Throughout history, major rivers and shared water bodies have allowed civilizations to flourish, and the effective management of shared water bodies has always been a priority for societies and nations. Today, about 40% of the world’s population lives in proximity to the 286 transboundary river and lake basins that supply 60% of the world’s freshwater flows and make up about half of the Earth’s land area. Moreover, around 2 billion people in the world depend on groundwater sources, which include over 460 transboundary aquifer systems.

The mismanagement of water resources can result in catastrophic disasters that are often exacerbated by a domino effect so that the impacts of poor water management often extend beyond the water system. The interdependency of the water system with other systems such as energy and food, or with land-use, highlights the importance of ”systems thinking and planning” in resource management. Such a concept is not easily encapsulated into policy-making processes in many parts of the world because consideration of the resource systems in isolation as individual entities and ‘silo” thinking still dominate. Climate change adds another layer of complexity and exacerbates the issue of water management. Another important factor is geographical location because precipitation varies among and within continents. This results in some regions suffering from water shortages and some regions facing the risks of water redundancy and floods. 

The concept of the Water-Energy-Food (WEF) nexus was introduced in 2011 as a response to help address some of the issues mentioned above. Over the last decade, research on the WEF nexus has gained momentum in both the policy and academic areas and several methods have been introduced to operationalize the nexus in different contexts. One of the flagship methodologies is the Transboundary Basins Nexus Approach (TBNA) introduced by the United Nations Economic Commission of Europe (UNECE) in 2015 and designed to assess the nexus in shared (transboundary) water basins.

The aim of this thesis is to support shared water management by using the WEF-nexus approach to quantify the benefits of coordinated management, motivate cooperation, and identify trade-offs in the optimal use of resources. To achieve this aim, four research questions are explored over the course of four academic publications.  

The first question explores the role of the energy sector in motivating shared water cooperation. The second question studies the risks and opportunities emerging from the interplay between climate and renewable energy in shared basins. The third question focuses on groundwater management and explores what benefits the consideration of the energy-water-agriculture nexus could bring to shared groundwater management in water-scarce areas. The fourth question examines how consideration of the energy-water-agriculture nexus could accelerate the low-carbon transition in the agricultural sector. 

These research questions are examined in two different, yet complementing, geographic locations. One is the Balkans in Southeastern Europe, which faces water redundancy and flood issues and the other is the Middle East and North Africa (MENA) region which suffers from water scarcity. In the first region, the Drina and the Drin River Basins represent the characteristics of Southeastern Europe while the North Western Sahara Aquifer System (NWSAS) and the Souss-Massa basin represent the characteristics of the MENA region. Three of the case applications are transboundary (Drina, Drin and NWSAS) while the last application (Souss-Massa Basin) is a subnational basin.  

Historiskt har stora floder och delade vattendrag gjort det möjligt för civilisationer att blomstra. Att effektivt hantera delade vattenresurser har alltid varit och är en prioritet för samhällen och nationer. Idag bor cirka 40 % av världens befolkning i nära anslutning till någon av de 286 internationella floder och sjöar som är just delade vattendrag. De försörjer 60 % av världens sötvatten och utgör ungefär hälften av jordens yta. Vidare är omkring 2 miljarder människor i världen beroende av grundvattenkällor, som inkluderar över 460 gränsöverskridande akvifera system.

Dålig vattenförvaltning kan leda till katastrofala följder med efterföljande dominoeffekt där dålig vattenförvaltning inte bara påverkar vattensystemet, utan även andra relaterade system så som energi, mat och markanvändning. Vattensystemets ömsesidiga beroende av andra system understryker vikten av "systemtänkande och planering" i resurshantering. I många delar av världen domineras dock policyprocesserna av att se resurssystemen som isolerade individuella enheter, ett så kallat "silo"-tänkande. Klimatförändringarna lägger till ytterligare ett lager av komplexitet till frågan om vattenförvaltning. Det geografiska läget har också betydelse eftersom den globala nederbörden varierar mellan och inom kontinenter. Detta resulterar i att vissa regioner lider av vattenbrist och andra riskerar att få vattenöverflöd och bli översvämmade.

Konceptet vatten-energi-mat (WEF)-nexus introducerades 2011 som en lösning för att hjälpa till att ta itu med några av de ovan nämnda problemen. Forskningen kring WEF-nexus tog fart under det efterföljande decenniet, både inom politiska och akademiska arenor, och flera metoder introducerades för att göra nexus användbart i olika sammanhang. En av flaggskeppsmetoderna är Transboundary Bassins Nexus Approach (TBNA) som introducerades av FN:s ekonomiska kommission för Europa (UNECE) 2015 och är utformad för att förstå och utvärdera delade (gränsöverskridande) vattenavrinningsområde.

