Global development, acoustic and emissive consequences of hydropower

Abstract

Increasing energy demand driven by rapid population and economic growth, the need for climate change mitigation, and the depletion of fossil fuels is stimulating the search for renewable, climate neutral energy sources. Hydropower provides an efficient, low maintenance and flexible form of energy, which can provide ancillary benefits such as flood control, water storage and job creation. Yet, the construction of dams for hydropower production has been recognised by scientists as one of the major threats to the ecological integrity of river systems. For instance, the fragmentation of river systems alters the flow, thermal, and sediment regimes of rivers, and restricts the free movement of aquatic organisms. Disruption to the natural flow regime results in the degradation of physical habitat features which generate acoustic stimuli that are relevant to organisms. In addition, initial flooding of terrestrial habitats results in the rapid decay of organic matter, which releases greenhouse gases (GHG) into the atmosphere. Conservation and management of river systems therefore requires a greater understanding of the processes and mechanisms which underpin the ecohydrological impacts of hydropower. In this context, this doctoral thesis aims to investigate: (i), the ramifications of a global boom in hydropower construction, (ii) the prediction of GHG emissions from hydropower reservoirs, and (iii) the temporal and spatial changes in underwater river soundscapes affected by hydropower. Researchers have investigated the social, economic and ecological consequences of reservoir construction for decades. However, the lack of coordinated, georeferenced databases has hindered catchment decision making, and limited the development of regional and global research in particular. In Chapter 1, the primary objectives were to create a high resolution, georeferenced database of hydropower dams under construction or planned to assess the dimension and spatial distribution of hydropower developments, their density relative to available catchment water resources and the future impact on river fragmentation. Data were collected on hydropower schemes under construction or planned with a capacity of 1 MW or above, from government and non-government databases, grey literature and news reports. Spatial analyses were conducted in a geographical information system (GIS) on the extent of global development, impact per water availability and potential consequences for existing status of river fragmentation. The relative contribution of hydropower reservoirs to the global GHG budget, particularly in sub-tropical and tropical regions, remains the subject of intense critical debate. The initial objective of the second study was therefore, to identify principal parameters and underlying processes that drive GHG emissions from reservoirs. The second step was to review global reservoir emission measurements and their source pathways in hydropower systems. Meteorological and landscape derived parameters were then correlated with the GHG measurements in order to assess if and which selected parameters might explain variations in GHG emission data. Similarly, existing empirical models were applied to the measured data to assess their suitability in predictive modelling. Finally, a newly developed process based model (FAQ-DNDC v1.0) was used to simulate ‘net’ CO2 emissions from a newly flooded tropical reservoir and compared to the measured results. The final study (Chapter 3) examined the influence of hydropower systems on the underwater acoustic properties of river habitats. Using recently developed acoustic sensors in addition to traditional hydrophones, the study characterised the temporal and spatial changes in river soundscapes affected by hydropeaking, compared their frequency composition to unaffected river soundscapes, and critically appraised the ecological implications. The results of Chapter 1 indicate that we are now experiencing an unprecedented growth in global hydropower construction. Over 3,700 dams are planned or under construction, primarily in Africa, South America and East Asia. The expansion in dam building will reduce the number of free flowing rivers on a global scale by approximately 21%. The results of Chapter 2 show that variation in measured emissions due to the inherent heterogeneity of the underlying processes, in addition to methodological limitations, impede the prediction of GHG emissions. Source pathways of CO2 are similar for the majority of systems, however, pathways of CH4 emissions are highly variable and dependent on local operating conditions and the configuration of the given hydropower system. A newly developed process based model (FAQ-DNDC v1.0) shows that a mechanistic approach may provide the basis for the ‘net’ assessment of future hydropower reservoirs. Chapter 3 reveals that distinct river soundscapes undergo changes which are highly correlated to hydropower operations, and thus rapid sub-daily changes occur at timescales not often found in natural systems. These changes occur mostly in low frequency bands, which are within the range of highest acoustic sensitivity for fish. In pool habitats affected by hydropeaking, sound pressure levels in the lower frequencies (~0.0315 kHz) may increase by up to 30 decibels. Similarly, sound pressure levels of riffles increase by up to 16 decibels in the low to mid frequencies (~0.250 kHz). Overall, the findings of this thesis have a number of implications for river catchment management. Hydropower construction is taking place in some of the most ecologically sensitive areas of the globe, thus, this research provides a timely contribution to: (i) Provide a foundation for future research at catchment, regional and global scales. For instance, systematic conservation based planning is required to designate ‘no go’ areas to promote the long-term survival of biodiversity. Strategic positioning of future dams or reconfiguration of existing hydropower systems may reduce the combined impacts on biodiversity and GHG emissions without losing power capacity. (ii) Assess driving parameters of GHG emissions, critically appraise current predictive GHG emission models and use a process based approach to simulate ‘net’ emissions from a sub-tropical reservoir. Future reservoirs will sequester, mineralise and emit an increasing quantity of carbon to the atmosphere, and subsequently, will take a greater role in the global GHG budget. This research concludes that, in some cases empirical models may not be suitable for making robust estimations of future GHG’s from hydropower reservoirs. Combining the underlying carbon cycling processes within a process-based model allows the estimation of ‘net’ CO2 emissions from hydropower reservoirs. This approach may be integrated by catchment planners into the future lifecycle assessment of hydropower reservoirs. (iii) Characterise acoustic changes in underwater sound in rivers affected by hydropeaking. The findings emphasise that flow regulation by hydropower results in rapid changes to the amplitude and frequency spectrum of the riverine acoustic environment. These changes persist for longer periods than other forms of anthropogenic sound and may have implications for the whole biota. Thus, future studies should focus on measuring the behavioural and physiological impact on riverine organisms in order to develop guidelines for hydropower licensing.

Steigende Energienachfrage, angetrieben durch Bevölkerungs- und Wirtschaftswachstum, die Notwendigkeit, dem Klimawandel zu begegnen und der hohe Verbrauch fossiler Brennstoffe treiben die Suche nach erneuerbaren, klimaneutralen Energiequellen voran. Wasserkraft ist eine effiziente, wartungsarme und flexible Energieform, die zahlreiche zusätzliche Vorteile in Form von Hochwasserschutz, Wasserspeicherung und Beschaffung von Arbeitsplätzen mit sich bringt. Trotzdem zählt der Bau von Dämmen zur Energiegewinnung durch Wasserkraft zu den bedeutendsten Bedrohungen für die ökologische Intaktheit von Flusssystemen. Die Fragmentierung von Flusssystemen verändert deren Abfluss, das Temperaturregime und die Sedimentablagerung – außerdem wird die Migration aquatischer Organismen behindert. Eine Störung der natürlichen Abflussdynamik führt zu einer Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften des Lebensraumes und der damit verbundenen akustischen Reize, die für aquatische Organismen wichtig sind. Zusätzlich führt die Flutung terrestrischer Habitate bei der initialen Füllung des Reservoirs zu einem raschen Zerfall organischer Substanz, was wiederum Treibhausgase (THG) in die Atmosphäre freisetzt. Die Erhaltung und Bewirtschaftung der Flusssysteme erfordert daher ein besseres Verständnis der Prozesse und Mechanismen, die die ökohydrologischen Auswirkungen von Wasserkraft charakterisieren. Vor diesem Hintergrund untersucht diese Doktorarbeit: (i) die Auswirkungen des globalen Baubooms von Wasserkraftwerken, (ii) THG-Emissionen durch den Bau von Stauseen, und (iii) die durch Wasserkraft hervorgerufenen zeitlichen und räumlichen Veränderungen von Unterwasser-Klanglandschaften. Wissenschaftler untersuchen seit Jahrzehnten die sozialen, wirtschaftlichen und ökologischen Folgen, die der Bau von Staubecken mit sich bringt. Allerdings hat ein Mangel an koordinierten, georeferenzierten Datenbanken die Flusseinzugsgebiete- übergreifende Entscheidungsfindung behindert und die Entwicklung regionaler und globaler Forschung in dieser Hinsicht stark eingeschränkt. In Kapitel 1 geht es daher primär darum, eine Datenbank zu erstellen, die Georeferenzen zu Staudämmen in Bau oder in Planung enthält. Damit können die Größe und räumliche Verteilung der Wasserkraftprojekte, ihre Dichte in Bezug zu verfügbaren Wasserreserven im Einzugsgebiet und die zukünftigen Auswirkungen auf die Fluss-Fragmentierung bewertet werden. Aus staatlichen und nicht- staatlichen Datenbänken, grauer Literatur und aus Medienberichten wurden Daten zu Wasserkraftanlagen im Bau und in Planung mit einer Kapazität ab einem Megawatt extrahiert. Räumliche Analysen zum Ausmaß der globalen Entwicklung der Wasserkraft, Auswirkungen nach Wasserverfügbarkeit und mögliche Folgen für den Status der Fluss-Fragmentierung wurden anhand eines geografischen Informationssystems (GIS) durchgeführt. Der relative Beitrag von Stauseen, vor allem in subtropischen und tropischen Regionen, zum globalen Treibhausgasbudget bleibt Gegenstand kritischer Debatten. Das ursprüngliche Ziel der zweiten Studie war es daher, die Hauptparameter und die ihnen zugrunde liegenden Prozesse, die die THG-Emissionen aus Stauseen bestimmen, zu identifizieren. Der zweite Schritt war die Überprüfung globaler Emissionsmessungen der Reservoirs und ihrer Ursprünge in Wasserkraftanlagen. Meteorologische- und Landschaftsparameter wurden mit den THG-Messungen korreliert, um anschließend beurteilen zu können, ob und welche Parameter in der Lage sind, Variationen der THG-Emissionsdaten zu erklären. Um ihre Eignung als Vorhersagemodelle zu bewerten, wurden bestehende empirische Modelle mithilfe der erfassten Messdaten getestet. Schließlich wurde ein neu entwickeltes Prozessmodell (FAQ-DNDC v1.0) verwendet, um Netto-CO2-Emissionen von neu überschwemmten tropischen Stauseen zu simulieren und mit den Messwerten zu vergleichen. Die letzte Studie (Kapitel 3) untersuchte den Einfluss von Wasserkraftanlagen auf die akustischen Eigenschaften von Unterwasserflusslandschaften. Mithilfe neu entwickelter akustischer Sensoren und traditioneller Hydrophone zeichnet diese Studie ein Bild der durch Hydropeaking verursachten zeitlichen und räumlichen Veränderungen der Klanglandschaften eines Flusses. Daraufhin wurden die Veränderungen mit den Frequenzen unberührter Fluss-Klanglandschaften verglichen. Ökologische Konsequenzen des Baus von Wasserkraftanlagen wurden diskutiert. Die Ergebnisse aus Kapitel 1 zeigen, dass wir gerade weltweit einen beispiellosen Bauboom bei Wasserkraftanlagen erleben. Über 3700 Staudämme sind geplant oder im Bau – vor allem in Afrika, Südamerika und Ostasien. Die Expansion im Dammbau wird die Anzahl der frei fließenden Flüsse auf globaler Ebene um etwa 21% reduzieren. Die Ergebnisse aus Kapitel 2 machen deutlich, dass die Vorhersage von Treibhausgasemissionen durch die inhärente Heterogenität der Prozesse und den daraus folgenden Schwankungen der gemessenen Emissionen und methodische Einschränkungen behindert werden. Die CO2-Emissionspfade sind in den meisten Systemen ähnlich, CH4 Quellen sind jedoch sehr variabel und hängen stark von den örtlichen Gegebenheiten und der Konfiguration der Wasserkraftanlage ab. Das neu entwickelte verfahrensbasierte Modell (FAQ-DNDC v1.0) verdeutlicht, dass ein mechanistischer Ansatz die Grundlage für die Nettobewertung von zukünftigen Reservoirs bilden kann. Kapitel 3 zeigt, dass akustisch individuelle Flussklanglandschaften Veränderungen durchlaufen, die stark mit dem Betrieb von Wasserkraftwerken korrelieren. Schnelle tägliche Veränderungen treten in Zeiträumen auf, die nicht dem Rhythmus eines natürlichen Systems entsprechen. Diese Veränderungen treten meistens im Niedrigfrequenzbereich auf – innerhalb des Spektrums, in dem Fische die höchste Empfindlichkeit aufweisen. Im durch Hydropeaking beeinflussten Lebensraum der „Pools“ (Kolken), können sich die Schalldruckpegel des unteren Frequenzbereiches (~0.0315 kHz) um bis zu 30 Dezibel erhöhen. Der Schalldruckpegel in „Riffles“ (Untiefen) erhöht sich um bis zu 16 Dezibel in den niedrigen bis mittleren Frequenzen (~0.250 kHz). Die Ergebnisse dieser Arbeit haben eine Reihe von Implikationen für das Management von Flusseinzugsgebieten. Der Bau von Wasserkraftwerken findet in einigen der ökologisch sensibelsten Regionen der Welt statt. Daher leistet diese wissenschaftliche Arbeit einen hoch aktuellen Beitrag: (i) Sie bietet eine Grundlage für die zukünftige Forschung auf Flusseinzugsgebiets, regional und globaler Ebene. Notwendig wird eine systematische Planung zur Erschaffung von „No-Go“ Zonen, um das langfristige Überdauern biologischer Vielfalt zu fördern. Strategische Positionierung zukünftiger Dämme oder die Neukonfiguration bereits bestehender Wasserkraftwerke kann deren Auswirkungen auf Biodiversität oder Treibhausgasemissionen reduzieren – ohne dabei die Energiegewinnung einzuschränken. (ii) Sie beurteilt entscheidende Parameter der THG-Emissionen, analysiert aktuelle Vorhersagemodelle und simuliert Nettoemissionen eines subtropischen Reservoirs mithilfe eines prozessbasierten Ansatzes. Künftige Reservoirs werden eine zunehmende Menge an Kohlenstoff binden, mineralisieren und emittieren. Daher werden sie einen wachsenden Anteil am globalen THG- Budget haben. Aus den Ergebnissen lässt sich schließen, dass in einigen Fällen empirische Modelle möglicherweise nicht dazu geeignet sind, robuste Voraussagen zu künftigen THG-Emissionen von Wasserkraftanlagen zu produzieren. Die Kombination der zugrunde liegenden Prozesse des Kohlenstoffkreislaufes innerhalb eines prozessbasierten Modells erlaubt die Schätzung der Netto- CO2-Emissionen aus Stauseen. Dieser Ansatz kann bei zukünftigen Berechnungen der Ökobilanz von Wasserkraftanlagen integriert werden. (iii) Sie charakterisiert durch Hydropeaking hervorgerufene akustische Veränderungen in Unterwasserklanglandschaften. Die Ergebnisse unterstreichen, dass sich die Strömung eines Flusses durch Wasserkraftwerke so verändert, dass es, wenn man die akustischen Parameter eines Flusses betrachtet, zu schnellen Änderungen der Amplitude und des Frequenzspektrums kommt. Diese Abweichungen vom Normalzustand halten länger an als andere Geräusche anthropogenen Ursprungs – das kann daher weitreichende Auswirkungen auf Flora und Fauna mit sich ziehen. So sollten sich künftige Studien, um Richtlinien für die Lizenzvergabe zu entwickeln, auf das Messen der verhaltensmäßigen und physiologischen Auswirkungen von Wasserkraftanlagen auf Gewässerorganismen konzentrieren.