaje para la gestión del agua y la bioeconomía. Además, se proponen futuras líneas de investigación para avanzar en la gestión sostenible del agua en la región y contribuir al desarrollo de una bioeconomía fuerte y sostenible a largo plazo. En conjunto, esta tesis doctoral proporciona una base sólida para comprender la dinámica que rige los vínculos entre el agua y la bioeconomía en regiones donde la disponibilidad de recursos hídricos constituye una preocupación importante. Además, sienta las bases para el desarrollo de modelos y escenarios que permitan simular el impacto de diversas políticas e intervenciones sobre el sistema como un todo. Esto es especialmente relevante para Andalucía, una región fuertemente dependiente de la agricultura y otras industrias basadas en recursos naturales, donde la escasez de agua y la incidencia periódica de sequías plantean importantes retos para el desarrollo de una bioeconomía sostenible, particularmente en las zonas áridas y semiáridas que cubren la mayor parte de la región.