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Assessing the impacts of hydropower, dams and reservoirs on macroinvertebrate richness as a general portrait and within the Life Cycle Assessment (LCA) framework

Gabrielle Trottier

Ph.D. thesis (2021)

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Abstract

Freshwater ecosystems are an essential resource to the survival of humans, namely through drinking and irrigation water, transportation and energy generation. The integrity and the function of these ecosystems strongly depend on their general state and biodiversity. Despite their dependance to these ecosystems, humans store freshwater into reservoirs and use it to produce energy via hydropower. This freshwater use leads to habitat degradation and destruction, and flow regime modification, amongst other threats. The scientific community has been studying the impacts of hydropower, dams and reservoirs on freshwater biodiversity for years now and a synthesis of these outcomes highlighted a wide range of impacts (both in their direction [positive or negative impact] and magnitude) dependent of multiple factors, such as taxonomic group studied, biomes and hydropower types, for instance.Life Cycle Assessment (LCA) is a methodology based on natural science that is used to evaluatethe potential environmental impacts of a product, process or service, from resource extraction to end-of-life. Thus, to get an assessment that is representative of reality, we need to be able to account for the potential impacts of each phase in a product (or process, or service) life cycle. This includes the impacts associated with the energy source used to create these goods or services. Despite the mounting evidences regarding the impacts of hydropower, dams and reservoirs on freshwaterbiodiversity, LCA has only just started to account for these impacts into their assessment. Before that, impacts to freshwater biodiversity were not assessed and thus considered null, which is far from the reality. Accounting for theses impacts could influence the overall ranking of hydropower in terms of potential environmental impacts, when compared to other energy sources.Three issues led to the genesis of this doctoral research project; 1) in the review of the literature, hydropower, dams and reservoirs impact freshwater biodiversity but there is no consensus witHregards to the direction (i.e., positive or negative) and the magnitude (i.e., delta) of these impacts, 2) current Characterization Factors (CF) for the impacts of hydropower and reservoir occupationare exclusive to fish and/or based on theoretical curves instead of empirical data, and 3) CFs use Potentially Disappeared Fraction (PDF) of species (species level of taxonomic resolution), but there is still no study assessing the influence of taxonomic resolution (genus or family) on CFs. Thus, this project consists in three specific objectives:1. Qualifying and quantifying the impacts of hydropower, dams and reservoirs onfreshwater biodiversity, using macroinvertebrate richness, through a thorough review of the literature and followed by a meta-analysis. 2. Developing regionalized CFs, using empirical data, to assess the impact of ariverbed transformed and occupied by a reservoir, hereafter referred to as the impact of reservoir occupation, on macroinvertebrate biodiversity (i.e., richness), within LCA. 3. Evaluating the influence of taxonomic resolution on previously developed CFs. For the first objective, we used a meta-analytic framework to uncover the overall direction and magnitude of the impacts of hydropower on freshwater macroinvertebrate richness. Our results showed a wide range of responses of macroinvertebrates to hydropower, dams and reservoirs,namely significantly negative, significantly positive and non-significant responses. Because of that large variability of responses, the meta-analysis did not show a significant overall impact of hydropower, dams and reservoirs on macroinvertebrate richness. Lots of environmental and methodological noise might have hindered the detection of a significant