Malaria is a major cause of morbidity and mortality in Sub-Saharan Africa, affecting the lives of at least 200 millions of people each year in the region. While a set of measures already exist to mitigate malaria (e.g. indoor spraying, bed nets), they are not fully successful in controlling the disease spreading. Recent efforts have confirmed and quantified widely-held theories about the effect of water bodies on malaria diffusion. Disease burden is higher in the proximity of artificial water reservoirs, where the presence of large stagnant water areas creates larger breeding sites for Anopheles mosquitoes transmitting Plasmodium falciparum. For this reason, there is a growing interest in better understanding the relationship between water level fluctuations and malaria diffusion and on the potential for dam re-operation to provide a complementary solution to malaria control in the proximity of artificial lakes. In this thesis, the impact of malaria around Kariba reservoir, shared between Zambia and Zimbabwe, is first identified and analyzed, then an operational model of malaria control via dam operation is developed and extensively tested. At present, Kariba dam is primarily operated to produce hydro-power energy and goes through a single draw-down fill-in cycle following the dry-wet season annual alternation. Dam impact on malaria transmission in the proximity to the reservoir shoreline is explored. Linear relationships between average water levels, several hydro-climatic variables, including temperature and precipitation, and average malaria transmission levels in communities around the reservoir are analyzed. Based on the highest correlations found, a dynamic data-driven model of malaria diffusion is identified, mapping lake level, temperature and precipitation into inter-annual changes of malaria rate. A Multi-objective Evolutionary Direct Policy Search approach is adopted to design the dam operation balancing the two targets of hydro-power production and malaria control. Results show that potential trade-offs do exist between malaria diffusion and hydropower production and allow to assess the marginal value of malaria reduction measured in terms of energy production. The model may help the Zambezi River Commission (ZAMCOM) in re-designing the operation of Kariba dam internalizing the potential negative impact on disease diffusion. This may prove increasingly relevant as a number of new hydro-power dam are being planned or are under construction in the Zambezi river basin and the whole Africa.

La malaria è una delle principali cause di morbilità e mortalità nell’Africa Sub- Sahariana, che colpisce la vita di almeno 200 milioni di persone ogni anno nella regione. Sebbene esistano già una serie di misure per contrastare la malaria (e.g. utilizzo di spray per ambienti, reti), queste non sono completamente efficaci nel controllare la diffusione della malattia. Nuovi studi hanno confermato e quantificato le diffuse teorie riguardo all’effetto dei corpi idrici sulla diffusione della malaria. L’incidenza della malattia è più elevato in prossimità dei bacini artificiali, dove la presenza di ampie aree ad acqua stagnante crea maggiori siti di riproduzione per le zanzare Anopheles che trasmettono il Plasmodium falciparum. Per questo motivo, c’è un crescente interesse in una migliore comprensione della relazione tra fluttuazioni del livello dell’acqua e la diffusione della malaria, e della potenziale ri-regolazione delle dighe in modo da fornire una soluzione complementare al controllo della malaria in prossimità dei laghi artificiali. In questa tesi, l’impatto della malaria attorno al lago Kariba, condiviso tra lo Zambia e lo Zimbabwe, è prima identificato e analizzato, poi un modello operativo di controllo della malaria attraverso la regolazione della diga è sviluppato e ampiamente testato. Allo stato attuale, la diga di Kariba è principalmente utilizzata per produrre energia idroelettrica e passa attraverso un ciclo semplice di riempimento e abbassamento che segue l’alternanza annuale delle stagioni secca e umida. L’impatto della diga sulla trasmissione della malaria in prossimità del litorale del bacino idrico è esplorato. Successivamente sono analizzate possibili correlazioni lineari tra i livelli medi del lago, diverse variabili idro-climatiche, tra cui temperatura e precipitazione, e i livelli medi di trasmissione della malaria nelle comunità attorno al bacino. Sulla base delle più alte correlazioni trovate, un modello dinamico, basato sui dati, di diffusione della malaria, che mappa il livello del lago, la temperatura e la precipitazione in variazioni inter-annuali del tasso di malaria, è identificato. Infine, un approccio di Multi-objective Evolutionary Direct Policy Search è adottato per progettare una regolazione della diga che bilancia i due obiettivi di produzione di energia idroelettrica e controllo della malaria. I risultati mostrano che un potenziale trade-off tra diffusione della malaria e produzione di energia idroelettrica esiste, e permettono di valutare il costo marginale della riduzione della malaria misurato in termini di produzione energetica. Il modello può aiutare la Zambezi River Commission (ZAMCOM) a riprogettare la regolazione della diga di Kariba internalizzando il potenziale negativo impatto sulla diffusione della malattia. Ciò potrebbe rivelarsi sempre più rilevante dal momento che un numero di nuove dighe per produzione idroelettrica sono pianificate o in costruzione nel bacino dello Zambezi e in tutta l’Africa.

