Umeå University's logo

umu.sePublications
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Let it flow: Modeling ecological benefits and hydropower production impacts of banning zero-flow events in a large regulated river system
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Ecology and Environmental Sciences. (Arcum)
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Ecology and Environmental Sciences.
Institute of Freshwater Research, Department of Aquatic Resources, Swedish University of Agricultural Sciences, Drottningholm, Sweden.
AFRY, Frösundaleden 2, Stockholm, Sweden.
Show others and affiliations
2021 (English)In: Science of the Total Environment, ISSN 0048-9697, E-ISSN 1879-1026, Vol. 783, article id 147010Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2021. Vol. 783, article id 147010
Keywords [en]
Ecological restoration, Environmental flows, Hydropeaking, Hydropower production, Regulated rivers, Water flow velocity
National Category
Ecology Environmental Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-182761DOI: 10.1016/j.scitotenv.2021.147010ISI: 000656998500016PubMedID: 34088117Scopus ID: 2-s2.0-85104284023OAI: oai:DiVA.org:umu-182761DiVA, id: diva2:1556644
Funder
Swedish Agency for Marine and Water Management, 40231-1Swedish Agency for Marine and Water Management, 46430-1Available from: 2021-05-24 Created: 2021-05-24 Last updated: 2021-09-07Bibliographically approved
In thesis
1. Environmental-flow assessments for current and future run-off in a large river system regulated for hydropower production
Open this publication in new window or tab >>Environmental-flow assessments for current and future run-off in a large river system regulated for hydropower production
2021 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Alternative title[sv]
Bedömning av ekologisk reglering för nuvarande och framtida tillrinning i ett stort avrinningsområde reglerat för vattenkraftsproduktion
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.  

Place, publisher, year, edition, pages
Umeå: Umeå University, 2021. p. 42
Keywords
Environmental flows, eco-hydrology, hydropower, river ecosystem, environmental benefits, climate change, collaboration, resource management, Ekologisk reglering, vattenkraft, produktionsoptimering, hydrologi, hydraulik, akvatiskt ekosystem, miljönytta, klimatförändringar, samverkan, vattenresurs management
National Category
Ecology
Identifiers
urn:nbn:se:umu:diva-187110 (URN)978-91-7855-631-1 (ISBN)978-91-7855-632-8 (ISBN)
Public defence
2021-10-01, MIT.C.313, MIT-huset, Umeå, 09:00 (English)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Energy Agency, 40231-1Swedish Agency for Marine and Water Management, 40231-1
Available from: 2021-09-10 Created: 2021-09-07 Last updated: 2022-03-11Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textPubMedScopus

Authority records

Widén, ÅsaMalm-Renöfält, BirgittaJansson, Roland

Search in DiVA

By author/editor
Widén, ÅsaMalm-Renöfält, BirgittaJansson, Roland
By organisation
Department of Ecology and Environmental Sciences
In the same journal
Science of the Total Environment
EcologyEnvironmental Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
pubmed
urn-nbn

Altmetric score

doi
pubmed
urn-nbn
Total: 489 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf