Designing robust and sustainable development pathways in the Omo-Turkana basin

Global trends in population growth and rising economic prosperity are expected to increase the demand for energy, food, and water, with severe impact particularly in fast-growing African economies which are experiencing unprecedented growth rate. Significant investments on large dams are likely increasing in the next decades to support the production of clean energy and extensive irrigation projects. However, assessing their social, economic, and environmental impacts, especially on local stakeholders, is crucial for promot- ing development pathways that are socially inclusive as well as environmentally and economically sustainable. In this thesis, we contribute a novel decision-analytic framework to better explore the effects of alternative development pathways on the water-energy-food nexus to support strategic planning decisions in regions where dam infrastructure development and expanding agriculture have to be balanced with the local social, economic, and environmental dimensions. Our approach is demonstrated onto the Omo River - Lake Turkana basin (Ethiopia and Kenya). As part of the Ethiopian energy-security strategy, a number of dams are being constructed along the river for a total installed capacity of 4.7 GW. Besides, in the incoming years, the Lower Omo region is going to be exploited also for large-scale agricultural production, with about 160000 ha designated for irrigated sugar plantations and 100000 ha for private commercial agriculture. We consider five main stakeholders with conflicting objectives, including hydropower production, environmental protection, indigenous recession agriculture, fish yield in Lake Turkana and intensive agricultural districts production. To support the design of development pathways in this system, we first design the optimal operations of the existing infrastructures to provide an initial baseline of the system’s multisectoral tradeoffs. Then, we enlarge the system by considering the planned system expansions, either in terms of new dams, irrigation projects, or combination thereof, and quantify their potential benefits and risks. Finally, we test the robustness of the different pathways against non-stationary generated states of the world, accounting for potential changes of the hydrologic regime and of the water demands. Our analysis shows that the construction of the new Koysha dam, if optimally managed, could improve the system performance across all the five objectives; the construction of the agricultural districts, instead, is expected to produce large negative impacts on environment, recession agriculture and fishing in lake Turkana. The robustness analysis suggests that all the considered pathways are vulnerable to changes in climate and society, calling for timely adaptation policies to address the water-energy-food nexus tradeoff over the next decades.

La continua crescita della popolazione umana ed il contemporaneo miglioramento delle condizioni economiche a livello globale porteranno in futuro ad un incremento della domanda di energia, di risorse idriche e di cibo, con impatti particolarmente rilevanti sulle economie africane che si stanno sviluppando con tassi di crescita senza precedenti. È probabile che gli investimenti per la costruzione di grandi dighe aumentino nei prossimi decenni, in risposta alla crescente richiesta di energia rinnovabile e di acqua per l’irrigazione di nuovi distretti agricoli. Tuttavia, l’impatto di tali opere, che colpirà soprattutto le popolazioni toccate direttamente dai progetti, deve essere studiato e considerato sia da un punto di vista socio-economico che ambientale, in modo tale da promuovere dei percorsi di sviluppo socialmente inclusivi ed economicamente ed ecologicamente sostenibili. In questa tesi, contribuiamo allo sviluppo di un nuovo framework analitico e decisionale, che permette di esplorare meglio gli effetti di strategie alternative di sviluppo, ponendo particolare attenzione al nesso acqua-energia-cibo. L’intento è quello di supportare la pianificazione strategica in regioni ove la costruzione di nuove dighe e l’espansione dell’agricoltura devono essere bilanciate con le locali dimensioni sociali, economiche e ambientali. Tale framework è stato applicato al bacino del fiume Omo - lago Turkana tra Etiopia e Kenya. La strategia etiope per lo sviluppo di energia idroelettrica prevede la costruzione di diverse dighe lungo il corso del fiume Omo, per una capacità totale installata di 4.7 GW. Al contempo, la regione del basso Omo è soggetta ad un piano di sfruttamento per la produzione agricola intensiva su larga scala, con 160000 ha designati per la produzione di canna da zucchero e 100000 ha per agricoltura privata da commercio. Sono stati considerati cinque principali portatori di interesse, con interessi conflittuali: la produzione idroelettrica, la protezione ambientale, l’agricoltura di recessione praticata dalle tribù indigene, la pesca nel lago Turkana e la produzione agricola intensiva nei distretti del basso Omo. Per studiare l’impatto sul sistema delle diverse strategie di sviluppo, prima di tutto si sono calcolate le politiche ottime di regolazione delle infrastrutture attualmente esistenti. In questo modo si riesce ad avere una prima idea dei tradeoff tra i diversi interessi in gioco. In seguito, si è allargato il sistema considerando le future espansioni infrastrutturali, in modo da quantificare i potenziali benefici e rischi derivanti da ogni configurazione del sistema. Infine, la robustezza delle diverse configurazioni è stata testata su un insieme di possibili scenari futuri generati in modo non stazionario, che permettono di investigare le potenziali variazioni del regime idrologico e della domanda irrigua. Da queste analisi emerge che la costruzione della nuova diga Koysha, qualora venisse regolata con politiche ottime, potrebbe portare ad un miglioramento delle performance del sistema sotto tutti i cinque obiettivi considerati; la costruzione dei distretti irrigui, invece, produrrà molto probabilmente forti impatti negativi sull’ambiente, l’agricoltura di recessione e la pesca nel lago Turkana. L’analisi di robustezza suggerisce inoltre che tutte le configurazioni future del sistema sono vulnerabili ai cambiamenti climatici e sociali, il che richiederà la tempestiva adozione di politiche di adattamento per mantenere l’equilibrio tra risorse idriche-energia-cibo nei prossimi decenni.