Ecosystem impacts of Alpine water intakes for hydropower: the challenge of sediment management

The natural flow hydrological characteristics (such as the magnitude, frequency, duration, timing, and rate of change of discharge) of Alpine streams, dominated by snowmelt and glacier melt, have been established for many years. More recently, the ecosystems that they sustain have been described and explained. However, natural Alpine flow regimes may be strongly modified by hydroelectric power production, which impacts upon both river discharge and sediment transfer, and hence on downstream flora and fauna. The impacts of barrages or dams have been well studied. However, there is a second type of flow regulation, associated with flow abstraction at intakes where the water is transferred laterally, either to another valley for storage, or at altitude within the same valley for eventual release downstream. Like barrages, such intakes also trap sediment, but because they are much smaller, they fill more frequently and so need to be flushed regularly. Downstream, while the flow regime is substantially modified, the delivery of sediment (notably coarser fractions) remains. The ecosystem impacts of such systems have been rarely considered. Through reviewing the state of our knowledge of Alpine ecosystems, we outline the key research questions that will need to be addressed in order to modify intake management so as to reduce downstream ecological impacts. Simply redesigning river flows to address sediment management will be ineffective because such redesign cannot restore a natural sediment regime and other approaches are likely to be required if stream ecology in such systems is to be improved.

Analysis of past and future dam formation and failure in the Santa Cruz River (San Juan province, Argentina)

Around 11.5 * 106 m3 of rock detached from the eastern slope of the Santa Cruz valley (San Juan province, Argentina) in the first fortnight of January 2005. The rockslide?debris avalanche blocked the course, resulting in the development of a lake with maximum length of around 3.5 km. The increase in the inflow rate from 47,000?74,000 m3/d between April and October to 304,000 m3/d between late October and the first fortnight of November, accelerated the growing rate of the lake. On 12 November 2005 the dam failed, releasing 24.6 * 106 m3 of water. The resulting outburst flood caused damages mainly on infrastructure, and affected the facilities of a hydropower dam which was under construction 250 km downstream from the source area. In this work we describe causes and consequences of the natural dam formation and failure, and we dynamically model the 2005 rockslide?debris avalanche with DAN3D. Additionally, as a volume ~ 24 * 106 m3of rocks still remain unstable in the slope, we use the results of the back analysis to forecast the formation of a future natural dam. We analyzed two potential scenarios: a partial slope failure of 6.5 * 106 m3 and a worst case where all the unstable volume remaining in the slope fails. The spreading of those potential events shows that a new blockage of the Santa Cruz River is likely to occur. According to their modeled morphometry and the contributing watershed upstream the blockage area, as the one of 2005, the dams would also be unstable. This study shows the importance of back and forward analysis that can be carried out to obtain critical information for land use planning, hazards mitigation, and emergency management.

Modélisation hydrologique des précipitations et des crues extrêmes dans les bassins versants alpin

Les crues et les risques de débordement des barrages, notamment des digues en terre, en cas de fortes précipitations, préoccupent depuis longtemps les autorités et la population. Les études réalisées dans les dernières années ont montré que le réchauffement global du climat s'est accompagné d'une augmentation de la fréquence des fortes précipitations et des crues en Suisse et dans de nombreuses régions du globe durant le 20ème siècle. Les modèles climatiques globaux et régionaux prévoient que la fréquence des fortes précipitations devrait continuer à croître durant le 21éme siècle en Suisse et dans le monde. Cela rend les recherches actuelles sur la modélisation des pluies et des crues à une échelle fine encore plus importantes. En Suisse, pour assurer une bonne protection sur le plan humain et économique, des cartes de précipitations maximales probables (PMP) ont été réalisées. Les PMP ont été confrontées avec les précipitations extrêmes mesurées dans les différentes régions du pays. Ces PMP sont ensuite utilisées par les modèles hydrologiques pour calculer des crues maximales probables (PMF). Cette la méthode PMP-PMF nécessite toutefois un certain nombre de précautions. Si elle est appliquée d'une manière incorrecte ou sur la base de données insuffisantes, elle peut entraîner une surestimation des débits de crue, notamment pour les grands bassins et pour les régions montagneuses entraînant des surcoûts importants. Ces problèmes résultent notamment du fait que la plupart des modèles hydrologiques répartissent les précipitations extrêmes (PMP) de manière uniforme dans le temps sur l'ensemble du bassin versant. Pour remédier ce problème, cette thèse a comme objectif principal de développer un modèle hydrologique distribué appelé MPF (Modeling Precipitation Flood) capable d'estimer la PMF de manière réaliste à partir de la PMP distribuée de manière spatio-temporelle à l'aide des nuages. Le modèle développé MPF comprend trois parties importantes. Dans la première partie, les précipitations extrêmes calculées par un modèle météorologique à une méso-échelle avec une résolution horizontale de 2 km, sont réparties à une échelle locale (25 ou 50 m) de manière non-uniforme dans l'espace et dans le temps. La deuxième partie concerne la modélisation de l'écoulement de l'eau en surface et en subsurface en incluant l'infiltration et l'exfiltration. Et la troisième partie inclut la modélisation de la fonte des neiges, basée sur un calcul de transfert de chaleur. Le modèle MPF a été calibré sur des bassins versants alpins où les données de précipitations et du débit sont disponibles pour une période considérablement longue, qui inclut plusieurs épisodes de fortes pluies avec des débits élevés. À partir de ces épisodes, les paramètres d'entrée du modèle tel que la rugosité du sol et la largeur moyenne des cours d'eau dans le cas d'écoulement de surface ont pu être estimés. Suivant la même procédure, les paramètres utilisés dans la simulation des écoulements en subsurface sont également estimés indirectement, puisque des mesures directes de l'écoulement en subsurface et de l'exfiltration sont difficiles à obtenir. Le modèle de distribution spatio-temporelle de la pluie a aussi été validé en utilisant les images radar avec la structure de la pluie provoquée par un nuage supercellulaire. Les hyétogrammes obtenus sur plusieurs points du terrain sont très proches de ceux enregistrées avec les images radar. Les résultats de la validation du modèle sur les épisodes de fortes crues présentent une bonne synchronisation entre le débit simulé et le débit observé. Cette corrélation a été mesurée avec trois critères d'efficacité, qui ont tous donné des valeurs satisfaisantes. Cela montre que le modèle développé est valide et il peut être utilisé pour des épisodes extrêmes tels que la PMP. Des simulations ont été faites sur plusieurs bassins ayant comme données d'entrée la pluie de type PMP. Des conditions variées ont été utilisées, comme la situation du sol saturé, ou non-saturé, ou la présence d'une couche de neige sur le terrain au moment de la PMP, ce qui conduit à une estimation de PMF pour des scénarios catastrophiques. Enfin, les résultats obtenus montrent comment mieux estimer la valeur de la crue de sécurité des barrages, à partir d'une pluie extrême dix-millennale avec une période de retour de 10'000 ans.

