In recent decades, global water resources are facing increasing pressure due to growing demands for food and energy, improved living standards, and complex regional water governance. Within the Mekong River basin, these factors have led to the rapid development of several dams, provoking cumulative impacts on both the river ecosystems and the communities reliant on them. Our study focuses on the Sekong, Sesan, and Srepok (3S) River basin, an important tributary of the Mekong River, where over the last two decades more than 20 large hydropower dams have been built. To evaluate the impacts of these dams and their water releases on the river basin sediment routing and how this, in turn, influences water storages and dam releases, we developed a framework that combines hydrological processes, water reservoir management, and sediment connectivity. The goal is achieved by coupling VICRes, a large-scale hydrological-water management model that dynamically represents water reservoirs and their operations, with D-CASCADE, a dynamic basin-scale sediment routing model. Our results indicate that the 3S basin has lost approximately 60% of its annual outlet sediment load due to the cumulative impact of 26 large hydropower dams. Moreover, the basin is experiencing an annual loss of approximately 0.32%/yr of its total water storage capacity due to sediment deposition trapped by the reservoirs, ultimately affecting reservoir water releases. Despite being minimal, the interaction between hydrology and sediment dynamics exists, and this study outlines it trying to quantify it. Finally, we employed the configured model, coupled with the ϵ-NSGAII Multi-Objective Evolutionary Algorithm, to derive Pareto-Optimal configurations of coordinated water release policies for multiple reservoirs, minimizing trade-offs between energy generation and outlet sediment delivery. Our analysis reveals that the operational space of the existing reservoir configuration is limited, and water release policies can only marginally enhance the 3S sediment loads. The novelty of our approach lies in the development of a framework that dynamically models both hydrology and sediment connectivity as an integrated system. This integrated framework not only enhances the capability to simulate water system behavior but also offers insights into the interactions among these dimensions. Furthermore, it enables the understanding of trade-offs between two conflicting aspects of the river’s water resources: river sediment connectivity and hydropower generation. This facilitates the exploration of how water release policies for Mekong River reservoirs should be modified to enhance the river sediment connectivity dimension and safeguard the survival of its Delta.

Negli ultimi decenni, le risorse idriche globali stanno subendo una crescente pressione a causa dell’aumento della domanda di cibo ed energia, del miglioramento degli standard di vita e delle complesse politiche idriche inter-regionali. All’interno del bacino del fiume Mekong, questi fattori hanno portato al rapido sviluppo di numerose dighe, impattando sia gli ecosistemi fluviali che le comunità che da essi dipendono. Il nostro studio si concentra sul bacino fluviale dei fiumi Sekong, Sesan e Srepok (3S), un importante affluente del fiume Mekong, dove negli ultimi due decenni sono state costruite più di 20 grosse dighe idroelettriche. Per valutare gli impatti di queste dighe e dei loro rilasci d’acqua sul trasporto dei sedimenti, e come esso influisce a sua volta sugli accumuli d’acqua nei serbatoi e sui rilasci delle dighe, abbiamo sviluppato un framework che combina processi idrologici, gestione dei serbatoi idrici e connettività dei sedimenti. L’obiettivo è stato raggiunto accoppiando VICRes, un modello idrologico su larga scala che rappresenta dinamicamente i serbatoi d’acqua e le loro gestioni, con D-CASCADE, un modello dinamico di trasporto dei sedimenti su scala di bacino. I nostri risultati indicano che il bacino del 3S ha perso circa il 60% del carico annuale di sedimenti che lasciano il bacino e raggiungono il Mekong a causa dell’impatto cumulativo di 26 grandi dighe idroelettriche. Inoltre, il bacino sta subendo una perdita annuale di circa lo 0,32% della sua capacità totale di stoccaggio d’acqua a causa della deposizione di sedimenti intrappolati nei serbatoi, influenzando in ultima analisi i rilasci d’acqua dei serbatoi. Benché sia di entità minima, l’interazione tra l’idrologia e le dinamiche dei sedimenti esiste e questo studio la evidenzia cercando di quantificarla. Infine, abbiamo utilizzato il modello proposto, accoppiato con l’algoritmo evolutivo multi-obiettivo ϵ-NSGAII, per derivare configurazioni pareto ottime di politiche di gestione dei rilasci coordinate per più serbatoi, minimizzando i trade-offs tra la generazione di energia e il carico annuale di sedimenti in uscita dal bacino. La nostra analisi rivela che lo spazio operativo della configurazione esistente dei serbatoi del 3S è piuttosto limitato e le strategie di rilascio dei serbatoi possono solo marginalmente migliorare il carico di sedimenti in uscita dal bacino. La novità del nostro approccio risiede nello sviluppo di un framework che modella dinamicamente sia l’idrologia che la connettività fluviale dei sedimenti come un sistema integrato. Questo framework integrato non solo migliora la capacità di simulare il comportamento del sistema fluviale, ma offre anche approfondimenti sulle interazioni tra queste dimensioni. Inoltre, consente di comprendere i trade-offs tra due aspetti contrastanti delle risorse idriche del fiume: la connettività fluviale dei sedimenti e la generazione di energia idroelettrica, agevolando l’esplorazione di come le strategie di rilascio per i serbatoi del fiume Mekong dovrebbero essere modificate per migliorare la connettività fluviale dei sedimenti e salvaguardare la sopravvivenza del suo Delta.

