Rivers belong to the world’s most complex ecosystems but increasing demands for water are degrading rivers worldwide. The increase in human populations and activities has resulted in an intense and difficult conflict between the development of rivers as a natural resource and their function as living ecosystems. It is now widely recognized that a naturally variable flow regime is required to sustain freshwater ecosystems. Many countries that experience river degradation have started to implement environmental flows, i.e. the unallocated flow purposely preserved in a river. The objectives of this thesis are twofold. The first aim is to briefly describe the concept and science of environmental flows and the different methodologies for calculating environmental flows. This was done based on a literature review of the subject. The second aim is to present a case study calculating the environmental flow requirements. The case study was conducted through a field study in the Buzi River basin in Mozambique and the subsequent modeling of the environmental flow requirements. The literature study showed that not only the quantity of water is important; the timing and frequency of floods, droughts, low flows and high flows are very important as well. The literature study also showed that the advances in environmental flow science have been remarkable while the water policy and management has not been equally successful in implementing environmental flow standards. The calculation of environmental flow requirements was done with the Desktop Reserve Model developed in South Africa. The results indicated that to maintain the ecological status in the Buzi River at a largely natural condition (ecological category A) an average allocation of 57 % of mean annual runoff (MAR) is required. The present ecological status was determined in Revue River, which is one of the three major tributaries to Buzi River. To maintain the Revue River at its present ecological state requires an environmental flow between 23-37 % of MAR. The major environmental threats in Revue River are erosion and flow modification. The erosion is a consequence from artisanal gold mining, inadequate farming practices and deforestation. The flow alterations are caused by the large Chicamba Dam constructed for the generation of hydropower. One of the questions this thesis aimed to answer was if it was possible to set the present ecological state with a limited amount of data. This study showed that it could be possible but that the confidence level will be low. The relationships between ecological metrics and flow alterations must be investigated in detail for this region before environmental flow requirements can be successfully calculated and implemented. / Floder hör till jordens mest komplexa och känsliga ekosystem, men ett ökat tryck på våra vattenresurser har försämrat situationen för många av världens floder. Befolkningsökningen och den globala utvecklingen har resulterat i en intensiv och komplicerad konflikt mellan utnyttjandet av floder som en naturresurs och bevarandet av deras funktion som unika ekosystem. Det är nu allmänt accepterat att den naturliga flödesvariabiliteten behövs för att bevara våra sötvattenekosystem. Flera länder där försämringen av floder är ett faktum har börjat införa miljöanpassade flöden, det vill säga vatten som medvetet tilldelas flodens ekosystem. Det finns två syften med det här examensarbetet. Det första är att genom en litteraturstudie beskriva miljöanpassade flöden och de modeller som används för att beräkna detta flöde. Det andra målet är att göra en fallstudie och beräkna det miljöanpassade flödet och bestämma den ekologiska statusen för Buzi floden i Moçambique. Litteraturstudien visade att det inte bara är kvantiteten av vatten som är viktigt; tidpunkt och återkomsten av översvämning, torka, lågflöden och högflöden är mycket viktiga om man vill efterlikna det naturliga flödet. Litteraturstudien visade även att framstegen i kunskapen om miljöanpassade flöden har varit stora medan vattenlagstiftningens anpassning och införandet av miljöanpassade flöden har varit svag i flera avseenden. Modellerandet gjordes med den sydafrikanska Desktop Reserve Model. Resultaten från modellen visade att för att bibehålla den ekologiska statusen för Buzi floden i ett nära naturligt stadium (ekologisk klass A) krävs en tilldelning på 57% av medelårsavrinningen. Den nuvarande ekologiska statusen bestämdes i Revue floden, som är en av tre huvudfloder i Buzi avrinningsområdet. För att behålla Revue floden i sitt nuvarande tillstånd skulle kräva ett miljöanpassat flöde på mellan 23-37% av medelårsavrinningen. De största ekologiska hoten i Revue floden visade studien var erosion och flödesförändringar. Erosionen är en konsekvens av guldutgrävning, jordbruk med fel teknik, och skogs­­avverkning. Flödesförändringarna härrör från den stora vattenkraftsstationen Chicamba Dam. En av frågorna den här studien syftade till att besvara var om det är möjligt att bestämma den nuvarande ekologiska statusen med en begränsad tillgång till data. Studien visade att det är möjligt men att osäkerhetsnivån i resultatet kommer att vara stort. Studien visade även att modellen Desktop Reserve Model kan användas för snabba beräkningar av det miljöanpassade flödet, men att mer utförliga studier som till exempel Building Block Methodology måste genomföras innan resultatet med säkerhet kan verifieras. Relationen mellan ekologiska förändringar och flödesvariationer måste utredas i detalj för studieområdet innan de miljö­anpassade flödesbehoven kan bli implementerade med framgång.

