There is a growing need to manage water resources in a sustainable way, particularly in semi arid areas, with dramatic social and economic development as well as rapid population growth. Optimising water allocation in a river basin is an important aspect ensuring equitable and efficient water use. This research develops an optimisation approach (the Integrated Water Resource Optimisation model, IWRO) to optimise the conjunctive use of surface water and groundwater resources in a sustainable manner. The IWRO model is comprised of a surface water optimisation model (SWO) and the Tsinghua groundwater optimisation (TGO) model. These models employ Genetic Algorithms (GAs) to optimise water allocation. Application of a surface water optimisation (SWO) model incorporating a GA is demonstrated initially for a simple test case, through which the GA approach was validated against known solutions. Sensitivity analysis of different operators and parameters related to GAs was also carried out. The validated SWO model was then applied to a more complex system, the Shiyang River Basin in Gansu Province in China, to maximise equitable surface water supplies. On the groundwater side, the GA approach was applied with the existing Tsinghua groundwater model to optimise groundwater supplies with sustainability considerations. The results were compared with those from an existing model (the WEAP model), indicating that the IWRO model is capable of satisfying the objectives of equitable water allocation and groundwater sustainability set for it. In the context of Integrated Water Resources Management (IWRM), account must be taken of a wide range of social and environmental issues. Different scenarios were therefore designed for the Shiyang River Basin management. Various criteria in terms of economic, social, environment and water security were also indentified for further multi-criterion decision making analysis.

Tesis para optar al grado de Máster en Estudios Internacionales. / En consideración de la “Carta de intenciones” (Letter of Intentions), firmada el 14 de julio de 2016 para la cooperación en temas relacionados con el gestión integrada de los recursos hídricos –en adelante GIRH– entre Chile y Holanda, se ha propuesto la creación de un proyecto piloto en la cuenca del río Elqui a partir de los hallazgos del estudio técnico "GIRAgua", actualmente en ejecución, incorporando las áreas de Sistemas de Información, Transferencia de Tecnología y la gestión integrada del agua para resolver las prolongadas sequías y la presión intensivas sobre los recursos hídricos con el objetivo de explorar necesidades concretas y nuevas oportunidades de colaboración con Chile. / Considering the "Letter of Intentions" signed on July 14, 2016 in order to cooperation on issues related to integrated water resources management –hereinafter IWRM– between Chile and the Netherlands in order to explore concrete needs and opportunities for collaboration in Chile, the creation of a pilot project in the Elqui river basin has been proposed based on the findings of the "GIRAgua" technical study, currently underway, incorporating the areas of Information Systems, Transfer of Technology and efficient use of water to solve prolonged droughts and intensive pressure on water resources in order to explore concrete needs and new opportunities for collaboration with Chile.

A gestão dos recursos hídricos passou por profundas transformações ao longo dos últimos vinte anos. A crescente complexidade e interdependência dos problemas associados a demanda e oferta por água em quantidade e qualidade adequadas levou ao aumento de conflitos entre os atores sociais. A resposta institucional foi uma maior flexibilização das normas que regulam o uso dos recursos hídricos. Estas reformas promoveram especificamente a participação de um maior número de atores sociais nas questões relacionadas à água, garantindo-lhes também maior poder no planejamento, gestão e implementação de políticas públicas. O expoente desta tendência é a União Européia através da promulgação da Diretiva Européia para a Água. Entretanto, maior participação é o primeiro passo para uma gestão mais solidária e sustentável da água. Mais do que participação, é a capacidade de aprender com o outro que amplia a possibilidade de soluções sustentáveis. Nesta pesquisa analisamos os fatores e condições que transformam os espaços de participação em processos de aprendizagem social, onde atores sociais modificam suas percepções e práticas sobre a água promovendo uma gestão mais sustentável. Como exemplo, foram analisados dois estudos de caso - um na Bélgica e outro no Reino Unido - onde foi promovida a implementação da Diretiva Européia para a Água. Estes estudos de caso revelam que práticas de gestão participativa não evoluem necessariamente para processos de aprendizagem social sendo que liderança, facilitação profissional e a forma como se estabelecem as relações entre Estado e Sociedade exercem um papel importante na promoção dessas mudanças. / Water management has undergone profound changes over the past twenty years. The increasing complexity and interdependence of problems associated with water supply and demand has led to increasing conflicts between social actors involved with water management. The institutional response was a further reform of the rules governing the use of water resources. These reforms promoted participation of a greater number of social actors while guaranteeing them greater stakes in planning, management and implementation of public policies. The spearhead of this trend is the European Union through the enactment of the Water Framework Directive. However, increased participation is the first step towards a more cohesive and sustainable water management system. More than participation, it is the ability to learn together that allows for sustainable solutions. This research analyses the factors and conditions that allows public engagement to go beyond participation and create social learning processes, in which social actors exchange their perceptions and transform their practices, leading to sustainable watershed co-management. Two case studies are analysed, one in Belgium and another in the UK.

