Re-designing reservoir capacity in snow dominated catchments to adapt to changing climate

Water has always been a central resource for life. Since freshwater regulation has been made possible, water-related conflicts emerged with strong impacts on society, economy and human well-being. Lately, the pressure over this precious resource has grown and climate change has reduced water availability and increased the occurrences of hydro-climatic extremes, thus exacerbating the existing disputes. In this regard, an archetypal example is the Lake Como water system, where the lake is operated with the twofold objective of flood control along lake shores and water supply for agricultural downstream users. The recent, non-stationary hydrological regime reduced the spring inflow volume, leading to a lowering in the water levels trend. The latter dynamic brought out a third, new group of interests related to those agents that are damaged by the occurrence of very low levels, e.g., touristic operators, navigation companies, private boaters. Simultaneously, frequent inundations along the city of Como shoreline pushed the local authorities toward the implementation of a flood protection system, consisting of a set of mobile dykes. Lake Como is therefore currently operated in the presence of three stakeholders aiming at exploiting the discretionary operating space (DOS) in a very different fashion. In particular, the city of Como and the third sector targets a reduction in the upper and lower buffer, respectively, while the irrigation sector aims at ensuring as much water as possible for crop supply. The goal of this thesis is to reduce conflicts in reservoirs operation by designing normative constraints. Operatively, we first analyse the hydrologic regime of Lake Como, with the aim of understanding its recent non-stationary dynamic and of assessing the droughts impact on lake level. Then, exploiting the increase in control volume guaranteed by the implementation of the dykes, we evaluate the hypothesis of modifying the current DOS and the operating policy, taking into account the new stakeholder which aims at reducing the frequency and the duration of low levels. To do so, we solve a nested planning (dykes height and DOS)- management (lake release policy) optimization problem by means of an optimization approach based on Evolutionary Multi-Objective Direct Policy Search (EMODPS). The implementation of a mobile dykes system and the modification of the current DOS are shown to be effective strategies at inverting the lowering tendency of the lake waters and ultimately at reducing nascent conflicts. Many policies, eventually implying modest changes to the current conditions, enlarge the overall satisfaction by moving the dynamic of the levels upward while granting a large flexibility for the satisfaction of the historical twofold objective. Moreover, this strategy leads to regulations that are more robust at facing future, changing climate conditions.

L'acqua è da sempre una risorsa fondamentale per la vita. Fin da quando la regolazione delle risorse idriche è stata resa possibile, numerosi conflitti legati alla loro gestione sono emersi con forti impatti sulla società, l'economia e il benessere umano. Ultimamente la pressione su queste risorse è cresciuta e il cambiamento climatico ha contemporaneamente ridotto la loro disponibilità ed aumentato la frequenza degli eventi estremi portando all'inasprimento delle dispute esistenti. A questo proposito, il sistema idrico del lago di Como è un tipico esempio, dove il lago è regolato con il duplice obiettivo del controllo delle esondazioni lungo le sue sponde e della fornitura idrica agli utenti agricoli di valle. La recente non stazionarietà del regime idrologico ha portato ad una riduzione degli afflussi primaverili, producendo una tendenza di abbassamento nei livelli del lago. Quest'ultima dinamica ha generato la comparsa di un terzo nuovo gruppo di interessi legato agli utenti che sono danneggiati dal verificarsi dei bassi livelli (operatori turistici, società di navigazione, ecc.). Le frequenti inondazioni verificatesi nella città di Como hanno spinto le autorità locali a finanziare lo studio di un sistema di protezione contro le esondazioni composto da paratie mobili. Il lago di Como è quindi regolato in presenza di tre portatori di interesse che puntato a sfruttare la fascia di regolazione con modalità ben differenti. In particolare, la città di Como e il terzo settore puntano ad una riduzione di questa fascia, rispettivamente nel suo estremo superiore e in quello inferiore, mentre il settore irriguo intende poter accumulare tutto il volume necessario per la sua fornitura. Lo scopo di questa tesi è di ridurre i conflitti legati alla regolazione dei serbatoi idrici progettando nuovi vincoli normativi. Inizialmente è stato analizzato il regime idrologico del lago di Como al fine di identificare le sue più recenti dinamiche e gli impatti dei peridi siccitosi sui livelli del lago. Successivamente, sfruttando l'aumento di volume regolabile fornito dall'implementazione delle paratie, è stata valutata l'ipotesi di modificare l'attuale fascia di regolazione e la politica di regolazione considerando anche gli interessi del settore emergente. A questo scopo è stato risolto un problema integrato di ottima pianificazione (altezza delle paratie e fascia di regolazione) e ottima gestione (politica di regolazione) tramite un approccio basato sulla Evolutionary Multi-Objective Direct Policy Search (EMODPS). L'implementazione delle paratie e la modifica dell'attuale fascia di regolazione si sono dimostrate strategie efficienti per l'inversione della tendenza di abbassamento dei livelli del lago e per la riduzione dei conflitti nascenti. Molte politiche infatti sono in grado di migliorare la performance del sistema, anche apportando limitate modifiche alle condizioni del sistema attuale, alzando il livello del lago e fornendo una migliore flessibilità di regolazione per il raggiungimento degli obiettivi storici. Inoltre, questa strategia si è dimostrata più robusta dell'attuale nell'affrontare gli impatti del cambiamento climatico.