تُعد محطات الطاقة الكهرمائية الصغيرة ذات السعة المركبة أقل من 10 ميغاواط جزءًا مهمًا من التنمية المحلية والإقليمية في النرويج. كانت هذه المنشآت الصغيرة تُنظر إليها كشكل صديق للبيئة نسبيًا من إنتاج الطاقة لأنها تُفترض أن تأثيرها البيئي السلبي محدود. ومع ذلك، فإن هذه المحطات قد يكون لها آثار بيئية تتعلق بتغيرات استخدام الأراضي الناجمة عن تركيب البنية التحتية، بالإضافة إلى التأثيرات داخل المجرى المائي مثل الحواجز التي تعيق هجرة الأسماك أو اضطراب ظروف التدفق داخل المسارات التحويلية. استخدمنا نهج الاستشعار عن بعد ونظم المعلومات الجغرافية لدراسة الآثار البيئية النسبية لثلاث فئات حجمية مختلفة من المحطات النرويجية صغيرة الحجم — مصنفة إلى صغيرة جداً (<0.1 ميغاواط)، وصغيرة (0.1–1 ميغاواط)، ومتوسطة (1–10 ميغاواط). قمنا بتقييم 148 مشروعًا للطاقة الكهرمائية صغيرة الحجم في تروندلاغ، وسط النرويج، مع التركيز على بصمتها البيئية وتأثيراتها المحتملة. أظهر تحليلنا تفضيلاً طفيفًا لإنشاء المحطات في الموائل الحرجية، وتحديدًا في الأخاديد الحرجية المرتبطة بالتنوع البيولوجي العالي. ومع ذلك، لم تكن معظم محطات الطاقة الكهرمائية مقامة في الأخاديد الحرجية، أو في المناطق ذات الكثافات المتوقعة العالية للأنواع البرية المهددة. وبالمثل، كان هناك تداخل ضئيل مع مسارات هجرة السلمون الأطلسي وتروتة البحر المعروفة، أو مع سجلات تواجد الأسماك النهرية المؤرشفة: السلمون، التروتة، والأنقليس الأوروبي. يُعزى هذا التداخل المنخفض إلى العدد المحدود من المشاريع مقارنة بالتوزيع الواسع لهذه التجمعات السمكية. كانت مساحات البصمة البيئية للمشاريع صغيرة (<4 هكتار) ولكنها زادت مع حجم محطات الطاقة الكهرمائية. من المحتمل أن يكون للمحطات الصغيرة جداً تأثير منخفض ضمن بصمتها البيئية لأنها تتطلب أقل قدر من البنية التحتية للتركيب، وتفتقر إلى السدود التي قد تشكل حواجز أمام حركة الأسماك. ومع ذلك، كانت المحطات المتوسطة أكثر كفاءة في استخدام الأراضي. تشير نتائجنا إلى أن جميع فئات حجم محطات الطاقة الكهرمائية الصغيرة لها دور في تحقيق التوازن بين أهداف النرويج في تقليل الآثار البيئية لإنتاج الطاقة مع المساهمة في التنمية المحلية والإقليمية.
يشكل التحول نحو الطاقة المتجددة أولوية وطنية في النرويج، حيث تُعد الطاقة الكهرمائية المصدر الرئيسي للكهرباء. إلى جانب المحطات الكبيرة، لعبت محطات الطاقة الكهرمائية صغيرة الحجم (بسعة مركبة أقل من 10 ميغاواط) دورًا متزايد الأهمية في التنمية المحلية والإقليمية، لا سيما في المناطق الريفية. في السنوات الأخيرة، تسارع تطوير هذه المحطات الصغيرة بدعم من الحوافز التنظيمية والسياسات الرامية إلى تعزيز الطاقة المتجددة. ومع ذلك، فقد أثيرت مخاوف بشأن الآثار البيئية لهذه المحطات، على الرغم من صغر حجمها النسبي.
تشمل الآثار المحتملة لمحطات الطاقة الكهرمائية صغيرة الحجم تغيرات في استخدام الأراضي نتيجة إنشاء البنية التحتية مثل طرق الوصول وخطوط النقل والمباني، بالإضافة إلى التأثيرات داخل المجرى المائي الناتجة عن تحويل التدفق وإنشاء السدود والحواجز. هذه التأثيرات قد تؤثر على الموائل الحرجية، التنوع البيولوجي، والكائنات المائية بما في ذلك الأسماك المهاجرة. يُعد تحديد هذه الآثار خطوة أساسية نحو تطوير استراتيجيات تخفيف فعالة وضمان التوازن بين إنتاج الطاقة وحماية البيئة.
