Climate change and growing population are expected to severely affect freshwater availability by the end of 21th century. Many river basins, especially in developing countries, are likely to become more prone to periods of reduced water supply, risking considerable impacts on society, environment, and economy. The construction of new dams has the potential to bring significant social and economic benefits, but in the past several negative impacts have been associated with dam construction. The existing literature concerning optimal or strategic dam planning mainly focused on sizing and siting of dams and its associated impacts; these are certainly important, but for many dams the most severe impact are not associated to regime operations, but to the construction and the filling phases. The construction phase often requires the resettlement of local populations and the preparation of the construction site, and the subsequent filling phase can have non-negligible implications downstream the dam. Extreme precaution towards downstream impacts would require transiting very high percentages of inflow resulting in multi-decadic filling time. A more efficient strategy for upstream interests would tend to speed up the impoundment of water to maximize hydropower production, generating minimal or negligible inflows for several years downstream. In this process, the hydroclimatic variability plays a key role: if the filling occurs in an extremely wet period, the downstream impact is very low, instead in a dry period the impacts will be amplified. The state of global teleconnections stongly influences the hydroclimatic variability, thus introducing a long-term source of predictability on hydrological fluctuations that can be exploited to design efficient filling operations. This study investigates different reservoir filling strategies, in particular, assessing the role that medium and long-term forecasts can play to better inform the impounding strategy, eventually modulating it over time to adapt to the hydroclimatic variability. The proposed methodology is demonstrated onto the case study of the Omo-Turkana basin in Ethiopia, where the construction and filling of Gibe III dam raised the strong opposition of the local community and international organizations. The thesis suggests a retrospective analysis of Gibe III filling to evaluate the impacts of alternative filling strategies, and demonstrate how the availability of long-term forecasts could prove extremely useful. Rainfall and temperature data necessary for this thesis were retrieved from satellite data comparing and correcting three precipitation remote sensing datasets (TRMM, CHIRPS and TAMSAT) and two temperature remote sensing datasets (MERRA-2 and ORH). Then, the selected and corrected precipitation dataset (TAMSAT) and temperature (MERRA-2) data are employed to compute two drought indexes: SPI and SPEI. Thirdly, we detected the relevant teleconnections in the area. For each phase of the considered climate signals, our approach identifies relevant anomalies in Sea Surface Temperature that influence the local hydrologic conditions which are first aggregated via Principal Component Analysis and then used as input in a multi-variate forecast model of season-ahead drought condition in the Omo basin. The filling strategies that were implemented and tested are designed to respect natural seasonal inflow variability while accounting for the forecasted state of water resources, allowing a larger fraction of the inflow to be released when a drought is forecasted. Results show that the correlation between teleconnections and local variables in the area is relevant, and can be exploited to produce reliable and accurate forecasts, e.g., 9 months ahead SPEI predictions demonstrate hindcast accuracy of R2 = 0.84. The proposed filling strategies are compared with the actual strategy employed for the filling of Gibe III and demonstrate a potential to significantly decrease downstrem impacts during filling transient, for instance by maintaining the level of downstream lake Turkana up to one meter higher than historically.