Modificações da cobertura natural dos solos podem ocasionar alterações no ciclo hidrológico, que por sua vez podem impactar a disponibilidade de água. Na Bacia Hidrográfica do Rio Paraíba do Sul (BHPS) vem ocorrendo uma substituição de coberturas vegetais em função da expansão de monoculturas de eucalipto. O objetivo desta pesquisa foi verificar os impactos de ordem hidrológica sobre a disponibilidade hídrica (quali e quantitativa) no trecho paulista da BHPS, em decorrência da implantação da atividade de silvicultura de eucalipto para produção de celulose. Para isso, foi utilizado o método de Pegada Hídrica (PH) para avaliar a alocação de água da produção de madeira de floresta nativa e de eucalipto, método que vem sendo aplicado pelo setor silvícola. Foram empregados também métodos de Balanço Hídrico Climatológico, Balanço Hídrico Geral e a abordagem de Serviços Ecossistêmicos para avaliar a relação entre a água e as principais coberturas vegetais da bacia (pastagem, floresta nativa e eucalipto), de forma a permitir uma análise ampliada e integrada do comportamento hidrológico da bacia. Ao analisar os métodos empregados, observou-se que a PH de produtos avalia apenas a eficiência do uso da água, o que pode mascarar altos consumos de água em função de maior produtividade por hectare. Isto porque se obteve menor valor de PH da madeira, em m³ por tonelada para o caso do eucalipto, e maior alocação total de água, em m³ por hectare por ano, em comparação à floresta nativa. Os resultados obtidos pela análise de Balanço Hídrico Climatológico para as principais coberturas vegetais mostraram que o eucalipto apresentou maior evapotranspiração e menor excedente hídrico. Já o Balanço Hídrico Geral, analisado mensalmente, permitiu visualizar que as coberturas vegetais influenciam o serviço de provisão de água e concorrem pelo uso de água com os demais usuários da bacia (naturais e antrópicos) em períodos de menor precipitação. Por fim, concluiu-se que são necessárias medições locais para determinação de volumes de escoamento (superficial e subterrâneo), infiltração, bem como do processo de lixiviação e perdas de solo para apontar de forma mais precisa os impactos hídricos da monocultura de eucalipto. / Modifications in the natural land cover can change the hydrological cycle, which might have an impact on water availability. In the river basin of the Paraíba do Sul river (RBPS), the natural vegetation has been being replaced due to the expansion of eucalyptus monocultures. This research assessed the impacts on water availability (both qualitative and quantitative), caused by eucalyptus forestry for pulp production in the RBPS part in Sao Paulo. The water footprint (WF) method was applied to assess the water used on the cellulose production of native forest and eucalyptus, given the use of this method by the industry. Also, the Climatic Water Balance, General Water Balance methods and the Ecosystem Services approach were used in order to perform an extended and integrated analysis of the hydrological behavior of the basin. By analyzing these methods, it was found that the products WF only assesses the efficiency in water use, which can mask high water consumption with higher productivity per hectare. This because a smaller value for wood WF was observed, in m³/ton for eucalyptus, and higher total water use, in m³ per hectare per year, compared to the native forest. The results observed by the Climatic Water Balance analysis for the main vegetation cover showed that the eucalyptus presented higher evapotranspiration and smaller water surplus. The General Water Balance, analyzed on a monthly basis, showed that the vegetation has an impact on the water provision service and competes for water with other users in the basin (natural and anthropic) in periods with less precipitation. Finally, it was concluded that local measurements are required to determine the runnof volumes (superficial and subsurface), infiltration, as well as the process of leaching and soil loss in order to have a more accurate assessment of the hydrological impacts of the eucalyptus monoculture.

