Exploring inter-country equity in Mekong River basin hydropower generation

The Mekong River basin, one of the world’s most complex transboundary water systems, is undergoing rapid infrastructural transformation. The massive expansion of the region’s hydropower sector has altered natural flow regimes, creating a reality where the interests of upstream countries goes against those of downstream ones. Although the available literature extensively discusses the current situation and growing geopolitical tensions, there is still a need for quantitative studies that consider the inclusion of equity metrics within water resource management models. This thesis aims to discuss this by exploring the trade-off between efficiency in hydroelectric production and equity in the distribution of benefits among the nations crossed by the Mekong River basin. Using the epsilon-NSGA-II algorithm, the joint operation of the main reservoirs was optimized over a ten year historical horizon (2012-2022), pursuing the conflicting objectives of maximizing energy production and maximizing energy security. The preliminary analysis of the historical scenario provided a critical view of current and historical management. The results show that the lack of international cooperation in dam operations has created a highly asymmetrical system: while upstream countries have maximized their national profits by ensuring stable production, downstream countries have suffered a transfer of hydrological risk, facing supply volatility and reduced energy security. This configuration proved not only inequitable but also technically inefficient, failing to exploit the temporal synergies between upstream releases and downstream demand. Going beyond this logic, the results of the optimization scenarios reveal the existence of several possibilities for increasing the efficiency of basin management. The first optimization scenario, in particular, refutes the hypothesis of a structural tradeoff between efficiency and equity. Flexible coordination of releases makes it possible to increase the overall energy production of the basin and, at the same time, reduce the energy deficit without compromising the revenues of upstream producers. The study also highlights the limitations of the approach based on rigid allocation constraints (constrained scenario), which prove to be sub-optimal compared to integrated management based on hydrological solidarity. In conclusion, the study discusses that the transition from national water sovereignty to cooperative regional management is the only viable strategy. The results suggest that if the goal is to drastically reduce inequity within the basin, it is necessary to use the Atkinson index as the objective function to be optimized. Another possibility is to use the energy surplus generated, by technical efficiency, as the basis for political benefit sharing mechanisms, ensuring sustainable and equitable development for the entire Mekong region.

Il bacino del fiume Mekong, uno dei sistemi idrici transfrontalieri più complessi al mondo, è al centro di una rapida trasformazione infrastrutturale. La massiccia espansione del settore idroelettrico della regione ha fortemente alterato i regimi naturali di flusso, generando una realtà che vede contrapposti gli interessi dei paesi a monte rispetto a quelli dei paesi a valle. Sebbene la letteratura a disposizione discuta approfonditamente la situazione attuale e le crescenti tensioni geopolitiche, esiste ancora il bisogno di studi quantitativi che considerano l’inserimento di metriche di equità all’interno dei modelli di gestione delle risorse idriche. Questa tesi mira ad approfondire questo argomento, esplorando il compromesso tra efficienza nella produzione idroelettrica ed equità nella distribuzione dei benefici tra le nazioni attraversate dal bacino del fiume Mekong. Utilizzando l’algoritmo epsilon-NSGA-II, è stato ottimizzato il funzionamento congiunto dei principali invasi su un orizzonte storico decennale (2012-2022), perseguendo obiettivi contrastanti di massimizzazione della produzione energetica e massimizzazione della sicurezza energetica. L’analisi preliminare dello scenario storico ha fornito una visione critica della gestione attuale e storica. I risultati dimostrano che l’operatività priva di cooperazione internazionale delle dighe ha generato un sistema fortemente asimmetrico: mentre i paesi a monte hanno massimizzato i propri profitti nazionali garantendosi una produzione stabile, i paesi a valle hanno subito un trasferimento di rischio idrologico, affrontando una volatilità delle forniture e una ridotta sicurezza energetica. Questa configurazione si è rivelata non solo iniqua, ma tecnicamente inefficiente, mancando di sfruttare le sinergie temporali tra i rilasci a monte e la domanda a valle. Andando oltre questa logica, i risultati degli scenari di ottimizzazione rivelano l’esistenza di diverse possibilità per aumentare l’efficienza della gestione dei bacini. Lo scenario della prima ottimizzazione, in particolare, smentisce l’ipotesi dell’esistenza di un trade-off strutturale tra efficienza ed equità. Il coordinamento flessibile dei rilasci permette infatti di incrementare la produzione energetica complessiva del bacino e, simultaneamente, di ridurre il deficit energetico, senza compromettere i ricavi dei produttori a monte. Lo studio evidenzia inoltre i limiti dell’approccio basato su vincoli di ripartizione rigidi (scenario vincolato), il quale si dimostra sub-ottimale rispetto a una gestione integrata basata sulla solidarietà idrologica. In conclusione, lo studio sostiene che la transizione dalla sovranità idrica nazionale a una gestione regionale cooperativa sia l’unica strategia praticabile. I risultati suggeriscono che, se l’obiettivo è ridurre drasticamente l’iniquità all’interno del bacino, è necessario utilizzare l’indice di Atkinson come funzione obiettivo da ottimizzare. Un’altra possibilità è quella di utilizzare il surplus energetico generato dall’efficienza tecnica come base per meccanismi politici di condivisione dei benefici, garantendo uno sviluppo sostenibile ed equo per l’intera regione del Mekong.