Abstract

In regions with water scarcity, utilizing Unconventional Water Resources (UWRs) is an option to meet the growing demand of water. This doctoral thesis aims to improve the understanding and insights on UWRs distribution globally, with a particular focus on benefits in different climates. Twelve UWRs were studied at the global scale for better understanding state of the art of UWRs. Among them i) fog water harvesting, ii) artificial recharge of groundwater resources, and iii) iceberg water harvesting was included for more detailed analyzing in the specific case studies. As a literature review, the global distribution of twelve types of UWRs was prepared and the results showed besides geographic, economic, and political constraints, climatic conditions are the main drivers on UWRs utilization. Also, results indicated that illustrating of opportunities and challenges in UWRs utilizations can potentially help water resources managers to better planning and policymaking. The next phase of the thesis was three case studies where different environmental variables were considered for developing Fog-water harvesting Capability Index (FCI) in the Vazroud watershed, Iran (semi-humid region) using Artificial Intelligence (AI) algorithms. The results showed all AI algorithms (Generalized Dissimilarity Model: GDM, Generalized Boosted Model: GBM, Linear Additive Model: GLM, and Generalized Additive Model: GAM) had high accuracy in FCI mapping. The highest values of importance were obtained for sky view factor and the lowest for slope curvature in FCI mapping. In the second case study, changes in groundwater levels were detected by comparing data for the periods before (1985–1996) and after (1997–2018) Managed Aquifer Recharge Structure (MARS) construction. Results showed that the rate of groundwater depletion decreased after MARS construction. Also, the permeability of the MARSs have been decreased due to sedimentation and led to reducing the efficiency of the MARSs in groundwater recharge. In the third case study, opportunities and challenges in iceberg utilization were investigated across Arctic and Antarctic areas. Economic considerations and risks associated with iceberg towing were identified as the main limitations in iceberg harvesting, while environmental impacts were identified as the main challenge to exploiting this resource. Statistical analysis of ice sheets as the main sources of icebergs showed a significant decreasing trend for all months and seasons during 2005–2019. This study demonstrated that assessing the potential of unconventional water for closing the water gap is currently difficult to be quantified globally, as data only exists in the form of singular case studies. Therefore, for the direction of future studies, providing methods to prepare quantitative information about a different type of UWRs utilization can help mitigate water deficiencies.

Tiivistelmä

Alueilla, joita vaivaa vesipula, voivat vaihtoetoiset vesilähteet (VVL) tarjota mahdollisuuden lisääntyvään vesivarojen kysyntään. Tämän väitöstyön tavoitteen on lisätä tietoa vaihtoehtoisten vesilähteiden jakautumisesta maailmanlaajuisesti huomioiden erityisesti eri ilmastojen erityiskysymykset. Työssä tarkasteltiin kirjallisuuteen perustuen kaksitoista erilaista vesilähdettä kokonaiskuvan hahmottamiseksi. Tapauskohtaisesti tarkasteltiin erikseen kolmea erilaista vesilähdettä tarkemmin eli i) sumun hyödyntäminen, ii) tekopohjaveden muodostamista sekä iii) jäätikkövesien käyttöä. Kirjallisuuskatsauksessa, 12 vesilähteen käyttöä tarkasteltiin maailmanlaajuisesti, mikä osoitti maantieteellisten, taloudellisten ja poliittisten sekä ilmastollisten tekijöiden vaikuttavan eniten eri vaihtoehtoisten vesilähteiden käyttöön. Tarkastelu osoitti myös että vaihtoehtoisten vesivarojen rajoitteiden ja mahdollisuuksien tarkastelu voi edesauttaa vesialan päättäjien parempaan suunnitteluun ja politiikan tekoon. Työn seuraavassa vaiheessa tarkasteltiin kolmea luonnonoloiltaan erilaista aluetta sumuveden talteenottoon Vazroudin valuma-alueella Iranissa tavoitteena kehittää sumuveden talteenotto indeksi (FCI) käyttäen tekoälyä. Tulokset osoittivat, että kaikilla tekoälyn algoritmeilla (GDM, GBM, GLM ja GAM) oli hyvä tarkkuus FCI kartoituksessa. Merkittävin tekijä oli taivas näkymällä ja huonoin selittäjä maaston kaltevuudella FCI kartoituksessa. Toisessa tapaustutkimuksessa, pohjaveden pinnan muutoksia havainnoitiin vertaamalla ennen (1985–1996) ja jälkeen (1997–2018) tekopohjavettä muodostavien rakenteiden rakentamista. Tulokset osoittivat tekopohjaveden lisäävän pohjaveden alenemaa. Sedimentaatio vähensi pohjaveden muodostusta heikentäen suodatavan rakenteen toimintaa. Kolmannessa tapaustutkimuksessa tarkasteltiin Etelä- ja Pohjoisnapojen jäätiköiden käyttöä vesilähteenä. Taloudelliset lähtökohdat ja riskit kuljetuksessa todettiin keskeisemmäksi rajoitteeksi jäätikköveden käytölle ja ympäristövaikutukset nähtiin keskeisenä haasteena tämän resurssin hyödyntämisessä. Jäätiköiden tarkastelu vesilähteenä osoittaa tilastollisesti merkittävän vähenemän vuosina 2005–2019. Tämä tutkimus osoittaa, että vaihtoehtoisten vesilähteiden tarkastelu on hankalaa, koska aineistoa on saatavilla vain yksittäisistä tapaustutkimuksista. Tämä tulisi huomioida tutkimustarpeiden määrittelyssä jatkossa, jotta erilaisia vaihtoehtoisista vesilähteistä voitaisiin paremmin hyödyntää torjumaan vesipulaa.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Karimidastenaei, Z., Avellán, T., Sadegh, M., Kløve, B., & Haghighi, A. T. (2022). Unconventional water resources: Global opportunities and challenges. Science of The Total Environment, 827, 154429. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.154429

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Karimidastenaei, Z., Torabi Haghighi, A., Rahmati, O., Rasouli, K., Rozbeh, S., Pirnia, A., Pradhan, B., & Kløve, B. (2020). Fog-water harvesting Capability Index (FCI) mapping for a semi-humid catchment based on socio-environmental variables and using artificial intelligence algorithms. Science of The Total Environment, 708, 135115. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135115

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Shojaeian, M. R., Karimidastenaei, Z., Rahmati, O., & Haghighi, A. T. (2021). Assessing morphological changes in a human-impacted alluvial system using hydro-sediment modeling and remote sensing. International Journal of Sediment Research, 36(3), 439–448. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2020.10.004

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Karimidastenaei, Z., Kløve, B., Sadegh, M., & Haghighi, A. T. (2021). Polar ice as an unconventional water resource: Opportunities and challenges. Water, 13(22), 3220. https://doi.org/10.3390/w13223220

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version