Este trabalho trata da avaliação dos impactos que os múltiplos usos da água causam à operação dos reservatórios de uma bacia hidrográfica para a geração de energia elétrica. Apresenta-se o equacionamento do modelo HIDRO, desenvolvido em linguagem GAMS para tratamento de problemas de otimização em Programação Não Linear, cuja função objetivo inclui variáveis relacionadas não somente à geração de energia, como também ao fornecimento de água aos diversos usos do recurso hídrico tratados no problema. A aplicação do modelo é feita para a bacia do rio São Francisco, localizada entre as regiões Sudeste e Nordeste do Brasil, que conta com uma capacidade instalada de 10,7 GW em suas usinas hidrelétricas, as quais também realizam operações de controle de cheia. A região apresenta um expressivo uso consuntivo do recurso hídrico, principalmente voltado à irrigação de culturas, além de abastecimento humano e criação animal. Dentre os usos não consuntivos, têm-se a navegação e a conservação ambiental. Uma vez que grande parte da bacia é marcada por escassez hídrica, a operação de seu sistema de reservatórios vem sendo questionada no que se refere ao gerenciamento dos recursos hídricos. São avaliados os índices de atendimento da demanda de energia e da demanda hídrica para cenários de baixa afluência aos reservatórios. As relações de troca entre energia, uso consuntivo e conservação ambiental são avaliadas, levando-se em conta, também, os efeitos decorrentes da transposição das águas do São Francisco para o Nordeste Setentrional. As perdas na geração de energia decorrentes do aumento da demanda hídrica e do aumento da demanda ambiental são avaliadas. São estimados os custos relacionados às perdas na geração de energia se as demandas consuntivas atingirem o valor outorgado na bacia pelo Poder Público, valor este que não consegue ser plenamente atendido. O modelo proposto pode ser aplicado a quaisquer bacias hidrográficas com múltiplos usos do recurso hídrico. / This research presents a study conducted to evaluate the impacts of the hydroelectric power plants operation caused by the multipurpose uses of water resources. There are many conflicts involved in the operation of a reservoir system mainly due to competitive uses of water. That is the case of São Francisco River, located between the Southeast and Northeast regions of Brazil. The hydro system in this region has an installed capacity of 10.7 GW and supports 13% of the Brazilian hydro electrical power. Due to the scarcity of water in this region, the operation of this system has been questioned in the last few years. The competitive uses of water in this region are water supply, irrigation and animal raising. The non-consumptive uses of water are navigation and environmental protection. The electrical sector is planning to review the reservoir operation rules in order to attend these demands. The study was conducted by applying the HIDRO model, which is an optimization PNL model developed with GAMS software that maximizes hydropower production. A new objective function was added to the HIDRO model in order to consider the treatment of energy and water demands the both. The trade-offs among energy, consumptive uses and environment protection are presented. The lack of energy due the increasing water demand implies costs which are evaluated according to some demand scenarios and different scarcity historical periods. Also the effect due the operation of the water transfer system from São Francisco to the neighboring basins is considered.

