System dynamic approach to evaluate socio-economic-environmental factors influencing sustainability of water use in agricultural production

Irrigated agriculture plays a vital role for socio-economic development of the Mediterranean area, although it is the largest exploiter of both water and energy re-sources. Given its importance, in a context in which water resources experience in-creasing pressure due to different global challenges (i.e., climate change, growth population and economic development among others), there is an urgent need of sustainable management of irrigation water resources. Nevertheless, it is extremely challenging, especially at the local scale, due to several complex and interconnected dynamics establishing in a given irrigation system. In such systems, multiple actors are indeed involved in decision-making processes, and the use of natural resources strongly depends on their behaviors affecting the dynamics of the system itself. As result, facing sustainable management of water resources issues through only a technical knowledge is not enough. Whereas, a careful knowledge of the system and its dynamics is essential for supporting a sustainable management of water re-sources. For the above reasons, integrated approach are needed for dealing with ho-listically water management issues. Among the recent integrated approaches devel-oped in scientific literature the Water-Energy-Food Nexus is surely an useful method-ology for supporting sustainable management of water resources by studying com-plex linkages among resources and integrating management and governance across sector and scale. In order to holistically evaluate sustainable resource management, this study proposes an innovative integrated methodology capable to operationalize the Water Energy Food Nexus (WEFN) at local level evaluating the multi-dimensional implications of irrigation use by identifying the main factors controlling the selection and exploitation of water sources. In detail, a model based on Causal Loop Diagrams (CLD) was implemented in a case study, used as reference, located in Southern Italy in order to get a deeper insight into a complex irrigation system. Moreover, three sustainability indices based on the “footprint” concept were defined in order to quan-tify the multidimensional implication of irrigation practice. Firstly, the Irrigation Water Footprint Index aims to evaluate the impacts of irrigation use on the available water resources of a given area. Secondly, the Energy Footprint for Irrigation Index quanti-fies the amount of energy consumed for water withdrawals and pumping, compared to the unit crop revenue. Finally, the Irrigation Water-Cost Footprint Index supports the evaluation of the economic benefits of agricultural production, compared with the costs of water for irrigation. All indices can be expressed both in an aggregated and disaggregated form to assess the impacts and benefits related to the use of specific water sources. Moreover, the integration of the aforementioned approaches is also proposed as the innovative element for supporting the sustainable management of water resources. Indeed, indices are important instrument to quantitatively evaluate the state of resources exploitation, but they reveal little of a given irrigation system dynamics, which are essential to quantify for identifying the effectiveness of a given sustainability policy. The obtained results reveal some general conclusions. As first finding, a dense network of relationships among different decisional actors involved strongly influence the dynamic of the system. Moreover, it is clear that actor behav-iors is affected by external drivers (i.e., crop market price and water availability) and internal constraints (e.g., water tariff). At the end, the mid-long time effectiveness of a given policy is affected by system dynamic.