Si prevede che i cambiamenti climatici e la crescita della popolazione influenzeranno gravemente la disponibilità di acqua entro la fine del 21° secolo. Molti bacini fluviali, soprattutto nei paesi in via di sviluppo, rischiano di diventare più inclini a periodi di riduzione dell’approvvigionamento idrico, andando incontro a notevoli impatti sulla società, sull’ambiente e sull’economia. La costruzione di nuove dighe ha il potenziale per portare significativi benefici sociali ed economici, ma in passato molti impatti negativi sono stati associati alla loro costruzione. La letteratura precedente si occupa principalmente di pianificazione ottimale o strategica della diga focalizzando l’attenzione sul dimensionamento e l’ubicazione con i relativi impatti; questi sono certamente importanti, ma per molte dighe il vero impatto non è dato dalle operazioni di regime, ma dalle fasi di costruzione e di riempimento. La fase di costruzione implica il reinsediamento delle popolazioni locali e la preparazione del sito di costruzione, e la successiva fase di riempimento può avere implicazioni non trascurabili con la riduzione della portata a valle della diga. Una strategia di riempimento attenta agli impatti a valle richiederebbe di far transitare percentuali molto alte di afflusso con tempi di riempimento multi-decennali. Una strategia più efficiente per gli interessi a monte tenderebbe ad accelerare il più possibile il sequestro dell’invaso per massimizzare la produzione di energia idroelettrica, generando afflussi minimi o trascurabili per diversi anni a valle. In questo processo, la variabilità idro-climatica gioca un ruolo chiave: se il riempimento avviene in un periodo estremamente umido, l’impatto a valle è molto basso, invece in un periodo di siccità gli impatti saranno amplificati. Lo stato delle teleconnessioni globali influisce fortemente sulla variabilità idroclimatica, introducendo così una fonte a lungo termine di prevedibilità sulle fluttuazioni idrologiche che possono essere sfruttate per progettare efficienti operazioni di riempimento. Questo studio indaga diverse strategie di riempimento dei serbatoi, in particolare, valutando il ruolo che possono avere le previsioni a medio e lungo termine per meglio informare la strategia di riempimento, eventualmente modulandola nel tempo per adattarsi alla variabilità idro-climatica. La metodologia proposta è dimostrata sul caso studio del bacino Omo-Turkana in Etiopia, dove la costruzione e il riempimento della diga di Gibe III hanno sollevato la forte opposizione della comunità locale e delle organizzazioni internazionali. La tesi suggerisce un’analisi retrospettiva del riempimento di Gibe III per valutare quale impatto potrebbero avere strategie di riempimento alternative, e dimostra come la disponibilità di previsioni a lungo termine potrebbe rivelarsi estremamente utile. I dati di precipitazione e di temperatura necessari per questa tesi sono stati ottenuti da dati satellitari confrontando e correggendo tre dataset di precipitazione (TRMM, CHIRPS e TAMSAT) e due dataset di temperatura (MERRA-2 e ORH). Dopodichè, i dati di precipitazione (TAMSAT) e di temperatura (MERRA-2) che sono stati selezionati e corretti vengono utilizzati per calcolare due indici di siccità: SPI e SPEI. In terzo luogo, abbiamo rilevato le teleconnessioni pertinenti nell’area. Per ogni fase dei segnali climatici considerati, la nostra procedura identifica le anomalie rilevanti nelle Sea Surface Temperature (SST) che influenzano le condizioni idrologiche locali che vengono prima aggregate tramite un’analisi della componente principale (PC) e poi utilizzate come input in un modello di previsione multi-variata della condizione di siccità della stagione successiva nel bacino dell’Omo. Le strategie di riempimento che sono state implementate e testate hanno l’obiettivo di rispettare la naturale variabilità di afflusso stagionale, tenendo conto dello stato previsto delle risorse idriche, consentendo di rilasciare una frazione maggiore di portata quando si prevede una siccità. I risultati mostrano che la correlazione tra le teleconnessioni e le variabili locali nell’area è rilevante e che si è in grado di sfruttarla per previsioni affidabili, ad esempio, le previsioni di SPEI con 9 mesi di anticipo dimostrano un’accuratezza con R2 = 0.84. Le strategie di riempimento proposte sono confrontate con la strategia effettivamente impiegata per il riempimento di Gibe III e possiamo vedere che le strategie proposte dimostrano un potenziale per ridurre significativamente gli impatti di valle durante l’orizzonte di riempimento, ad esempio mantenendo il livello del lago Turkana a valle fino a un metro più alto di quello storico.