At the same time that additional coordination and cooperation between involved stakeholder groups is required more than ever to respond to changing environmental and socio-economic conditions, there has been an increasing trend of polarization across several important social divides (scientists/local actors, urban/rural, and political partisanship). Boundary organizations and boundary chains have been promoted as ways to help mitigate the problematic effects these divisions have on the successful communication of climate adaptation information in the water management sector. In this dissertation, I present three studies that were conducted in two regions to further explore stakeholder groups and the boundary chains that connect them. Both areas (Guanacaste, Costa Rica and Montana, USA) are historically agricultural regions experiencing ongoing environmental and socio-economic shifts. A mental models approach involving the use of interviews and surveys was used in each study area. The first two studies were conducted in Guanacaste and focused on comparing stakeholder group perceptions of their water system and hydro-climate information and on the differences in trust in forecast sources and its impact on forecast use. The results of these studies suggest that there is a distinction between the perceptions of larger stakeholder groups (e.g. government agencies or large farmers) and smaller groups (e.g. local water committees), and that this division suggests a need for boundary-type translation work. The third study was conducted in Montana with a focus on what communication strategies are used by, and what prompts engagement with, a boundary chain connecting rural agriculturalists to urban scientists. The results show that members of the network generally agree that for successful communication it is important both to not engage in ways viewed as attacks on agriculture and to make attempts to understand and respect local agricultural contexts. While there is some tension in the network, overall “buy-in” to the goal of bridging divides appears to be a common reason for engagement. In addition, organizations engage with the boundary chain for both the opportunity to connect to others and because of the need for translation between the concerns and logistics of different groups.

A gestão dos recursos hídricos passou por profundas transformações ao longo dos últimos vinte anos. A crescente complexidade e interdependência dos problemas associados a demanda e oferta por água em quantidade e qualidade adequadas levou ao aumento de conflitos entre os atores sociais. A resposta institucional foi uma maior flexibilização das normas que regulam o uso dos recursos hídricos. Estas reformas promoveram especificamente a participação de um maior número de atores sociais nas questões relacionadas à água, garantindo-lhes também maior poder no planejamento, gestão e implementação de políticas públicas. O expoente desta tendência é a União Européia através da promulgação da Diretiva Européia para a Água. Entretanto, maior participação é o primeiro passo para uma gestão mais solidária e sustentável da água. Mais do que participação, é a capacidade de aprender com o outro que amplia a possibilidade de soluções sustentáveis. Nesta pesquisa analisamos os fatores e condições que transformam os espaços de participação em processos de aprendizagem social, onde atores sociais modificam suas percepções e práticas sobre a água promovendo uma gestão mais sustentável. Como exemplo, foram analisados dois estudos de caso - um na Bélgica e outro no Reino Unido - onde foi promovida a implementação da Diretiva Européia para a Água. Estes estudos de caso revelam que práticas de gestão participativa não evoluem necessariamente para processos de aprendizagem social sendo que liderança, facilitação profissional e a forma como se estabelecem as relações entre Estado e Sociedade exercem um papel importante na promoção dessas mudanças. / Water management has undergone profound changes over the past twenty years. The increasing complexity and interdependence of problems associated with water supply and demand has led to increasing conflicts between social actors involved with water management. The institutional response was a further reform of the rules governing the use of water resources. These reforms promoted participation of a greater number of social actors while guaranteeing them greater stakes in planning, management and implementation of public policies. The spearhead of this trend is the European Union through the enactment of the Water Framework Directive. However, increased participation is the first step towards a more cohesive and sustainable water management system. More than participation, it is the ability to learn together that allows for sustainable solutions. This research analyses the factors and conditions that allows public engagement to go beyond participation and create social learning processes, in which social actors exchange their perceptions and transform their practices, leading to sustainable watershed co-management. Two case studies are analysed, one in Belgium and another in the UK.

