Umeå University's logo

Hydropower is central to renewable electricity systems, but degrades ecosystems, calling for environmental flow schemes to enhance the ecological status of river systems. Environmental flow assessments need to account for climate change, since climate-driven changes in runoff affect both hydropower operation and riverine ecosystems. Here, we quantify expected changes in hydropower production and environmental benefits of introducing environmental flows in a large regulated river system in northern Sweden in a future climate. Compared with the hydrology of 1981–2010, runoff is projected to increase with climatic conditions projected for 2040, leading to a 2.2 % increase in hydropower production with present rules for turbine and reservoir operation. Implementing environmental flows will result in lower hydropower production losses in with the 2040 climate than at present: Introducing restrictions against zero flow events, discharge to technical fishways and bypassed reaches throughout the year (with seasonal flow variation), as well as having more natural water-level variation in all run-of-river impoundments, would reduce annual hydropower production with 3.5 % with present conditions, and by 3.3 % in 2040. At the same time, the net effect of higher runoff and introducing environmental flows means that the annual hydropower production in the 2040 climate would be only 0.8 % lower compared to 1981–2010. In all scenarios, reservoir filling degree in 2040 was projected to increase compared to scenarios for 1981–2010, and flow requirements were met for both environmental flows and hydropower production over an 83-year scenario-based time series. This study demonstrates the feasibility of introducing environmental flow actions in Sweden, and other regions where increases in runoff are projected, with sustained hydropower production, having large benefits for riverine biodiversity and enhancing resilience of riverine ecosystems to climate change. For this to be successful, collaboration among stakeholders in riverine management is needed.

Restaurering av Juktån är ett samverkansprojekt som har drivits på frivillig basis av den ideella föreningen Samverkan Umeälven (www.umealven.se) tillsammans med Umeälvensvattenregleringsföretag, Vattenfall och Umeå Universitet. Juktån är en 60 kilometer lång torrfåra med minimitappning om 12% av det oreglerade flödet (MQ) vid reglerings. I produktionssystemet har den en funktion som spillfåra. Projektets ambition och mål var att Juktån skulle återfå ekologisk funktion med fungerande reproduktion av öring och harr, mer naturlig och bredare strandvegetation och svämskogar, mer naturlig artsammansättning av makrofyter samt en sedimentationsprocess med mindre deponering av silt och finsediment. Juktånprojektet har kartlagt och genomfört biotopåtgärder samt restaurerat huvudfåran sträckan nedströms Tjangarn och sidofåran Lickotgrenen under 2019 och 2020. Totalt har dryga 35 kilometer torrfåra restaurerats, hundratals trösklar och flottledsobjekt har rivits ut. Juktåprojektet ansökte hos Mark och Miljö Domstolen (MMD) om att ändra den relativt statiska minimitappningen till en säsongsanpassad minimitappning, vilket beviljades i augusti 2020 och infördes våren 2021. Metoderna för att genomföra restaureringen bygger på restaureringsekologi och sambandet till naturlig flödesregim. Juktåns restaurering har inneburit en komplex restaurering från utrivning av grunddammar och trösklar, restaurering av den fysiska miljön för att gynna öring, harr, makrofyter, strandvegetation och processer. Vi har utgått från ekologi i oreglerade vattendrag och utvecklat metoder speciellt anpassat för torrfåror med minimitappning. Preliminära resultat visar på en ökad reproduktion av öring, mer naturliga processer kopplat till flöde, sedimentation, vattenhastighet och som har påverkat både makrofyter samt strandvegetation.

To enable prioritization among measures for ecological restoration, knowing the expected benefits and consequences of implementation is imperative but rarely explicitly quantified. We developed a novel method to prioritize among environmental flow measures to rehabilitate ecosystems in the Ume River catchment in northern Sweden, a river system heavily regulated for hydropower production. Our strategy was to identify measures with minimal impact on hydropower production while providing substantial environmental benefits. Based on field surveys of remaining natural values and potential for ecological rehabilitation, we quantified the projected gain in habitat area of implementing environmental flows for target organism groups, for example, lotic fish species and riparian vegetation, along the whole river length. We quantified the consequences for hydropower production by identifying a set of hydropower operational rules reflecting the constraints added by environmental flows. We then used production optimization software to calculate changes in hydropower production and revenues. Implementing restrictions on zero-flow events by mandating minimum discharge at all run-of-river hydropower stations and allocating 1%–12% of mean annual discharge to bypassed reaches in the entire catchment would result in a 2.1% loss of annual electricity production. Adding flow to fishways would increase the loss to 3.1% per year. With implementation of more natural water-level fluctuations in run-of-river impoundments, the loss increases to 3.8%. These actions would increase the habitat for lotic species like the grayling Thymallus more than threefold and increase the area of riparian vegetation by about 66%. Our method forms a basis for ongoing implementation of nationwide environmental rehabilitation schemes.