Denna avhandling syftar till att stödja delad (gränsöverskridande) vattenförvaltning genom att använda WEF-nexus-metoden till att kvantifiera fördelarna med samordnad förvaltning, motivera samarbete samt identifiera avvägningar i optimal användning av resurser. Detta undersöks genom fyra forskningsfrågor och redovisas i fyra publikationer.

Den första frågan utforskar energisektorns roll i att motivera delad vattenförvaltning och vilka insikter som kan erhållas från modeller med öppen källkod. Den andra frågan studerar riskerna och möjligheterna av samspelet mellan klimat och förnybar energi i delade vattenavrinningsområden. Den tredje frågan fokuserar på grundvattenhantering och undersöker vilka fördelar systemtänkande kring energi-vatten-jordbruk kan ge till delad grundvattenhantering i områden med vattenbrist. Den fjärde frågan undersöker hur hänsynstagandet till sambandet energi-vatten-jordbruk kan påskynda omställningen med låga koldioxidutsläpp inom jordbrukssektorn.

Dessa forskningsfrågor undersöks på två olika, men kompletterande, geografiska platser. Den ena är Balkanregionen i sydöstra Europa, som står inför översvämningsproblem, och den andra är Mellanöstern- och Nordafrika-regionen (MENA) som lider av vattenbrist. I den första regionen representerar floderna Drina och Drin några av särdragen för sydöstra Europa, medan North Western Sahara Aquifer System (NWSAS) och Souss-Massa-vattenavrinningsområde representerar särdrag i MENA-regionen. Tre av fallstudierna är gränsöverskridande (Drina, Drin och NWSAS) medan den sista studien (Souss-Massa Basin) är ett nationellt vattenavrinningsområde.

لعبت الأنهار الرئيسية والمسطحات المائية المشتركة دورا محوريا في ازدهار الحضارات على مر التاريخ ، وشكلت الإدارة الفاعلة للمسطحات المائية المشتركة أولوية كبرى للأمم والمجتمعات، وفي الوقت الراهن يعيش حوالي 40٪ من سكان العالم بالقرب من أحواض الأنهار و البحيرات العابرة للحدود البالغ عددها 286 حوضا مشتركا، والتي تغطي حوالي نصف مساحة اليابسة وتشكل المصدر الرئيسي لـ 60٪ من تدفقات المياه العذبة في العالم. علاوة على ذلك، يعتمد حوالي 2 مليار نسمة في العالم على مصادر المياه الجوفية النابعة من 460 نظامًا لطبقات المياه الجوفية العابرة للحدود.

إن سوء إدارة الموارد المائية يمكن أن يؤدي إلى كوارث متعددة الأبعاد غالبًا ما تتجاوز منظومة المياه، كما أن الترابط بين النظام المائي والأنظمة الأخرى مثل الطاقة والغذاء (أو استخدام الأراضي) يسلط الضوء على أهمية "التفكير والتخطيط النظمي" في إدارة الموارد، وهو مفهوم لا يمكن ترجمته بسهولة في عملية صنع السياسات في أجزاء كثيرة من العالم، حيث لا يزال التفكير والتخطيط الأحادي والمنعزل لأنظمة الموارد هو المسيطر. 

التغير المناخي يضيف بدوره مستوى آخر من التعقيد ويفاقم من أزمة إدارة المياه، والعامل الأخر المهم هو الموقع الجغرافي حيث تتباين مستويات هطول الأمطار بين القارات وفي داخلها، مما انعكس على تباين تحديات المياه حول العالم، ففي حين نجد بعض المناطق تعاني من شح الموارد المائية، نجد مناطق أخرى تعاني من مخاطر وفرة المياه والفيضانات. 

ظهر مفهوم "الترابط بين المياه والطاقة والغذاء (WEF-nexus)" في عام 2011م كمساهمة في معالجة بعض القضايا المذكورة أعلاه، وخلال العقد الماضي اكتسب البحث حول "الترابط بين الماء والطاقة والغذاء" زخمًا كبيرا في المجال الأكاديمي وكذلك في مجال صنع السياسات التنموية، وتم ابتكار العديد من النماذج التطبيقية لاسقاط مفهوم التفكير الترابطي بين الموارد على أرض الواقع وتطبيقه في سياقات مختلفة، إحدى المنهجيات الرئيسية هي منهجية الترابط في الأحواض العابرة للحدود (TBNA)، والتي ابتكرتها اللجنة الاقتصادية لأوروبا التابعة للأمم المتحدة (UNECE) في عام 2015 لتقييم الترابط بين الموارد في أحواض المياه المشتركة (العابرة للحدود).