Este trabalho trata da avaliação dos impactos que os múltiplos usos da água causam à operação dos reservatórios de uma bacia hidrográfica para a geração de energia elétrica. Apresenta-se o equacionamento do modelo HIDRO, desenvolvido em linguagem GAMS para tratamento de problemas de otimização em Programação Não Linear, cuja função objetivo inclui variáveis relacionadas não somente à geração de energia, como também ao fornecimento de água aos diversos usos do recurso hídrico tratados no problema. A aplicação do modelo é feita para a bacia do rio São Francisco, localizada entre as regiões Sudeste e Nordeste do Brasil, que conta com uma capacidade instalada de 10,7 GW em suas usinas hidrelétricas, as quais também realizam operações de controle de cheia. A região apresenta um expressivo uso consuntivo do recurso hídrico, principalmente voltado à irrigação de culturas, além de abastecimento humano e criação animal. Dentre os usos não consuntivos, têm-se a navegação e a conservação ambiental. Uma vez que grande parte da bacia é marcada por escassez hídrica, a operação de seu sistema de reservatórios vem sendo questionada no que se refere ao gerenciamento dos recursos hídricos. São avaliados os índices de atendimento da demanda de energia e da demanda hídrica para cenários de baixa afluência aos reservatórios. As relações de troca entre energia, uso consuntivo e conservação ambiental são avaliadas, levando-se em conta, também, os efeitos decorrentes da transposição das águas do São Francisco para o Nordeste Setentrional. As perdas na geração de energia decorrentes do aumento da demanda hídrica e do aumento da demanda ambiental são avaliadas. São estimados os custos relacionados às perdas na geração de energia se as demandas consuntivas atingirem o valor outorgado na bacia pelo Poder Público, valor este que não consegue ser plenamente atendido. O modelo proposto pode ser aplicado a quaisquer bacias hidrográficas com múltiplos usos do recurso hídrico. / This research presents a study conducted to evaluate the impacts of the hydroelectric power plants operation caused by the multipurpose uses of water resources. There are many conflicts involved in the operation of a reservoir system mainly due to competitive uses of water. That is the case of São Francisco River, located between the Southeast and Northeast regions of Brazil. The hydro system in this region has an installed capacity of 10.7 GW and supports 13% of the Brazilian hydro electrical power. Due to the scarcity of water in this region, the operation of this system has been questioned in the last few years. The competitive uses of water in this region are water supply, irrigation and animal raising. The non-consumptive uses of water are navigation and environmental protection. The electrical sector is planning to review the reservoir operation rules in order to attend these demands. The study was conducted by applying the HIDRO model, which is an optimization PNL model developed with GAMS software that maximizes hydropower production. A new objective function was added to the HIDRO model in order to consider the treatment of energy and water demands the both. The trade-offs among energy, consumptive uses and environment protection are presented. The lack of energy due the increasing water demand implies costs which are evaluated according to some demand scenarios and different scarcity historical periods. Also the effect due the operation of the water transfer system from São Francisco to the neighboring basins is considered.

