Mathematical modeling applied to integrated water resources management: the case of Mesta-Nestos basin
Modélisation appliquée à la gestion durable des projets de ressources en eau à l'échelle d'un bassin hydrographique : le cas du Mesta-Nestos
Résumé
The construction of a big dam is a project of important economic and social consequences and this is the reason why it should be preceded by a careful socio-economic and operational study. On one hand, the operational investigation should take into account the dam's dimensions and purpose, the location of its wartershed and its hydrology characteristics as well as the environmental constraints according to the international and national legislation. On the other hand, the socio-economic study should take into account all the variables which ensure the sustainability of the project. Until a few years ago, the vast majority of dams were funded and consequently owned by the public sector, thus project profitability was not of highest priority in the decision of their construction. Nowadays, the liberalisation of the electricity market in the developed world has led to the privatisation of energy infrastructures and has set new economic standards in the funding and management of dam projects. Investment decision is conditioned to an evaluated viability and profitability over the full life cycle of the project, typically 50 years, on the basis of quantitative criteria such as the Net Present Value (NPV). However, since the fuel of a hydropower plant is water, its operation interferes with the water resources management of the river basin where it is situated. To this respect, new practices and regulations have recently developed such as the EU Water Framework Directive (WFD). They constrain any water resources project into following guidelines regarding its social and environmental impacts in accordance with long term issues such as its sustainability under climate change conditions. The present work aims at exploring the coupling of mathematical models of hydrology, hydropower operation, climate change and economics in order to propose ways of making balanced decisions merging the demands of project investment criteria, public well being and river basin management best practices. It is illustrated by the investigation of the new hydropower and irrigation project of Temenos in the Mesta/Nestos river basin. This basin is shared between Bulgaria in its upstream northern part and Greece for its downstream part. The river ends in Aegean Sea after expanding into the Nestos delta which is occupied by a vast expanse of irrigated fields. Currently, two hydroelectric power plants are located in the mountainous part of the Nestos basin: the Thissavros plant with a reservoir capacity of 565 millions m3 and further downstream, the Platanovryssi dam with a reservoir capacity of 11 millions m3. Both dams have been designed to operate in pump-storage mode for electricity generation. The future Temenos project is planned to be financed exclusively on private funds. Situated downstream from the previous dams, it is designed for: electricity production, irrigation regulation and should contribute to the improvement of the power produced by the existing complex. The climate change scenarios developed by the Intergovernmental Panel of Climate Change (IPCC) with the publication of the Special Report on Emissions Scenarios (SRES) reveal possible future climate modifications at global scale. More specifically, according to the output of the several global circulation models (GCM), the global average surface temperature is predicted to increase by 1.4 to 5.8°C over the period 1990 to 2100. These temperature increases should drive evaporation rate increases and precipitation fluctuations. Consequently, a severe impact could result upon hydropower generation as it is sensitive to the amount, timing, and geographical pattern of precipitation as well as temperature. Climate change studies over the Mesta-Nestos area have been based on the output of the CLM regional climate model from the Max Planck Institute for Meteorology, Germany. They concern the SRES scenarios A1B and B1. The CLM model uses a dynamically downscaling technique where boundaries conditions provided by global scale models such as ECHAM5/MPIOM are adapted to local conditions such as relief. The temperature, precipitation and evapotranspiration results obtained from CLM were used as input data to the spatially distributed hydrology model MODSUR-NEIGE for simulating the future water regime of the river basin. It was coupled with the HEC-ResSim reservoir simulation tool using a detailed technical representation of the dams and irrigation networks systems planned for the expansion of the existing irrigation in the Nestos delta and Xanthi plain areas. Finally, the appraisal of the Temenos project viability under future climatic conditions was carried out with the use of a special purpose economic tool which is based on the NPV rule. The thesis proposes a holistic approach to project evaluation which goes beyond strict project financing practices. The NPV based rule has been extended the merging of economic elements (energy and water selling prices) with social benefits (compensation to farmers in case of lack of water) and the value of the environment (costs for restoration good water status in case of failure to preserve a minimum environmental flow). It is argued that this combined approach offers a useful evaluation of the sustainability of water projects. Furthermore, climate scenarios have been augmented by transboundary politics hypotheses based on the execution of on-going flow treaty existing between Bulgaria and Greece about the Mesta-Nestos waters. Finally, in the context of compliance with the WFD basin management guidelines, the use of multicriteria decision analysis methods is explored in order to balance the conflicts of interests between all the actors which should be participating in the ultimate decision of financing and operating a multipurpose dam project such as Temenos.
