In recent years, global warming awareness has resulted in an increased demand for clean sources of energy such as hydropower. As a consequence, its impact on riparian vegetation must be studied. In this research, I aimed to assess how different functional riparian groups from northern Sweden respond to hydropeaking (i.e. short-term flow regime changes due to differences in the daily energy requirements). I selected seedlings of eight species natural from Swedish riparian ecosystems which can be grouped in three different guilds (forbs, graminoids and woody) according to their habitat and morphological traits.  A seven week greenhouse experiment in which the seedlings were subjected to two watering treatments that simulated prolonged and deep submergence and frequent and short shallow submergence conditions was developed. I measured the root, stem and leaf biomass, followed leaf changes and stem growth over the weeks and evaluated the health status. The study showed how some species and guilds responded differently to the treatments although survival rates were similar. Forbs was the most resilient group unlike the woody guild.  Graminoids grew longer and thinner roots in frequent submergence situations. Small seedlings appeared to be more sensitive to prolonged submergence. No significant differences were found for leaf variables. Collectively, these results suggest that hydropeaking could significantly modify the riparian vegetation. More and longer studies are needed in order to understand the capacity that hydropower has to modify the riparian vegetation and therefore the riverine ecosystems.

With the ever increasing reliance on hydropower in the world, it is important that its effects on riparian vegetation is well understood. This study aimed to explore the effects of different forms of hydropeaking, which results from the rapid and frequent opening and closure of hydroturbines, on different species groups of riparian species native to northern Sweden. Thirteen riparian species belonging to three different species groups, forbs, graminoids and woody species, were subjected to three different watering treatments simulating water stress, rapid fluctuation and prolonged flooding, which often correspond to different hydropeaking conditions. A fourth treatment maintained individuals under controlled conditions and simulated a non-regulated stream. The treatments were carried out over seven weeks. The results showed that the treatments affect the three tested species groups differently. Woody species responded to all treatments with lower germination, higher mortality and lower root elongation, while forbs and graminoids responded to flooding and fluctuation with increased germination but higher mortality and lower root elongation. Fluctuation and flooding had in general positive effects on germination and short term growth but also increased mortality, particularly fluctuation. There were no significant results regarding change in number of leaves for any treatment or species group. As this study only covered seven weeks it can only account for short-term trends, but it still provides interesting information about general expected trends for a wide variety of species native to northern Sweden and belonging to the main three species groups. Such information is key for river management.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / Ingeniera Civil / La eutroficación y florecimiento de algas es un problema común en lagos y embalses que reciben elevadas cargas de nutrientes en sus afluentes. Como consecuencia, se pueden generar incompatibilidades con algunos de los propósitos de los embalses, tales como consumo humano, riego o generación hidroeléctrica; así como también con las actividades recreacionales o deportivas que se desarrollan en torno a estos cuerpos de agua. El embalse Rapel, ubicado en la zona costera de la Región de O'Higgins, es un ejemplo de esta situación. Si bien se han realizado estudios relativos al diagnóstico de la calidad del agua, no se ha investigado completamente cómo se ve afectada la calidad del agua del embalse como consecuencia del esquema de operación que mantiene la central. Esto motiva la realización de esta tesis, cuyo objetivo principal es estudiar esta relación mediante el análisis de escenarios de simulación. Para ello, se utiliza el modelo ELCOM-CAEDYM, capaz de representar la hidrodinámica y calidad del agua del embalse.Por otro lado, se utiliza el modelo MIPUC que permite reproducir la labor del operador del sistema eléctrico de Chile central de coordinar el funcionamiento de corto plazo de las plantas eléctricas pertenecientes al sistema. Un total de veinte escenarios de simulación son definidos de acuerdo a dos criterios: condición hidrológica para el caudal afluente al embalse (año seco, normal o húmedo) y restricción de caudal mínimo en la operación de la central hidroeléctrica. Los resultados de las simulaciones son comparados por el grado de alteración hidrológica que imponen en el