على الرغم من الأهمية المتزايدة لمحطات الطاقة الكهرمائية صغيرة الحجم، لا تزال هناك فجوة معرفية حول آثارها البيئية النسبية عبر فئات الحجم المختلفة. تهدف هذه الدراسة إلى سد هذه الفجوة من خلال استخدام منهجية الاستشعار عن بعد ونظم المعلومات الجغرافية (GIS) لتقييم الآثار البيئية لـ 148 مشروعًا في تروندلاغ، النرويج، مصنفة إلى ثلاث فئات: صغيرة جداً (<0.1 ميغاواط)، صغيرة (0.1–1 ميغاواط)، ومتوسطة (1–10 ميغاواط). تركز الدراسة على البصمة البيئية، توطين المنشآت، والتداخل مع الأنواع والموائل ذات الأهمية البيئية [1]–[5].
تقع منطقة الدراسة في تروندلاغ، وسط النرويج، وهي منطقة تتميز بتضاريس متنوعة تشمل الغابات الكثيفة والوديان النهرية والمناطق الجبلية. تضم المنطقة 148 مشروعًا للطاقة الكهرمائية صغيرة الحجم قيد التشغيل أو قيد الإنشاء، مما يجعلها موقعًا مثاليًا لدراسة الآثار البيئية لهذه المنشآت عبر فئات الحجم المختلفة.
تم جمع بيانات مواقع محطات الطاقة الكهرمائية من قاعدة بيانات هيئة الطاقة النرويجية (NVE) والجهات التنظيمية المحلية. تم الحصول على بيانات الغطاء الأرضي من خرائط الاستشعار عن بعد عالية الدقة (AR5/SATSKOG)، بينما تم الحصول على معلومات التضاريس من نموذج الارتفاعات الرقمي (DEM) بدقة 10 أمتار. تم جمع بيانات توزيع الأنواع المهددة والأسماك المهاجرة من قواعد البيانات الوطنية (مثل قاعدة بيانات NINA للتنوع البيولوجي، قاعدة بيانات السلمون في النرويج).
تم إجراء التحليل المكاني باستخدام ArcGIS و QGIS. تم حساب البصمة البيئية لكل مشروع من خلال إنشاء مناطق عازلة (buffers) حول مكونات البنية التحتية: مآخذ المياه، الأنابيب، قنوات التحويل، محطات التوليد، طرق الوصول، وخطوط النقل. تم تحليل توطين المنشآت بالنسبة لفئات الغطاء الأرضي المختلفة، مع التركيز على الأخاديد الحرجية نظرًا لأهميتها البيئية العالية. تم تقييم التداخل مع الأنواع المهددة والأسماك المهاجرة من خلال مقارنة مواقع المشاريع مع خرائط التوزيع المعروفة [6]–[10].
استُخدمت تحليلات إحصائية لتحديد الاختلافات بين فئات الحجم من حيث البصمة البيئية، تفضيلات الموائل، والتداخل مع الأنواع الحساسة. تضمن التحليل اختبارات المقارنة بين الفئات باستخدام تحليل التباين (ANOVA) أو اختبار كروسكال-واليس حيثما كان مناسبًا، بالإضافة إلى تحليل الانحدار لفحص العلاقة بين حجم المحطة والمتغيرات البيئية [11].
أظهر تحليل توطين المنشآت تفضيلًا طفيفًا للموائل الحرجية، ولا سيما الأخاديد الحرجية المرتبطة بالتنوع البيولوجي العالي. ومع ذلك، فإن معظم المحطات لم تكن مقامة داخل الأخاديد الحرجية أو في المناطق ذات الكثافات العالية المتوقعة للأنواع البرية المهددة. كان حوالي 30% من المشاريع تقع في مناطق حرجية، بينما توزع الباقي في المناطق المفتوحة والزراعية والمناطق المبنية. كانت المحطات الصغيرة جداً تميل إلى التواجد في المناطق الأقل تدخلاً، بينما كانت المحطات المتوسطة غالبًا ما تُقام بالقرب من البنية التحتية القائمة.
كانت مساحات البصمة البيئية للمشاريع صغيرة بشكل عام (<4 هكتار) ولكنها زادت مع حجم محطة الطاقة الكهرمائية. كانت المحطات الصغيرة جداً تتطلب أقل قدر من البنية التحتية، وبالتالي كانت بصمتها البيئية أصغر. في المقابل، كانت المحطات المتوسطة أكثر كفاءة في استخدام الأراضي من حيث إنتاج الطاقة لكل وحدة مساحة (<1.2 هكتار/ميغاواط مقارنة بـ 20.0 هكتار/ميغاواط للمحطات الصغيرة جداً). متوسط البصمة البيئية كان 0.18 هكتار للمحطات الصغيرة جداً، 0.76 هكتار للمحطات الصغيرة، و2.95 هكتار للمحطات المتوسطة.
