Strategic dam planning in the Mekong River Basin accounting for GHGs emissions and river sediment connectivity

In a global context in which the need for contrasting Climate Change is increasingly evident, hydropower represents one of the most important alternatives to electricity generation by fossil fuels. We analyzed the case study of the Mekong River Basin, denominated the "Battery of South-East Asia" for its large hydropower potential. Due to its relatively recent hydropower development, the Mekong River Basin is characterized by problems of data availability and high uncertainty. We developed a framework for strategic dam planning in which we used the "Borg" Multi-Objective Evolutionary Algorithm to solve a 3-objective optimization problem: maximize hydropower production, maximize sediment supply to the delta, and minimize GHGs emissions from reservoirs. We used the "CASCADE" model to simulate the sediment transport within the basin and empirical formulas to estimate the GHGs emissions of each dam. To deal with uncertainty and seek robust solutions, we performed a Sensitivity Analysis on GHGs emissions and river sediment connectivity input data. We could identify some regions characterized by robust results (e.g., the Lancang River Basin and the Tonle Sap Basin), and some regions with results affected by high uncertainty (e.g., the 3S Basin), in which there is an urgent need to increase the efforts on data collection and carry out in-depth researches. The goal of this work of thesis consists in giving a contribution to the scientific literature regarding the topic of strategic dam planning, essential to allow sustainable hydropower development. The novelty of our approach consists in considering simultaneously hydropower production, river sediment connectivity, and GHGs emissions, to better understand the cumulative impacts of dam construction at a basin scale in a context characterized by high uncertainty, such as the Mekong River Basin.

In un contesto globale in cui la necessità di contrastare i cambiamenti climatici è sempre più evidente, l'energia idroelettrica rappresenta una delle più importanti alternative alla produzione di energia elettrica basata sui combustibili fossili. Abbiamo analizzato il caso di studio del bacino del fiume Mekong, denominato la "Batteria del sud-est asiatico" per il suo grande potenziale idroelettrico. A causa del suo relativamente recente sviluppo idroelettrico, il bacino del fiume Mekong è caratterizzato da problemi di disponibilità dei dati ed elevata incertezza. Abbiamo sviluppato un framework per la pianificazione strategica delle dighe in cui abbiamo usato l'algoritmo evolutivo multi-obiettivo "Borg" per risolvere un problema di ottimizzazione a tre obiettivi: massimizzare la produzione idroelettrica, massimizzare l'apporto di sedimenti al delta e minimizzare le emissioni di gas serra. Abbiamo utilizzato il modello "CASCADE" per simulare il trasporto dei sedimenti all'interno del bacino e formule empiriche per stimare le emissioni di gas serra di ogni diga. Per affrontare l'incertezza e cercare soluzioni robuste, abbiamo eseguito un'analisi di sensitività sui dati riguardanti le emissioni di gas serra e i sedimenti fluviali. Abbiamo potuto individuare alcune regioni caratterizzate da risultati robusti (ad esempio, il bacino del fiume Lancang e il bacino del Tonle Sap) e alcune regioni con risultati caratterizzati da un'elevata incertezza (ad esempio, il bacino 3S), in cui vi è l'urgente necessità di aumentare gli sforzi per la raccolta dei dati ed effettuare ricerche approfondite. L'obiettivo di questa tesi consiste nel dare un contributo alla letteratura scientifica sul tema della pianificazione strategica delle dighe, essenziale per consentire uno sviluppo idroelettrico sostenibile. La novità del nostro approccio consiste nel considerare contemporaneamente le emissioni di gas serra e la connettività dei sedimenti fluviali, al fine di comprendere meglio gli impatti cumulativi della costruzione di dighe alla scala di bacino in un contesto caratterizzato da elevata incertezza, come quello del fiume Mekong.