From individualism to full cooperation : optimal operation of the Nile River basin storages under varying levels of cooperation

Transboundary river basins worldwide are commonly managed by institutionally independent decision makers and characterized by multiple stakeholders with conflicting interests, including distribution, co-management, and use of water resources across sectors and among countries. This competition is expected to exacerbate in the future due to climate change induced water scarcity, increasing demand, and the development of infrastructure, which is often criticized for potentially jeopardizing downstream water security by affecting supply, irrigation, and energy production. The Nile River basin is an emblematic transboundary basin, encompassing 11 countries and home to one-third of the African population. The largest fraction of Nile River streamflow originates in Ethiopia and is conveyed into the system via the Blue Nile. However, the largest water users have historically been downstream, in particular Egypt, where the High Aswan Dam (HAD) constitutes the backbone of Egyptian electricity supply and enables the irrigation of vast agricultural districts. This geographic disparity between water origination and consumption provides both the potential for conflict and the rationale for cooperation. Currently, the ongoing construction of the soon-to-be largest dam in Africa, the Grand Ethiopian Renaissance Dam (GERD) on the Blue Nile, is highly debated given concerns rising from how it will affect water supply and power generation in downstream countries. However, GERD may represent a concrete response to the frequent regional power shortages, foster economic development, and provide a unique opportunity for cooperation between riparian countries. In this work, we explore how varying levels of cooperation among riparian countries, from individualistic behavior to full cooperation, might impact hydropower production and irrigated agriculture in the Nile River basin using the so-called status quo as benchmark. We use the Evolutionary Multi-Objective Direct Policy Search algorithm to design optimal operation of a multi-reservoirs system, including GERD (Ethiopia), the High Aswan Dam (Egypt), and the Merowe Dam (Sudan), under historical hydro-climatic conditions and under different cooperation levels. We assume the capacity of adaptation of the High Aswan Dam and the Merowe Dam to the changed Nile River hydrology and therefore the possibility of re-optimize their management policy. Results demonstrate that an individualistic behavior would generate damages to Sudanese agriculture, with high values of water deficit in the Sennar irrigation district. Assuming instead a coordinated dams management, the inclusion of the GERD could be benefical both at the single country level and from a basin perspective. In the end, full cooperation between riparian countries is associated with the highest basin-wide performance in terms of both hydropower and irrigation productivity.

I bacini fluviali transfrontalieri nel mondo sono comunemente gestiti da decisori istituzionalmente indipendenti e sono caratterizzati dalla presenza di molteplici portatori di interesse con interessi conflittuali, quali la distribuzione, la cogestione ed un utilizzo della risorsa idrica che tenga conto delle esigenze di vari settori e paesi. Ci si aspetta che questa competizione non possa che inasprirsi nel prossimo futuro a causa della carenza idrica indotta dal cambiamento climatico, dall'aumento della domanda e dallo sviluppo di nuove infrastrutture, spesso criticato in quanto potenzialmente compromettente per la sicurezza idrica a valle; ne potrebbero risentire infatti approvvigionamento, l’irrigazione e la produzione di energia. Il bacino del Nilo è un esempio emblematico di bacino transfrontaliero; comprende 11 paesi ed è abitato da un terzo dell’intera popolazione Africana. La maggior parte della portata del Nilo ha origine in Etiopia ed è convogliata all'interno del sistema attraverso il Nilo Blu. Nonostante ciò, i paesi che fanno maggiormente uso della risorsa idrica sono storicamente a valle. Tra questi in particolare l’Egitto, dove la High Aswan Dam (HAD) costituisce la spina dorsale dell'approvvigionamento elettrico egiziano e permette l’irrigazione di vasti distretti irrigui. Questa disparità geografica tra l’origine dell’acqua ed il suo consumo fornisce sia il rischio di conflitti sia il fondamento logico per una collaborazione. É attualmente in corso la costruzione di quella che sarà presto la più grande diga dell’Africa, la Grand Ethiopian Renaissance Dam (GERD) sul Nilo Blu; la sua realizzazione è molto dibattuta, viste le preoccupazioni emerse in merito a come la diga possa influenzare approvvigionamento idrico e la produzione elettrica nei paesi a valle. La GERD potrebbe però rappresentare una risposta concreta alle frequenti carenze energetiche regionali, incoraggiare lo sviluppo economico e rappresentare un'opportunità di collaborazione vantaggiosa ed unica per tutti i paesi coinvolti. In questa tesi si analizza come diversi livelli di cooperazione tra i paesi del bacino del Nilo, da un atteggiamento individualistico ad una piena collaborazione, possano influenzare la produzione di energia idroelettrica e l’agricoltura irrigua nella regione, usando come riferimento lo status quo. Si utilizza l’algoritmo Evolutionary Multi-Objective Direct Policy Search per definire le operazioni ottime di un sistema multi-serbatoio che include la GERD (Etiopia), l’HAD (Egitto) e la Diga di Merowe (Sudan). Si considerano le condizione idro-climatiche storiche e diversi livelli di cooperazione e si ipotizza inoltre la capacità di ri-ottimizzazione delle politiche di gestione della Diga High Aswan e della Diga di Merowe. I risultati dimostrano che un comportamento individualistico danneggerebbe l’agricoltura in Sudan, provocando alti valori di deficit idrico nel distretto irriguo di Sennar. Ipotizzando invece una gestione delle dighe coordinata, l’integrazione della GERD nel sistema porterebbe a benefici sia a livello di singolo paese che a livello di bacino. Infine, la cooperazione piena tra paesi della regione si dimostra essere associata alle migliori prestazioni per quanto riguarda l’intero bacino, sia in termini di produzione elettrica che in termini di produttività agricola.