caudal aguas abajo del embalse, la energía generada por la central Rapel, variaciones en el nivel del agua del embalse y la concentración de clorofila-a en un eje central que recorre el embalse, desde la llegada del río Cachapoal hasta la presa. Los resultados de las simulaciones mostraron que la inclusión de un caudal mínimo ecológico en la operación de la central reduce la alteración hidrológica en el río aguas abajo de la presa. Por otro lado, las condiciones hidrológicas asociadas a un menor caudal entrante al embalse, resultaron ser las más sensibles al efecto del caudal ecológico, tanto en la variación del nivel como en la concentración de cianobacterias. En particular, se observó que el caudal mínimo más restrictivo resultaba en una mejora de la calidad del agua de las cubetas Cachapoal y Muro. Este resultado es consecuencia de un bajo nivel del embalse y de la concentración de sólidos suspendidos del afluente que generan una mayor turbidez a la entrada del embalse. Esto a su vez, limita el crecimiento del fitoplancton se tiene por tanto una disminución de la concentración de clorofila-a. Estos resultados muestran que cambios del esquema de operación de la central pueden afectar la calidad del agua del embalse de manera significativa, y plantea la inclusión de esta opción como una alternativa en el estudio de embalses existentes o en los estudios previos de proyectos de recursos hídricos futuros.

I examined the abundance, composition, and distribution of 34 fishes within the first 24 km below Philpott Dam on the Smith River, a hydropeaking system in Virginia. Fish were sampled at 12 sites over 8 time periods ranging from 2000 to 2002 across April, June, and October. I evaluated spatial and temporal change in fish community characteristics. Species demonstrated persistent trends in abundance, diversity, and composition throughout the duration of the study. Fish abundance and diversity generally increased with increasing distance from the dam. Fish composition changed minimally across seasons and years, indicating consistent fish assemblages. Distributional patterns suggested a strong response to thermal gradients and presence of tributaries. I concluded that temperature and tributary location directly influence fish community patterns in the Smith River and that the patterns are persistent over space and time. I characterized spawning microhabitat use and availability, and tested transferability of spawning microhabitat criteria for Etheostoma flabellare and Nocomis leptocephalus, two of the most common species in the Smith River. E. flabellare preferentially selected small and large cobble size rocks for their spawning rock. N. leptocephalus selected areas with slower demersal and mean water column velocities in which to build their mounds. Transferability tests were conducted using spawning microhabitat criteria from the unregulated Roanoke River (Smith 1999). The logistic regression model developed for E. flabellare by Smith (1999), using information on the diameter of the spawning rock, silt, and embeddedness, transferred with most success with over half of the spawning sites and available sites correctly classified in the Smith River. / Master of Science

Vid produktion av el med hjälp av vattenkraft regleras vattenflödet i vattendraget för att producera den mängd el som marknaden efterfrågar för stunden. Detta gör att vattenflödet blir annorlunda i en reglerad älv jämfört med en oreglerad älv. Därför analyseras och jämförs skillnaderna i vattenföringen mellan en reglerad och en oreglerad älv i den här rapporten. Det gjordes med hjälp av flödesdata från två mätstationer i finska älvar, en med reglerat flöde och en med oreglerat. Utifrån flödesdatat beräknades tre olika parametrar i olika tidsskalor, månad, dag och timme, för att undersöka olikaregleringsmönster i älvarna. När flödesskillnaderna analyserats i de olika tidsskalorna konstaterades att skillnaderna i regleringsmönster blev större desto kortare tidshorisont som analyserades. I månadsperspektivet varregleringsmönster nästan lika medan i dags- och timperspektivet var det stora skillnader. I dagsperspektivet som analyserades med parametern HP1 var värdena i genomsnitt ungefär 20 gångerhögre för den reglerade älven än den oreglerade och i timperspektivet som analyserades med parameter HP2 var värdena ungefär 40–50 gånger högre i genomsnitt i den reglerade älven jämförtmed den oreglerade. Att värdena i den reglerade älven är så mycket högre beror på att flödet regleras till att optimera elproduktionen vilket gör att flödesskillnaderna under en dag och mellan två timmar blir betydligt större jämfört med flödesskillnaderna i den naturliga vattenföringen som finns i den oreglerade älven. När vårfloden kommer händer något intressant med regleringsmönstret. Mönstret i de två älvarna närmar sig varandra och blir mer lika. Värdena på parametrarna i den oreglerade älven ökar medan de minskar kraftigt i den reglerade älven. Att värdena i den reglerade älven minskar beror