Denna rapport utgör en beskrivning av dagens vattenkraftproduktion, återstående strömhabitat och nutida och dåtida naturvärden i Ljungan med förslag till miljöåtgärder och en skattning av kostnaderna (i form av kraftproduktion) och miljönyttorna (främst räknat som tillgängliggjort habitat). I arbetet, som följer de riktlinjer som presenteras i rapporter från forskningsprojektet Priokliv, ingår även en bristanalys där dagens situation jämförs med förhållanden innan vattenkraften byggdes ut. Därefter har vi utformat förslag på miljöanpassade flöden, öppnade vandringsvägar samt kompletterande åtgärder. Miljöåtgärderna fokuserar främst på ett antal scenarier med olika åtgärder där kostnader och miljönyttor jämförs med dagens situation. Arbetet fokuserar på huvudfårorna av Ljungan och Gimån i de vattenkraftpåverkade delarna. Vattensystemet har delats in i 20 dämningsområden, sträckor mellan kraftverk, där naturvärdet beskrivs utifrån habitat (strömsträckor, deltaområden, tillgång till biflöden, skyddad natur och kulturmiljöer) och förekommande arter. För de senare ligger fokus på arter som är rödlistade eller pekas ut i Art- och Habitatdirektivet eller Fågeldirektivet. Artuppgifterna kommer från standardiserad övervakning (fisk, flodpärlmussla) redovisad i offentliga databaser samt från rapporterade artförekomster till SLU:s Artportal. Analyserna visar att en stor påverkan skett av vattensystemet med förändrat flödesmönster, omfattande korttidsreglering och 18 torrfåror i området med en samlad areal av 219 hektar. Ett normalår är det nolltappning vid 175 tillfällen nedströms Flåsjön och 286 tillfällen nedom Holmsjön. Påverkan från korttidsreglering i älvsystemet är således omfattande, och åtgärder som kan lindra dess effekter har stor potential. Fiskfaunan har påverkats och laxens område utgör idag endast 7% av den forna längden. Endast 3% av avrinningsområdets dammar har fiskvägar. Sammanställningen visar samtidigt att det finns naturvärden kvar. Vid jämförelse med fallhöjd före regleringen av Ljungan med nuvarande förhållande visar analyserna att 16% av fallhöjden återstår. Beskrivningen av naturvärden visar att de är klart högst i de övre delarna av Ljungan och Gimån, dvs ovanför området där vattenkraftproduktion sker, men ett antal ekologiska värdekärnor har identifierats i de nedre delarna. Vi har även beaktat effekterna av det framtida klimatet. För år 2040 beräknas produktionen av elektricitet öka med i medel 3,1% jämfört med nuvarande förhållanden för hela avrinningsområdet. Vi förordar mer dynamiska modeller för att beskriva miljönyttorna som omfattar påverkan på processer i vattendraget, gynnad areal av bristhabitat, tillgängliggjord areal genom konnektivitet samt biologi som är kopplat till hydrologi på varierande skala gällande tidsupplösning och geografi. Nyttorna beskrivs genom tillgänglig gjord eller förbättrad areal av strömmande habitat, minskad påverkan av korttidsregleringseffekter, konnektivitet i form av tillgängliggjort habitat och vattendragslängd i denna rapport. Ekologisk reglering har modellerats med 13 scenarios och resultaten varierar gällande produktionspåverkan från att produktionen ökar med 1,2% (nolltappningsförbud nedströms Holmsjön i framtida klimat 2040) till en minskning av produktionen med 15,2% (statiska spill till torrfåror motsvarande medellågvattenföring (MLQ)).  Samtliga scenarios med ekologisk reglering har påverkan på när produktionen av elektricitet sker över året, månad, vecka, dygn och timme. Det innebär att vi i modellerna flyttar produktionstillfället från tider med stora behov från samhället av elektricitet till tillfällen med lägre behov från samhället. Resultaten presenteras samlat mer utförligt i kapitel 8-9.  Vi belyser betydelsen av noggranna och detaljerade beskrivningar av åtgärder, kostnader, miljönyttor och produktionspåverkan på energisystemet med avrinnesområdet som den minsta geografiska ytan.

