Joint water-supply and hydropower management in a capacity-depleted multipurpose reservoir: the two-input AD-2I–WE model for Akhangaran

I bacini idrici sono i grandi serbatoi di civiltà, che trattengono il flusso stagionale dei fiumi montani per rilasciare acqua lentamente quando i campi sono secchi e le città hanno sete. Ma questi serbatoi hanno un nemico nascosto: il limo. Nel corso dei decenni, la sabbia e il fango trasportati dal fiume si depositano sul fondo, riempiendo lentamente il serbatoio dal basso verso l'alto. Questo processo, noto come sedimentazione, non si limita a ridurre la quantità totale di acqua che un bacino può contenere; esso cambia le regole stesse con cui quell'acqua viene gestita. Un livello dell'acqua che un tempo indicava un serbatoio pieno potrebbe ora significare uno quasi vuoto, e la tempistica di rilascio dell'acqua diventa un delicato equilibrio tra il mantenere in vita le colture e la generazione di elettricità. In Asia Centrale, dove lo scioglimento delle nevi alimenta i fiumi in primavera ma gli agricoltori hanno bisogno di acqua soprattutto durante l'estate calda, questo equilibrio è critico. Se la capacità di stoccaggio diminuisce, la capacità di trasportare l'acqua dalla stagione umida a quella secca diminuisce, minacciando sia la sicurezza alimentare che la generazione di energia.

I ricercatori della TIIAME National Research University in Uzbekistan hanno affrontato questo problema presso il bacino di Akhangaran, una struttura vitale vicino a Tashkent che fornisce acqua per l'irrigazione e energia idroelettrica. Combinando decenni di rilievi subacquei con i registri giornalieri dei livelli dell'acqua e della produzione di energia, hanno sviluppato un nuovo modo per gestire il bacino che si adatta alle sue dimensioni in riduzione. Lo studio rivela che il bacino ha perso una parte significativa della sua capacità dalla década del 1970, costringendo gli operatori a ripensare a come spostare l'acqua attraverso le stagioni. Il team ha creato un modello decisionale flessibile che utilizza due input principali: la quantità attuale di acqua nel serbatoio e l'ordine annuale su quanta acqua serve agli agricoltori. Questo approccio consente al sistema di dare priorità prima alla sicurezza e alla consegna dell'acqua, e poi di trovare modi per generare più elettricità senza compromettere l'approvvigionamento idrico.

La storia del bacino di Akhangaran mostra una tendenza chiara e preoccupante. Tra il 1972 e il 2022, il volume totale d'acqua che il bacino poteva contenere al suo livello normale è sceso da 197,7 milioni di metri cubi a 169,4 milioni di metri cubi. Si tratta di una perdita di 28,3 milioni di metri cubi, ovvero circa il 14 percento della sua capacità originale. Il tasso di questa perdita si è accelerato negli ultimi anni, con quasi due terzi della perdita totale avvenuta tra il 2006 e il 2022. Questa riduzione significa che il buffer fisico disponibile per immagazzinare lo scioglimento delle nevi primaverili per l'uso durante i mesi estivi secchi si è ridotto significativamente. Quando i ricercatori hanno esaminato come il bacino sia stato effettivamente gestito tra il 2020 e il 2025, hanno scoperto che le regole esistenti, basate sulle dimensioni più vecchie e maggiori del bacino, non funzionavano più efficacemente. Sotto il vecchio approccio, il sistema non riusciva a soddisfare le richieste d'acqua in quasi il 30 percento dei periodi misurati, con le carenze peggiori che si verificavano nei mesi di luglio, agosto e settembre, quando le necessità di irrigazione sono più elevate.

Per capire come risolvere il problema, i ricercatori hanno testato tre diverse strategie di gestione. La prima consisteva semplicemente nell'osservare come veniva gestito attualmente il bacino per vedere dove falliva. La seconda era un approccio rigido che cercava di garantire una quantità specifica di acqua rimanesse nel serbatoio alla fine di ogni anno, indipendentemente da ciò che accadeva durante l'estate. La terza era il loro nuovo modello adattivo, che stabiliva un rigoroso limite di sicurezza per garantire che il bacino non scendesse mai a un livello pericolosamente basso durante l'anno, regolando al contempo la quantità di acqua rilasciata in base alla situazione corrente. L'approccio rigido, basato sull'obiettivo di fine anno, falliva perché costringeva il bacino a trattenere troppa acqua all'inizio, causando carenze durante i mesi critici dell'estate. Il nuovo modello adattivo, invece, è riuscito a mantenere un buffer di sicurezza di 15 milioni di metri cubi nel serbatoio in ogni momento. In questo modo, ha migliorato l'affidabilità della consegna dell'acqua di circa il 6 percento e ha ridotto l'ammontare totale di acqua mancante di circa il 21 percento rispetto alle operazioni attuali.

