Integrating top-down and bottom-up approaches to design a cost-effective and equitable programme of measures for adaptation of a river basin to global change

Abstract

[EN] Adaptation to the multiple facets of global change challenges the conventional means of sustainably planning and managing water resources at the river basin scale. Numerous demand or supply management options are available, from which adaptation measures need to be selected in a context of high uncertainty of future conditions. Given the interdependency of water users, agreements need to be found at the local level to implement the most effective adaptation measures. Therefore, this thesis develops an approach combining economics and water resources engineering to select a cost-effective programme of adaptation measures in the context of climate change uncertainty, and to define an equitable allocation of the cost of the adaptation plan between the stakeholders involved.

A framework is developed to integrate inputs from the two main approaches commonly used to plan for adaptation. The first, referred to as "top-down", consists of a modelling chain going from global greenhouse gases emission scenarios to local hydrological models used to assess the impact of climate change on water resources. Conversely, the second approach, called "bottom-up", starts from assessing vulnerability at the local level to then identify adaptation measures used to face an uncertain future.

Outcomes from these two approaches are integrated to select a cost-effective combination of adaptation measures through a least-cost optimization model developed at the river basin scale. The model is then used to investigate the trade-offs between different planning objectives defined in terms of environmental flow requirements, irrigated agriculture development, and the cost of the programme of measures. The performances of a programme of measures are finally assessed under different climate projections to identify robust and least-regret adaptation measures. The issue of allocating the cost of the adaptation plan is considered through two complementary perspectives. The outcome of a negotiation process between the stakeholders is modelled through the implementation of cooperative game theory to define cost allocation scenarios. These results are compared with cost allocation rules based on social justice principles to provide contrasted insights into a negotiation process.

This innovative framework has been applied in a Mediterranean case study in the Orb River basin (France). Mid-term climate projections, downscaled from 9 General Climate Models, are used to assess the uncertainty associated with climate projections. Demand evolution scenarios have been developed to project agricultural and urban water demands on the 2030 time horizon. The least-cost river basin optimization model developed in GAMS allows the cost-effective selection of a programme of measures from a catalogue of 462 supply and demand management measures. Nine cost allocation scenarios based on different social justice principles have been discussed through face-to-face semi-structured interviews with 15 key informants and compared with solution concepts from cooperative game theory for a 3-player game defined at the river basin scale.

The interdisciplinary framework developed in this thesis combines economics and water resources engineering methods, establishing a promising means of bridging the gap between bottom-up and top-down approaches and supporting the creation of cost-effective and equitable adaptation plans at the local level.

[ES] La adaptación a los múltiples aspectos del cambio global supone un reto para los enfoques convencionales de planificación y gestión sostenible de los recursos hídricos a escala de cuenca. Numerosas opciones de gestión de la demanda o de la oferta están disponibles, de entre las cuales es necesario seleccionar medidas de adaptación en un contexto de elevada incertidumbre sobre las condiciones futuras. Dadas las interdependencias existentes entre los usuarios del agua a nivel local, hace falta buscar acuerdos a escala de cuenca para implementar las medidas de adaptación más eficaces. Por este motivo, esta tesis desarrolla una metodología que, combinando economía e ingeniería de los recursos hídricos, busca seleccionar un programa de medidas coste-eficaz frente a las incertidumbres del cambio climático, y asimismo definir un reparto justo del coste de la adaptación entre los actores implicados.

El marco metodológico ha sido desarrollado para integrar contribuciones de los dos principales enfoques utilizados para la planificación de la adaptación. El primero, denominado descendente ("top-down"), consiste en una cadena de modelación que va desde los escenarios de emisiones de gases efecto invernadero a nivel global hasta los modelos hidrológicos utilizados a nivel local para evaluar así el impacto del cambio climático sobre los recursos hídricos. Por el contrario, el segundo enfoque denominado ascendente ("bottom-up") empieza por evaluar la vulnerabilidad del sistema a nivel local para después identificar medidas de adaptación frente a un futuro incierto. Los resultados de los métodos mencionados previamente se han integrado con el fin de seleccionar una combinación coste-eficaz de medidas de adaptación a través de un modelo de optimización a menor coste a escala de cuenca. El modelo se utiliza para investigar las soluciones de compromiso ("trade-offs") entre diversos objetivos de planificación como son los caudales ecológicos necesarios, el desarrollo del regadío y el coste del programa de medidas. Seguidamente, se han evaluado los programas de adaptación frente a varias condiciones climáticas para definir así un programa de medidas robusto y de arrepentimiento mínimo frente al cambio climático. En la última parte se aborda el problema del reparto justo de los costes del plan de adaptación, entendiendo que esto es una manera de favorecer su implementación. Para ello, se han modelado los resultados de un proceso de negociación entre los diferentes actores mediante escenarios de reparto basados en la teoría de juegos cooperativos. Posteriormente, se han comparado estos resultados con otras reglas de reparto de costes basadas en principios de justicia social, proporcionando así un punto de vista diferente al proceso de negociación.

