Conflict mitigation in water resources systems by informed data-driven control and financial hedging tools

Climate change and anthropogenic pressures are expected to reduce global freshwater availability and to exacerbate water crises in the near futures. Evidence of this emerging behavior has been observed worldwide, including traditionally flood sensitive regions, such as the Italian Alps, where in- tensive droughts have repeatedly challenged agricultural and hydropower production in the last decade. Given the low flexibility of traditional "hard path" solutions, such as structural and centralized actions, water resources systems performance is likely to degrade as extreme weather events and change in water demand regimes become increasingly manifest. As a result, conflict in multi- agents river basins is expected to become a main issue. Alternative to supply expansion, a cheaper, distributed and low impact "soft- path" can be undertaken. The core idea is to act on management measures in order to make a better use of the already existing infrastructures. "Soft-path" measures can improve the overall efficiency (or productivity) of the multi-sector water use by means of distributed and participatory management, better informed decision making, and smart economics: forms of risk transfer for managing water crisis. In this research, we focus on two particular areas of improvement: (i) better informed control strategies and (ii) novel financial hedging tools applications. Nowadays, a large amount of information on water system boundary conditions is made available by abundant different sources, ranging from ground stations to remote sensed products and citizen science virtual sensors. Nevertheless water managers still rely on very limited informative systems. Concurrently, the adoption of weather risk management mechanisms (e.g., index-based insurance contracts) in the negotiation process of conflicting water users has been little investigated. Yet it could provide the right amount of flexibility to generate win-win resolutions. In this work we investigate both strategies and their effect on two complex multi-agents Alpine water systems characterized by conflict and challenging power distributions. A first research path explored the potential of hydro-meteorological data

Il cambiamento climatico unito alle pressioni antropiche sono destinati a ridurre le disponibilità globali d’acqua dolce e ad inasprire le crisi idriche nel prossimo futuro. Prove di un simile trend sono state osservate in tutto il mondo, incluse regioni tradizionalmente associate ad eventi di piena come le Alpi italiane, dove episodi di intensa siccità hanno ripetutamente messo alla prova la produzione agricola e idroelettrica negli ultimi decenni. A causa della scarsa adattabilità delle tradizionali soluzioni di tipo strutturale e centralizzato, denominate "hard path", la performance nella gestione dei sistemi idrici é desti- nata a peggiorare all’approssimarsi di eventi estremi e cambiamenti nel regime di domanda idrica. Conseguentemente, é ragionevole aspettarsi che situazioni di conflitto all’interno di bacini idrici che soddisfano più utilizzatori, diventino una problematica di importante rilievo. In alternativa ad azioni strutturali, una strategia fatta di azioni distribuite, a basso impatto e meno costose, denominata "soft-path", può essere intrapresa. L’idea cardine é quella di concentrarsi su misure di tipo gestionale in grado di utilizzare al meglio le infrastrutture già esistenti. Misure di tipo "soft-path" possono migliorare l’efficienza o la produttività complessiva del multi-settore idrico avvalendosi di gestione distribuita e partecipata, un contesto decisionale maggiormente informato e smart economics: forme di gestione del rischio in grado di mitigare i danni in caso di crisi. In questo lavoro di ricerca, ci con- centriamo in particolare su due aree di miglioramento: (i) strategie di control- lo data-driven e (ii) strumenti finanziari innovativi per la gestione del rischio finanziario legato ad eventi ambientali. Al giorno d’oggi, un grande quantitativo di informazioni sulle condizioni al contorno che influenzano i sistemi idrici é resa disponibile ai decisori grazie ad una eterogenea serie di fonti. Queste spaziano da stazioni a terra, a prodotti satellitari fino a crowdsourced data. Nonostante ciò, il sistema informativo di molti gestori idrici appare tuttora limitato. Allo stesso tempo, l’adozione di strumenti per la gestione del rischio climatico e ambientale (e.g., contratti assi- curativi ad indice parametrico) all’interno dei processi di negoziazione tra portatori d’interesse in conflitto, é stata scarsamente investigata. Tuttavia, crediamo che questa potrebbe fornire la flessibilità necessaria a raggiungere accordi più ampiamente favorevoli e accettati. In questo lavoro sono investigate entrambe le strategie e il loro effetto in due complessi sistemi idrici alpini, caratterizzati dalla presenza di più utenti in conflitto tra loro e con particolari distribuzioni di potere reciproco. Un primo ambito di ricerca ha interessato il potenziale assunto dall’informazione idro-meteorologica e dal coordinamento a scala di bacino, nell’informare in modo efficiente le operazioni di un sistema idrico regolato. I risultati ottenuti suggeriscono che dati stagionali di neve uniti alla condivisione di informazioni a scala di bacino possono migliorare del 20% la performance dell’intero sistema. Un secondo percorso di ricerca é stato dedicato all’esplorazione di soluzioni finanziarie in grado di favorire la cooperazione tra utenti idrici in conflitto a scala di bacino. L’analisi si é sviluppata in due differenti applicazioni. La prima é stata rivolta a valutare le assicurazioni a indice parametrico come strumento negoziale. Gli esiti indicano che i contratti assicurativi basati su indice ambientale offrono strategie più economiche per ridefinire i diritti idrici in modo da rendere più eque le soluzioni generate da asimmetrie di potere. La seconda applicazione ha interessato il problema degli eventi ambientali estremi e della difficoltà nel fornire un’adeguata copertura assicurativa in tali casi in bacini condivisi da più utenti. L’adozione di strategie di diversificazione del rischio, che permettono di coprire allo stesso tempo rischi differenti e non correlati, sostenuti da utenti in conflitto tra loro, si é dimostrata positiva sia a livello economico (con una riduzione del 7% dei premi assicurativi) sia per la facilitazione di schemi di collaborazione a scala di bacino.