Marginal cost curves (MCCs) are popular decision-support tools for assessing and ranking the cost-effectiveness of different options in environmental policy and management. However, conventional MCC approaches have been criticized for lack of transparency and disregard for complexity; not accounting for interaction effects between measures; ignoring ancillary benefits and costs; and not considering intertemporal dynamics. In this paper, we present an approach to address these challenges using a system dynamics (SD)-based model for producing dynamic MCCs. We describe the approach by applying it to evaluate efforts to address water scarcity in a hypothetical, but representative, Swedish city. Our results show that the approach effectively addresses all four documented limitations of conventional MCC methods. They also show that combining MCCs with behavior-over-time graphs and causal-loop diagrams can lead to new policy insights and support a more inclusive decision-making process. 

Vattenbrist är en akut global, och i många områden växande, utmaning. Pågående klimatförändringar och växande behov i stora delar av världen förändrar både tillgången och efterfrågan på rent vatten. Europa står inför flera akuta vattenrelaterade utmaningar med betydande säkerhets- och miljömässiga konsekvenser. Perioder av återkommande vattenbrist är en av de främsta utmaningarna som redan har drabbat flertalet europeiska länder, särskilt utsatt är området kring medelhavet. Men, även i Sverige är vattenbrist en utmaning som äventyrar försörjning av både dricksvatten och vatten till industri och jordbruk i flera regioner i de södra och sydöstra delarna av landet. I både Vimmerby och Visby, Kalmar och Gotlands län, ses vattenbrist i dag som den främsta utmaningen för att säkra dricksvattenförsörjningen. Risken för vattenbrist förväntas öka i framtiden för båda dessa städer då pågående klimatförändringar bidrar till ökade säsongsvariationer i både nederbörd och temperatur. Utöver vattenbrist brottas båda städerna dessutom med att upprätthålla en god vattenkvalitet. Avrinning från jordbruket (bekämpningsmedel, gödselmedel, etc.) och föroreningar från urbana hårdgjorda ytor som letar sig ned i grund- och ytvattenkällor utgör en ständig risk för vattenkvaliteten i den samhällsviktiga dricksvattenförsörjningen. För att adressera dessa utmaningar och säkra tillgången till dricksvatten i tillräcklig mängd och av god kvalitet även i framtiden behövs ett övergripande tillvägagångssätt, som omfattar hållbara metoder för hantering av grundvatten, förbättrad övervakning av vattenkvalitet och utveckling av robusta strategier som möjliggör anpassning till att klara av ett föränderligt klimat. I detta projekt har konceptet industriell-urban vattensymbios utforskats som en möjlig lösning för att bidra till säkrad vattentillgång och minskad belastning på lokala dricksvattenresurser, med städerna Visby och Vimmerby som fallstudieobjekt. Vattensymbios är ett systematiskt samarbete där olika aktörer i samhället (industri, kommunala verksamheter, jordbruk, m.fl.) agerar tillsammans för att optimera vattenanvändningen och minska avfallet genom lösningar som faciliterar utbyte och återanvändning av vatten, biprodukter och resurser på ett ömsesidigt fördelaktigt sätt. Till exempel kan renat industriavloppsvatten återanvändas för jordbruksbevattning eller som kylvatten i närliggande industrier, vilket minskar efterfrågan på dricksvatten. Detta tillvägagångssätt främjar ett effektivt resursutnyttjande som minimerar vattenslöseri och minskar systemets totala miljöpåverkan. Projektets övergripande syfte har varit att utreda hur en industriell-urban vattensymbios skulle kunna utformas i Visby och Vimmerby för att minska belastningen på lokala vattenresurser genom nyttjandet av mjölkkondensat från Arla Foods AB’s som en möjlig vattenkälla. Utöver detta har projektet syftat till att utveckla och tillämpa en arbetsprocess för uppbyggnaden av lokala vattensymbiosinitiativ genom strukturerade intressentinvolverande metoder. I ett samarbete mellan lokala VA-bolag, kommunala och privata verksamheter och vattenanvändare, och forskare från RISE har en nulägesbedömning av vattentillgång, vattenbehov, vattenbalansmodellering och en kartläggning av vattenflöden tillgängliga för en framtida symbios genomförts. Tekniska möjligheter att effektivisera vattenanvändningen genom recirkulering och utbyte av vattenströmmar av varierande kvalitet har undersökts och utvärderats genom en kombination av teknoekonomisk analys och kvalitativ utvärdering tillsammans med medverkande vattenproducenter och verksamheter. Även hinder för implementering av vattensymbioser har undersökts (juridiska, tekniska och affärsmässiga) och förslag på åtgärder för att överbrygga dessa har tagits fram. Resultaten från projektet pekar på tydliga likheter och skillnader mellan de två fallstudieområdena. Bland verksamheter i både Visby och Vimmerby anses intern effektivisering och återanvändning av vatten vara en mer genomförbar lösning än vattensymbios i samverkan med andra verksamheter. Samtidigt ansågs symbioslösningar ha en större besparingspotential och kunna bidra med riskminimerande diversifiering bort från enbart en vattenkälla. För att symbioslösningar skall vara gångbara krävs dock att dessa sker inom ett relativt avgränsat geografiskt område för att minimera kostnader kopplade till transport av vatten mellan aktörer. För att utveckla symbiossamarbeten som fungera långsiktigt är tillit en avgörande aspekt. Även omfattande tillit mellan verksamheter lyftes som en avgörande faktor för ett få till symbioslösningar. Den tekno-ekonomiska bedömningen i projektet genomfördes utifrån perspektivet av ett generellt företag med kommunal dricksvattenförsörjning. För ett sådant företag kommer den ekonomiska bärkraften för vattenbesparande åtgärder att bero på den relativa kostnaden för vattenrening lokalt jämfört med kostnaden för att köpa dricksvatten från kommunen. Effekterna av detta framgår tydligt när man jämför fallen Visby och Vimmerby. I Visby visar resultaten att både intern återanvändning och industriell symbios kan vara ekonomiskt lönsamma lösningar utifrån industrins perspektiv. Rening och recirkulering med hjälp av RO membran och efterföljande polering bedömdes som mest lönsamt (med en återbetalningstid på cirka 3,5 år) av de fem möjliga åtgärder som studerades. Lösningen uppskattades kunna spara motsvarande vattenbehovet hos 500 typhushåll. I Vimmerby verkar ingen av åtgärderna medföra ekonomisk lönsamhet, då kostnaderna för samtliga fall är högre än dagens kostnader för kommunaltdricksvatten. Anledningen till skillnaden i lönsamhet mellan Visby och Vimmerby förklaras huvudsakligen av skillnaden i prissättningsmodell som används i av respektive VA-bolag i de två kommunerna. Utöver prissättningsmodellens roll som möjliggörare eller hinder för vattensymbios så identifierades utveckling av ett system för klassificering av vattenflöden enligt olika kvalitetsklasser, ökad kunskap om olika vattenklassers hållbarhet, och utveckling av lagar & regler för recirkulering och användning av vatten som viktiga områden för att facilitera effektivare vattenanvändning genom symbios. Detta projekt är ett av de första i Sverige med uttalat fokus på industriell-urban vattensymbios. Lärdomar från projektet kommer vara värdefulla för att vidare utreda möjligheten för symbioslösningar i Visby och Vimmerby, men även i andra kommuner runt om i Sverige. Flera frågeställningar kvarstår att undersöka. Till exempel har detta projekt inte studerat hur variationer i vattentillgång och vattenbehov över säsongen, eller dygnet, påverkar de studerade symbioslösningarna. Dessutom behövs mer detaljerade analyser av de hydrologiska förutsättningarna i respektive fall för att säga något om hur de studerade lösningarna kan påverka den lokala vattenbalansen under olika framtidsscenarier. Vidare bör den teknoekonomiska bedömningen som genomförts förstärkas genom att inkludera mer exakta kostnadsuppgifter (till exempel leverantörspriser på utrustning), inverkan av marknadsfluktuationer, och andra osäkerheter.

