Multi-tool assessment of energy balance consequences of reservoir construction for hydropower generation in the Tropical Andes

Abstract

ABSTRACT : In many tropical countries, topographic and climatic conditions favor the installation of hydropower infrastructure, considered cleaner and with fewer environmental impacts than other alternatives for power generation. In recent decades, multiple neotropical watersheds have been targeted for reservoir building. These developments generally result in changes on surface characteristics over large areas, including not only the establishment of new water bodies, but also modifications in land use and vegetation cover in surrounding areas. These changes can potentially lead to atmospheric and ecological changes that may result in unaccounted environmental consequences of this kind of infrastructure. Understanding and assessing these impacts is important in countries like Colombia, where approximately 70% of the nation’s electricity comes from hydropower generation, with multiple projects built and put into operation over the last decade. In this work, we use a suite of remote sensing products to characterize changes in surface energy balance in the surroundings of three recently installed (Ituango, Quimbo and Topocoro) and one older (Betania) hydropower projects in the tropical Andes of Colombia. We compare the response of LAI, NDVI, energy budget components and temperature, precipitation, humidity and wind speed before and after the establishment of reservoir lakes using MODIS, CERES, GLDAS and CHRS data. Overall, our results indicate changes in albedo due reservoir filling only in flooded areas, as the result of the change in land cover (replacing land vegetation with a water body), but with no significant effects on temperature and precipitation over non flooded areas. In fact, these changes are not strong enough to significantly modify surface energy budgets in surrounding areas beyond the flooded areas, nor to move beyond other changes in land use. In addition, due to the humid climate in this region, changes in energy budget do not alter precipitation regimes significantly, agreeing with previous studies that indicate that this changes are only significant in arid and semiarid regions. Our results highlight the utility of remotely-sensed products to assess the collective effects of major surface changes such as those produced by large infrastructure projects on local-to-regional energy balances and their associated ecological, hydrological and atmospheric consequences.

RESUMEN : En muchos países tropicales, las condiciones topográficas y climáticas favorecen la instalación de infraestructuras hidroeléctricas, consideradas más limpias y con menor impacto ambiental que otras alternativas de generación de energía. En las últimas décadas, múltiples cuencas neotropicales han sido objeto de construcción de embalses. Por lo general, estos desarrollos provocan cambios en las características de la superficie en grandes áreas, incluyendo no sólo el establecimiento de nuevos cuerpos de agua, sino también modificaciones en el uso de la tierra y la cubierta vegetal en las áreas circundantes. Estos cambios pueden provocar potencialmente cambios atmosféricos y ecológicos que pueden dar lugar a consecuencias medioambientales no contabilizadas de este tipo de infraestructuras. Entender y evaluar estos impactos es importante en países como Colombia, donde aproximadamente el 70% de la electricidad del país proviene de la generación hidroeléctrica, con múltiples proyectos construidos y puestos en funcionamiento en la última década. En este trabajo, utilizamos un conjunto de productos de teledetección para caracterizar los cambios en el balance energético de la superficie en los alrededores de tres proyectos hidroeléctricos recientemente instalados (Ituango, Quimbo y Topocoro) y uno más antiguo (Betania) en los Andes tropicales de Colombia. Comparamos la respuesta del LAI, el NDVI, los componentes del balance energético y la temperatura, la precipitación, la humedad y la velocidad del viento antes y después del establecimiento de los lagos de los embalses utilizando datos de MODIS, CERES, GLDAS y CHRS. En general, nuestros resultados indican cambios en el albedo debidos al llenado de los embalses sólo en las zonas inundadas, como resultado del cambio en la cobertura del suelo (sustituyendo la vegetación terrestre por una masa de agua), pero sin efectos significativos sobre la temperatura y la precipitación en las zonas no inundadas. De hecho, estos cambios no son lo suficientemente fuertes como para modificar significativamente los presupuestos de energía de la superficie en las áreas circundantes más allá de las zonas inundadas, ni para ir más allá de otros cambios en el uso del suelo. Además, debido al clima húmedo de esta región, los cambios en el balance energético no alteran significativamente los regímenes de precipitación, coincidiendo con estudios anteriores que indican que estos cambios sólo son significativos en regiones áridas y semiáridas. Nuestros resultados ponen de manifiesto la utilidad de los productos de teledetección para evaluar los efectos colectivos de los grandes cambios superficiales, como los producidos por los grandes proyectos de infraestructuras, sobre los balances energéticos locales y regionales y sus consecuencias ecológicas, hidrológicas y atmosféricas asociadas.