Swedish Agency for Marine and Water Management

Syftet med denna rapport är att ge ett kunskapsunderlag vad gäller ekologiska flöden och ekologiskt anpassad vattenreglering i vattendrag nyttjade för vattenkraftsproduktion. Rapporten börjar med att ge en bakgrund till vad ett vattendrags flöde egentligen innebär samt kopplingar mellan ekologi och flöde och hur en reglering av flödet för vattenkraftsproduktion påverkar flödesregimen och ekosystem knutna till rinnande vatten. Syftet med denna del av rapporten har dock inte varit att ge någon djupgående analys av påverkan på ekosystemet utan att ge exempel på påverkan utifrån förändringar i olika variabler i flödesregimen.

Nästa del av rapporten tar upp befintliga metoder och modeller för hur man arbetar fram ekologiska flöden för en mer miljöanpassad reglering. Denna del börjar med att ge en definition av vad ett miljöanpassat flöde är utifrån ett ekosystemperspektiv. Efter detta ges en genomgång av metoder och modeller som använts/tagits fram. Här görs en indelning av modeller och metoder utifrån komplexitet och omfattning. 

Först ges exempel på så kallade hydrologiska metoder. Dessa metoder bygger framförallt på modellering av vattenföringsdata och utgör ca en tredjedel av de metoder som tagits fram. Ofta kallas dessa även ”desk-top” metoder eller ”lookup” metoder. De baseras oftast på andel av medelvattenföring eller olika Qindex som anger ett flöde som överskrids en viss andel av året under en tidsperiod, angett i procentandel eller antal dagar. Nackdelen med dessa är att de inte speglar flödets variabilitet på ett tillfredställande sätt, särskilt inte då de ofta baseras på årsmedelflöden, eller flödesnivåer som inträffar under ett helt år. Ett bättre och mer dynamiskt sätt att använda dessa index är att titta på flödesnivåer säsongsvis. Det finns dock modeller som bättre tar hänsyn till variabilitet, och dessa anses därför ha större ekologisk relevans. Ett exempel på en tidig sådan modell är ”Range of Variability” (RVA) där man använder långa serier av dagliga vattenföringsdata och karaktäriserar ekologiskt relevanta komponenter i flödesregimen. Den naturliga omfattningen av hydrologisk variabilitet beskrivs genom olika hydrologiska index, vilka är framtagna utifrån rådande kunskap om flödets betydelse för olika ekosystemkomponenter och processer. En bra hydrologisk grund som väl speglar både variabiliteten i det opåverkade flödet, samt en ger god kunskap om hur reglering förändrat flödesdynamiken är basen för att kunna ta fram ekologiska flöden i reglerade vattendrag. Därefter ges exempel på metoder som kopplar flöde till fårans morfologi och även habitatkrav hos olika organismer. 

Avslutningsvis i denna del ges exempel på så kallade holistiska metoder. Dessa är i huvudsak konceptuella och utgångspunkten är att det är nödvändigt att beakta hela ekosystemet och hela flödesvariabiliteten, med målet att inget viktigt utelämnas. I framarbetandet av dessa ingår ofta så väl hydrologiska metoder som metoder som kopplar flöde och habitatkrav som redskap för att modellera fram ett miljöanpassat flöde. Till stor del kan holistisk modellering beskrivas som en process där företrädare för olika relevanta discipliner integrerar sina kunskaper och metoder för att gemensamt komma fram till en skötselplan för vattendraget. Tanken som finns bakom metoder av holistisk typ representerar ett modernt synsätt på naturresursen rinnande vatten, där hela flödesspektrumet knyts ihop med ekosystemet som helhet och där flera intressenter representeras. De bästa metoderna bygger också på ett adaptivt synsätt på skötseln av naturresurser där regleringsregimer och vattenuttag justeras utifrån ökad kunskap. När det gäller reglering av vatten för vattenkraftsproduktion är det tveklöst detta synsätt som är ”bästa miljöteknik”. Utöver dessa metoder diskuteras problematiken med korttidsreglering och hur denna skulle kunna göras mer miljövänlig, bland annat genom att undvika perioder med nolltappning, minska högflödes/lågflödeskvoten, det vill säga att minska svängningarna i vattenföringen och minska förändringshastigheten i flödet.