تهدف هذه الأطروحة إلى دعم إدارة المياه المشتركة باستخدام نهج "الترابط بين المياه والطاقة والغذاء WEF-nexus" وذلك من خلال الدراسة الكمية لفوائد الإدارة التكاملية للموارد، وتحفيز التعاون بين الشركاء، ودراسة التبعات أوالمقايضات في الاستخدام الأمثل للموارد، ولتحقيق هذا الهدف؛ تمت دراسة أربعة أسئلة بحثية عبر أربعة أبحاث علمية محكمة.

يبحث السؤال الأول دور قطاع الطاقة في تحفيز التعاون في مجال المياه المشتركة، في حين يبحث السؤال الثاني المخاطر والفرص الناتجة من التفاعل بين المناخ ومصادر الطاقة المتجددة في الأحواض المشتركة، أما السؤال الثالث فيركز على إدارة المياه الجوفية ويستكشف الفوائد التي يمكن أن تجلبها دراسة "الترابط بين الطاقة والمياه والزراعة" في إدارة المياه الجوفية المشتركة وبالأخص في المناطق التي تعاني من شح الموارد المائية، أما السؤال الرابع فيدور حول كيف يمكن للتخطيط الترابطي بين موارد الطاقة والمياه والزراعة أن يساهم في تسريع التحول الى قطاع زراعي منخفض الكربون.

يتم دراسة هذه الأسئلة البحثية في بيئتين جغرافيتين مختلفتين لكن متكاملتين؛ الأولى هي منطقة البلقان في جنوب شرق أوروبا، والتي تواجه مشكلات وفرة المياه والفيضانات، أما الثانية فهي منطقة الشرق الأوسط وشمال إفريقيا (MENA) والتي تعاني من ندرة المياه، وتمثل أحواض نهري "درينا" و "درين" خصائص المنطقة الأولى في جنوب شرق أوروبا، بينما يمثل نظام المياه الجوفية في شمال الصحراء الغربية (NWSAS) وحوض سوس-ماسة خصائص منطقة الشرق الأوسط وشمال إفريقيا، وللتنويه فإن ثلاثة من الأحواض المشتركة هي أحواض عابرة للحدود (درينا ودرين و NWSAS) بينما حوض سوس ماسة هو عبارة عن حوض محلي (يقع ضمن حدود المملكة المغربية).

Sustainable development is essential to ensure human well-being while preserving the life-support systems of the planet. However, the safe operating space of Earth is currently exceeded, preventing resources to regenerate and waste from being assimilated in time. Thus, sustainable development requires systemic transformations to align with the planet's carrying capacity, balancing economic, social, and environmental sustainability.

The United Nations adopted the Sustainable Development Goals (SDGs) in 2015 to end poverty, protect the planet, and ensure peace and prosperity by 2030. The 17 interconnected SDGs aim to balance social, economic, and environmental sustainability, with specific targets and indicators for progress. SDG7, which focusses on access to clean and affordable energy, is closely linked with other SDGs, reinforcing many 2030 Agenda targets but also presenting potential trade-offs. Addressing these challenges requires integrating qualitative and quantitative methods, and promoting participatory approaches for collective ownership and consensus-building.

This thesis explores the use and development of geospatial approaches to quantify and model synergies and trade-offs between energy and other sustainability dimensions such as water (SDG6), health (SDG3), food (SDG2), gender equality (SDG5), and climate (SDG13), asking the question of how can Geographic Information Systems (GIS) be used effectively to model the interactions between energy and selected Sustainable Development Goals (SDGs)? two main topics are identified to touch upon many of those interactions and recurrent in literature, as well as having potential to use geospatial approaches: spatial explicit modelling of water, energy, food (WEF) systems, and spatial explicit clean cooking energy access modelling. 

The strong interconnection between water, energy and food systems, calls for holistic planning to assess the impact that an action taken towards the sustainability of a resource (e.g. ease of water scarcity) may have on its interconnected systems (e.g. energy and food systems). Given the challenges of achieving these goals for water-stressed countries, the first research sub-question of this thesis aims at facilitating robust decision-making by quantifying how strategies to alleviate water scarcity in water-scarce regions impact energy and the overall dynamics of WEF Nexus systems. 