Designing efficient reservoir filling strategies using seasonal drought forecasts

CAVIGLIONI, LORENZO
2017/2018

Abstract

Climate change and growing population are expected to severely affect freshwater availability by the end of 21th century. Many river basins, especially in developing countries, are likely to become more prone to periods of reduced water supply, risking considerable impacts on society, environment, and economy. The construction of new dams has the potential to bring significant social and economic benefits, but in the past several negative impacts have been associated with dam construction. The existing literature concerning optimal or strategic dam planning mainly focused on sizing and siting of dams and its associated impacts; these are certainly important, but for many dams the most severe impact are not associated to regime operations, but to the construction and the filling phases. The construction phase often requires the resettlement of local populations and the preparation of the construction site, and the subsequent filling phase can have non-negligible implications downstream the dam. Extreme precaution towards downstream impacts would require transiting very high percentages of inflow resulting in multi-decadic filling time. A more efficient strategy for upstream interests would tend to speed up the impoundment of water to maximize hydropower production, generating minimal or negligible inflows for several years downstream. In this process, the hydroclimatic variability plays a key role: if the filling occurs in an extremely wet period, the downstream impact is very low, instead in a dry period the impacts will be amplified. The state of global teleconnections stongly influences the hydroclimatic variability, thus introducing a long-term source of predictability on hydrological fluctuations that can be exploited to design efficient filling operations. This study investigates different reservoir filling strategies, in particular, assessing the role that medium and long-term forecasts can play to better inform the impounding strategy, eventually modulating it over time to adapt to the hydroclimatic variability. The proposed methodology is demonstrated onto the case study of the Omo-Turkana basin in Ethiopia, where the construction and filling of Gibe III dam raised the strong opposition of the local community and international organizations. The thesis suggests a retrospective analysis of Gibe III filling to evaluate the impacts of alternative filling strategies, and demonstrate how the availability of long-term forecasts could prove extremely useful. Rainfall and temperature data necessary for this thesis were retrieved from satellite data comparing and correcting three precipitation remote sensing datasets (TRMM, CHIRPS and TAMSAT) and two temperature remote sensing datasets (MERRA-2 and ORH). Then, the selected and corrected precipitation dataset (TAMSAT) and temperature (MERRA-2) data are employed to compute two drought indexes: SPI and SPEI. Thirdly, we detected the relevant teleconnections in the area. For each phase of the considered climate signals, our approach identifies relevant anomalies in Sea Surface Temperature that influence the local hydrologic conditions which are first aggregated via Principal Component Analysis and then used as input in a multi-variate forecast model of season-ahead drought condition in the Omo basin. The filling strategies that were implemented and tested are designed to respect natural seasonal inflow variability while accounting for the forecasted state of water resources, allowing a larger fraction of the inflow to be released when a drought is forecasted. Results show that the correlation between teleconnections and local variables in the area is relevant, and can be exploited to produce reliable and accurate forecasts, e.g., 9 months ahead SPEI predictions demonstrate hindcast accuracy of R2 = 0.84. The proposed filling strategies are compared with the actual strategy employed for the filling of Gibe III and demonstrate a potential to significantly decrease downstrem impacts during filling transient, for instance by maintaining the level of downstream lake Turkana up to one meter higher than historically.