Syftet med projektet var att ta fram metoder för att underlätta beslut om minimitappning och andra miljöförbättringsåtgärder för torrfåror, d.v.s. vattendragssträckor där vatten letts bort via kanaler eller tunnlar för att passera genom vattenkraftverks turbiner. Ibland sker även överledning från ett vattendrag till ett annat för att på så sätt öka produktionen av vattenkraft i vissa kraftverksanläggningar. Detta lämnar den ursprungliga fåran helt eller delvis torrlagd under stora delar av året. Vi har i denna rapport valt att använda begreppet ”torrfåror” för att indikera att det mest utmärkande draget är den reducerade vattenföringen. Många av dessa sträckor var ursprungligen forsar, och ekosystem och arter knutna till forsar har blivit sällsynta. 

Vi kartlade förekomsten av torrfåror i Sverige, och totalt identifierades och verifierades 972 torrfåror i en databas. 366 av dessa är belägna i Götaland, 323 i Svealand och 283 i Norrland. Den absoluta majoriteten av Sveriges torrfåror saknar bestämmelser om minimitappning. För de 622 torrfåror där vi hittat uppgifter om vattenföring, saknar 481 (77%) en tilldömd minimitappning. De 137 torrfårorna med minimitappning hade i genomsnitt en medelminimitappning på årsbasis på endast 3,6% av den naturliga årsmedelvattenföringen. I 63% av torrfårorna med minimitappning var denna lika med eller mindre än 5% av den naturliga årsmedelvattenföringen, och 48% var flödet lika med eller mindre än 0,5 m3/s. 

Analyser av fiskfaunan baserat på elfiskedata visar att torrfåror hade i genomsnitt lägre andel fiskar som hör till typiskt sett strömlevande arter och lägre total fiskabundans jämfört med av vattenkraft opåverkade referenslokaler. Torrfåror med minimitappning hade bättre status vad gäller fiskfaunan än de utan minimitappning vad gäller andel strömlevande arter, total fiskabundans och artrikedom av fisk. Andel individer av strömlevande fiskarter, total fiskabundans och fiskartrikedom ökade med ökande minimitappning i torrfårorna, men sambanden var icke-linjära och planade ut med ökande minimitappning. 

Torrfårornas medellutning var relativt hög (3,6%), och de representerar till övervägande del strömmande och forsande miljöer som helt eller delvis har torrlagts. Torrfårorna var i genomsnitt 1317 m, medan medianlängden endast var 319 m. De korta (50-100 m) och mycket korta (<50 m) torrfårorna var framför allt belägna i södra Sverige, medan långa (1-10 km) och mycket långa (>10 km) var vanligare i Norrlands inland. Majoriteten av torrfårorna i Sverige låg i vattendragens nedströmsdelar, i vattendragsordning 1 eller 2 räknat från mynningen. 

Miljöförbättringsåtgärder av olika slag, som mer naturliga vattenflöden, fiskvägar eller biotopvårdande åtgärder, har utförts vid 10% av torrfårorna sedan 1970. Av de 574 torrfåror där överensstämmelsen med vattenförekomster i VISS var god var 434 klassade som naturliga och 140 som kraftigt modifierade. I det senare fallet var den ekologiska potentialen enligt Vattendirektivet alltid klassificerad som måttlig eller sämre. Av de 434 som definierades som naturliga vattenförekomster hade de flesta givits måttlig ekologisk status. De största problemen i vattenförekomster som helt eller delvis motsvarar torrfåror är brister i konnektivitet och att den hydrologiska regimen är förändrad. Våra resultat visar att kortare torrfåror, som bara omfattar en del av en vattenförekomst, ofta förbises vid statusklassningen enligt Vattendirektivet, och att torrfåran ges samma ekologisk status som vattenförekomsten i stort. 