impact, which is why we also investigated the influence of some sources of heterogeneity and accounted for variables such as biomes, impact type, study design, as well as sampling seasons and gears. None of these variables showed a significant effect, which lead us to think that we may not have targeted the appropriate variables that could influence the richness of macroinvertebrates and that theseorganisms may be impacted by much finer-scale processes, such as granulometry, temperature, wave disturbance and macrophytes. For the second objective, we used a space-for-time substitution approach and developed empiricalCFs (in PDF·m2·yr/m2·yr), to assess the impacts of reservoir occupation on macroinvertebrate richness at three spatial scales; reservoirs, ecoregions and the United States, as well as built an empirical model to explain the variability observed in reservoir PDF with only a few reservoirrelated environmental variables. In this objective, we observed a statistically significant loss of macroinvertebrate richness of 28% following reservoir occupation in the United States, that CFsspecific to ecoregions followed a longitudinal gradient of impact, from lowest in the east to highest west, and that elevation, trophic state and reservoir surface area could be used to explain the variation observed in reservoir-specific CFs, where high elevation, oligotrophic and large reservoirs had higher CF. Our results provided strong support for regionalized CFs, showed that CFs were uniform and consistent across scales (i.e., reservoir, ecoregion and country scales) andoffered a simple empirical model based on reservoir elevation, trophic state and surface area to beused by LCA modelers and practitioners to estimate CF where macroinvertebrate richness data isnot available. For the third objective, which is considered as a complement to the second objective, we calculated CFs (in PDF·m2·yr/m2·yr) using richness data resolved at two levels of taxonomic resolution (i.e.,genus- and family-based) and including a criterion of inclusiveness (i.e., exclusive and inclusive). Results in this objective suggest that using either genus- or family-based taxonomic resolutions conveys analogous messages. In both cases, regionalization of CFs is significant, directionality and magnitude of ecoregion CFs are very similar and empirical models are also similar with regards to model selection and predictive abilities. Based on these outcomes, we recommend favoring genusinclusive taxonomic resolution because they explained additional variation in CF and were morerepresentative of the richness observed in the sampled ecosystems, as opposed to family-based and/or exclusive categories of taxonomic resolutions. The nature of this article is more fundamental and methodological. It has important implications for Life Cycle Impact Assessment (LCIA) practitioners because it could potentially allow the inclusion of certain groups of organisms, whichare rarely identified up to the species level of taxonomic resolution, to be included in new CFs,thus enhancing the representativity and robustness of CFs for the ecosystems quality Area of Protection (AoP) in LCA. This thesis is very versatile and has many attributes. Some chapters are more fundamental, othershave practical outputs. The choice of macroinvertebrate as research taxa is considered original,especially in the LCA community. Moreover, this thesis also showcases a novelty characteristic, especially the last article. To our knowledge, evaluating the influence of taxonomic resolution on CFs had never been done in the past. A major advantage of this thesis is its multi-disciplinarity, which makes its outputs especially relevant, deep and complex. It integrated biological data into an impact assessment tool aimed for decision making in the context of environmental sustainability of products, processes and services. The main contribution of this thesis is operational CFs assessing the impact of reservoir occupation on macroinvertebrate richness at three spatial scales, namely the United States, nine ecoregions and numerous reservoirs.