Sebbene l’agricoltura irrigua sia ritenuta una delle principali fonti di sfrutta-mento di entrambi le risorse idriche ed energetiche, è’ ampiamente accettato che es-sa svolge un ruolo fondamentale per lo sviluppo socio-economico di molti paesi dell' area mediterranea. Data la sua importanza, in un contesto in cui le risorse idriche sono sempre più soggette a pressioni crescenti a causa delle diverse sfide globali (ad esempio, il cambiamento climatico, la crescita demografica e lo sviluppo eco-nomico), vi è urgente necessità di gestire in maniera sostenibile le risorse idriche destinate a scopi irrigui al fine di garantire elevate rese produttive. Tuttavia, le dinamiche complesse che si instaurano all’interno di un sistema di gestione idrica ad uso irriguo rendono la gestione sostenibile delle risorse idriche di difficile attuazione. Tali sistemi, infatti, sono caratterizzati da un elevata complessità dovuta al compor-tamento di numerosi attori da cui l’utilizzo di risorse naturali dipende e che influisce sulla dinamica del sistema stesso. Non basta, dunque, guardare solo agli aspetti quantitativi dell’utilizzo di risorse idriche (e.g., impatti ammbientali), ma, al fine di supportare la loro gestione sostenibile, è indispensabile anche un’attenta conoscen-za del sistema e della sua dinamica. Da qui deriva, la necessità di affrontare le prob-lematiche della gestione delle risorse idriche in maiera olistica mediante approcci in-tegrati e multidisciplinari. Tra gli emergenti approcci integrati e multidisciplinari, in ambito scientifico si è af-fermato recentemente il paradigma del nesso tra Acqua-Energia-Cibo, che si configu-ra come un adeguata metodologia capace di supportare la gestione sostenibile delle risorse idriche attraverso l’analisi dei complessi legami tra le risorse naturali inte-grando gli aspetti gestionali della risorsa su scala intersettoriale. Partendo da queste premesse, al fine di affrontare olisticamente le problematiche del-la gestione sostenibile delle risorse idriche ad uso irriguo, il seguente studio di ricer-ca propone una metodologia innovativa e integrata in grado di operazionalizzare il paradigma di Acqua-Energia-Cibo a scala locale. In particolare la metodologia im-plementata è in grado di valutare le multi-implicazioni dell'uso dell'acqua irrigua at-traverso l'identificazione dei principali fattori che influiscono sul prelievo e lo sfrutta-mento delle risorse idriche. Per cui, al fine di studiare le dinamiche che si instaurano in un sistema di gestione idrica ad uso irriguo, è stato implementato un modello concettuale attraverso l’utilizzo di diagrammi causa-effetto (i.e., Causal loop Dia-grams), considerando un caso di studio rappresentativo situato al Sud Italia nella re-gione Puglia. Tale analisi ha consentito la conoscenza e la definizione dei confini so-ciali ed ambientali del sistema considerato indispenzabile per la definizione degli in-dicatori di sostenibilità rappresentativi della dinamica del sistema. Dunque, tre indici di sostenibilità basati sul concetto di "impronta" sono stati definiti per quantificare l'implicazione multidimensionale della pratica irrigua. In primo luogo, l'Indice di “Im-pronta idrica ad uso irriguo” mira a valutare l'impatto dell'uso dell'acqua irrigua sulle risorse idriche disponibili di una determinata area. In secondo luogo, l'Indice di “Im-pronta Energetica per l’irrigazione” quantifica la quantità di energia consumata per i prelievi e il pompaggio dell'acqua rispetto ai ricavi unitari delle colture. Infine, l'Indice di “Impronta economica” permette la valutazione dei benefici economici della produzione agricola rispetto ai costi dell'acqua utilizzata per l'irrigazione. Tutti gli indi-ci sono stati espressi sia in forma aggregata che separata al fine di valutare gli impatti e i benefici legati all'uso di specifiche fonti idriche quali ad esempio superficiali e sot-terranee. Infine, l'integrazione degli approcci di cui sopra viene inoltre proposta come ele-mento innovativo del seguente lavoro di ricerca, per supportare la gestione sos-tenibile delle risorse idriche. Difatti, gli indici rappresentano uno strumento im-portante per valutare quantitativamente lo stato dello sfruttamento delle risorse, ma rivelano poco della dinamiche di un dato sistema irriguo, la cui conoscenza è indis-pensabile per valutare l’efficacia dell’implementazione di una data politica di sos-tenibilità. I risultati ottenuti consentono di trarre alcune conclusioni generali dettagliatamente spiegate nei seguenti capitoli di tesi. In primo luogo, la fitta rete di relazioni tra i di-versi attori decisionali coinvolti influenza fortemente la dinamica del sistema. In se-condo luogo, i comportamenti degli attori sono influenzati sia da fattori esterni (prez-zo di mercato del raccolto e disponibilità idrica) che da vincoli interni (ad esempio, tariffe idriche). Infine, l'efficacia a medio-lungo termine di una determinata politica è influenzata dalla dinamica del Sistema. Pertanto l’integrazione tra aspetti qualitativi della dinamica del sistema con gli aspetti quantitative di utilizzo di risorse idriche si è rivelata di fondamentale importanza per conoscere l'efficacia dell’implementazione di una plausibile politica di sostenibilità nel breve, medio-lungo termine.