Evaluating water allocation within the water-energy-food nexus in the lowlands of Lesotho

Abstract

Vatn er ein av dei viktigaste naturressursane i Lesotho, eit land i det Sørlige Afrika. Samanlikna med områda omkring har høglandet av Lesotho relativ overflod av vatn. Dette gjer at vassressursane i Lesotho er av spesielt strategisk verdi. Lesotho Highlands Development Project, LHWP, dannar grunnlaget for vannressursforvaltning i Lesotho gjennom eksport av vatn til Sør-Afrika og vannkraftproduksjon. I låglandet av Lesotho er det derimot store vass-relaterte utfordringar. Størsteparten av befolkninga er busett der og tilgang på vatn er svært variabel på grunn av sesongvariasjonar og mangel på infrastruktur. Det er behov for vassforsyning til menneskeleg forbruk, jordbruksproduksjon og til produksjon av fornybar energi. Effektiv og skånsom forvaltning av vassressursane er vurdert som svært viktig for økonomisk vekst og berekraftig utvikling i Lesotho. Elva Hlotse ligger den nordvestlige delen av låglandet i Lesotho. Formålet med denne studien er å analysere ulike strategiar for vannressursforvatning og sjå på korleis dei kan påverke samanhengen mellom vatn, energi og matproduksjon i elva Hlotse. Eventuell påverkning nedstraums i vassdraget i elva Caledon er også vurdert. Oppgåva er løyst ved hjelp av eit modelleringsverktøy i programvaren Water Evaluation and Planning System (WEAP). Ulike scenario for planlagd og ønska framtidig utvikling innanfor forsyning av drikkevatn og vatning til jordbruk er definert og utforska i modellen. Det er også sett på effekt av reguleringstiltak som omfattar overføring av vatn til elva Hlotse frå dammen Katse. Vannkraftproduksjon og kraftverksregulering med magasiner i elva Hlotse er også vurdert. Resultata frå denne studien viser betydelig mangel, i hovudsak frå april til oktober, for framtidig drikkevannsforsyning og vatning til jordbruk dersom forsyninga skal basere seg på direkte uttak av tilgjengelig vatn i elva Hlotse. Simuleringane bekrefter at vassføringa i elva Hlotse og Caledon er svært avhengig av sesongmessige variasjonar både gjennom året og mellom ulike år. Dette demonstrerer at det er behov for reguleringstiltak for å sikre stabil vassforsyning, og at reguleringsbehovet for å møte krava ikkje er konstant. Modellsimuleringane indikerer at betydelege endringar i avrenning i elva Hlotse vil gi marginale effekter nedstrøms i vassdraget i elva Caledon. Simulering av vassoverføring til elva Hlotse frå dammen Katse i høglandet med volum innanfor eksisterande rammer i traktaten for LHWP på 3.75 MCM i året er ikkje tilstrekkelig for å møte framtidige behov for utvikling i elva Hlotse. Dette demonstrerer eit behov for planlegging og vurdering av driftsmønsteret for overføring til låglandet frå LHWP. Vidare er det behov for fleksibel overføring under ulike klimatiske forhold for å møte framtidige utviklingsbehov. Det er behov for å gjere vidare vurderingar på effekten av leveringssikkerheten av vassforsyning til Sør Afrika og den tilhøyrande traktaten. Vannkraftproduksjonen simulert i WEAP for det foreslåtte kraftverket i elva Hlotse, Hlotse HPP, er betydelig lågare enn anslått og funne til å utgjere kun 41% av forventa produksjon for det foreslåtte prosjektet. Resulta viser at magasina planlagt for Hlotse HPP kan gi positive fordelar og betre forsyningssikkerhet for nedstraums interesser, forutsett at utsleppa frå magasina blir justert for dette. Usikkerhetene knytta til modelleringa i denne studien viser at innsamling og behandling av data, både i mengde og kvalitet, og implementering av desse i eksisterande verktøy og planer er nødvendig for at slike modellar skal fungere som et effektivt verktøy. Resultata viser nytta av WEAP-modellen ved å kombinere ein hydrologisk modell med allokering av vatn til ulike formål. Modellen er vurdert til å fungere godt for sitt formål, som et supplerande hjelpemiddel for beslutningstaking innanfor vannressursforvaltning.

Water is one of the most important natural resources of Lesotho, located in Southern Africa. The relative abundance of water in the highlands of Lesotho compared to its surrounding areas constitutes the particularly strategic value of the water resources of Lesotho. The Lesotho Highlands Water Development Project, LHWP, forms the basis for water resource management in Lesotho through water export to South Africa and hydropower generation. Water-related challenges are prominent in the lowlands of Lesotho, where most of the population resides, and water availability is highly variable due to seasonal variations and lack of infrastructure developments. Careful and efficient management of water resources is viewed as a key to economic growth and sustainable development in Lesotho to secure, among other things, water availability for human consumption, agricultural production, and renewable energy generation. The main objective of this study is to analyse the trade-offs of different water management strategies within the water-energy-food nexus in Hlotse river, located in the lowlands of Lesotho, and their likely impacts downstream in Caledon river. The objective is addressed by setting up a hydrological and water allocation model for the river basin using the software tool Water Evaluation and Planning System (WEAP). Scenarios for both planned and desired future developments of potable water supply and irrigation expansion are defined and explored in the model. The effects of regulation measures considering water transfers from Katse dam in the highlands into Hlotse river and reservoir regulation for hydropower production in Hlotse river are evaluated. Significant water shortages are found, mainly from April to October, for planned and desired future developments of potable water supply and irrigation expansion relying on direct river abstractions in Hlotse river. The findings confirm that runoff in Hlotse river and Caledon river is largely exposed so seasonal variations both within and between years. This demonstrates a need for regulation measures to secure stable water supply, where the need for regulation to meet demands is not constant. The model simulations indicates that significant altering of the runoff in Hlotse river will give marginal effects further downstream in Caledon river. Simulation of water transfer volumes into Hlotse river within the existing framework for the LHWP of 3.75 MCM annually are insufficient to meet future demands in Hlotse river. This demonstrates a need for planning and refining the operational rules from the LHWP, facilitating flexible water transfers for various climatic conditions to meet the demands for water supply in the lowlands. This will require further assessments of the possible effect on the security of water supply to South Africa and the associated Treaty. Hydropower production simulated in WEAP for the proposed hydropower plant in Hlotse river, Hlotse HPP, is significantly lower than what is projected and found to constitute only 41% of the projected production for the proposed project. The results show that the proposed Hlotse HPP reservoirs can provide positive benefits and water security for downstream users if releases from the proposed reservoirs are adapted. The uncertainties associated with the modelling in this study demonstrate that collection and processing of data, both in quantity and quality, and implementation of these into existing tools and plans is necessary for such models to function as an effective tool. However, the results demonstrate the usefulness of the WEAP model by combining a hydrological model with water allocation, where the model is found well-functioning for its purpose as an assisting tool and supplement for decision-making in water resource management.