Balancing hydropower production and fluvial connectivity in optimal large scale dam siting on the Mekong river

The functioning of a fluvial ecosystem is controlled by a complex mix of abiotic, biotic factors and their interactions in space and time. The condition to maintain these interactions is the fluvial connectivity, which is the functional exchange pathway of matter, energy and organisms. The construction of dams for hydropower production, flood control and water supply interrupts the fluvial connectivity, affecting in particular sediment transport, ecology and natural flow. The Se Kong, Se San, Sre Pok river system (3S river system), in south-east Asia, has the fundamental role of providing sediment to the Mekong Delta. In addition, despite being only 10% of the Mekong basin area (i.e. 81 000 km^2), the 3S hosts 42% of the fish species of the entire Mekong, which is the second most biodiverse river in the world. Given the rapid demographic and economic growth of Laos, Cambodia and Vietnam, the 3S has recently become a hotspot of hydropower development, the number of dams is expected to grow from the existing 14 up to 42 by 2025. To allow a sustainable dam development, we combined the 42 dams in different portfolios, in order to analyse how their different spatial distributions affect the environmental aspects considered. To pursue our goal, we perform a multi-objective optimization analysis, considering the hydropower production as dam benefit and sediment transport, ecological connectivity and natural flow as dam impacts. To include, for the first time, the sediment transport in an optimization analysis, we developed a computationally efficient large scale sediment connectivity model, based on CASCADE framework. If a basin scale dam planning is adopted from the beginning, most of the indicators allow to reach 65-75% of the hydropower potential (i.e. the total hydropower production of the 42 dams), limiting the impact on the environmental aspects below 35%. The inclusion of multiple environmental aspects in the optimization allowed to study how a single dam portfolio differently affects the indicators. These differences are more evident for medium hydropower productions. Even if we consider an optimal dam portfolio, developing the 60% of the 3S hydropower potential reduces by 30% the sediment connectivity within the basin. The ecological connectivity of the fish species, instead, is reduced by 70% compared to the undisturbed state. This highlights that, not only the amount of hydropower produced, but also the spatial distribution of the selected dams influences the impacts on environmental aspects. The methodology developed in this study is an important tool to be used in decision-making processes, to analyse a large number of dams, capturing their large scale cumulative effects on multiple environmental aspects, which are differently distributed in the river network. Therefore, its application in river systems that are facing a recent hydropower exploitation, like the Amazon, Irrawaddy and Mekong, can help to adopt an environmentally sustainable dam development to protect fluvial connectivity.

Le dinamiche di un ecosistema fluviale sono controllate da un complesso insieme di fattori abiotici, biotici e dalle loro interazioni nello spazio e nel tempo. La condizione necessaria al mantenimento di queste interazioni è la connettività fluviale, ossia l'interscambio di materia, energia e organismi all'interno del fiume. La costruzione di dighe per scopi idroelettrici, di approvvigionamento e di controllo delle piene interrompe la connettività, influenzando, in particolar modo il trasporto di sedimenti, l'ecologia e il deflusso naturale del fiume. I fiumi del sud-est asiatico Se Kong, Se San e Sre Pok definiscono un sottobacino, denominato 3S, del fiume Mekong, il secondo fiume più importante al mondo per biodiversità. Il 3S rappresenta uno dei sottobacini principali per l'approvvigionamento di sedimenti al delta del fiume Mekong e, nonostante costituisca solamente il 10% (i.e. 81 000 km^2) del bacino, ospita il 42% delle specie ittiche dell'intero Mekong. A seguito della rapida crescita demografica ed economica di Laos, Cambogia e Vietnam, il bacino del 3S è stato recentemente interessato da un forte sviluppo idroelettrico: il numero delle dighe presenti sul territorio è destinato a crescere dalle 14 esistenti fino alle 42 progettate per il 2025. Per una pianificazione idroelettrica sostenibile, abbiamo combinato le 42 dighe ipotizzando diversi scenari, in modo da poter analizzare come la loro diversa posizione spaziale vada ad influenzare gli aspetti ambientali presi in esame. Per far ciò, abbiamo applicato un'analisi di ottimizzazione multi-obiettivi a scala di bacino, considerando la produzione idroelettrica come beneficio e l'alterazione del trasporto di sedimenti, della connettività ecologica e del deflusso naturale come impatti. Partendo da CASCADE, modello per il calcolo del trasporto di sedimenti a larga scala, abbiamo sviluppato una sua versione computazionalmente più efficiente, affinché per la prima volta possa essere incluso anche il trasporto di sedimenti in una analisi di ottimizzazione. La pianificazione a scala di bacino adottata, permette di raggiungere una produzione idroelettrica pari al 65-75% del potenziale totale che si avrebbe con la costruzione di tutte le 42 dighe, mantenendo gli impatti sugli indicatori ambientali al di sotto del 35%. Inoltre, l'introduzione di più aspetti ambientali nell'analisi di ottimizzazione, ha permesso di analizzare i differenti effetti provocati dal sistema di dighe; queste differenze sono più evidenti per produzioni idroelettriche medie. Alcuni scenari permettono di contenere al di sotto del 30% gli impatti sulla connettività dei sedimenti all'interno del bacino, sviluppando il 60% del potenziale idroelettrico del 3S ma, allo stesso tempo, possono ridurre del 70% la connettività ecologica delle specie ittiche, rispetto ad uno stato naturale del fiume. Questo sottolinea che gli impatti ambientali non sono dovuti solamente al quantitativo di energia idroelettrica prodotta ma anche alla distribuzione spaziale delle dighe. La metodologia sviluppata in questo studio può essere un importante strumento da utilizzare nei processi decisionali. Essa permette di analizzare un elevato numero di dighe, determinando il loro effetto cumulato a scala di bacino su una moltitudine di aspetti ambientali differentemente distribuiti. Per tale motivo, la sua applicazione in sistemi fluviali interessati da un recente sviluppo idroelettrico, come il Rio delle Amazzoni, l'Irrawaddy e il Mekong, potrebbe aiutare a prendere decisioni che tutelino la connettività fluviale.