Adaptation pathways to reconcile hydropower generation and aquatic ecosystems restoration

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

Coordenação entre decisões de investimento em saneamento e gestão de recursos hídricos

Water pollution affects water security, reducing water supply to economic water uses and threatening environmental preservation and human health. Controlling water pollution depends on efforts on two main sectors. One is water management, which provides regulatory instruments, including water quality standards, water abstraction and water discharge permits, as well as economic instruments, like water and wastewater charges. Another is sanitation, which is responsible for expansion of water and wastewater infrastructure and faces challenges in financing extensive infrastructure. While water management defines broader (watershed scale) strategies to address water quality, other decisions regarding infrastructure investment are made by the sanitation sector at the municipality scale, with limited perception of broader watershed context on water availability and pollution. When water management and sanitation decisions are not coordinated there are missed opportunities to (a) meet water quality standards at given river reaches due to lacking investment upstream and (b) find least cost investment solutions across municipalities, at the watershed scale. In this paper, we present methods and solutions to coordinate wastewater infrastructure expansion planning with water management instruments in the long-term planning to maximize economic returns and improve water quality. Our methods identify the regions where investments could be prioritized, coordinated with the distribution of water permits and definition of water quality targets. Results show that restricting water permits on some watershed regions results in a small water availability trade-off for economic uses but a significant reduction in costs to sanitation investments, while also meeting the water quality targets. We conclude that while there are several ways to reach predefined water quality targets, each way requires well-coordinated decisions from the water management perspective (where and when to allocate water permits) and the sanitation sector (where and when to concentrate investments in wastewater treatment). Thus, as important as the decisions to improve water management instruments and to increase investments in sanitation is their coordination towards a common watershed goalA poluição afeta a segurança hídrica ao reduzir a disponibilidade de água para usos econômicos, bem como ameaçar a preservação ambiental e a saúde humana. O controle da poluição hídrica depende de esforços em dois setores principais. Um deles é a gestão da água, que fornece instrumentos regulatórios, incluindo o enquadramento e a outorga, bem como instrumentos econômicos, como a cobrança pelo uso da água e lançamento de carga poluente. Outro é o saneamento, que é responsável pela expansão da infraestrutura de água e esgoto e enfrenta desafios diversos quanto ao seu financiamento. Enquanto a gestão da água define estratégias mais amplas (escala de bacia hidrográfica) para lidar com a qualidade da água, outras decisões relativas a investimentos em infraestrutura são tomadas pelo setor de saneamento na escala municipal, com percepção limitada do contexto mais amplo da bacia hidrográfica sobre a disponibilidade de água e poluição. Quando as decisões de gestão da água e saneamento não são coordenadas, perdem-se oportunidades de (a) atender aos padrões de qualidade da água em determinados trechos da bacia devido à falta de investimento à montante e (b) encontrar soluções de investimento de menor custo entre os municípios, na escala da bacia hidrográfica. Neste artigo, apresentamos métodos e soluções para coordenar o planejamento da expansão da infraestrutura de saneamento com instrumentos de gestão da água no planejamento de longo prazo, a fim de maximizar o retorno econômico e melhorar a qualidade da água. Nossos métodos identificam as regiões onde os investimentos podem ser priorizados de forma coordenada com a distribuição de outorgas e definição de metas de enquadramento. Os resultados mostram que a restrição das outorgas de água em algumas regiões da bacia hidrográfica resulta em um pequeno trade-off na disponibilidade de água para alguns usos econômicos, mas uma redução significativa nos custos de investimentos em saneamento, além de cumprir as metas de qualidade da água. Concluímos que, embora existam várias maneiras de atingir metas pré definidas de enquadramento, cada forma requer decisões bem coordenadas na perspectiva da gestão da água (onde e quando conceder uma outorga) e do setor de saneamento (onde e quando concentrar os investimentos em saneamento). Assim, tão importante quanto as decisões para melhorar os instrumentos de gestão da água e aumentar os investimentos em saneamento é sua coordenação em direção a um objetivo comum na bacia hidrográfica