Water-related disease control via dam operation : balancing hydropower production and malaria spreading on Kariba reservoir

BIANCHI, PAOLO REDO;GIANELLI, LUCA
2016/2017

Abstract

Malaria is a major cause of morbidity and mortality in Sub-Saharan Africa, affecting the lives of at least 200 millions of people each year in the region. While a set of measures already exist to mitigate malaria (e.g. indoor spraying, bed nets), they are not fully successful in controlling the disease spreading. Recent efforts have confirmed and quantified widely-held theories about the effect of water bodies on malaria diffusion. Disease burden is higher in the proximity of artificial water reservoirs, where the presence of large stagnant water areas creates larger breeding sites for Anopheles mosquitoes transmitting Plasmodium falciparum. For this reason, there is a growing interest in better understanding the relationship between water level fluctuations and malaria diffusion and on the potential for dam re-operation to provide a complementary solution to malaria control in the proximity of artificial lakes. In this thesis, the impact of malaria around Kariba reservoir, shared between Zambia and Zimbabwe, is first identified and analyzed, then an operational model of malaria control via dam operation is developed and extensively tested. At present, Kariba dam is primarily operated to produce hydro-power energy and goes through a single draw-down fill-in cycle following the dry-wet season annual alternation. Dam impact on malaria transmission in the proximity to the reservoir shoreline is explored. Linear relationships between average water levels, several hydro-climatic variables, including temperature and precipitation, and average malaria transmission levels in communities around the reservoir are analyzed. Based on the highest correlations found, a dynamic data-driven model of malaria diffusion is identified, mapping lake level, temperature and precipitation into inter-annual changes of malaria rate. A Multi-objective Evolutionary Direct Policy Search approach is adopted to design the dam operation balancing the two targets of hydro-power production and malaria control. Results show that potential trade-offs do exist between malaria diffusion and hydropower production and allow to assess the marginal value of malaria reduction measured in terms of energy production. The model may help the Zambezi River Commission (ZAMCOM) in re-designing the operation of Kariba dam internalizing the potential negative impact on disease diffusion. This may prove increasingly relevant as a number of new hydro-power dam are being planned or are under construction in the Zambezi river basin and the whole Africa.
BERTONI, FEDERICA
LAUTZE, JONATHAN
ING I - Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
19-apr-2018
2016/2017
La malaria è una delle principali cause di morbilità e mortalità nell’Africa Sub- Sahariana, che colpisce la vita di almeno 200 milioni di persone ogni anno nella regione. Sebbene esistano già una serie di misure per contrastare la malaria (e.g. utilizzo di spray per ambienti, reti), queste non sono completamente efficaci nel controllare la diffusione della malattia. Nuovi studi hanno confermato e quantificato le diffuse teorie riguardo all’effetto dei corpi idrici sulla diffusione della malaria. L’incidenza della malattia è più elevato in prossimità dei bacini artificiali, dove la presenza di ampie aree ad acqua stagnante crea maggiori siti di riproduzione per le zanzare Anopheles che trasmettono il Plasmodium falciparum. Per questo motivo, c’è un crescente interesse in una migliore comprensione della relazione tra fluttuazioni del livello dell’acqua e la diffusione della malaria, e della potenziale ri-regolazione delle dighe in modo da fornire una soluzione complementare al controllo della malaria in prossimità dei laghi artificiali. In questa tesi, l’impatto della malaria attorno al lago Kariba, condiviso tra lo Zambia e lo Zimbabwe, è prima identificato e analizzato, poi un modello operativo di controllo della malaria attraverso la regolazione della diga è sviluppato e ampiamente testato. Allo stato attuale, la diga di Kariba è principalmente utilizzata per produrre energia idroelettrica e passa attraverso un ciclo semplice di riempimento e abbassamento che segue l’alternanza annuale delle stagioni secca e umida. L’impatto della diga sulla trasmissione della malaria in prossimità del litorale del bacino idrico è esplorato. Successivamente sono analizzate possibili correlazioni lineari tra i livelli medi del lago, diverse variabili idro-climatiche, tra cui temperatura e precipitazione, e i livelli medi di trasmissione della malaria nelle comunità attorno al bacino. Sulla base delle più alte correlazioni trovate, un modello dinamico, basato sui dati, di diffusione della malaria, che mappa il livello del lago, la temperatura e la precipitazione in variazioni inter-annuali del tasso di malaria, è identificato. Infine, un approccio di Multi-objective Evolutionary Direct Policy Search è adottato per progettare una regolazione della diga che bilancia i due obiettivi di produzione di energia idroelettrica e controllo della malaria. I risultati mostrano che un potenziale trade-off tra diffusione della malaria e produzione di energia idroelettrica esiste, e permettono di valutare il costo marginale della riduzione della malaria misurato in termini di produzione energetica. Il modello può aiutare la Zambezi River Commission (ZAMCOM) a riprogettare la regolazione della diga di Kariba internalizzando il potenziale negativo impatto sulla diffusione della malattia. Ciò potrebbe rivelarsi sempre più rilevante dal momento che un numero di nuove dighe per produzione idroelettrica sono pianificate o in costruzione nel bacino dello Zambezi e in tutta l’Africa.
Tesi di laurea Magistrale
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