Bilancing sediment starvation and hydropower production. The case study of the Vjosa river

Fluvial ecosystem are deeply interconnected natural systems and their functioning is controlled by a number of abiotic and biotic factors and their interactions in space and time. Among these factors, sediment transport and connectivity are key elements for the well-being of both the fluvial ecosystems and the population depending on the goods and services river systems provide. Disturbances to these factors, like the construction of dams for hydropower production, are hence bound to cause changes in the river natural equilibrium. These trade-offs should be taken into consideration in multi-objective analysis, in ordert o find alternatives that provide benefits while limiting the alterations to the natural system. Modelling dam impacts on sediment connectivity requires a whole-network perspective, which is challenging to provide with common sediment transport models. CASCADE (CAtchment Sediment Connectivity And DElivery) (Schmitt et al., 2016) is a modelling framework that has been developed to tackle this problem. CASCADE provides disaggregated information about the provenance and destination of sediment derived from a specific source such as to quantitatively describe sediment connectivity in river networks. In this work, we propose a new version of the CASCADE model, where the sediment supply from each source is described not by a single sediment size, but as a distribution of sediment classes and the calculation of fractional transport rates is based on the empirical Wilcock and Crowe equation. Furthermore, two models were developed inside CASCADE to provide information of the grain size distribution in different branches of the river system. This new framework is applied to the Vjosa basin, a gravel bed river in south Albania, with long braided sections on the network. The Vjosa is one of the last untouched braided rivers in Europe with a remarkable ecological valuable. In the basin currently, there are plans for hydropower development that pose a serious threat to this valuable ecosystem. We applied CASCADE on the Vjosa to assess the impact on sediment transport due to alternative scenarios of hydropower development. We defined indicators for sediment connectivity alterations and hydropower production and adopted them in a multi-objective analysis to find optimal dam siting. Moreover, given the data scarce context, we performed a sensitivity analysis about initial sediment distribution, which is unknown, and evaluated the robustness of the ranking about the planning scenarios in function of this model uncertainty. The results show that there are alternatives that guarantee around 50\% of the maximum possible hydroelectric production without drastically altering the sediment transport or damaging the braided sections of the river. Usually, those portfolios rely on the construction of hydropower dams on the upper part of the river or on the tributaries, that have lower impact on the overall sediment connectivity. The sensitivity analysis shows that, while changes on the initial conditions significantly affect the estimation of sediment fluxes across the basin, the ranking of alternatives dam siting, and the shape and composition of the Pareto front do not change significantly. Planning solutions are robust in terms of uncertainty related to sediment connectivity assessment, caused by the employment of a basin-scale model such as CASCADE and the lack of field data.

I sistemi fluviali sono ambienti naturali strettamente interconnessi e governati da numerosi fattori biotici e abiotici che interagiscono e si influenzano reciprocamente nello spazio e nel tempo. Tra questi fattori, il trasporto solido e la connettivit\'a fluviale dei sedimenti influiscono grandemente sul corretto funzionamento del sistema stesso e conseguentemente sul benessere degli ecosistemi che dal fiume dipendono e sulle popolazioni che beneficiano di servizi e risorse che esso garantisce. Alterazioni a questi fattori, dovute ad esempio alla costruzione di dighe per produzione idroelettrica , sono dunque destinate a introdurre perturbazioni e cambiamenti al naturale funzionamento del sistema fluviale. Questi trade-off andrebbero presi in considerazione all'interno di analisi multi-obiettivi, al fine di identificare alternative che garantiscano benefici limitando al contempo le alterazioni al sistema. Modellizzare l'impatto delle dighe sulla connettivit\'a dei sedimenti richede l'adozione di una prospettiva analitica a livello di bacino fluviale, che manca nei tradizionali modelli di trasporto solido. CASCADE (CAtchment Sediment Connectivity And DElivery)\citep{schmitt2016cascade} \'e un modello sviluppato per fare fronte a questo problema, in quanto \'e in grado di fornire informazioni disaggregate sulla provenienza e la destinazione di sedimenti derivanti da diverse sorgenti al fine di descrivere quantitativamente la connettivit\'a dei sedimenti nella rete fluviale. Lo studio illustrato in questa tesi propone una versione rivisitata del modello CASCADE, nella quale il flusso di sedimenti forniti da ogni sorgente viene descritto come composto non da una singola classe di sedimenti, bens\'i da una distribuzione di differenti classe di sedimenti. Inoltre, il calcolo della capacit\'a di trasporto solido attribuite ad ogni classe \'e basato sulle equazioni empiriche di Wilcock e Crowe. Infine, all'interno di CASCADE sono stati sviluppati due differenti modelli che mirano a fornire informazioni sulla frequenza delle classi di sedimenti in differenti aree del sistema fluviale. Questo nuovo modello \'e stato appicato al bacino fluviale del Vjosa, un fiume a letto grossolano che scorre nel sud dell'Albania ed \'e caratterizzato da ampie porzioni di fiume con una struttura a canali intrecciati. Il Vjosa costituisce uno degli ultimi pristini sistemi fluviali in Europa, e vanta un eccezionale valore ecologico, minacciato, per\'o, attualmente da vari piani di sviluppo idroelettrico. Proprio per questo motivo, e cio\'e per quantificare gli impatti sul trasporto solido di differenti scenari di sviluppo idroelettrico, che CASCADE \'e stato applicato al bacino fluviale del Vjosa. Nell'ambito di un'analisi multi-obettivi, sono stati, a questo scopo, definiti due indicatori per quantificare la produzione idroelettrica e l'alterazione alla connettivit\'a dei sedimenti, utili al fine di indentificare combinazioni e posizionamento ottimali di dighe. In aggiunta, data la scarsa disponibilit\'a di dati sul campo, \'e stata condotta un'analisi di sensitivit\'a sulla distribuzione di sedimenti delle sorgenti, sulla quale non sono disponibili dati su campo, per valutare la robustezza delle prestazioni dei vari scenari di pianificazione in funzione di questa incertezza. I risultati dimostrano la fattiva possibilit\'a di identificare scenari di sviluppo che possano garantire circa il 50\% della massima produzione idroelettrica possibile senza alterare drasticamente il trasporto solido o danneggiare le porzioni di fiume a canali intrecciati. Tipicamente, questi scenari, puntando sulla costruzione di dighe situate nella zona superiore del bacino idrografico o sui tributari del fiume, mostrano un'alterazione ridotta della connettivit\'a dei sedimenti del sistema. L'analisi di sensitivit\'a mette in luce come la competitivit\'a dei vari scenari di sviluppo, valutata tramite gli indicatori, non cambia significativamente introducendo variazioni nei dati in input al modello CASCADE, e di conseguenza non mutano neppure la forma e composizione della frontiera di Pareto nell'analisi multi-obiettivi. Di conseguenza, gli scenari di sviluppo identificati come ottimali si sono dimostrati robusti anche considerando i fattori di incertezza nella misurazione dei flussi di trasporto solido dovuti all'impiego di un modello a scala di bacino come CASCADE e alla mancanza di dati su campo.