För att kunna välja ut vilka torrfåror som ska restaureras och genomföra restaureringsprojekt i torrfåror är fungerande samverkansprocess mellan berörda parter (t.ex. verksamhetsutövare, myndigheter, konsulter och ideella organisationer) viktig för att underlätta vägen från kartläggning till genomförande. Vi presenterar aspekter som underlättar, och kompetenser som behövs hos för att processen ska bli lyckosam. 

För att underlätta genomförandet av miljöförbättringsåtgärder i torrfåror presenterar vi ett metodiskt och strukturerat arbetssätt som ger en komplett kartläggning av torrfåran samt dess omgivande dämningsområden med biflöden, som leder fram till analyser av påverkansgraden, brister jämfört med opåverkade ekosystem, och åtgärdsbehov. Behov av åtgärder grundar sig på vilken restaureringspotential som finns baserat på förhållanden innan reglering och opåverkade referenslokaler. När man summerar naturvärden ger det en bild av vad som är möjligt att göra och vad som kan åstadkommas inom rimliga gränser med tanke på vattenkraftsproduktion. Målet är att detektera för vattenkraftsproduktion kostnadseffektiva och i det långa perspektivet resursanpassade åtgärder som gynnar ekosystemet och bevarar eller ökar naturvärdena. Som en grund för att kunna bestämma nivå på minimitappning presenterar vi en lista på vilka flöden eller aspekter av en naturlig flödesregim som krävs för att uppnå olika naturvärden (ökad biologisk mångfald av naturligt förekommande arter på en vattendragssträcka) eller ekosystemfunktioner. Denna kan hjälpa att bedöma vilka aspekter av naturliga flödesregimer som behövs för att erhålla önskade naturvärden, eller omvänt, att kunna ge en prognos för vilka naturvärden som kan förväntas vid en viss flödesregim, allt fokuserat på torrfåror. 

Vi presenterar också en metodik för att inventera torrfåror med kvantitativa metoder som bygger på att med hjälp av stickprov skatta hur mycket det finns av olika strukturer. Syftet med inventeringen är att kvantifiera strukturer i och kring vattendraget som kan vara viktiga för en bedömning av potentialen för att återskapa naturvärden (både akvatiska och i strandmiljön) vid olika möjliga flöden i torrfåror. Det finns flera fördelar med att ha en sådan samplingdesign (istället för kvalitativa metoder) i studier av ekologiska restaureringsprojekt. Det möjliggör att skatta t.ex. medelvärdet eller storleken på variabler som är av intresse, vare sig det är ytan av ett vegetationsbälte, mängden död ved eller fraktioner av sediment i fåran. Det kanske viktigaste skälet att göra det är att det möjliggör kvantitativ utvärdering av miljöförbättringsåtgärder, och avgöra om åtgärder har haft avsedd effekt. 

Miljödomar bör utformas för att vara långsiktigt hållbara för torrfårans ekosystem, d.v.s. vara relevanta under flera decennier trots att elsystemet och klimatet förändras. Få föreslagna åtgärder gällande torrfåror har genomförts praktiskt och att utreda genom uppföljning och belägga huruvida genomförda åtgärder faktiskt gett miljönytta är essentiellt. Uppföljning förutsätter att en vetenskaplig förstudie har genomförts (naturvärde, nuläge, påverkans- och bristanalys). Om det finns förstudier så finns goda förutsättningar att utvärdera effekterna, om tillräckligt lång tid efter restaurering har gått för att åtminstone initial ekologisk respons ska ha skett. 

Sammanfattningsvis konstaterar vi att de allra flesta torrfåror saknar minimitappning eller andra åtgärder för att förbättra den biologiska mångfalden och vattendragsekosystemen, men att det finns stöd för att sådana åtgärder är effektiva. Vår förhoppning är att de metoder vi presenterar ska underlätta beslut och genomförande av miljöförbättringsåtgärder i torrfåror.

The aim of the project was to develop methods to facilitate decisions on minimum flow release and other environmental measures in bypassed river sections, that is, river sections where discharge has been diverted to hydropower stations. Sometimes, discharge is also diverted from one river to another to increase hydropower production. This leaves the original river channel dry or with reduced discharge. Many of these reaches were originally rapids, and ecosystems and species associated with them have become rare.  