sannolikt på den ökade risken för dammbrott och översvämningar på grund av de högre vattenflödena, vilketberor på begränsningar i lagringskapaciteten. Regleringsmönstret skiljer sig från år till år vilket beror på nederbördsmängden och hur fyllda magasinen är vid årets början. Vid jämförelse av resultatet med en annan rapport som analyserat samma parametrar på en älv i Schweiz, kan samma trender i mönstret ses men vissa skillnader finns också vilket indikerar på de lokala förhållandenas påverkan på regleringsmönstret. / Hydro Power is one of the most important producer of electricity and to optimize the production hydropeaking is used. Hydropeaking means regulation of the discharge to produce the amount of electricity the market demands at the time. In this study the regulation pattern has been analyzed and compared in one observation station in a regulated river and one observation station in an unregulated river, in Finland. Flow data has been analyzed with regards to three different statistic parameters. One parameter that analyzes the regulation per month, one that analyzes the regulation per day and one that analyzes per hour. The result shows that the smaller the time interval is the bigger are the differences in the regulation pattern. In the month perspective the value of the parameter is almost the same, in the day perspective the values for the regulated river is approximative 10-20 times bigger than the unregulated. And in the hour perspective it is even bigger differences where the value in the regulated river is around 40-50 times bigger than for the unregulated. The reason to the higher values on the parameters in the regulated river comes from that the discharge here is regulated to optimize the production of electricity which makes the differences in the discharger higher within the day and between two hours.When the spring flood comes something interesting happens with the regulation pattern. The regulation pattern in the two rivers becomes more similar. In the unregulated river the value of the parameters increases meanwhile the values in the regulated river decreases. The reason the short time regulation decreases in the regulated river is probably because of the higher risk of flooding, due to limitations of the capacity to store water, which comes with higher discharges. The regulation pattern got some differences between the years which depends on the amount of rain and the levels in the storing magazines by the start of the year. When the results in this thesis are compared with the results of another report which analyzes the same parameters in Switzerland, the same pattern can be seen in general but also some differences which indicates on the local conditions impact on the pattern.

Riparian vegetation is one of the most complex and abundant ecosystems in the world and it provides important ecosystem services. These services are affected by electricity production from hydropower dams. Hydropower accounts for 16% of the global electricity production and almost 50% in Sweden. One effect of hydropower is sub-daily fluctuations of water level caused by the turbines being turned on and off according to electricity demand. This is referred to as hydropeaking and has largely unknown effects on the fluvial ecosystem, and especially on the riparian vegetation. No studies have been made on the effects of hydropeaking on riparian vegetation. In this study, three native plants (Carex acuta, Betula pubescens and Salix phylicifolia x myrsinifolia) and one non-native plant (Helianthus annuus) were used as indicators (i.e., phytometers) for the effects of hydropeaking along two rivers from northern Sweden; one used for hydropower production and the other free flowing. From each of the four species, seedlings of two sizes and seeds were transplanted into five different river reaches and bank elevations along a hydropeaking gradient from none to high hydropeaking intensity. C. acuta and S. phylicifolia x myrsinifolia showed significant positive relationships to the hydropeaking gradient, likely due to their natural high tolerance to frequent inundation events. Therefore, they are suitable for restoration of river shores along reaches affected by hydropeaking. In contrast, B. pubescens was negatively related to the hydropeaking gradient, losing leaves and biomass with increasing hydropeaking intensities. It turned out to be the most sensitive species among the ones used in the experiment making it suitable as an indicator. H. annuus showed no response and therefore did not serve as impact indicator or for restoration. Germination for all native species was significantly lower along the reaches affected by hydropeaking which indicates a strong connection between hydropeaking and germination. These findings showed that recruitment becomes a bottleneck in riparian communities’ conservation along rivers affected by hydropeaking, and highlight the importance of mitigation actions focused on favoring riparian species seeds’ germination.