Análise do comportamento operacional de reservatórios com redes neurais artificiais : caso de Luiz Gonzaga, Brasil

Reservoirs are operated following specific policies, constrained by hydrological and structural conditions. When modeling anthropized water systems with reservoirs, the incorporation of existing operating policies is important to improve model capability. However, operating policies are not always available or easy to identify within large-scale multi-reservoir systems, where operation derives from large number of variables and constraints rather than a clear-cut local objective function. This study applies Artificial Neural Networks (ANNs) with the objective of analyzing if local variables (inflow, storage level, and evaporation) of a sub-system part of a large-scale coordinated multi-reservoir system are sufficient predictors of the operational behavior (release decisions) in a daily time step. The sub-system includes the Luiz Gonzaga and Sobradinho reservoirs. Results pointed to a Nash–Sutcliffe efficiency coefficient (NS) of 0.67 to 0.74 and a coefficient of determination (r2) of 0.75, showing that we can predict the subsystem operational behavior most of the time but with some outflow peaks under predicted.Reservatórios são operados de acordo com políticas específicas, condicionadas por condições hidrológicas e estruturais. Em simulações hidrológicas de sistemas hídricos antropizados com reservatórios, a incorporação de regras operacionais é fundamental para melhorar a capacidade de modelagem. No entanto, regras de operação nem sempre estão disponíveis ou são fáceis de identificar em sistemas multirreservatórios de grande escala, onde a operação deriva de um grande número de variáveis e restrições, em vez de uma função objetivo local bem definida. Este estudo aplica Redes Neurais Artificiais (RNAs) com o objetivo de analisar se variáveis locais (vazão, armazenamento e evaporação) de um subsistema parte de um sistema multirreservatório integrado de grande escala são preditores suficientes do seu comportamento operacional (decisões de despacho) em um intervalo de tempo diário. O subsistema inclui os reservatórios de Luiz Gonzaga e Sobradinho. Os resultados apontaram para um coeficiente de eficiência Nash-Sutcliffe (NS) de 0,67 a 0,74 e um coeficiente de determinação (r2) de 0,75, mostrando que podemos prever o comportamento operacional do subsistema na maior parte do tempo, mas com alguns picos de vazão não previstos

Water-food-energy nexus tradeoffs in the São Marcos river basin

Given its potentialities and characteristics, energy generation, food production, and water availability have a strong interdependency and correlation. Water is needed to produce energy and food, while energy is required to produce water and food. This nexus brings several challenges when scarce water resources must be allocated among competing uses, often in the form of unexpected tradeoffs. Addressing those challenges requires knowledge about the water–food–energy nexus and the associated tradeoffs to support water allocation and management decisions. Those tradeoffs are still not properly understood in the uncertain and stochastic context of water availability. When not properly accounted for, the results are conflicts, loss of investments, environmental impacts, and limited effectiveness of sectoral policies, all of which undermine a country’s development model relying on water and energy security. This paper addresses the competitive uses of recent irrigated agriculture expansion and existing hydropower production in a Brazilian watershed with water conflicts, assessing the economic tradeoffs and water values between energy and irrigated agricultural production under uncertainty. An explicitly stochastic hydro-economic model is used to determine water’s economic value and its variation in space and time. Results indicate that the agricultural benefits outweigh the potential energy losses, and the best course of action should explore an economically compensated reallocation strategy, upon negotiation among users, rather than imposing water supply cutbacks to the agriculture sector

Estimando indicadores socioeconômicos de pequenas bacias hidrográficas através de imagens noturnas de satélite no apoio à gestão dos recursos hídricos