We aimed to map all bypassed river reaches in Sweden, and identified 972 ones in a database. The majority of these lack any mandates on minimum flow release. Out of 622 reaches with flow data, 481 lacked mandated minimum flow release. The 137 bypassed reaches with minimum flows had an annual flow averaging being only 3.6% of their pristine mean annual discharge.  

The bypassed reaches had a lower proportion of rheophilic fishes and lower fish abundance compared to reference sites in free-flowing rivers, according to electrofishing data. Bypassed reaches with minimum flow release had fish communities with higher proportion of rheophilic species, higher abundance of fish, and more fish species per site compared to bypassed reaches with no minimum flow release. Furthermore, the proportion of rheophilic over lentic fish species, fish abundance as well as species richness of fish increased with increasing magnitude of minimum flow release, with diminishing returns at higher flow levels.  

The mean slope of the channels of the bypassed reaches was relatively high (3.6%), and they generally correspond to runs and rapids in terms of flow velocity. The average length of bypassed reaches was 1317 m, with median lengths being 319 m, the distribution being skewed with many short and fewer long ones. The majority of them were positioned in the lower reaches of catchments, in stream order 1 and 2 counting from the mouth. Many bypassed reaches were part of larger waterbodies as defined by the EU Water Framework Directive. Among the 570 where the bypassed reach constituted a waterbody, 140 had been classified as heavily modified.  

A functional collaboration process among stakeholders (including hydropower managers, authorities, consultants and NGOs) is key to be able to select which bypassed reaches to be targets of ecological rehabilitation, and to implement rehabilitation measures. We present a framework to facilitate the process, and discuss the competences needed for a successful process. We also present a methodology to enable a structured work flow going from mapping bypassed reaches, to analyses of impacts and needs and potential for ecological rehabilitation. When summing the natural values this gives an idea of both rehabilitation needs and what is practical to implement given ecosystem functions and services.  

As a basis for making decisions on the magnitude of minimum flow release, we present a list of ecosystem states or functions, and the aspect of the flow regime needed to maintain them. This can help determining the flow needed to obtain specific ecosystem functions or states, or conversely, given flow, what ecosystem functions and states are realistic to obtain. We also present a methodology for making surveys of bypassed reaches, taking quantitative randomized samples of important variables. The survey enables quantitative evaluations of rehabilitation outcomes. 

We argue that environmental court decisions on bypassed sections need to be formulated so they are relevant also in the face of climate change and changes in the electrical production system. This can be setting flow targets as proportions of the total discharge rather than in absolute numbers, and linking changes in discharge to changes in local run-off rather than setting fixed dates. 

To conclude, we found that although most bypassed river reaches lack mandated minimum flow release and have not been targets of structural rehabilitation efforts, such actions are deemed effective in improving ecological conditions, calling for implementation of such rehabilitation efforts.

In 2019, Sweden implemented legislative changes to renegotiate hydropower permits to both consider environmental rehabilitation and to ensure national supply of hydropower. This means that efforts for environmental rehabilitation of the 2,000 hydropower plants in Sweden need to be considered. Such rehabilitation measures include implementation of environmental flows, enhancing connectivity or morphological restoration. In order to enable prioritization among measures, it is necessary to assess the expected environmental benefits and consequences of implementation. We developed a new method to assess and prioritize among environmental-flow measures that aim to rehabilitate ecosystems in regulated rivers at the catchment level, with the Ume River in northern Sweden as an example. The Ume River is heavily regulated for hydropower production with 19 hydropower stations, with 13 run-of river impoundments in cascade and six storage reservoirs. Our strategy was to identify measures with minimal impact on hydropower production that also provide significant environmental benefits. Based on field studies of remaining natural values and potential for ecological rehabilitation, we quantified the estimated gain in the area of habitat for target organism groups, e.g. lotic fish species and riparian plants, if rehabilitation actions would be implemented along the entire Ume River. Regulated flows imply changes in the seasonal variation in flow, which often means that spring floods are lacking and that flows increase during the winter compared with natural unregulated flows. Hydropeaking, defined as rapid and frequent changes in flow and water levels to optimize hydropower production, is a common procedure that adversely affects habitats in river ecosystems. An important aspect of hydropeaking is zero-flow events, which occurs when hydropower stations are stopped due to low electricity demand or low electricity prices. We quantified the consequences for hydropower production of introducing environmental flows by identifying a set of rules of operation of the hydropower stations that reflect the limitations that ecological regulation of flows and water levels entail. In the work, consideration of technical limitations in the hydropower stations was a key to attain cost-effective measures. We then used hydropower production optimization programs to calculate changes in hydropower production and revenues. We also quantified the environmental benefits of environmental flows described as increases in the area of habitat for riverine species and improvements in ecosystem functions in the Ume River. We identified increasing the area of aquatic habitat with high flow velocity, providing suitable habitat for lotic species, enhancing the establishment of riparian and increasing longitudinal connectivity as the main aspects of the Ume River ecosystems in need of rehabilitation.