Därpå följer ett kapitel som behandlar kopplingar mellan ekologi och flöde. Ett stort problem när det gäller att sätta lämpliga nivåer för miljöanpassade flöden och ekosystemets behov är att kunna göra förutsägelser om hur mycket vatten ekosystemet behöver och när olika flödesnivåer bör inträffa. En litteraturgenomgång i området där man i huvudsak tittat på fisk, makroevertebrater och vegetation visar att den absolut största effekten av förändringar av flödet är att man ser minskningar i alla uppmätta ekologiska parametrar, men att det utifrån befintlig litteratur är svårt att ta fram mer generella kvantitativa samband i form av t.ex. tröskelvärden. Slutsatsen var att existerande litteratur inte är ger ett tillräckligt bra underlag för att dra generella kvantitativa slutsatser som är användbara för att sätta generella riktlinjer för ekologiska flöden. Nivåer och frekvenser av olika flöden måste sättas utifrån de specifika förutsättningar som finns inom en region eller avrinningsområde. I och med att resultaten så pass tydligt visar på hur negativa antropogena flödesförändringar är för ekosystemet framhåller författarna av sammanställningen vikten av att upprätta nya undersökningsprogramprogram för att fastställa sådana samband samt att dessa görs på regional basis. De pekar även på bristen på kunskap när det gäller flödesförändringar och inverkan på ekosystemprocesser.

Nästa del av rapporten tar upp exempel på hur man arbetar med att ta fram och implementera miljöanpassade flöden och regleringsregimer. Detta sker i dagsläget främst i Nordamerika, Australien och Sydafrika, men även i Nya Zeeland, Norge, Spanien, Italien, Schweiz och Storbritannien finns flera goda exempel på hur sådana genomförts. Exempel från regioner som uppvisar stora klimatologiska skillnader från svenska förhållanden och där det framför allt är konstbevattningens påverkan som påverkar ekosystem mest har vi inte tagit upp. Vi har valt att avgränsa exemplen till norra halvklotet och främst sådana som har något liknande klimatologiska och hydrologiska förutsättningar som Sverige.

Avslutningsvis ges en längre sammanfattning och slutsats mot bakgrunden av svenska förhållanden. Praktisk tillämpning av miljöanpassade flöden bör ta fasta på de olika egenskaperna hos flödet som t.ex. magnitud, frekvens, förändringshastighet och varaktighet. Tillämpningen bör också vara adaptiv, dvs. det är viktigt att följa upp responsen både i den abiotiska och biotiska miljön vid införandet av miljöanpassade flöden, oavsett vilken typ av metod eller modell man väljer för att kunna avgöra miljönyttan av detta och anpassa nivåer efter resultat. Metoderna bör kombineras med en generell översikt av förbättringspotential i vattendraget och en naturvärdesinventering för att säkerheten i bedömningen av miljönytta skall bli så stor som möjligt. Avvägningar måste också göras mellan olika intresseområden, varför en analys av vilka konsekvenser, både positiva och negativa, de föreslagna flödesförändringarna har bör ingå. Förutom att implementera ett arbetssätt baserat på ett holistiskt synsätt finns det andra åtgärder av mer generell natur som skulle ge ekologiska vinster i stort sett i alla reglerade vattendrag. En sådan åtgärd är att undvika nolltappningar, i synnerhet där det finns strömsträckor nedströms, och införa minimitappningar förbi alla kraftverk. Dessa tappningar skulle kunna baseras på enklare hydrologiska metoder, t.ex. någon typ av lågflödesindex. En annan åtgärd är att genomföra planerade släpp av ”vårflöden”. Dessa skulle sannolikt inte behöva återkomma varje år utan skulle man upprepa ett flöde motsvarande medelhögflöde vart 3–5 år skulle det sannolikt ha en positiv effekt på ekosystemet. Begränsningar av höjnings- och sänkningshastigheten vid korttidsreglering är också exempel av en åtgärd av mer generell natur som sannolikt skulle mildra de negativa effekterna av vattenkraftsproduktion.

The purpose of this report is to provide a knowledge base on ecological flows and ecologically adapted water regulation in watercourses used for hydroelectric power generation. The report begins by providing a background to what a watercourse's flow actually is, as well as connections between ecology and flow an how regulation of the flow for hydroelectric power generation affects flow regimes and ecosystems linked to running water. The purpose of this part of the report has not, however, been to give any kind of in-depth analysis of the impact on the ecosystem; it is instead intended to provide examples of impact based on changes to different variables in the flow regime.

The next part of the report discusses existing methods and models for producing ecological flows for a more environmentally adapted regulation. This part begins by defining an environmentally adapted flow from an ecosystem perspective. This is followed by a review of methods and models used/developed, in which models and methods are put into groups based on their complexity and scope. 