Study region: Fårö island, part of Region Gotland, Sweden. Study focus: Despite its importance for proactive planning and management, understanding of how future climate and socioeconomic trends may interact to influence water supply and demand at sub-regional scale remains limited for the Nordic region. We aim to close this knowledge gap by developing a combined social and hydrological simulation model for Fårö island in the Baltic Sea. We use multivariate Monte Carlo simulations to explore the effects of future climate scenarios (RCP4.5 and RCP8.5) on local groundwater supplies, and subsequent impacts on the housing sector, tourism sector, and municipal water supply system in the period 2020–2050. New hydrological insights for the region: Our results suggest that groundwater storage will remain critically low in the coming 30 years, with a 60–70% probability of the groundwater head falling to lower levels than experienced in the past 60 years. Low water availability and widespread saltwater intrusion will constrain housing and tourism development by up to 11% and 30% respectively. To sustain growth, the tourist sector will become increasingly reliant on water from private wells, and supplementary water deliveries from neighboring regions will be required to meet water demand on the municipal grid. © 2022 The Authors

Many sustainability challenges of the 21st century are the result of poor management of coupled human and natural systems (CHANS). Limited understanding of the mechanisms that give rise to complex dynamics in CHANS has contributed to overexploitation and degradation of water and other natural resources around the globe, leading to unintended consequences of well-intentioned policies. This raises the question of whether the tools and methods currently used in environmental management and policy design meet the requirements of complex dynamic systems. In this thesis, qualitative and quantitative research approaches from the fields of systems thinking and simulation modelling were combined with the aim of improving understanding of the dynamics of CHANS, and human-water systems in particular, and developing better methods and tools to support more effective policy and management strategies in the future. The work included a systematic review, qualitative and quantitative system dynamics modelling case studies, method development, and agent-based modelling and simulation. The results showed that changes in CHANS are driven by observable and unobservable exchanges of energy, matter and information across space and time that give rise to constantly changing, nonlinear dynamics. Many contemporary tools and methods used in management and policy design are not suited to this dynamic complexity and, instead of embracing complexity, seek to reduce it by excluding structural drivers of endogenous behaviour. This can contribute to unsustainable water use and amplify impacts of climate change in coupled human and water systems. This thesis showed that system dynamics-based approaches can effectively complement conventional static management tools, to better account for dynamic complexity. By tapping into the collective intelligence of actors engaged in the system, the approaches can support more realistic models and more effective and sustainable management, leading to establishment of middle-range theories for management of CHANS.

COVID-19 has caused severe agriculture and food supply chain disruptions, significantly affecting smallholder farmers who supply most of the world’s food, specifically their changes in vulnerability, resilience, and food loss and waste. Therefore, the objective of this study was to understand the complex causal and feedback relationships for this system by developing a dynamic hypothesis and causal loop diagrams utilizing the System Dynamics methodology. Results provide a roadmap for dialogue and a framework for case-specific model development and help to guide policy decisions for smallholder farmers’ survival during health crises.