This thesis focuses specifically on three aspects of environmental flows. (1) Analysis of hydropeaking and zero-flow events for all hydropower stations in a catchment and the introduction of a ban of zero-flow events as an environmental flow measure. The hydropower stations in Ume River system stand still without flow 9% to 55% of the time in a hydrologically normal year, transforming lotic habitat into stagnant water. (2) A comprehensive assessment of environmental flow measures which in addition to banning zero-flow events include improvements of connectivity, spill water to by-passed reached laid dry as well as more natural water-level variation, combined into a total of scenarios where the environmental benefits and impacts on electricity production were quantified. In addition, we modeled a spring-flood scenario and a scenario transforming the flow of the Ume River to its natural flow regime. (3) Predictions of the effects on hydropower production of introducing environmental flow scenarios were modeled using climate change projections for IPCC scenario A1B until the year 2040, where the efficiency of environmental flow measures in a future climate and detection of potential bottlenecks in flow linked to ecological extremes such as periods of drought and flood. Further, the thesis present the framework of collaborative management that facilitated the process to solve complicated societal challenges connected to mitigation measures and environmental flows in higly-regulated river basins. This framwork allowed both for finding the most cost effective environmental flow measures as well as detecting environmental rehabilitation measures that otherwise might go undetected, despite having little impact on hydropower production. 

Our results show that introducing a zero-flow ban with the aim of avoiding stagnant water would on average mean 0.5% electricity production loss per year and benefit existing and newly created 240 hectares of lotic habitat with a flow rate exceeding 0.1 m/s, suitable for lotic species such as grayling Thymallus thymallus. The small effect in electricity production is the result of an effort to route the flow through the turbines to generate electricity, which means that the main effect is to move electricity production from daytime to nighttime. 

Implementation of zero-flow restrictions in combination with allocating 1-12% of the average annual flow at all hydropower stations to side channels and reaches laid dry would result in a loss of 2.1% of the annual electricity production for the Ume River catchment. Adding flow to fish-ways would increase the loss to 3.1% per year. With the implementation of more natural water-level variation in the main channel, the loss increases to 3.8%. These measures would more than triple the habitat of lotic species such as grayling Thymallus thymallus, and increase the area of riparian vegetation by about 66%.

Assessing hydropower production in the Ume River in a future climate shows that hydropower production is expected to increase by 2.6% compared to current conditions until 2040, which opens up for mitigating the effects of climate change by implementing flow measures that mimic conditions before climate change, which can help to avoid extreme hydrological events potentially harming the riverine ecosystem. The environmental flow scenarios developed in previous projects were tested in simulations with future flow conditions and the results show that all effects on electricity production were projected to be significantly smaller in the future compared with models without climate change. The operation of storage reservoirs is expected to become more important in a future climate. Our assessment is a way of predicting the effectiveness of environmental flow measures in the future with climate change.

Our method forms the basis to guide future nationwide implementation of environmental rehabilitation of regulated rivers with the aim of maintaining and restoring riverine ecosystems.