Magíster en Ciencias de la Ingeniería, Mención Recursos y Medio Ambiente Hídrico / A medida que la participación de energías renovables fluctuantes (ERf), como la energía solar fotovoltaica y eólica, de un sistema eléctrico aumenta, la flexibilidad de la red para responder frente a mayores variaciones e incertidumbre en la demanda neta se torna cada vez más importante. En sistemas hidrotérmicos que poseen centrales hidroeléctricas con capacidad de acumulación, son éstas las que pueden proveer dicha flexibilidad. Así, la nueva meta ERNC 20/25 de Chile motiva a investigar las interacciones sistémicas entre centrales hidroeléctricas y proyectos de ERf. Si bien es conveniente proveer flexibilidad con centrales hidroeléctricas, esta capacidad es limitada, por lo que en esta investigación se exploran dos opciones para incrementarla. Una alternativa consiste en aumentar la potencia instalada de centrales hidroeléctricas ( up-powering ) y otra en optimizar el uso de los estanques de regulación que poseen algunas centrales de pasada. Un tercer punto a estudiar en esta investigación es analizar cómo se modifica la operación de centrales hidroeléctricas conforme una mayor penetración ERf. Una eventual operación más fluctuante, induciría grandes variaciones de caudal entre una hora y otra, lo que puede afectar negativamente otros usos aguas abajo, incluyendo efectos nocivos sobre ecosistemas fluviales. Para llevar a cabo esta investigación se diseñan distintos experimentos utilizando un modelo de minimización de costos (MIP-UC). Este programa determinístico entero-mixto replica las prácticas del operador del Sistema Interconectado Central (SIC) y prescribe la potencia a generar de todas las centrales eléctricas del SIC con resolución horaria en un horizonte típicamente semanal. Los resultados son analizados en escenarios definidos por distintos niveles de penetración de ERf y años hidrológicos. En relación al primer objetivo, se identifica una central a la cual aplicar up-powering es conveniente, aumentando así la capacidad de respuesta frente a variaciones en la demanda neta. Además, se genera una serie de sugerencias de fenómenos a modelar en los siguientes experimentos, como por ejemplo la inclusión de tiempos mínimos de encendido y apagado. Para el segundo objetivo, se endogeniza la operación de los estanques de regulación al MIP-UC, lo cual genera un ahorro sistémico cercano al 4% del costo térmico. Finalmente, mediante un análisis de frecuencia de las series de tiempo de caudales turbinados resultantes del MIP-UC para las principales centrales de embalse, se detectan dos centrales, El Toro y Pangue, particularmente susceptibles a mostrar mayores fluctuaciones de caudal para escenarios de elevada penetración ERf. En éstas se propone evaluar restricciones de operación para proteger a los ecosistemas acuáticos.

