Management of multi-purpose reservoirs under climate change: impact assessment and adaptation strategies

Climate change is considered as one of the major forces that will affect water availability in the future. Identifying possible response strategies is a complex task because future projections are deeply uncertain and hydro-climatic conditions are expected to evolve gradually in the next decades. Current water management practices may not be robust enough to cope with the climate change impacts on water supply, flood control, agriculture, energy and ecosystems. Methods and tools to assist water resource planners and decision makers are thus required. In this thesis we assess how current and novel, adaptive approaches to water resource management can be used to cope with uncertain and nonstationary hydro-climatic conditions. We discuss the two mainstream approaches to assess climate change impact and to design adaptation strategies, i.e., the scenario-based approach and the vulnerability-based approach. We explore more in depth the vulnerability-based approach, which, in our opinion, is the most promising way to tackle the problems related to the sustainability of the water uses. To this end, we use modelling and optimization tools to explore vulnerabilities and adaptive capacities of water systems and to produce knowledge that is relevant in the decision making context. In particular, we integrate the simulation models usually employed to estimate the impacts of climate change on water resources by considering water-value models, decision models, and multi-objective optimization techniques which allow to describe the complex interactions between social, economic, and environmental aspects. The main contributions of the thesis can be summarized in the following points: i) we exploit simulation and optimization techniques to re-frame the institutional setting where reservoirs are operated, demonstrating that a shift toward a more cooperative and flexible setting can increase the overall efficiency of water resource management and can improve the resilience to unforeseen events, ii) we propose an impact assessment procedure to assess the ability of water resource management practices to compensate future water stresses as projected by climate models, iii) we present tools to assess the inherent adaptation capacity of water system to hydro-climatic changes which, on the one hand, allow to gain a deeper knowledge of the water system characteristics, and, on the other hand, can drive the identification of the most promising adaptation measures to further enhance the adaptation potential of water systems; iv) we address the topic of trend detection in environmental time series combining novel and traditional tools in order to simultaneously tackle the issue of seasonality and interannual variability, which usually characterize natural processes; v) we use stochastic recursive control and model predictive control to test if adaptive management is a viable adaptation measure to climate change. Models and optimization techniques are tested on real-world case studies to discuss their potential and limitations.

Il cambiamento climatico è considerato una delle maggiori forzanti che influenzeranno la disponibilità idrica nel futuro. Individuare possibili strategie di risposta è un compito complesso, da un lato, perché gli scenari futuri sono profondamente incerti e, dall’altro, perché le condizioni idro-climatiche evolveranno gradualmente nei prossimi decenni. Si ritiene che le attuali pratiche di gestione delle risorse idriche non siano in grado di far fronte ai possibili impatti dei cambiamenti climatici in termini di fornitura irrigua ed energetica, controllo delle esondazioni e protezione degli ecosistemi. Sono quindi necessari metodi e strumenti per supportare i decisori politici nella pianificazione e gestione delle risorse idriche. L’obiettivo di questa tesi è valutare se e come le pratiche attuali e nuovi approcci adattivi alla gestione delle risorse idriche siano in grado di far fronte a condizioni idro-climatiche incerte e non stazionarie. Durante la trattazione, presentiamo i due principali approcci utilizzati in letteratura per valutare l'impatto dei cambiamenti climatici e per definire strategie di adattamento: l’approccio scenario-based e vulnerability-based. Approfondiamo in particolare il secondo che, a nostro parere, rappresenta il modo più promettente per affrontare il tema della sostenibilità dell’uso delle risorse idriche. A tal fine, presentiamo strumenti di modellistica e ottimizzazione per identificare le vulnerabilità e le potenzialità delle diverse pratiche di gestione, in modo da produrre informazioni utili al processo decisionale nell’ottica dei sistemi di supporto alle decisioni. In particolare, integriamo i modelli di simulazione solitamente utilizzati per stimare gli impatti dei cambiamenti climatici aggiungendo indicatori quantitativi legati all’utilizzo delle risorse idriche, modelli decisionali e tecniche di ottimizzazione multi-obiettivo che, combinati insieme, permettono di descrivere il complesso sistema di interazioni socio-economiche e ambientali tipico dei problemi decisionali in campo ambientale. I principali contributi della tesi possono essere riassunti nei punti seguenti: i) sfruttiamo tecniche di simulazione e ottimizzazione per ridefinire il contesto istituzionale in cui serbatoi idrici sono gestiti, dimostrando come uno spostamento verso contesti più collaborativi e flessibili sia in grado di aumentare l'efficienza complessiva di gestione delle risorse idriche e possa migliorare la capacità di reagire efficacemente a eventi imprevisti, ii) proponiamo una procedura di valutazione d'impatto dei cambiamenti climatici per stabilire la capacità delle diverse pratiche di gestione delle risorse idriche di compensare a eventuali stress idrici futuri, iii) presentiamo strumenti per valutare la capacità intrinseca dei sistemi idrici di adattarsi ai cambiamenti idro-climatici in modo da guidare, in un secondo momento, la scelta delle misure di adattamento più efficaci nell’aumentare tale potenziale; iv) affrontiamo il tema della identificazione di trend nelle serie temporali di variabili ambientali, quali portata, temperatura e precipitazione, combinando strumenti tradizionali e innovativi che siano in grado di affrontare contemporaneamente il problema della stagionalità e della variabilità interannuale, che di solito caratterizzano i fenomeni naturali; v) usiamo tecniche di controllo ricorsivo stocastico e di controllo predittivo per verificare se la gestione adattativa delle risorse idriche possa essere considerata una misura di adattamento efficace per far fronte al cambiamento climatico. Tutti gli strumenti modellistici e di ottimizzazione sono testati su casi di studio reali in modo da poterne discutere le potenzialità e i limiti.