Résumé

Les écosystèmes aquatiques, via l'approvisionnement en eau douce pour la consommationhumaine, l'irrigation des terres, le transport et la production d'énergie, sont une ressource essentielle à la survie des humains. L'intégrité et la fonction de ces écosystèmes dépendent de leur état général et de la biodiversité qu'on y retrouve. Malgré leur dépendance aux écosystèmes aquatiques, les humains impactent ces écosystèmes lorsqu'ils accumulent l'eau douce dans desréservoirs et l'utilisent pour la production d'énergie via l'hydroélectricité. En effet, ces usages de l'eau douce conduisent à la dégradation et la destruction de l'habitat, et à la modification du régime des flux hydrologiques, entre autres menaces. Depuis plusieurs années, la communauté scientifique a étudié les impacts de l'hydroélectricité, des barrages et des réservoirs sur la biodiversité aquatique. Toutes ces études, dans leur ensemble, ont permis de souligner une très grandefourchette d'impacts (tant en termes de direction [positive ou négative] que de magnitude) dépendante de multiples facteurs tels le groupe taxonomique étudié, le biome et le type de production hydroélectrique, par exemple. L'Analyse du Cycle de Vie (ACV), une méthodologie basée sur la science naturelle, est utiliséepour évaluer les impacts environnementaux potentiels d'un produit, d'un procédé ou d'un service, sur l'entièreté de son cycle de vie, c'est-à-dire de l'extraction des ressources à la fin de vie. Ainsi, pour générer une évaluation des impacts représentative de la réalité, les impact potentiels associés à chacune des phases du cycle de vie d'un produit (procédé ou service), incluant les impacts associés à la source d'énergie utilisée pour générer ces produits et services, doivent être pris encompte. Malgré le nombre croissant de preuves concernant les impacts de l'hydroélectricité, des barrages et des réservoirs sur la biodiversité aquatique, c'est seulement récemment que l'ACV a commencé à prendre en compte ces impacts dans ses bilans. Précédemment, ces impacts sur labiodiversité aquatique n'étaient pas évalués et donc, considérés comme nuls, ce qui est loin de la réalité. La prise en compte de ces impacts pourrait influencer la place qu'occupe l'hydroélectricité en termes d'impact environnementaux potentiels, lorsque comparée à d'autres sources d'énergie. Trois problématiques ont mené à la genèse de ce projet de recherche doctoral; 1) dans une synthèse de la littérature, l'hydroélectricité, les barrages et les réservoirs ont un impact sur la biodiversité aquatique, mais il n'y a pas de consensus au sujet de la direction et la magnitude de ces impacts,2) les Facteurs de Caractérisation (FC) sur l'impact de l'hydroélectricité et de l'occupation des réservoirs sont exclusifs aux poissons et/ou basés sur des courbes théoriques plutôt que des données empiriques, et 3) les FCs utilisent la fraction d'espèces (résolution taxonomique à l'espèce) potentiellement disparues ou « Potentially Disappeared Fraction (PDF) of species », mais il n'y a toujours pas d'étude qui évalue l'influence de la résolution taxonomique sur les FCs. Ce projet estdonc détaillé en trois objectifs : 1. Qualifier et quantifier les impacts de l'hydroélectricité, des barrages et des réservoirs sur la biodiversité aquatique, en utilisant la richesse des macroinvertébrés, via une robuste revue de la littérature et suivie d'une métaanalyse. 2. Développer des FCs régionalisés basés sur des données empiriques pour évaluer l'impact de la transformation du lit d'une rivière en réservoir et l'occupation subséquente du lit de la rivière par le réservoir, ci-après nommé impact de l'occupation des réservoirs, sur la richesse des macroinvertébrés, en ACV.3. Évaluer l'influence de la résolution taxonomique sur les FCs précédemment développés. Pour le premier objectif, un cadre de travail méta-analytique a été utilisé pour identifier la direction et la magnitude globale des impacts de l'hydroélectricité sur la richesse des macroinvertébrés. Les résultats ont montré une grande variété de réponses des macroinvertébrés à l'hydroélectricité, plus spécifiquement des réponses significativement négatives et positives, ainsi que des réponses nonsignificativement différentes de zéro. La méta-analyse n'a pas démontré un effet global significatif de l'hydroélectricité sur la richesse des macroinvertébrés due à la grande variabilité de réponsesobservées. La détection d'un impact significatif a probablement été entravée par la grande quantitéde bruit environnemental et méthodologique. C'est donc pourquoi l'influence de certaines sources d'hétérogénéité a été évaluée, par exemple le biome, le type d'impact, le design d'étude, ainsi que la saison et l'engin d'échantillonnage. Toutefois, aucune de ces sources d'hétérogénéité n'a démontré d'effet significatif, ce qui force à croire que d'autres variables environnementales, qui pourraient influencer la richesse des macroinvertébrés, n'ont pas été ciblées, par exemple desprocessus environnementaux de plus petite envergure, comme