Sverige har cirka 2000 kraftverk som står inför en miljöanpassning enligt Nationella Prövningsplanen, där miljöåtgärder som ekologisk flödesreglering, återetablerad konnektivitet och morfologiska restaureringsåtgärder ska utvärderas och i nästa steg prioriteras mellan. För att möjliggöra prioritering bland åtgärder för ekologisk reglering är det absolut nödvändigt att veta de förväntade miljönyttorna och konsekvenserna av genomförandet, vilket sällan har kvantifierats för ett helt avrinningsområde. Vi har utvecklat en ny metod för att bedöma och prioritera bland miljöflödesåtgärder som syftar till att rehabilitera reglerade ekosystem på avrinningsområdesnivå med Umeälven i norra Sverige som exempel. Umeälven är kraftigt reglerad för vattenkraftproduktion med 19 vattenkraftstationer, varav 13 är kraftverksdammar i kaskad och sex är dammar som fungerar som regleringsmagasin. Strategin var att identifiera åtgärder med minimal påverkan på vattenkraftproduktionen som samtidigt gav betydande miljövinster. Baserat på fältundersökningar av kvarvarande naturvärden och potential för ekologisk rehabilitering, kvantifierade vi den beräknade vinsten i form av area av livsmiljö för målorganismgrupper, t.ex. strömlevande fiskarter och strandvegetation längs hela Umeälven. Reglerade flöden innebär att den naturliga flödesregimen förändras och att flödenas säsongsvariation blir tidsmässigt omvänd, vilket ofta innebär att vårflod saknas och att flöden ökar under vintern jämfört med naturliga flöden. Korttidsreglering, definierat som snabba och frekventa förändringar i flöde och vattenstånd för att optimera vattenkraftsproduktionen, är ett vanligt förfarande som påverkar livsmiljöer i vattendraget negativt. En viktig aspekt av korttidsreglering är nolltappning som inträffar när vattenkraftstationer stoppas på grund av lågt elbehov eller låga elpriser. Vi kvantifierade konsekvenserna för vattenkraftproduktionen genom att identifiera en uppsättning vattenhushållningsregler för driften av vattenkraftsstationerna som återspeglar de begränsningar som ekologisk reglering av flöden och vattenstånd medför. I arbetet var hänsyn till tekniska begränsningar i kraftverken en nyckel till kostnadseffektiva åtgärder. Vi använde sedan produktionsoptimeringsprogram för att beräkna förändringar i vattenkraftproduktion och intäkter. Vi kvantifierade även miljönyttor beskrivet som den beräknade ökningen i yta av de ekosystem som minskat mest i yta till följd av reglering och förbättringar i ekosystemfunktioner i Umeälven. I Umeälven betydde det att vi fokuserade på habitat för strömlevande arter, strandvegetation samt på att öka konnektiviteten.

Denna avhandling fokuserar på tre områden inom ämnet ekologiska flöden. (1) Analys av korttidsreglering och nolltappningshändelser för alla kraftverk i Umeälven samt vidhängande nolltappningsförbud som flödesåtgärd med kvantifierade konsekvenser på elproduktion och miljövinster. Umeälvens vattenkraftstationer står stilla utan flöde 9 – 55% av tiden ett hydrologiskt normalt år och förvandlar lotiska livsmiljöer till stillastående vatten. (2) En bedömning av ekologiska flödesåtgärder som omfattar förbud mot nolltappning, konnektivitetslösningar, spill till torrfåror och sidofåror och vattenståndsanpassning som basfunktioner. Basfunktionerna kombinerades vidare till totalt 28 scenarier med olika miljönyttor och beskrivningar av produktionspåverkan. Dessutom modellerade vi ett vårflodsscenario och ett scenario med naturlig flödesregim. (3) Prognoser för vattenkraftsproduktion och kostnader för att införa scenarier med ekologiska flöden modellerades med den tillrinning som förväntas i ett framtida klimat enligt IPCC:s scenario A1B fram till år 2040, för att detektera t.ex. konsekvenser under hydrologiska extremer som  torka.

Resultaten visar att införa ett nolltappningsförbud med syfte att undvika stillastående vatten i medeltal innebär 0,5% produktionsförlust per år och gynnar befintligt eller nyskapar 240 hektar habitat med en flödeshastighet som överstiger 0,1 m/s, d.v.s. lämpligt för lotiska arter som harr (Thymallus thymallus). Den relativt begränsade produktionsförlusten är ett resultat av en strävan att vattnet ska gå genom turbinerna för att generera el. Det medför att produktionstillfällen flyttas från dagtid till nattetid, men att produktionsförlusten blir liten. Genomförande av restriktioner av nolltappning i kombination med spill till torrfåror och sidokanaler vid alla vattenkraftverk om 1-12% av det genomsnittliga årliga flödet skulle resultera i en förlust av 2,1% av den årliga elproduktionen för Umeälvens avrinningsområde. Att lägga till erforderligt flöde till fiskvägar skulle öka förlusten till 3,1% per år. Med implementering av mer naturliga vattenståndsvariationer i huvudfåran ökar förlusten till 3,8%. Dessa åtgärder skulle öka livsmiljön för lotiska arter som harr mer än tredubbelt, och öka arean av strandvegetation med cirka 66%.

