Multi-objective robust decision making to discover future vulnerabilities of the Jucar river basin under climate change

Today the management of water systems requires robust policies capable of withstanding deviations from the conditions for which they were originally designed, due to the large degree of uncertainty about future inflows and water demands. Climate change emphasizes a future context subjected to continuously evolving and deeply uncertain hydroclimatic inputs, challenging the performance of these systems, which may degrade to a point where they become unable to meet the primary objectives for which they were built, potentially causing even a complete system failure. This thesis contributes a Multi-Objective Robust Decision Making analysis to assess the robustness of the current management of the Júcar river basin, i.e. its ability to remain insensitive to a large degree of uncertain future conditions, discovering future vulnerabilities on the associated WEFE Nexus (Water-Energy-Food Ecosystem). The Júcar river basin is a Mediterranean basin in Spain, already subjected to a precarious balance between water demand and available resources that will be further challenged by climate change causing a reduction of water availability and increase of drought episodes intensity. The performance of the current system’s operation is assessed in terms of agricultural and hydropower benefits and in terms of ecosystem services, under different IPCC scenarios over the time horizon 2016-2100. These climate projections are then synthetically perturbed to generate a larger ensemble of future scenarios, which are used to complement the robustness analysis and to identify the main system’s vulnerabilities. Results show substantial vulnerabilities of the system over the next decades for all the WEFE sectors and under all the IPCC scenarios, with the exception of SSP1-1.9 that can ensure a robust performance close to the historical one, although slightly lower. These findings suggest the need to urgently search for alternative adaptation and mitigation options to face future conditions. The work is a potential starting point for future research focused on finding the main critical drivers associated with the vulnerabilities here identified, and on exploring different adaptation options to re-establish a future acceptable management of the water system.

Oggi la gestione dei sistemi idrici necessita di politiche robuste, capaci di resistere a variazioni rispetto alle condizioni per le quali erano state originariamente create, a causa del vasto grado di incertezza a cui sono soggetti afflussi e domanda idrica del futuro. Il cambiamento climatico enfatizza l’ipotesi di uno scenario futuro caratterizzato da fattori idroclimatici mutevoli e soggetti a profonda incertezza, mettendo a dura prova questi sistemi che vedono la loro performance ridotta a un punto tale da non riuscire a soddisfare i propri obiettivi primari, rischiando di portare ad un fallimento del sistema stesso. Questo lavoro illustra un’analisi Multi-Obiettivo di Robust Decision Making per valutare la robustezza della politica attuale di gestione di un sistema idrico, cioè la sua capacità di rimanere insensibile verso un grande numero di condizioni future incerte, portando alla luce le vulnerabilità future nella rete Acqua-Energia-Cibo-Ecosistemi (WEFE Nexus) ad esso associata. L’analisi è condotta sul caso studio del bacino idrico dello Júcar, situato nella Spagna mediterranea, già attualmente caratterizzato da un equilibrio precario tra domanda idrica e risorsa disponibile che verrà aggravato ulteriormente dal cambiamento climatico con ulteriore diminuzione di acqua disponibile e aumento dei periodi di siccità. La performance attuale del sistema è stata valutata in termini di benefit agicolo ed idroelettrico e di servizi ecosistemici, per diversi possibili scenari dell’IPCC, sull’orizzonte temporale 2016-2100. Queste proiezioni climatiche sono state successivamente perturbate sinteticamente per generare ampi ensembles di scenari futuri, usati per completare l’analisi di robustezza e identificare le principali vulnerabilità nel sistema. I principali risultati evidenziano consistenti criticità che influenzeranno i prossimi decenni, riguardanti tutti i settori WEFE e per tutti gli scenari IPCC, con eccezione dello scenario SSP1-1.9 che riesce ad assicurare una performance robusta vicina a quella storica, sebbene comunque leggermente inferiore. Tali risultati suggeriscono il bisogno urgente di cercare opzioni alternative di adattamento e mitigazione per fronteggiare le condizioni future. Questo lavoro è una potenziale base di partenza per ricerche future indirizzate sia a trovare i principali drivers associati alle vulnerabilità, in modo da intervenire su di essi, sia per testare differenti opzioni che potrebbero ristabilire una gestione del sistema idrico accettabile per il futuro.