I Kenyas näst största stad, Mombasa, efterfrågan på vatten förväntas fördubblas till 2035 till uppskattningsvis 300, 000 kubikmeter per dag. I Mombasas nuvarande varma och fuktiga klimat, att vattnet kommer från en betydande volym nederbörd som också kan förändras avsevärt när regionen värms upp under de kommande decennierna i linje med globala klimatmodeller.

Det som inte framgår av prognoserna, dock, är om nederbördsnivåerna kommer att stiga eller sjunka tillsammans med den uppvärmningen.

Den slutliga riktningen och storleken på nederbördsförändringen är ett stort bekymmer för designers av en föreslagen damm och reservoarsystem som kommer att fånga upp avrinning i Mwachefloden, som för närvarande uppgår till cirka 310, 000 kubikmeter per dag. Den betydande osäkerheten i framtida avrinning gör det svårt att bestämma reservoarkapaciteten som krävs för att möta Mombasas vattenbehov under dess beräknade 100-åriga livslängd. Stadsplanerare står därför inför att bestämma sig för om man ska investera i en dyr, storskalig damm för att ge en konsekvent vattenförsörjning under det torraste framtida klimatet som modellerna projekterar, en damm i mindre skala som skulle kunna tillgodose dagens behov, eller börja smått och bygga kapacitet efter behov.

För att hjälpa städer som Mombasa att sortera igenom sådana följdbeslut, ett team av forskare vid MIT Joint Program on the Science and Policy of Global Change har utvecklat en ny, systematiskt tillvägagångssätt för att utforma långsiktig vatteninfrastruktur mitt i osäkerheten om klimatförändringar. Deras planeringsram bedömer potentialen att lära sig om regionala klimatförändringar över tid när nya observationer blir tillgängliga, och därmed utvärdera lämpligheten av flexibla tillvägagångssätt som ökar vattenlagringskapaciteten stegvis om klimatet blir varmare och torrare.

Forskarna beskriver ramverket och dess tillämpning på Mombasa i tidskriften Naturkommunikation .

Ett nytt ramverk för design av vatteninfrastruktur

Att använda ramverket för att jämföra de sannolika livstidskostnaderna för ett flexibelt tillvägagångssätt med de för två statiska, oåterkalleliga alternativ för den föreslagna dammen i Mombasa - en designad för de torraste, varmaste klimatet, den andra för dagens klimat – forskargruppen fann att det flexibla tillvägagångssättet var det mest kostnadseffektiva samtidigt som det bibehöll en tillförlitlig vattenförsörjning till Mombasa.

"Vi fann att det flexibla adaptiva alternativet, vilket gör att dammens höjd kan ökas stegvis, minskar avsevärt risken för att överbygga infrastruktur som du inte behöver, och bibehåller en liknande nivå av tillförlitlighet i vattenförsörjningen jämfört med att ha en större damm från början, säger Sarah Fletcher, studiens huvudförfattare, en postdoktor vid MIT:s institution för civil- och miljöteknik.

Fletchers arbete med studien avslutades till stor del som en doktorsexamen. student vid MIT:s Institute for Data, Systems and Society under överinseende av medförfattare och MIT Joint Program Research Scientist Kenneth Strzepek, och i samarbete med medförfattare och tidigare forskningsassistent Megan Lickley, nu doktorand. student vid Department of Earth, Atmosfärs- och planetvetenskap.

Den kenyanska regeringen är nu i slutskedet av utformningen av Mwache Dam.

"På grund av det gemensamma programmets ansträngningar att göra ledande klimatforskning tillgänglig för användning globalt, resultaten från denna studie har informerat den pågående design- och huvudplaneringsprocessen, " säger Strzepek. "Det är en perfekt illustration av uppdraget för Global MIT:'Of the World. I världen. För världen.'"

Genom att hitta möjligheter att på ett tillförlitligt sätt tillämpa flexibla snarare än statiska tillvägagångssätt för design av vatteninfrastruktur, det nya planeringsramverket skulle kunna frigöra miljarder dollar i besparingar i klimatanpassningsinvesteringar – besparingar som skulle kunna föras vidare för att tillhandahålla vatteninfrastrukturlösningar till många fler resursbegränsade samhällen som står inför betydande klimatrisker.

Inkludera lärande i beslutsfattande i stor infrastruktur

Studien kan vara den första som hanterar en begränsning i nuvarande vatteninfrastrukturplanering, som traditionellt antar att dagens uppskattningar av klimatförändringens osäkerhet kommer att bestå under hela planeringens tidslinje, en som vanligtvis sträcker sig över flera decennier. I många fall orsakar detta antagande flexibel, adaptiva planeringsalternativ för att framstå som mindre kostnadseffektiva än statiska tillvägagångssätt. Genom att i förväg uppskatta hur mycket planerare kan förvänta sig att lära sig om klimatförändringar i framtiden, det nya ramverket kan göra det möjligt för beslutsfattare att utvärdera om adaptiva tillvägagångssätt sannolikt är tillförlitliga och kostnadseffektiva.

"Klimatmodeller kan ge oss ett användbart utbud av potentiella banor för klimatsystemet, ", säger Lickley. "Det finns en betydande osäkerhet när det gäller storleken och tidpunkten för dessa förändringar under de kommande 50 till 100 åren. I detta arbete visar vi hur man kan införliva lärande i dessa stora infrastrukturbeslut när vi får ny kunskap om klimatbanan under de kommande decennierna."

Med hjälp av detta planeringsverktyg, en stadsplanerare skulle kunna avgöra om det är meningsfullt att välja en statisk eller flexibel designmetod för ett föreslaget vatteninfrastruktursystem baserat på nuvarande prognoser av maximal temperatur- och nederbördsändring under systemets livslängd, tillsammans med information som så småningom kommer in från framtida observationer av temperatur- och nederbördsförändringar. I studien, forskarna utförde denna analys för den föreslagna Mombasa-dammen under tusentals framtida regionala klimatsimuleringar som täcker ett brett spektrum av potentiella temperatur- och nederbördstrender.

"Till exempel, om du började på en högtemperaturbana och 40 år från nu är du kvar på den banan, du skulle veta att inget av designalternativen för låga temperaturer längre är genomförbara, " säger Fletcher. "Vid den tidpunkten skulle du ha överskridit en viss mängd uppvärmning, och skulle då kunna utesluta planeringsalternativet för låga temperaturförändringar, och dra nytta av ett adaptivt tillvägagångssätt för att öka kapaciteten."

Framtida utveckling av planeringsramverket kan innefatta analys av potentialen att lära sig om andra källor till osäkerhet, som den ökande efterfrågan på vattenresurser, under livstiden för ett vatteninfrastrukturprojekt.