Modellering av ekologisk reglering i ett framtida klimat visar att vattenkraftsproduktionen beräknas öka med 2,6% fram till 2040 jämfört med nuvarande förhållanden, vilket öppnar upp för genomförande av flödesåtgärder som efterliknar hydrologiska förhållanden före klimatförändringar, vilket är nödvändigt för att undvika hydrologiska extremförhållanden, som skulle kunna skada älvens ekosystem och samhällsfunktioner. Scenarierna med ekologiska flöden framtagna i tidigare projekt testades med framtida flöden i simuleringar, vilket visar att effekterna på elproduktionen skulle bli betydligt mindre i framtiden jämfört med modeller utan förväntade klimatförändringar. Driften av regleringsmagasin bedöms få en ökad betydelse i ett framtida klimat både för att undvika vattenbrist och höga flöden.

Vår metod utgör en bas för arbete med att uppnå hållbarhetsmål för många vattendrags ekosystem i perspektivet av inte bara nuvarande reglering och tillrinning, men även i ett framtida klimat.  

Hydropeaking, defined as rapid and frequent changes in flow to optimize hydropower production, is an increasingly common procedure negatively affecting lotic habitats in riverine ecosystems. An important aspect of hydropeaking is zero-flow events, occurring when hydropower stations are stopped due to low energy demand or low electricity prices. We quantified the ecological benefits and consequences for hydropower production of restricting zero-flow events. The 19 major hydropower stations in the Ume River system in northern Sweden stand still with no discharge 9% to 55% of the time a hydrologically normal year, transforming lotic habitat to stagnant water. The duration of zero-flow events is exacerbated in dry years, with no discharge for 28% of the time in a typical station, to be compared with 7% in a wet year. Zero-flow events affect the behavior of fish, altering the fish community, and potentially result in low oxygen levels and low food supply to filter-feeding macroinvertebrates. We modelled the consequences of restricting zero-flow events by introducing minimum flows equaling mean annual low flow or higher for the entire Ume River catchment. The measure would result in an additional 240 ha of shallow lotic habitat with gravel to boulder streambeds having flow velocity exceeding 0.1 m/s, i.e. suitable for lotic species such as grayling Thymallus thymallus. In addition, the measure would enable creating another 107 ha of similar habitat after structural rehabilitation of river reaches. All measures would result in a mean loss of hydropower production of 0.5% per year for the entire river system, 98% of which would occur between May and October when the demand for electricity is lower. Hydropower production would also be partly moved from daytime to nighttime. As zero-flow events are common in several other river systems, restrictions on their frequency and duration could be implemented in many areas.

Vattendirektivets intentioner vilar på insikten om att vi gemensamt bör vårda våra vattenresurser genom en hållbar användning. Arbetet i Umeälvsprojektet har bedrivits i en samverkansprocess på lokal, regional och nationell nivå, och alla som berördes av frågor kring miljöåtgärder i Umeälven gavs möjlighet att delta.

Arbetet har pågått sedan 2011 och var ursprungligen ett lokalt initiativ från byamännen i Vindelns kommun (Samverkansgruppen 3 regleringsmagasin). Arbetet utvecklades sedan under år 2013 vidare uppströms längs Umeälven till Lycksele kommun. Under åren 2014 och 2015 har projektet drivits med Umeälvens vattenregleringsföretag som projektägare och utfördes inom hela avrinningsområdet undantaget Vindelälven.

De företag som har varit delaktiga är Umeälvens vattenregleringsföretag, Statkraft i SverigeAB, Vattenfall Vattenkraft AB, E.ON Vattenkraft Sverige AB, Skellefteå kraft AB.Delaktigheten från myndigheterna var Länsstyrelsen i Västerbotten, Vattenmyndigheten iBottenviken, Havs- och vattenmyndigheten. Dessutom har Vindelns, Lycksele, Vännäs,Storuman, Umeå kommuner samt Umeå Universitet, WWF Sverige, Naturskyddsföreningen,representanter från berört näringsliv och lokalbefolkning deltagit i projektet.