The sustainability of global river systems based on sub-basin specific environmental flow envelopes

Abstract

The functionality of riverine ecosystems and the related ecosystem services is threatened as a result of anthropogenic water withdrawals and flow regulation, which alter the natural flow regimes of rivers. In this thesis, the sustainability of global river systems was assessed based on the violation of the environmental flow envelopes. The sub-basin specific environmental flow envelopes were used to define the flow regime required to sustain the local ecosystem on a monthly scale. The environmental flow envelopes were based on the concepts of environmental flows and environmental flow requirements, which are used to quantify the amount of water needed to sustain the ecosystems. The flow envelopes were defined based on the pre-industrial discharges to consider the ecosystem water needs without significant human impact. The violation was then analysed by comparing if the post-industrial discharges were within the defined flow envelopes.

The study was conducted as a data-analysis and consisted of three main parts: the pre-processing of the data, the environmental flow envelope estimation and analysing the violation of the environmental flow envelopes. Five different environmental flow methods and flow statistics were used to estimate the upper and lower boundaries of the local environmental flow envelopes. The violation was analysed by calculating the percentage of months violated of the total period of interest, but only months in which the violation was consequent for over three months were considered.

The results indicate, that the ecosystem water needs were violated in many parts of the world, but there was considerable variation both spatially and temporally. The most significant violation was present in hot and arid regions of the world. Furthermore, the violation was most severe during the hottest and driest months. Water use and especially increase in irrigation were considered the most significant reasons for violation. However, also climate change, land-use change and reservoir operation were recognised to have an impact. Identifying the most critical areas regarding the ecosystem functionality is important as the freshwater use and flow alteration have been expected to increase further.

Ihmisen toiminta kuten veden käyttö ja jokien säännöstely muuttavat jokien luonnollista virtaamaa ja uhkaavat näin joki- ja joenvarsiekosysteemien sekä niiden tarjoamien ekosysteemipalveluiden toimintaa. Tässä diplomityössä arvioitiin globaalien jokiverkostojen kestävyyttä tarkastelemalla jokien tarvitsemien ympäristövirtaamien toteutumista. Ympäristövirtaamat määriteltiin valumaaluekohtaisina vaihteluväleinä, jotka määrittävät kuukausittaisen ylä- ja alarajan riittävälle virtaamalle ylläpitämään paikallisia ekosysteemejä. Työssä käytetty ympäristövirtaaman vaihteluväli perustui aiemmin käytettyihin ympäristövirtaaman käsitteisiin, joiden avulla ekosysteemien tarvitseman veden määrää on pyritty määrittämään. Ympäristövirtaamat määritettiin esiteollisen virtaaman perusteella, jotta ekosysteemien tarvitseman veden määrä saatiin määritettyä ilman merkittävää ihmisen vaikutusta. Tarvittavien ympäristövirtaamien toteutumista tutkittiin vertaamalla teollistumisen jälkeisiä virtaamia määritettyihin vaihteluväleihin.

Työn empiiriset osat toteutettiin data-analyysina, joka koostui kolmesta osasta: datan esikäsittelystä, ympäristövirtaamien vaihteluvälien määrittämisestä sekä määritettyjen ympäristövirtaamien toteutumisen tutkimisesta. Yhteensä viittä eri ympäristövirtaaman laskentametodia sekä virtaaman tunnuslukuja käytettiin määrittämään paikallisten ympäristövirtaamien vaihteluvälien ylä- ja alarajoja. Ympäristövirtaaman vaihteluvälin ylitykset tai alitukset määritettiin laskemalla prosenttiosuus kuukausista, joina teollistumisen jälkeinen virtaama ei osunut määritettyyn vaihteluväliin. Tässä analyysissa huomioitiin ainoastaan kuukaudet, joina ympäristövirtaama jäi toteutumatta vähintään kolmena kuukautena peräkkäin.

Työn tulokset osoittivat, että ekosysteemien tarvitsema virtaama jäi monessa paikassa merkittävästi toteutumatta ja sekä ajallinen että paikallinen vaihtelu tuloksissa oli suurta. Useimmin vaihteluvälin ylityksiä tai alituksia tapahtui kuivilla ja kuumilla alueilla ja virtaamamäärällisesti suurimmat ylitykset ja alitukset sijoittuivat myös kuivimpiin ja kuumimpiin kuukausiin. Näin ollen suurimpana syynä pidettiin veden käyttöä ja erityisesti lisääntynyttä kastelua. Kuitenkin myös ilmastonmuutoksella, maankäytön muutoksilla sekä patojen ja patoaltaiden sääntelyllä katsottiin olevan vaikutusta. Ekosysteemien toiminnallisuuden kannalta kriittisten alueiden tunnistaminen on tärkeää, sillä veden käytön sekä jokien säännöstelyn on arvioitu tulevaisuudessa kasvavan entisestään.