Small watersheds lack socioeconomic data. These data are essential in land use decision-making and in water resources management, especially when determining its economic value. In order to contribute to filling this notable gap, this study presents an approach to estimate this type of information for small watersheds (from 5 to 100 km²), applying nighttime light (NTL) satellite images and available socioeconomic records from larger locale. Three socioeconomic indicators were chosen to test the method: Gross Domestic Product, population and jobs. The relationship between these three socioeconomic indicators and the radiance quantified from the NTL images was acquired through simple regression analysis applied at the 497 municipalities of the State of Rio Grande do Sul (RS), southern Brazil. The polynomial fit equations presented the best Coefficient of Determination, being further submitted to validation by using data from 50 municipalities of the neighboring State of Santa Catarina. The validation showed a very good estimation performance. The validated equations were used to estimate these socioeconomic indicators for small watersheds located in the municipality of Caxias do Sul, RS, in three different years: 2011, 2014 and 2018. Findings indicate that this novel application of NTL for estimating socioeconomic data can be a helpful tool towards land use and water resources management of small watersheds.Há falta de dados socioeconômicos para pequenas bacias hidrográficas. Esses dados são fundamentais para a tomada de decisões na gestão dos recursos hídricos, principalmente na determinação do seu valor econômico. Para contribuir em preencher essa lacuna, este estudo apresenta um método para estimar esse tipo de informação para pequenas bacias hidrográficas (de 5 a 100 km²), aplicando imagens noturnas de satélite e dados socioeconômicos disponíveis de regiões maiores. Três indicadores socioeconômicos foram selecionados para testar o método: Produto Interno Bruto (PIB), população e emprego. A relação entre esses três indicadores e a radiância quantificada nas imagens noturnas foi obtida por meio de análise de regressão simples aplicada nos 497 municípios do Estado do Rio Grande do Sul (RS). As equações do ajuste polinomial apresentaram o melhor Coeficiente de Determinação, sendo posteriormente submetidas à validação com dados de 50 municípios localizados no Estado de Santa Catarina. A validação mostrou um desempenho de estimação muito bom. As equações validadas foram usadas para estimar esses indicadores socioeconômicos para pequenas bacias hidrográficas localizadas no município de Caxias do Sul, RS, em três anos distintos: 2011, 2014 e 2018. Os resultados indicam que esta nova aplicação de imagens noturnas de satélite para estimar dados socioeconômicos pode ser uma ferramenta útil para a gestão do uso do solo e dos recursos hídricos de pequenas bacias hidrográficas

Análise do comportamento operacional de reservatórios com redes neurais artificiais: O caso de Luiz Gonzaga, Brasil

Reservoirs are operated following specific policies, constrained by hydrological and structural conditions. When modeling antropized water systems with reservoirs, the incorporation of existing operating policies is important to improve model capability. However, operating policies are not always available or easy to identify within large-scale multi-reservoir systems, where operation derives from large number of variables and constraints rather than a clear-cut local objective function. This study applies Artificial Neural Networks (ANNs) with the objective of analyzing if local variables (inflow, storage level, and evaporation) of a sub-system part of a large-scale coordinated multi-reservoir system are sufficient predictors of the operational behavior (release decisions) in a daily time step. The sub-system includes the Luiz Gonzaga and Sobradinho reservoirs. Results pointed to a Nash–Sutcliffe efficiency coefficient (NS) of 0.67 to 0.74 and a coefficient of determination (r2) of 0.75, showing that we can predict the sub-system operational behavior most of the time but with some outflow peaks under predicted

Fator de reprodução de Meloidogyne javanica, M. incognita e Pratylenchus brachyurus em variedades de sorgo, milheto e girassol