ZANIOLO, MARTA
ING I - Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
20-dic-2018
2017/2018
Si prevede che i cambiamenti climatici e la crescita della popolazione influenzeranno gravemente la disponibilità di acqua entro la fine del 21° secolo. Molti bacini fluviali, soprattutto nei paesi in via di sviluppo, rischiano di diventare più inclini a periodi di riduzione dell’approvvigionamento idrico, andando incontro a notevoli impatti sulla società, sull’ambiente e sull’economia. La costruzione di nuove dighe ha il potenziale per portare significativi benefici sociali ed economici, ma in passato molti impatti negativi sono stati associati alla loro costruzione. La letteratura precedente si occupa principalmente di pianificazione ottimale o strategica della diga focalizzando l’attenzione sul dimensionamento e l’ubicazione con i relativi impatti; questi sono certamente importanti, ma per molte dighe il vero impatto non è dato dalle operazioni di regime, ma dalle fasi di costruzione e di riempimento. La fase di costruzione implica il reinsediamento delle popolazioni locali e la preparazione del sito di costruzione, e la successiva fase di riempimento può avere implicazioni non trascurabili con la riduzione della portata a valle della diga. Una strategia di riempimento attenta agli impatti a valle richiederebbe di far transitare percentuali molto alte di afflusso con tempi di riempimento multi-decennali. Una strategia più efficiente per gli interessi a monte tenderebbe ad accelerare il più possibile il sequestro dell’invaso per massimizzare la produzione di energia idroelettrica, generando afflussi minimi o trascurabili per diversi anni a valle. In questo processo, la variabilità idro-climatica gioca un ruolo chiave: se il riempimento avviene in un periodo estremamente umido, l’impatto a valle è molto basso, invece in un periodo di siccità gli impatti saranno amplificati. Lo stato delle teleconnessioni globali influisce fortemente sulla variabilità idroclimatica, introducendo così una fonte a lungo termine di prevedibilità sulle fluttuazioni idrologiche che possono essere sfruttate per progettare efficienti operazioni di riempimento. Questo studio indaga diverse strategie di riempimento dei serbatoi, in particolare, valutando il ruolo che possono avere le previsioni a medio e lungo termine per meglio informare la strategia di riempimento, eventualmente modulandola nel tempo per adattarsi alla variabilità idro-climatica. La metodologia proposta è dimostrata sul caso studio del bacino Omo-Turkana in Etiopia, dove la costruzione e il riempimento della diga di Gibe III hanno sollevato la forte opposizione della comunità locale e delle organizzazioni internazionali. La tesi suggerisce un’analisi retrospettiva del riempimento di Gibe III per valutare quale impatto potrebbero avere strategie di riempimento alternative, e dimostra come la disponibilità di previsioni a lungo termine potrebbe rivelarsi estremamente utile. I dati di precipitazione e di temperatura necessari per questa tesi sono stati ottenuti da dati satellitari confrontando e correggendo tre dataset di precipitazione (TRMM, CHIRPS e TAMSAT) e due dataset di temperatura (MERRA-2 e ORH). Dopodichè, i dati di precipitazione (TAMSAT) e di temperatura (MERRA-2) che sono stati selezionati e corretti vengono utilizzati per calcolare due indici di siccità: SPI e SPEI. In terzo luogo, abbiamo rilevato le teleconnessioni pertinenti nell’area. Per ogni fase dei segnali climatici considerati, la nostra procedura identifica le anomalie rilevanti nelle Sea Surface Temperature (SST) che influenzano le condizioni idrologiche locali che vengono prima aggregate tramite un’analisi della componente principale (PC) e poi utilizzate come input in un modello di previsione multi-variata della condizione di siccità della stagione successiva nel bacino dell’Omo. Le strategie di riempimento che sono state implementate e testate hanno l’obiettivo di rispettare la naturale variabilità di afflusso stagionale, tenendo conto dello stato previsto delle risorse idriche, consentendo di rilasciare una frazione maggiore di portata quando si prevede una siccità. I risultati mostrano che la correlazione tra le teleconnessioni e le variabili locali nell’area è rilevante e che si è in grado di sfruttarla per previsioni affidabili, ad esempio, le previsioni di SPEI con 9 mesi di anticipo dimostrano un’accuratezza con R2 = 0.84. Le strategie di riempimento proposte sono confrontate con la strategia effettivamente impiegata per il riempimento di Gibe III e possiamo vedere che le strategie proposte dimostrano un potenziale per ridurre significativamente gli impatti di valle durante l’orizzonte di riempimento, ad esempio mantenendo il livello del lago Turkana a valle fino a un metro più alto di quello storico.
Tesi di laurea Magistrale
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