The term hydropeaking refers to anthropogenically induced, short-duration, high-magnitude discharge pulses that are generated in lotic systems for electricity production. The practice of hydropeaking produces the largest source of renewable energy worldwide, and its use is projected to increase through the year 2040. The primary objective of this work was to evaluate the effects of hydropeaking on benthic macroinvertebrate assemblages, which are important components of lotic ecosystems. Results of this work show that, across a wide range of impacted systems worldwide, the consistently observed patterns of elevated benthic macroinvertebrate drift in response to hydropeaking pulses are primarily related to the rate at which discharge is increased (i.e., ramping rate) and secondarily to the time between pulses. In addition, it was shown that taxa inhabiting depositional habitat patches (i.e. fine substrates and slow water velocities) were most susceptible to peaking-induced drift, and that these taxa were also those most prevalent in hydropeaking-impacted systems. Collectively, these results suggest that increased pulse ramping rate and the resulting elevated macroinvertebrate drift may be positive selective forces, which benefit populations adapted for life in hydropeaking-impacted lotic ecosystems. These results provide a greater understanding of the factors that are most important for governing the effects of hydropeaking on benthic assemblages.

Ingeniero Civil / En sistemas hidrotérmicos la rápida respuesta de las centrales hidroeléctricas de embalse a variaciones de potencia es importante para la estabilidad y flexibilidad del sistema eléctrico, esta capacidad se puede traducir en una operación de generación fluctuante ( hydropeaking ). Este tipo de esquema de generación tiene un impacto directo sobre los caudales turbinados, induciendo fluctuaciones de caudales a nivel. Para mitigar los efectos del hydropeaking sobre el cauce del rio aguas abajo existen diversas medidas que es posible tomar, las más comunes son imponer restricciones de caudal mínimo y/o una rampa máxima de caudales entregados al río. En el presente trabajo de título se estudiará además la incorporación de una re-regulación de los caudales turbinados mediante la incorporación de un contraembalse ubicado aguas debajo de la central. Para analizar el efecto de las restricciones y la incorporación de un contraembalse se implementan dos modelos de optimización a un nivel horario para un día, el primero consiste en una maximización de los ingresos por venta de electricidad de la empresa considerando el precio de la energía en el mercado spot. El segundo modelo de optimización es una minimización de la suma de rampas absolutas, también con las restricciones del primer modelo mencionado. Las restricciones de operación producen una reducción significativa de los beneficios percibidos por la central debido a que la obliga a tener una operación sub-optima. Por otro lado, la incorporación de un contraembalse, produce un mejoramiento de los ingresos, incluso llegando a mitigar cualquier reducción de ingresos. En cuanto a los índices de alteración hidrológica, la incorporación de un contraembalse ayuda a mejorar significativamente estos índices para restricciones de caudales mínimos, y para rampas máximas su efecto es menor para escenarios restrictivos. Se observa que con restricciones altamente restrictivas el contraembalse mitiga las pérdidas inducidas y mejora los índices de alteración hidrológica, en tanto que para restricciones más relajadas su efecto no es tan notorio.

Hydropower production has advantages but also negative ecological consequences. Thisstudy analyzes the degree of flow variations downstream Viforsen's power plant to investigate how well the regulated flow is re-regulated towards a more natural flow pattern. The studyalso examine effects of the regulation on valuable salmon habitats in the section from Viforsen's power plant down to the sea and whether there is a downstream gradient in the presence of different fish species. Data on water level changes was obtained by installingthree pressure loggers in a gradient downstream of the Viforsen power plant. Collection of hourly flow-data in Viforsen and Vindelälven have been part of the data in the survey. The presence of different species of fish was determined by examination of the Swedish electrofishing registry. Results showed a strong correlation between flow and water level at all three sites in Ljungan and there is no ecologically significant dampening of water level fluctuations downstream Viforsen. The current requirement for a minimum discharge of 30 m3/s is too low as important salmon habitats risk being drained. The strong correlation between water levels and flow that this study shows make it possible to map in more detail the risks of valuable salmon habitats drying up. The results also showed that typically marine species” of fish are much more common in Viforsen than in Vindelälven. This study emphasizes that ecologically sustainable flows are complex and relevant field investigations at each watercourse are necessary when reconsidering and designing the new environmental conditions.