La construction d'un grand barrage est un projet aux conséquences économiques et sociales importantes voila pourquoi elle doit être précédée d'une étude opérationnelle et socio-économique détaillée. En premier lieu, l'étude opérationnelle doit porter sur les dimensions et le régime d'utilisation du barrage, la configuration géographique de son bassin de drainage et ses caractéristiques hydrologiques aussi bien que sur les contraintes de type environnemental qui peuvent s'exercer dans un cadre législatif national ou international. En second lieu, l'étude socio-économique doit prendre en compte tous les paramètres susceptibles d'influencer sur la durabilité du projet. Jusqu'à une époque récente, la large majorité des barrages était financée et gérée par le secteur public. Ainsi la profitabilité des projets n'était pas un élément prépondérant dans la décision de les construire. De nos jours, la libéralisation du marché de l'énergie dans les pays développés a conduit à la privatisation des infrastructures énergétiques et par voie de conséquence à l'application de nouveaux objectifs économiques dans le financement et la gestion des projets de barrage. Les décisions d'investissement sont conditionnées par l'évaluation de leur viabilité technique et de leur profitabilité tout au long de leur durée de vie qui est typiquement de 50 ans. Cette évaluation est basée sur l'usage d'un critère quantitatif nommé Valeur Actualisée Nette (VAN) aussi appelé Net Present Value en anglais (NPV). Cependant, comme l'eau est le fluide nécessaire au fonctionnement des centrales hydroélectriques, leur exploitation interfère avec la gestion des ressources en eau du bassin hydrographique qui les accueille. De ce point de vue, de nouvelles pratiques et réglementations ont été introduites dans l'Union Européenne par la Directive Cadre sur l'Eau (idem, WFD en anglais). Cette directive contraint chaque projet d'exploitation des ressources en eau à suivre des recommandations portant sur ses conséquences sociales et son impact sur l'environnement en respectant des contraintes à long terme relatives à sa durabilité en cas de changement climatique. Le travail présenté porte sur l'exploration du couplage entre différents modèles mathématiques traitant de l'hydrologie, l'exploitation hydroélectrique, le changement climatique et l'évaluation économique dans le but de proposer les moyens d'effectuer des décisions équilibrées satisfaisant aux exigences des critères de financement de projet , au bien-être du public et aux pratiques qu'exigent la gestion de bassin hydrographique. Ce travail est illustré par l'étude du futur barrage de Temenos, projet mixte de production électrique et d'irrigation intéressant le bassin hydrographique du Mesta-Nestos. Ce bassin est partagé entre la Bulgarie pour sa partie amont et la Grèce pour sa partie aval. La rivière termine son cours dans la mer Egée après avoir formé le delta du Nestos dont la majorité de la surface est occupée par un système d'irrigation. Deux ouvrages hydroélectriques occupent actuellement la partie montagneuse du bassin du Nestos. Il s'agit du barrage de Thissavros dont le réservoir a une capacité de 565 millions m3 et du barrage de Platanovryssi situé en aval du précédent et dont la capacité est de11 millions m3. Les deux barrages sont liés par un système de rétro-pompage STEP (Station de Transfert d'Énergie par Pompage). Le futur projet Temenos devrait être exclusivement financé sur fonds privés. Situé en aval des deux barrages précédents, il est configuré pour augmenter la production d'électricité du précédent complexe et pour réguler le système d'irrigation de la basse vallée agricole du Nestos Les scénarios de changement climatique (SRES) développés par le Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat (GIEC ou IPCC, en anglais) prévoient de possibles changements climatiques décrits à l'échelle mondiale. Plus précisément, selon les résultats des modèles de circulation globale (GCM), la moyenne mondiale annuelle de la température de surface pourrait augmenter de 1.4 à 5.8°C sur une période allant de 1990 à 2100. Cette augmentation de température pourrait entrainer une augmentation de l'évaporation et influencer le régime des précipitations. Dans ce cas, un impact notable pourrait en résulter sur l'exploitation des installations hydroélectriques dont l'exploitation est particulièrement sensible à la quantité, au rythme et à la répartition géographique des précipitations et des températures. L'étude du changement climatique sur la zone du Mesta-Nestos est base sur les résultats du modèle climatique régional CLM de l'Institut de Météorologie Max Planck, Allemagne. Elle s'intéresse plus particulièrement aux scénarios B1 et A1B produits par le SRES. Le modèle CLM effectue un transfert à l'échelle locale des résultats du modèle global atmosphère-océan ECHAM5/MPIOM utilisés comme forçage. CLM est en particulier conditionné par les conditions aux limites du relief local. Les séries mensuelles de température, précipitation et évapotranspiration produites par CLM ont été utilisées comme données d'entrée du modèle hydrologique distribué MODSUR-NEIGE de manière à simuler le régime hydrographique du bassin en cas de changement climatique. Ce modèle est couplé au modèle de barrage HEC-ResSim décrivant en détail tous les éléments techniques du complexe hydroélectrique du Nestos et des réseaux d'irrigation existant dans le delta du Nestos ainsi que leur future extension à la plaine de Xanthi. Enfin, l'évaluation de la viabilité du projet Temenos en conditions de changement climatique a été effectuée à l'aide d'un nouvel outil économique basé sur le calcul de la VAN et spécialement développé pour les besoins de l'étude. La thèse propose une approche holistique de l'évaluation de projet qui dépasse le strict cadre économique. Le calcul de la VAN a été étendu de façon à réunir les éléments de strict rendement économique (recettes tirées de la vente de l'énergie électrique et de l'eau d'irrigation ainsi que l'accroissement du revenu des agriculteurs) avec des éléments concernant les « externalités » du projet que sont la valeur de l'environnement (coût de restauration du bon état des eaux de surface dans le cas où le débit environnemental minimal ne peut être maintenu) et les bénéfices sociaux (compensations aux agriculteurs dans le cas où les débits d'irrigation ne peuvent être délivrés). On argumente le fait que cette approche combinée offre un outil efficace d'évaluation du projet selon une approche de développement durable. De plus, l'étude d'impact des scenarios de changement climatique a été augmentée d'une étude portant sur les conséquences que pourraient avoir différentes hypothèses d'évolution de la politique de gestion transfrontalière du bassin en relation avec l'exécution du traité de débit signé entre la Bulgarie et la Grèce à propos des eaux du Mesta-Nestos. Enfin, dans un contexte d'application des recommandations de la Directive Cadre de l'Eau (WFD), on propose d'explorer l'utilisation des méthodes de décision multicritère (MCDA, en anglais) pour gérer les conflits d'intérêt des différents acteurs du bassin dans la phase d'acceptation du projet Temenos et dans sa phase d'exploitation.
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