First, a few examples of “hydrological” methods are given. These methods are based primarily on the model of water flow data and constitute around a third of the methods developed. These are often called “desktop” or “look-up” methods. They are normally based on the mean water flow or various Q-index values, which represent a flow that is exceeded during a certain period of the year, expressed as a percentage or number of days. The disadvantage of these is that they do not satisfactorily reflect the flow's variability, especially as they are often based on the mean annual flow, or flow levels that occur over a whole year. A better and more dynamic way of using these values is to look at flow levels by season. There are, however, models that better take into account variability, which are therefore considered to have a greater ecological relevance. One example of an early model of this design is “Range of Variability” (RVA), where long series of daily water flow data are used to characterise ecologically relevant components in the flow regime. The natural scope of hydraulic variability is described via various hydraulic indices, which have been developed based on existing knowledge of the flow's significance for different ecosystem components and processes. A good hydrological foundation that both reflects the variability in the unaffected flow, and provides good knowledge of how regulation has changed flow dynamics, is the basis for producing ecological flows in regulated watercourses. Then, a few examples are provided that link flows to canyon morphology and to the habitat requirements of different organisms. 

The final part of this section gives a few examples of holistic methods. These are primarily conceptual and the premise is that it is necessary to take into account the entire ecosystem and all flow variability, with the intention of not leaving out any important elements.  Developing these methods often involves both hydraulic methods and methods using flows and habitat requirements as tools for modelling an environmentally adapted flow.  Holistic modelling can be largely described as a process in which representatives of different relevant disciplines integrate their skills and methods, in order to arrive at a care plan for the watercourse together. The idea behind methods of a holistic nature represents a modern view of running water as a natural resource, in which the entire flow spectrum is tied to the ecosystem as a whole, and where several interested parties are represented. The best methods are also based on an adaptive view of the management of natural resources, where regulation regimes and water consumption are set based on an increased knowledge. When it comes to the regulation of water for hydroelectric power generation, this is undoubtedly the view that represents best environmental engineering practice. In addition to these methods, the problem of short-term regulation is discussed, and how this could be made more environmentally friendly, for example by avoiding zero flow periods, reducing the high flow/low flow quota, i.e., reducing the variation in water flow and the rate of change in the flow.

This is followed by a chapter on the links between ecology and flow. Once large problem in terms of setting appropriate levels for environmentally adapted flows and ecosystem requirements is the matter of predicting how much water the ecosystem will need and when different flow levels should occur. A review of relevant literature – primarily on fish, macroinvertebrates and vegetation – reveal that the greatest effect by far of changes in the flow is reductions seen in all measured ecological parameters, but that it is difficult to extract more general quantitative connections from the literature, for example in the form of threshold values. The conclusion was that existing literature does not provide a sufficient basis for drawing general quantitative conclusions that are useful for setting general guidelines for ecological flows.  Levels and frequencies of different flows must be set based on the specific conditions within a region or catchment area. As the results clearly show how much of a negative impact anthropogenic flow changes have on the ecosystem, the authors of this material emphasise the importance of establishing new research programmes to determine these connections, and doing so on a regional basis. They also highlight the lack of knowledge on flow changes and their impact on ecosystem processes.

The next section of the report gives examples of how to develop and implement environmentally adapted flows and regulation regimes. This is currently done primarily in North America, Australia and South Africa, but a number of good examples can also be found in New Zealand, Norway, Spain, Italy, Switzerland and the United Kingdom. We have not included examples from regions that show great climatological differences from Swedish conditions and where artificial irrigation is primarily responsible for impacting the ecosystem. We have chosen to limit the examples to the northern hemisphere, primarily to those that have somewhat similar climatological and hydrological conditions to Sweden.

Finally, a longer summary and conclusion are provided against the background of Swedish conditions. Practical application of environmentally adapted flows should take into account the different characteristics of the flow, such as magnitude, frequency, rate of change and duration. The application should also be adaptive, i.e., it is important to follow up on the response in both the abiotic and biotic environments when introducing environmentally adapted flows, regardless of the method or model chosen to determine the environmental benefits, and adapt levels according to the results. The methods should be combined with a general overview of the potential for improvement in the watercourse and an assessment of the nature conservation value, to make sure that the assessment of environmental benefit is as accurate as possible. Different areas of interest must also be weighed up, which is why an analysis of the consequences – both positive and negative – of the proposed flow changes should be included. Other than implementing an approach based on a holistic view, there are other measures of a more general nature that should produce ecological benefits in practically all regulated watercourses.  One such measure is to avoid zero flow events, particularly where there are reaches downstream, and to introduce minimum flows past all power stations. These flows could be based on more basic hydrological methods, such as some form of low flow index. Another measure is to implement the planned release of “spring floods”. These would probably not need to occur every year. If the equivalent of a medium flow was to be repeated every 3–5 years, it would likely have a positive effect on the ecosystem. Limitations to raising and lowering speeds during short-term regulation is another example of a more general measure that would likely mitigate the negative effects of hydroelectric power generation.