Papers I and II developed WEF Nexus models for Jordan and Morocco’s Souss-Massa river basin, focussing on key challenges such as water scarcity, agricultural productivity, energy use and climate change. The models used WEAP for water planning, MABIA for crop production, and a GIS-based model for energy analysis. The findings showed that desalination is necessary but must be combined with low-carbon energy. Improving agricultural water productivity benefits the WEF system overall, but has limited impact on municipal water scarcity. Reducing non-revenue water helps urban supply and energy use but can reduce water recharge in specific aquifers. Energy efficiency supports desalination and reduces emissions. Combined interventions yield the best results, and the switch to solar pumping in Souss-Massa was found to be viable both economically and environmentally. Finally, stakeholder involvement and shared decision metrics are crucial for addressing complex nexus issues. Furthermore, Paper III explores in detail how wastewater reuse in agriculture can affect the WEF system of the North Western Sahara Aquifer System. The results showed that the reuse of treated wastewater can ease groundwater stress, reduce energy use, and support sustainable development. Key recommendations include better water pricing, efficient irrigation, and decentralised wastewater treatment.

The second research topic focusses on the issue of achieving universal access to clean cooking energy. Around 2.1 billion people still rely on polluting fuels, leading to serious health risks, time burdens (especially for women and children), deforestation, and climate change. To capture these interactions, a spatial cost-benefit analysis was developed, comparing current cooking methods with cleaner alternatives, and assessing health, environmental, and economic impacts to identify the most beneficial clean cooking options.

In paper IV, the first open-source spatial cost-benefit analysis tool for clean cooking transitions, OnStove, was developed and applied to Sub-Saharan Africa. The results revealed a major market failure in the region, as traditional biomass use for cooking is predominant despite offering the lowest social benefits. Switching to cleaner stove mixes would yield major gains, but requires targeted policy support. Moreover, in Paper V, the OnStove approach is expanded by integrating stakeholder preferences to guide clean cooking policies in Nepal. This helped identify priority areas for action and supported more effective resource allocation in the government's subsidy plan for clean cooking technologies.

The main research question is answered by taking results from each article. GIS was a powerful tool that worked as an integrator of models and helped to fill data gaps. In WEF Nexus modelling, capturing spatial variability of resources and different topographic characteristics was essential to understand impacts on energy requirements and identify context-specific feedback loops. Spatial mapping also allowed matching supply and demand points, optimising the use of local resources. GIS methods also provided a more detailed understanding of the costs and benefits of achieving cleaner cooking transitions than was previously possible. The spatially explicit modelling approach can highlight geographical and socio-economic variations, enabling targeted policy interventions and reducing potential affordability constraints. Finally, the development of open-source methods allows scalability and replicability of the analysis in other countries, supporting open science and the achievement of the 2030 Agenda.

Hållbar utveckling är avgörande för att säkerställa mänskligt välbefinnande samtidigt som planetens livsuppehållande system bevaras. Jordens säkra operativa utrymme överskrids dock för närvarande, vilket förhindrar att resurser återbildas och att avfall assimileras i tid. Hållbar utveckling kräver således systemiska omvandlingar för att anpassas till planetens bärförmåga och balansera ekonomisk, social och miljömässig hållbarhet.

Förenta nationerna antog målen för hållbar utveckling (Sustainable Development Goals, SDGs) 2015 för att avskaffa fattigdom, skydda planeten och säkerställa fred och välstånd till 2030. De 17 sammankopplade SDGs syftar till att balansera social, ekonomisk och miljömässig hållbarhet, med specifika mål och indikatorer för framsteg. SDG7, som fokuserar på tillgång till ren och prisvärd energi, är nära kopplat till andra SDGs, vilket förstärker många mål i Agenda 2030 men också presenterar potentiella målkonflikter. Att hantera dessa utmaningar kräver integration av kvalitativa och kvantitativa metoder samt främjande av deltagande metoder för kollektivt ägarskap och konsensusbyggande.

Denna avhandling utforskar användningen och utvecklingen av geobaserade metoder för att kvantifiera och modellera synergier och målkonflikter mellan energi och andra hållbarhetsdimensioner såsom vatten (SDG6), hälsa (SDG3), mat (SDG2), jämställdhet (SDG5) och klimat (SDG13). Den ställer frågan om hur Geografiska Informationssystem (GIS) effektivt kan användas för att modellera interaktionerna mellan energi och utvalda mål för hållbar utveckling (SDGs). Två huvudämnen identifieras som berör många av dessa interaktioner och som återkommer i litteraturen, samt har potential att använda geobaserade metoder: rumsligt explicit modellering av vatten-, energi- och livsmedelssystem (WEF) samt rumsligt explicit modellering av tillgång till ren matlagningsenergi.