Este novedoso enfoque ha sido aplicado a una cuenca mediterránea, la cuenca del rio Orb (Francia). Para ello, se han empleado proyecciones climáticas a medio-plazo de datos reescalados de 9 Modelos de Circulación Global. Además, se han desarrollado escenarios de evolución de la demanda en los sectores urbano y agrícola para el horizonte de planificación de 2030. El modelo de optimización a menor coste a escala de cuenca desarrollado en GAMS permite seleccionar un programa de medidas, de entre las 462 medidas de gestión de la oferta o de la demanda. Nueve escenarios de reparto de costes basados en diferentes principios de justicia social han sido debatidos con informantes clave mediante entrevistas y comparados con conceptos de solución de la teoría de juegos cooperativos, considerando un juego de 3 jugadores a escala de cuenca.

El marco interdisciplinario desarrollado durante esta tesis combina métodos de economía y de ingeniería de los recursos hídricos de manera prometedora y permite integrar los enfoques "top-down" y "bottom-up", contribuyendo a definir un plan de adaptación coste-eficaz y justo a nivel local.

[CA] L'adaptació als múltiples aspectes del canvi global implica un repte per als enfocaments convencionals de planificació i gestió sostenible dels recursos hídrics a escala de conca. Existeixen nombroses opcions de gestió de la demanda y de la oferta. De entre elles, cal seleccionar mesures d'adaptació en un context d'incertesa elevada sobre les condicions futures. Donades les interaccions entre els usuaris de l'aigua a nivell local, és necessari buscar acords a escala de conca per tal d'implementar les mesures d'adaptació més eficaces. Per aquest motiu, la tesi desenvolupa una metodologia que, mitjançant la combinació d'economia i enginyeria dels recursos hídrics, siga adient per seleccionar un programa de mesures cost-eficaç per a fer front a les incerteses del canvi climàtic i, a més a més, definir un repartiment just del cost d'adaptació entre els actors implicats.

El marc metodològic ha estat desenvolupat amb el fi de permetre integrar contribucions del principals enfocaments que s'utilitzen per a la planificació de l'adaptació. El primer, que es denomina descendent ("top-down"), consisteix a una cadena de modelació que va des dels escenaris d'emissions de gas d'efecte hivernacle a nivell global fins als models hidrològics a nivell local per avaluar l'impacte del canvi climàtic sobre els recursos hídrics. Per contra, el segon enfocament, que es denomina ascendent ("bottom-up"), comença per avaluar la vulnerabilitat del sistema a nivell local per a tot seguit identificar mesures d'adaptació de cara a un futur incert.

Els resultats del mètodes esmentats prèviament, s'han integrat per a seleccionar una combinació de mesures d'adaptació cost-eficaç mitjançant un model d'optimització a menor cost a escala de conca. El model s'utilitza per investigar les solucions de compromís ("trade-offs") entre els diversos objectius de planificació, com són els cabals ecològics necessaris, el desenvolupament del regadiu i el cost del programa de mesures. A continuació, s'avaluen els programes d'adaptació per a varies condicions climàtiques amb el fi de definir un programa de mesures robust i de penediment mínim per a fer front al canvi climàtic.

En la darrera part, s'escomet el problema del repartiment just dels costs del pla d'adaptació, considerant que això és una manera de facilitar la implementació del pla. En conseqüència, els resultats d'un procés de negociació entre els diferents actors han estat modelats mitjançant escenaris de repartiment basats en la teoria de jocs cooperatius. Tot seguit, els resultats s'han comparat amb altres regles de repartiment de costos basades en principis de justícia social. Això ha proporcionat un punt de vista diferent al procés de negociació.

Aquest enfocament innovador s'ha aplicat a una conca mediterrània, la conca del riu Orb (França). Amb aquesta finalitat s'han utilitzat projeccions climàtiques a mig termini de dades reescalades de 9 Models de Circulació Global (MCG). A més a més, s'han desenvolupat escenaris d'evolució de la demanada en els sectors agrícola i urbà per a l'horitzó de planificació de 2030. El model d'optimització a menor cost a escala de conca desenvolupat en GAMS permet seleccionar un programa de mesures, de entre les 462 mesures de gestió de la oferta o de la demanda. Els nou escenaris de repartiment de costs han estat debatuts amb informants clau, mitjançant entrevistes, i comparats amb conceptes de solució de la teoria de jocs cooperatius, considerant un joc de 3 jugadors a escala de conca.

El marc interdisciplinari desenvolupat al llarg de la tesi combina mètodes d'economia i d'enginyeria dels recursos hídrics de manera prometedora i permet la integració d'enfocaments "top-down" i "bottom-up", fet que contribueix a definir un pla d'adaptació cost-eficaç i just a escala local.