Adaptation pathways to reconcile hydropower generation and aquatic ecosystems restoration

Abstract

The growing demands for water, food and energy, in addition to the need to protect ecosystems, pose significant challenges to water management and the operation of water systems. In hydropower-dominated basins, where reservoirs capture flow variability for energy generation, the modification of the natural flow regime disrupts the natural equilibrium of aquatic ecosystems. Migratory fish species and the associated ecosystem services are particularly vulnerable as the migration and recruitment success relies on the synchronization between the hydrologic flow regime and the reproductive cycle. While there is a consensus on the importance of restoring impacted ecosystems in balance with multiple uses, the current water governance framework lacks a comprehensive understanding of the tradeoffs involved and mechanisms for ensuring the equitable distribution of the adaptation costs among users. The present study brings a contribution to the field by proposing solutions to improve the water governance of river basins, combining the (1) identification of flow-ecological relationships by measuring the response of multiple options of flow regime restoration with a clear ecosystem indicator, (2) incorporation of the flow-ecological relationships and hydroclimatic conditions into the operation decisions of hydropower systems to create dynamic environmental flow solutions (termed Dynamic Adaptive Environmental flows – DAE-flows) with better long-term performance, (3) calculation of the reoperation trade-offs between alternative levels of environmental flow regime restoration and (4) development of mechanisms to share the adaptation costs among stakeholders. The electricity market is proposed as an institutional arrangement and financing mechanism to support the restoration of flow regimes in environmentally sensitive areas. The Upper Paraná River Basin, in Brazil, where consecutive hydropower impoundments have reduced the original floodplain along the last decades, is a recurrent example where reservoirs’ operation need to be reconciled with ecosystem functionality, which makes the basin an important study area. The findings of this dissertation indicate that it is possible to enhance the capacity of water systems to incorporate historically suppressed environmental water demands without imposing a hard constraint to economic uses. The consideration of the long-term effects of operation when designing operating strategies for multiple users leads to improved performance in both hydropower generation and meeting ecosystem demands. So, during severe droughts the water can still be reallocated to hydropower (as it is currently done) but at a lesser cost to the environment.

As demandas crescentes por água, alimentos e energia, além da necessidade de proteger os ecossistemas, tornam a gestão dos recursos hídricos, bem como a operação de sistemas hídricos, uma tarefa desafiadora. Em bacias com aproveitamento hidrelétrico, a modificação do regime de vazões decorrente da operação dos reservatórios altera o equilíbrio natural dos ecossistemas aquáticos. Espécies migratórias de peixes e serviços ecossistêmicos associados ficam particularmente vulneráveis, uma vez que o sucesso da migração e recrutamento depende da sincronização entre o regime de vazão e o ciclo reprodutivo. Embora haja consenso sobre a importância de restaurar as demandas ecossistêmicas suprimidas e alcançar um equilíbrio que permita múltiplos usos, o atual quadro de governança carece de uma compreensão abrangente dos trade-offs envolvidos e dos mecanismos para garantir a distribuição equitativa dos custos de adaptação entre os usuários. O presente estudo contribui para o campo, propondo soluções para aprimorar a governança de bacias antropizadas, combinando (1) a identificação das relações vazão-ecológicas por meio da quantificação da resposta de múltiplas opções de restauração do regime de vazão por meio de um indicador de desempenho do ecossistema, (2) a incorporação dessas relações vazão-ecológicas juntamente com condições hidroclimáticas nas decisões operacionais de sistemas hidrelétricos (denominadas Vazões Ambientais Dinâmicas e Adaptativas - DAE-flows) para criar soluções dinâmicas de operação de reservatórios, (3) o cálculo dos trade-offs de reoperação de múltiplos níveis de restauração de regime de vazão ambiental e (4) o desenvolvimento de mecanismos para compartilhar os custos relacionados entre as partes interessadas. Nesse sentido, o mercado de eletricidade é proposto como arranjo institucional e mecanismo de financiamento para apoiar a restauração de regimes de vazão em áreas ambientalmente sensíveis. A Bacia Hidrográfica do Alto Paraná, Brasil, caracterizada como uma das mais represadas da América do Sul, com 65 usinas hidrelétricas integradas ao Sistema Integrado Nacional, é um exemplo recorrente da necessidade de reconciliação entre a geração de energia e a conservação de serviços ecossistêmicos, sendo utilizada como área de estudo. Os resultados indicam que podemos aumentar a capacidade dos sistemas hídricos para incorporar demandas ambientais historicamente suprimidas sem impor uma restrição rígida aos usos econômicos. Ao considerar os efeitos de longo prazo da operação ao projetar estratégias de operação para múltiplos usuários, obtemos um desempenho aprimorado tanto na geração de energia hidrelétrica quanto no atendimento às demandas do ecossistema. Assim, durante períodos de seca severa, a água ainda pode ser realocada para a produção de energia hidrelétrica (como é feito atualmente), porém com menor impacto ambiental.