Den starka sammankopplingen mellan vatten-, energi- och livsmedelssystem kräver holistisk planering för att bedöma den inverkan som en åtgärd för en resurs hållbarhet (t.ex. att lindra vattenbrist) kan ha på dess sammankopplade system (t.ex. energi- och livsmedelssystem). Med tanke på utmaningarna med att uppnå dessa mål för vattenstressade länder, syftar avhandlingens första forskningsfråga till att underlätta robust beslutsfattande genom att kvantifiera hur strategier för att lindra vattenbrist i vattenfattiga regioner påverkar energi och den övergripande dynamiken i WEF Nexus-system.

Artiklarna I och II utvecklade WEF Nexus-modeller för Jordanien och Marockos Souss-Massa flodbäcken, med fokus på nyckelutmaningar som vattenbrist, jordbruksproduktivitet, energianvändning och klimatförändringar. Modellerna använde WEAP för vattenplanering, MABIA för grödproduktion och en GIS-baserad modell för energianalys. Resultaten visade att avsaltning är nödvändigt men måste kombineras med koldioxidsnål energi. Att förbättra jordbrukets vattenproduktivitet gynnar WEF-systemet överlag, men har begränsad inverkan på kommunal vattenbrist. Att minska icke-debiterat vatten hjälper stadens försörjning och energianvändning men kan skada specifika akviferer. Energieffektivitet stödjer avsaltning och minskar utsläpp. Kombinerade interventioner ger bäst resultat, och övergången till solcellsdriven pumpning i Souss-Massa befanns vara genomförbar både ekonomiskt och miljömässigt. Slutligen är intressenternas deltagande och gemensamma beslutsmetriker avgörande för att hantera komplexa nexus-frågor. Dessutom utforskar Artikel III i detalj hur återanvändning av avloppsvatten inom jordbruket kan påverka WEF-systemet i North Western Sahara Aquifer System. Resultaten visade att återanvändning av behandlat avloppsvatten kan lätta på trycket på grundvattnet, minska energianvändningen och stödja hållbar utveckling. Viktiga rekommendationer inkluderar bättre vattenprissättning, effektiv bevattning och decentraliserad avloppsvattenrening.

Det andra forskningsämnet fokuserar på frågan om att uppnå universell tillgång till ren matlagningsenergi. Cirka 2,1 miljarder människor förlitar sig fortfarande på förorenande bränslen, vilket leder till allvarliga hälsorisker, tidsbördor (särskilt för kvinnor och barn), avskogning och klimatförändringar. För att fånga dessa interaktioner utvecklades en rumslig kostnads-nyttoanalys som jämför nuvarande matlagningsmetoder med renare alternativ och bedömer hälsa, miljömässiga och ekonomiska effekter för att identifiera de mest fördelaktiga alternativen för ren matlagning.

I artikel IV utvecklades OnStove, det första rumsliga verktyget med öppen källkod för kostnads-nyttoanalys av övergångar till ren matlagning, och tillämpades i Afrika söder om Sahara. Resultaten visade ett stort marknadsmisslyckande i regionen, då traditionell användning av biomassa för matlagning är dominerande trots att den erbjuder lägst social nytta. Att byta till renare spismixar skulle ge stora vinster, men kräver riktat politiskt stöd. Dessutom utökas OnStove-metoden i Artikel V genom att integrera intressentpreferenser för att vägleda politiken för ren matlagning i Nepal. Detta hjälpte till att identifiera prioriterade områden för åtgärder och stödde en effektivare resursallokering i regeringens subventionsplan för teknik för ren matlagning.

Den huvudsakliga forskningsfrågan besvaras genom att ta resultat från varje artikel. GIS var ett kraftfullt verktyg som fungerade som en integrator av modeller och hjälpte till att fylla datagap. I WEF Nexus-modellering var det avgörande att fånga rumslig variation av resurser och olika topografiska egenskaper för att förstå påverkan på energibehov och identifiera kontextspecifika återkopplingsmekanismer. Rumslig kartläggning möjliggjorde också matchning av utbuds- och efterfrågepunkter och optimering av användningen av lokala resurser. GIS-metoder gav också en mer detaljerad förståelse av kostnaderna och fördelarna med att uppnå renare matlagningstransitioner än vad som tidigare varit möjligt. Den rumsligt explicita modelleringsmetoden kan belysa geografiska och socioekonomiska variationer, vilket möjliggör riktade politiska interventioner och minskar potentiella prisbegränsningar. Slutligen möjliggör utvecklingen av metoder med öppen källkod skalbarhet och replikerbarhet av analysen i andra länder, vilket stödjer öppen vetenskap och uppnåendet av Agenda 2030.