Enhancing Mekong river basin reservoir operations: balancing hydropower production and sediment transport

Invernizzi, Bruno
2022/2023

Abstract

In recent decades, global water resources are facing increasing pressure due to growing demands for food and energy, improved living standards, and complex regional water governance. Within the Mekong River basin, these factors have led to the rapid development of several dams, provoking cumulative impacts on both the river ecosystems and the communities reliant on them. Our study focuses on the Sekong, Sesan, and Srepok (3S) River basin, an important tributary of the Mekong River, where over the last two decades more than 20 large hydropower dams have been built. To evaluate the impacts of these dams and their water releases on the river basin sediment routing and how this, in turn, influences water storages and dam releases, we developed a framework that combines hydrological processes, water reservoir management, and sediment connectivity. The goal is achieved by coupling VICRes, a large-scale hydrological-water management model that dynamically represents water reservoirs and their operations, with D-CASCADE, a dynamic basin-scale sediment routing model. Our results indicate that the 3S basin has lost approximately 60% of its annual outlet sediment load due to the cumulative impact of 26 large hydropower dams. Moreover, the basin is experiencing an annual loss of approximately 0.32%/yr of its total water storage capacity due to sediment deposition trapped by the reservoirs, ultimately affecting reservoir water releases. Despite being minimal, the interaction between hydrology and sediment dynamics exists, and this study outlines it trying to quantify it. Finally, we employed the configured model, coupled with the ϵ-NSGAII Multi-Objective Evolutionary Algorithm, to derive Pareto-Optimal configurations of coordinated water release policies for multiple reservoirs, minimizing trade-offs between energy generation and outlet sediment delivery. Our analysis reveals that the operational space of the existing reservoir configuration is limited, and water release policies can only marginally enhance the 3S sediment loads. The novelty of our approach lies in the development of a framework that dynamically models both hydrology and sediment connectivity as an integrated system. This integrated framework not only enhances the capability to simulate water system behavior but also offers insights into the interactions among these dimensions. Furthermore, it enables the understanding of trade-offs between two conflicting aspects of the river’s water resources: river sediment connectivity and hydropower generation. This facilitates the exploration of how water release policies for Mekong River reservoirs should be modified to enhance the river sediment connectivity dimension and safeguard the survival of its Delta.
GALELLI, STEFANO
TANGI, MARCO
ING I - Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
19-dic-2023
2022/2023
Negli ultimi decenni, le risorse idriche globali stanno subendo una crescente pressione a causa dell’aumento della domanda di cibo ed energia, del miglioramento degli standard di vita e delle complesse politiche idriche inter-regionali. All’interno del bacino del fiume Mekong, questi fattori hanno portato al rapido sviluppo di numerose dighe, impattando sia gli ecosistemi fluviali che le comunità che da essi dipendono. Il nostro studio si concentra sul bacino fluviale dei fiumi Sekong, Sesan e Srepok (3S), un importante affluente del fiume Mekong, dove negli ultimi due decenni sono state costruite più di 20 grosse dighe idroelettriche. Per valutare gli impatti di queste dighe e dei loro rilasci d’acqua sul trasporto dei sedimenti, e come esso influisce a sua volta sugli accumuli d’acqua nei serbatoi e sui rilasci delle dighe, abbiamo sviluppato un framework che combina processi idrologici, gestione dei serbatoi idrici e connettività dei sedimenti. L’obiettivo è stato raggiunto accoppiando VICRes, un modello idrologico su larga scala che rappresenta dinamicamente i serbatoi d’acqua e le loro gestioni, con D-CASCADE, un modello dinamico di trasporto dei sedimenti su scala di bacino. I nostri risultati indicano che il bacino del 3S ha perso circa il 60% del carico annuale di sedimenti che lasciano il bacino e raggiungono il Mekong a causa dell’impatto cumulativo di 26 grandi dighe idroelettriche. Inoltre, il bacino sta subendo una perdita annuale di circa lo 0,32% della sua capacità totale di stoccaggio d’acqua a causa della deposizione di sedimenti intrappolati nei serbatoi, influenzando in ultima analisi i rilasci d’acqua dei serbatoi. Benché sia di entità minima, l’interazione tra l’idrologia e le dinamiche dei sedimenti esiste e questo studio la evidenzia cercando di quantificarla. Infine, abbiamo utilizzato il modello proposto, accoppiato con l’algoritmo evolutivo multi-obiettivo ϵ-NSGAII, per derivare configurazioni pareto ottime di politiche di gestione dei rilasci coordinate per più serbatoi, minimizzando i trade-offs tra la generazione di energia e il carico annuale di sedimenti in uscita dal bacino. La nostra analisi rivela che lo spazio operativo della configurazione esistente dei serbatoi del 3S è piuttosto limitato e le strategie di rilascio dei serbatoi possono solo marginalmente migliorare il carico di sedimenti in uscita dal bacino. La novità del nostro approccio risiede nello sviluppo di un framework che modella dinamicamente sia l’idrologia che la connettività fluviale dei sedimenti come un sistema integrato. Questo framework integrato non solo migliora la capacità di simulare il comportamento del sistema fluviale, ma offre anche approfondimenti sulle interazioni tra queste dimensioni. Inoltre, consente di comprendere i trade-offs tra due aspetti contrastanti delle risorse idriche del fiume: la connettività fluviale dei sedimenti e la generazione di energia idroelettrica, agevolando l’esplorazione di come le strategie di rilascio per i serbatoi del fiume Mekong dovrebbero essere modificate per migliorare la connettività fluviale dei sedimenti e salvaguardare la sopravvivenza del suo Delta.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/214375