la granulométrie, la température, laperturbation par les vagues et la présence/absence de plantes aquatiques dans l'habitat. Pour le deuxième objectif, une approche de substitution espace-temps a été utilisée pour développer des FCs (en PDF·m2·an/m2·an) qui évaluent les impacts de l'occupation des réservoirs sur la richesse des macroinvertébrés à trois échelles spatiales; le réservoir, les écorégions et le pays(États-Unis), ainsi qu'un modèle empirique pouvant expliquer la variabilité observée dans les CFs des réservoirs, à l'aide de seulement quelques variables environnementales associées aux dits réservoirs. Au sein de cet objectif, il a été possible d'observer une perte statistiquement significative de 28% de la richesse des macroinvertébrés au sein des États-Unis suite à l'occupation du lit d'une rivière par un réservoir, un gradient longitudinal des CFs spécifiques aux écorégions,où les CFs sont plus élevés dans l'ouest que dans l'est, et enfin que l'état trophique, l'aire du réservoir et son élévation peuvent expliquer la variation observée dans les CFs spécifiques aux réservoirs, où un CF est plus élevé dans un réservoir large, oligotrophe et situé en haute élévation. Les résultats de cette étude ont démontré un support important pour la régionalisation des FCs, ont montré que les FCs étaient uniformes et constants à travers les échelles spatiales (c.-à-d., l'échelle du réservoir, de l'écorégion et du pays) et enfin, ont fourni un modèle empirique simple basé surl'élévation, l'état trophique et l'aire du réservoir qui pourrait être utilisé par les développeurs et lespraticiens ACV pour estimer un PDF quand des données de richesse de macroinvertébrés ne sont pas disponible.Pour le troisième objectif, qui est considéré comme un complément au second objectif, les FCs (en PDF·m2·an/m2·an) ont été calculés en utilisant des données de richesse de macroinvertébrés résolues en utilisant deux niveaux de résolutions taxonomiques (c.-à-d., basées sur le genre ou la famille) et incluant un critère d'inclusivité (c.-à-d., exclusif ou inclusif). Les résultats suggèrent que l'utilisation d'une résolution taxonomique au genre ou à la famille transmettent des messages similaires. Dans les deux cas, la régionalisation des FCs est statistiquement significative, la directionnalité et la magnitude des FCs spécifique aux écorégions sont très semblables, et lesmodèles empiriques sont aussi similaires en termes de sélection de modèle et capacité de prédiction. Basé sur ces résultats, il est possible de recommander l'utilisation d'une résolution taxonomique au genre-inclusive puisque celle-ci explique une quantité de variation additionnelle dans les FCs et est considérée comme plus représentative de la richesse des écosystèmeséchantillonnés, en comparaison à une résolution taxonomique à la famille et/ou exclusive. Cet article est de nature plutôt fondamentale et méthodologique et a d'importantes implications pour les praticiens ACV puisqu'il pourrait permettre à certains groupes d'organismes, rarement identifiés à l'espèces, d'être éventuellement inclus dans de nouveaux FCs, ce qui augmenterait la représentativité et la robustesse des FCs pour l'Aire de Protection (AdP) de la qualité desécosystèmes en ACV. Cette thèse est très versatile et présente plusieurs attributs. Certains chapitres sont plutôt de nature fondamentale, alors que d'autres ont des résultats surtout pratiques. Le choix des macroinvertébrés comme organisme de recherche est considéré comme original, spécifiquement dans la communauté ACV. D'autant plus, cette thèse démontre des caractéristiques de nouveauté, plus spécialementdans le dernier article. À notre connaissance, l'évaluation de l'influence de la résolutiontaxonomique sur les FCs n'a jamais été fait auparavant. La multidisciplinarité de cette thèse lui confère un avantage majeur et ses implications sont d'autant plus pertinentes, profondes et complexes. Elle intègre des données biologiques dans un outil d'évaluation des impacts qui est dirigé pour la prise de décision dans un contexte de développement durable de produits, procédéset services. La contribution majeure de cette thèse est les FCs opérationnels qui permettent d'estimer l'impact de l'occupation par un réservoir sur la richesse des macroinvertébrés à trois échelles spatiales, c'est-à-dire les États-Unis, neuf écorégions et de nombreux réservoirs.
Department: Department of Mathematics and Industrial Engineering
Program: Doctorat en génie industriel
Academic/Research Directors: Manuele Margni, Daniel Boisclair, Cécile Bulle
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/6640/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 25 Nov 2021 14:32
Last Modified: 25 Nov 2022 14:10
Cite in APA 7: Trottier, G. (2021). Assessing the impacts of hydropower, dams and reservoirs on macroinvertebrate richness as a general portrait and within the Life Cycle Assessment (LCA) framework [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/6640/

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