The use of agricultural species resistant to root-knotting and root-wounding nematodes, in crop rotation systems, keeps the nematode population at low levels, reducing losses and enabling the planting of more susceptible species. In this study, the resistance of sorghum, millet and sunflower genotypes to root-knot nematodes Meloidogyne javanica, M. incognita and Pratylenchus brachyurus was evaluated. The tests were conducted in a greenhouse and the genotypes sown in plastic pots containing 2 L of sterilized substrate and inoculated with 1,600 nematode eggs and juveniles per pot, arranged in a completely randomized design with nine replications. The evaluation of nematode reproduction was performed by counting the number of juveniles/adults per root system and soil, calculating the Reproduction Factor (FR = Pf/Pi). According to the results, all sorghum, millet and sunflower genotypes behaved as resistant to the reproduction of M. javanica, M. incognita and P. brachyurus. Commercial resistant genotypes are indicated for use in rotation of areas infested by these nematodes.El uso de especies agrícolas resistentes a nematodos formadores de agallas y lesiones radiculares, en sistemas de rotación de cultivos, mantiene la población de nematodos en niveles bajos, reduciendo pérdidas y permitiendo la siembra de especies más susceptibles. En este estudio se evaluó la resistencia de genotipos de sorgo, mijo y girasol a los nematodos agalladores Meloidogyne javanica, M. incognita y Pratylenchus brachyurus. Las pruebas se realizaron en invernadero y los genotipos se sembraron en macetas de plástico con 2 L de sustrato esterilizado, y se inocularon con 1600 huevos y juveniles de nematodos por maceta, dispuestos en un diseño completamente al azar con nueve repeticiones. La evaluación de la reproducción del nematodo se realizó contando el número de juveniles/adultos por sistema radicular y suelo, calculando el Factor de Reproducción (FR = Pf/Pi). De acuerdo con los resultados, todos los genotipos de sorgo, mijo y girasol se comportaron como resistentes a la reproducción de M. javanica, M. incognita y P. brachyurus. Los genotipos comerciales resistentes están indicados para uso en rotación de áreas infestadas por estos nematodos.O uso de espécies agrícolas resistentes aos nematóides formadores de galhas e lesões nas raízes, em sistemas de rotação de culturas, mantém a população dos nematóides em níveis baixos, diminuindo as perdas e possibilitando o plantio de espécies mais susceptíveis. Neste estudo avaliou-se a resistência de genótipos de sorgo, milheto e girassol aos nematóides de galhas Meloidogyne javanica, M. incognita e de lesões Pratylenchus brachyurus. Os ensaios foram conduzidos em casa de vegetação e os genótipos semeados em vasos plásticos contendo 2 L de substrato esterilizado, e inoculados com 1.600 ovos e juvenis de nematóide por vaso, dispostos em delineamento inteiramente casualizado com nove repetições. A avaliação da reprodução dos nematóides foi feita através da contagem do número de juvenis/adultos por sistema radicular e solo, calculando o Fator de Reprodução (FR = Pf/Pi). De acordo com os resultados, todos os genótipos de sorgo, milheto e girassol comportaram-se como resistentes à reprodução de M. javanica, M. incognita e P. brachyurus. Os genótipos resistentes comerciais são indicados para uso em rotação de áreas infestadas por esses nematóides

Effects of auriculotherapy on nausea and vomiting in pregnant women:a randomized clinical trial

Background: Pregnancy induces physiological changes, commonly marked by nausea and vomiting in the first trimester, posing risks for both mother and baby. This study evaluates the effects of auriculotherapy on nausea and vomiting during the first trimester of pregnancy.Materials and Methods: A randomized clinical trial was conducted in two primary health care centers with 56 Brazilian pregnant women who reported nausea or vomiting in the first trimester. The participants were divided into an intervention group (auriculotherapy with seeds) and a placebo group (sham auriculotherapy). The intervention was divided into three moments: pre-intervention with assessment of nausea and vomiting and application of questionnaires, and two follow-ups conducted on the fourth and seventh day of the intervention, with reassessment of nausea and vomiting.Results: Both groups experienced a decrease in nausea and vomiting over time, with no statistically significant differences between groups in the within-group analyses at various time points. The intervention group had a greater reduction in symptoms. Within the intervention group, symptoms were more common among ferrous sulfate users and those without reported dietary disturbances. In addition, a higher incidence of nausea and vomiting was associated with the use of analgesics, morning snacks, and low intake of protein, vegetables, and fruits.Conclusions: The intervention did not affect the between-group differences in the incidence of nausea and vomiting and vomiting effort in the first trimester of pregnancy. However, a greater reduction was observed in the intervention group