Consequences of gestational stress on GABAergic modulation of respiratory activity in developing newborn pups.

The GABAergic system modulates respiratory activity and undergoes substantial changes during early life. Because this maturation process is sensitive to stress, we tested the hypothesis that gestational stress (GS) alters development of GABAergic modulation of respiratory control in rat pups. The respiratory responses to the selective GABAA receptor agonist muscimol were compared between pups born to dams subjected to GS (bright light and predator odor; 20 min/day from G9 to G19) or maintained under standard (control) conditions. Respiratory activity was measured on 1 and 4 days old pups of both sexes using in vivo (whole body plethysmography) and in vitro (isolated brainstem-spinal cord preparation) approaches. In intact pups, muscimol injection (0.75 mg/kg; i.p.) depressed minute ventilation; this response was less in GS pups, and at P4, muscimol augmented minute ventilation in GS females. Bath application of muscimol (0.01-0.5 μM) onto brainstem preparations decreased inspiratory (C4) burst frequency and amplitude in a dose-dependent manner; the responsiveness decreased with age. However, GS had limited effects on these results. We conclude that the results obtained in vivo are consistent with our hypothesis and show that GS delays maturation of GABAergic modulation of respiratory activity. The differences in the results observed between experimental approaches (in vivo versus in vitro) indicate that the effect of prenatal stress on maturation of GABAergic modulation of respiratory control mainly affects the peripheral/metabolic components of the respiratory control system.

Developmental and metabolic brain alterations in rats exposed to bisphenol A during gestation and lactation.

In recent years, considerable research has focused on the biological effect of endocrine-disrupting chemicals. Bisphenol A (BPA) has been implicated as an endocrine-disrupting chemical (EDC) due to its ability to mimic the action of endogenous estrogenic hormones. The aim of this study was to assess the effect of perinatal exposure to BPA on cerebral structural development and metabolism after birth. BPA (1mg/l) was administered in the drinking water of pregnant dams from day 6 of gestation until pup weaning. At postnatal day 20, in vivo metabolite concentrations in the rat pup hippocampus were measured using high field proton magnetic resonance spectroscopy. Further, brain was assessed histologically for growth, gross morphology, glial and neuronal development and extent of myelination. Localized proton magnetic resonance spectroscopy ((1)H MRS) showed in the BPA-exposed rat a significant increase in glutamate concentration in the hippocampus as well as in the Glu/Asp ratio. Interestingly these two metabolites are metabolically linked together in the malate-aspartate metabolic shuttle. Quantitative histological analysis revealed that the density of NeuN-positive neurons in the hippocampus was decreased in the BPA-treated offspring when compared to controls. Conversely, the density of GFAP-positive astrocytes in the cingulum was increased in BPA-treated offspring. In conclusion, exposure to low-dose BPA during gestation and lactation leads to significant changes in the Glu/Asp ratio in the hippocampus, which may reflect impaired mitochondrial function and also result in neuronal and glial developmental alterations.