Die Landwirtschaft ist heute der wichtigste Treiber der globalen Degradation von Ökosystemen. Es existiert jedoch wenig konkretes Wissen, wie Ökosysteme zu schützen sind und gleichzeitig die Nahrungsproduktion für die wachsende Weltbevölkerung gesichert werden kann. In dieser Dissertation untersuche ich Optimierungsmöglichkeiten im landwirtschaftlichen Wassermanagement. Ich quantifiziere praxisorientierte Verbesserungen der Regenwassernutzung und Optimierungen von Bewässerungssystemen, unter Einhaltung der „environmental flow requirements“ (EFRs). Um diese komplexen Interaktionen zu untersuchen, entwickle ich ein agro-hydrologisches Modell auf Basis detaillierter, mechanistischer Prozessabbildung weiter. Erstens, 39% der derzeitigen Wasserentnahmen für Bewässerung sind nicht nachhaltig und somit auf Kosten der Ökosysteme. Zweitens, solche lokalen Wasserentnahmegrenzen legen nahe, dass die globale Grenze für den menschlichen Wasserverbrauch deutlich niedriger liegt, als bisher angenommen (2800 vs 4000 km3yr-1). Drittens, die Implementierung von EFRs würde die landwirtschaftliche Produktion erheblich beeinträchtigen, mit >20% in stark bewässerten Gebieten. Verbesserte Nutzung des Niederschlagswassers und die Optimierung von Bewässerungssystemen, können die weltweite Nahrungsmittelproduktion allerdings um rund 40% nachhaltig steigern - ausreichend, um die Nahrungsmittellücke der wachsenden Weltbevölkerung bis 2050 zu halbieren. Zusammenfassend stellt diese Arbeit die erste umfassende und systematische Einschätzung globaler Potentiale der nachhaltigen Intensivierung der Landwirtschaft aus der Wasserperspektive dar. Die in dieser Arbeit vorgebrachten innovativen und quantitativen Erkenntnisse legen nahe, dass das Potential der diskutierten Interventionen höhere politische Aufmerksamkeit erfahren sollte. Meine Ergebnisse können eine konkretere Diskussion zur Umsetzung der Sustainable Development Goals untermauern. / Agriculture is today''s most important driver of ecosystem degradation across scales. However, there is little evidence on how to attain the historic twin-challenge of maintaining environmental integrity while producing enough food for a growing world population. In this thesis, I assess opportunities in agricultural water management to reconcile future food needs with environmental limits to water use. I explore solution-oriented ways to improve rainfed and irrigation systems alike, while safeguarding environmental flows (EFRs). To study complex interactions quantitatively, I advanced a state-of-the-art global modeling framework based on detailed, mechanistic process representation. First, a systematic upscaling of EFRs to global coverage indicates that 39% of current freshwater withdrawals for irrigation are unsustainable and occur at the cost of ecosystems. Second, accounting for EFRs indicates that the planetary boundary for freshwater use might be notably lower (2800 vs. 4000 km3yr-1) than expected. Third, maintaining EFRs would significantly affect food production, cutting >20% of total kcal production across intensely irrigated areas. Fourth, improving irrigation systems in combination with optimizing the use of precipitation water, provides effective and accessible measures to compensate for adverse impacts from protecting EFRs and climate change. Such integrated interventions could sustainably intensify global food production (+40% kcal) to the degree sufficient to halve the global food gap by 2050. In conclusion, this thesis provides the first comprehensive and systematic assessment of hitherto largely unquantified water opportunities in sustainable intensification of agriculture. While requiring corroboration by finer-scale research, the innovative quantitative foundation provided in this thesis suggests that farm water management merits a rise in political attention, and it can inform a more comprehensive discussion of related SDG target interactions.