A política de gestão dos recursos hídricos em regiões onde ocorrem conflitos no uso da água, deve ser estabelecida a partir de alguns princípios básicos, a saber: garantia da quantidade de água para atender à demanda decorrente dos diversos usos potencialmente conflitantes e garantia dos padrões de qualidade, fixados em função dos usos a que se destinam esses recursos. O presente trabalho desenvolve-se obedecendo o preceito de que a escassez dos recursos hídricos os tornam bens de valor econômico, cuja utilização deve contemplar os aspectos sociais, o comportamento do mercado e atender aos princípios expostos. Uma vez que os usos da água modificam não só a quantidade como a qualidade dos recursos hídricos disponíveis, propõe-se uma metodologia de cobrança em função dos usos da água, na forma de tarifação (contemplando a saturação do corpo de água, a sazonalidade e o tipo de apropriador) e que desempenhe o papel de instrumento de gestão da água e, portanto, tenha desdobramentos na ocupação do solo. Os valores cobrados associam parâmetros que estão relacionados às vazões aduzidas para consumo e à carga de poluentes lançada nos corpos receptores. A qualidade a ser mantida é previamente fixada através da determinação do valor de saturação dos parâmetros envolvidos, os quais decorrem do enquadramento do corpo de água, ou seja, na sua classificação de uso que, por sua vez, deve ser estabelecida pela sociedade. / The management policy on the use of the water resources in regions where conflicts between users occur, should be established taking into consideration some basic principies, as follow: guarantee of the amount of water necessary to supply the potentially confliting needs, and the guarantee of the quality standards established as a function of the uses made from these resources. This paper follows the concept that the shortage of the water resources makes them a good of economic value, which utilization must contemplate the social aspects, the behavior of the market, and must meet the principies described above. As the uses of the water modify not only the quantity but also the quality of the water resources, it is proposed that a payment system for water utilization is established in function of the uses of the water, in form of tariffs (considering the saturation of the water body, the intervals of use and the type of appropriation), and that it play the role of a managing tool, and, therefore, have consequences in the land use. The amounts to be charged associate parameters that are related to the pumped flow for consuming and to the leveis of pollutants discharged in the reception bodies. The quality to be maintained is previously determined through the calculation of the saturation value of the parameters involved, which derived from the classification of the water body, that is, from its classification of use, which itself must be established by the community.

<p> Climate change and over-use of natural resources impacts ecosystems worldwide. Understanding physical impacts from climate and natural resource use on biological processes at multiple scales of spatial and ecological organization is needed to make useful predictions under global change scenarios. Mountain aquatic ecosystems are of particular concern because they are sensitive to climate change, represent hot spots of biodiversity, and they integrate atmospheric, terrestrial and aquatic processes into biological responses. The objective of this dissertation is to quantify physical impacts and biological responses of climate and water use on mountain aquatic ecosystems in the Western United States. In Chapter 1, I developed a data set of ice break-up dates using remote sensing techniques for mountain lakes across the Sierra and Cascade Mountain Ranges coupled with downscaled climate data to quantify drivers of lake ice phenology. I developed a predictive linear mixed effects model and used and ensemble of 15 global climate models to project changes in lake ice break-up dates through the 21^st century. The results suggest that low snowpack and increased energy fluxes associated with elevated air temperatures drive earlier ice break-up dates. Projections of ice break-up show that ice break-up will be 61 &plusmn; 5 days if greenhouse gas emissions are not reduced. In Chapter 2, I analyzed specific ecological responses to earlier ice break-up dates in Castle Lake, California (a natural, sub-alpine lake). I predicted that consumer (Brook Trout; <i>Salvelinus fontinalis</i>) energetics and habitat use would be regulated by either climate driven water temperature or variation in food availability. The data suggest that earlier ice break-up results in a longer duration of surface water temperatures > 15 &deg;C, coupled with decreased and increased food production in the pelagic and littoral zones, respectively. Isotopic and telemetry data showed that consumer resources and habitat use were driven by water temperature and were independent of food availability. In early ice break-up years, consumers grew less because they were thermally excluded from productive littoral zones when water temperatures were warmer for longer periods of time relative to late ice break-up years. In Chapter 3, I demonstrate that decreased streamflow in mountain rivers can reduce abundance and size structure of food supply to drift foraging Rainbow Trout <i>(Onchorhynchus mykiss)</i>. In response to changes in streamflow and food availability, trout abandoned their energetically profitable drift foraging strategy and actively searched for prey. The shift in foraging behavior resulted in negative bioenergetic efficiencies in flow impaired sites. Taken collectively this research demonstrates that both predictable and unpredictable consequences of physical change drive biological responses across spatial gradients, ecosystem types, and levels of ecological organization.</p><p>