Una scoperta chiave dello studio è che gestire la tempistica dei rilasci d'acqua può aumentare significativamente la produzione di elettricità senza utilizzare acqua extra. L'energia idroelettrica dipende non solo dal volume d'acqua che scorre attraverso le turbine, ma anche dall'altezza dell'acqua sopra di esse; l'acqua rilasciata da un livello più alto genera più energia. I ricercatori hanno scoperto che spostando il rilascio dell'acqua ai momenti in cui il bacino era più pieno e la pressione dell'acqua era più alta, potevano aumentare la produzione di energia annuale di quasi il 34 percento rispetto a un programma standard. Questo aumento derivava interamente da una migliore tempistica, non dal consumo di più acqua o dall'abbassamento della sicurezza dell'approvvigionamento idrico. Anche con questi miglioramenti, il modello produceva meno energia di quanto fosse effettivamente osservato negli ultimi anni, suggerendo che le operazioni reali potrebbero sfruttare condizioni difficili da prevedere o che i limiti fisici delle turbine vengano spinti in modi che il modello non cattura completamente.

Lo studio ha anche evidenziato un limite strutturale che nessun miglioramento della gestione può risolvere. Nel 2022, un anno con un afflusso d'acqua insolitamente elevato, il bacino è stato costretto a far traboccare 63 milioni di metri cubi d'acqua. Questo sversamento è avvenuto anche quando il modello aveva una conoscenza perfetta del meteo e dei livelli dell'acqua in anticipo. La causa è stata una combinazione della ridotta capacità di stoccaggio del bacino e del limite fisico delle turbine, che possono far passare solo una certa quantità di acqua al secondo. Quando l'acqua arrivava più velocemente di quanto le turbine potessero gestire e il serbatoio era già pieno, l'eccedenza doveva essere lasciata andare. Questa scoperta punta a un vincolo infrastrutturale netto: l'attrezzatura attuale non può gestire l'intero flusso degli anni umidi, portando a uno spreco di acqua che potrebbe invece essere utilizzata per l'energia o immagazzinata per un uso successivo.

I ricercatori hanno anche testato come il sistema avrebbe risposto se la domanda di acqua per l'irrigazione fosse aumentata. Hanno scoperto che chiedere più acqua non portava a una produzione di elettricità significativamente maggiore. Man mano che l'ordine di irrigazione saliva da 280 milioni di metri cubi a 350 milioni di metri cubi, la quantità di energia generata rimaneva quasi esattamente la stessa, mentre l'ammontare di domanda d'acqua non soddisfatta cresceva drasticamente. Ciò indica che richiedere semplicemente più acqua non rende il sistema più efficiente; al contrario, crea un divario maggiore tra ciò che è necessario e ciò che può essere consegnato. Lo studio conclude che la via più efficace è trattare l'ordine di irrigazione come un obiettivo flessibile che può essere regolato in base all'acqua effettivamente disponibile, piuttosto che come una promessa fissa che deve essere mantenuta a ogni costo.

In definitiva, questo lavoro dimostra che in un bacino che ha perso una parte significativa della sua capacità, le vecchie regole non si applicano più. La soluzione non è cercare di forzare il sistema a comportarsi come se fosse ancora pieno, ma adattare la strategia di gestione alla nuova realtà. Utilizzando un modello che controlla costantemente il livello attuale dell'acqua e le specifiche necessità della stagione, gli operatori possono proteggere l'approvvigionamento idrico, evitare livelli bassi pericolosi e trovare comunque opportunità per generare più energia. Lo studio fornisce una tabella di marcia chiara su come gestire una risorsa in contrazione, mostrando che con l'approccio giusto è possibile mantenere la sicurezza per gli agricoltori e le reti elettriche anche mentre il paesaggio fisico cambia sotto di loro. Le conclusioni suggeriscono che il passo successivo per il bacino di Akhangaran sia aggiornare le sue regole operative per riflettere la sua dimensione attuale e considerare l'aggiornamento delle turbine per gestire gli alti flussi che attualmente causano tali grandi sversamenti.