Robust design of dam heightening under climate change : a case study in the Swiss Alps

In Alpine regions, climate change is expected to have a major impact on streamflow patterns through the shortening of the seasonal snow cover duration and spatial extent in the short term, and augmenting glacier retreat in the middle and long term. As part of the current global decarbonization process, several European countries are phasing out nuclear energy and are looking for alternatives energy sources to compensate for the lost production. Switzerland has planned the withdrawal from nuclear energy gradually in the next decades and hydropower is considered a potential candidate for replacing part of the lost production. Among the several options under evaluation to increase the current level of hydropower production, including improved operation, technological solutions, market premium for existing power plant and investment contributions for new ones, increasing hydropower storage capacity by dam heightening seems to be a solution worth to be investigated. As glacier retreat will likely result in a temporary increase of streamflow availability, augmented storage capacity by dam heightening should allow to more flexibly manage this additional volume, avoiding spills and thus incrementing production. In this study, we develop a framework for the robust design of dam heightening and, correspondingly, optimal reoperation of reservoir release under changing climate. The framework is demonstrated on the Mattmark dam, an Alpine hydropower system located in the Visp Valley, Switzerland. The framework comprises the following four steps: (i) the generation of future climate scenarios using a distributed weather generator model (AWE-GEN-2d), parameterized with the new climate scenarios for Switzerland (CH2018); (ii) the use of a distributed, physically based hydrological model to translate projected climate into streamflow; (iii) the design of the dam heightening and hydropower system operation in response to the projected changes via Evolutionary Multi-Objective Direct Policy Search, including as objective functions the modification of the hydraulic system, the increased hydropower production, the structural suitability and the heightening relative effort.; and (iv) stress-test of the optimal solutions against a stochastic ensemble of future climate scenarios in order to analyse their robustness and identify options able to ensure a certain performance across multiple plausible futures. The developed framework is expected to help identifying optimal solutions, both effective in increasing the hydropower production, and robust with respect to climate change, and therefore it could further be applied to other glacier-snow dominated systems.

Nelle regioni alpine il cambiamento climatico produce impatti significativi sull'andamento delle portate idriche attraverso una riduzione della durata della copertura nevosa e della sua estensione nel breve periodo, nonché un'intensificazione del ritiro dei ghiacciai nel medio e lungo periodo. Come parte di un processo globale di decarbonizzazione diversi paesi europei hanno previsto una dismissione graduale dell'energia nucleare e sono quindi alla ricerca di risorse alternative, per compensare la produzione persa. La Svizzera ha pianificato nei prossimi decenni l'abbandono del nucleare come fonte di energia e il sistema idroelettrico è considerato un potenziale candidato per compensare parte della produzione persa. Le diverse opzioni valutate per potenziare il livello corrente di produzione idroelettrica prevedono il rafforzamento della gestione, l'apporto di soluzioni tecnologiche e un premio di mercato per le centrali energetiche esistenti o contributi di investimento per nuove centrali, nonché l'ampliamento della capacità di stoccaggio dei serbatoi idroelettrici tramite l'innalzamento del corpo della diga. Quest'ultima sembra essere una soluzione meritevole di approfondimento. Dal momento che il ritiro dei ghiacciai probabilmente comporterà un aumento temporaneo della disponibilità della portata idrica, una maggiore capacità di stoccaggio idrico data dall'innalzamento delle dighe dovrebbe permettere una gestione più flessibile di questo volume aggiuntivo, evitando sfioramenti e quindi aumentando la produzione idroelettrica. In questo studio viene sviluppato un framework per la progettazione robusta dell'innalzamento della diga e, di conseguenza, la nuova gestione ottimale dei rilasci del serbatoio, tenendo conto dei cambiamenti climatici. Il framework è dimostrato utilizzando come caso di studio la diga Mattmark, un sistema idroelettrico situato nella Valle della Vispa, in Svizzera. Il framework comprende le seguenti quattro fasi: (i) la generazione di scenari climatici futuri utilizzando un modello weather generator distribuito (AWE-GEN-2d), parametrizzato con i nuovi scenari climatici per la Svizzera (CH2018); (ii) l'uso di un modello idrologico distribuito e fisicamente basato per trasformare le variabili climatiche proiettate in portata idrica; (iii) la progettazione dell'innalzamento del corpo diga e la gestione del sistema idroelettrico in risposta ai cambiamenti previsti via Evolutionary Multi-Objective Direct Policy Search (EMODPS), includendo come funzioni obiettivo la modifica al sistema idraulico, l'aumento della produzione idroelettrica, la fattibilità strutturale e lo sforzo relativo all'innalzamento; e (iv) la valutazione delle soluzioni ottime rispetto a un ensemble stocastico di futuri scenari climatici in modo da analizzare la loro robustezza e identificare quelle soluzioni in grado di assicurare un certo grado di performance in un ampio ventaglio di plausibili futuri. Il framework sviluppato si prevede che possa costituire uno strumento di supporto all'identificazione di soluzioni ottime, sia dal punto di vista dell'aumento della produzione idroelettrica che robuste in termini di cambiamento climatico, e quindi potrebbe venir successivamente applicato ad altri sistemi caratterizzati da dinamiche glaciali e nevose.