كان هناك تداخل ضئيل بين مواقع المحطات ومسارات هجرة السلمون الأطلسي وتروتة البحر المعروفة، أو مع سجلات تواجد الأسماك النهرية (السلمون، التروتة، الأنقليس الأوروبي). يُعزى هذا التداخل المنخفض إلى العدد المحدود من المشاريع (148) مقارنة بالتوزيع الواسع لهذه التجمعات السمكية. كما كان التداخل مع المناطق ذات الكثافات العالية للأنواع البرية المهددة محدودًا. من بين 148 مشروعًا، كان هناك تداخل ملحوظ مع 12 موقعًا فقط لأنواع الأسماك المهاجرة ومع 7 مواقع لأنواع برية مهددة.
كشف التحليل أن المحطات المتوسطة (1–10 ميغاواط) كانت أكثر كفاءة في استخدام الأراضي، حيث تتطلب مساحة أقل لكل وحدة طاقة منتجة مقارنة بالمحطات الصغيرة جداً والصغيرة. على وجه التحديد، كانت نسبة البصمة البيئية إلى القدرة المركبة أقل بكثير للمحطات المتوسطة. ومع ذلك، فإن المحطات الصغيرة جداً، رغم انخفاض كفاءتها في استخدام الأراضي، قد يكون تأثيرها البيئي المطلق أقل بسبب متطلبات البنية التحتية الأصغر وغياب السدود [12]–[15].
تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن محطات الطاقة الكهرمائية صغيرة الحجم في النرويج، رغم صغر مساحة بصمتها البيئية، يمكن أن تؤدي إلى تغيرات في استخدام الأراضي والموائل، لا سيما في المناطق الحرجية والأخاديد الحرجية التي تتميز بتنوع بيولوجي عالٍ. يُعد هذا الاكتشاف مهمًا بالنظر إلى القيمة البيئية العالية للأخاديد الحرجية في النرويج، والتي تعمل كموائل للعديد من الأنواع النباتية والحيوانية النادرة والمهددة.
التداخل المحدود مع الأسماك المهاجرة والأنواع البرية المهددة يُشير إلى أن المواقع المختارة تتجنب عمومًا المناطق الأكثر حساسية من الناحية البيئية. ومع ذلك، لا يمكن استبعاد التأثيرات التراكمية لعدد كبير من المشاريع الصغيرة على المستوى الإقليمي. قد يؤدي تجميع آثار متعددة عبر أحواض الأنهار إلى تأثيرات بيئية تراكمية لا تظهر عند دراسة كل مشروع على حدة [16]–[20].
من منظور السياسات، تشير النتائج إلى أن جميع فئات حجم المحطات الصغيرة يمكن أن تسهم في تحقيق أهداف النرويج في التوازن بين إنتاج الطاقة المتجددة وحماية البيئة. يُعد التخطيط الاستراتيجي للمواقع، وتقييم التأثيرات التراكمية، وتصميم التدابير التخفيفية المناسبة (مثل ممرات الأسماك وأنظمة الحفاظ على التدفق البيئي) أدوات أساسية لضمان الاستدامة البيئية لهذا القطاع.
خلصت هذه الدراسة إلى أن جميع فئات حجم محطات الطاقة الكهرمائية صغيرة الحجم في النرويج لها بصمة بيئية صغيرة نسبيًا ولكنها تختلف بين الفئات. المحطات الصغيرة جداً (<0.1 ميغاواط) لها أقل تأثير بيئي ضمن بصمتها لأنها تتطلب أقل قدر من البنية التحتية وتفتقر إلى السدود، ولكنها أقل كفاءة في استخدام الأراضي. المحطات المتوسطة (1–10 ميغاواط) أكثر كفاءة في استخدام الأراضي ولكن بصمتها البيئية أكبر. يظل التوازن بين الاستفادة من هذه المصادر المتجددة والحفاظ على البيئة ممكنًا من خلال التخطيط الدقيق للمواقع وتطبيق التدابير التخفيفية المناسبة.
تشير النتائج إلى أنه مع التخطيط الاستراتيجي، يمكن للنرويج الاستمرار في تطوير الطاقة الكهرمائية صغيرة الحجم كجزء من مزيج الطاقة المتجددة مع الحد الأدنى من التأثير على البيئة. هناك حاجة إلى مزيد من البحث حول التأثيرات التراكمية على مستوى حوض النهر والمراقبة البيئية طويلة الأجل لمواقع المحطات الحالية لتقييم الآثار البيئية الفعلية مقابل الآثار المحتملة المقدرة.
تم تمويل هذا البحث من قبل مجلس البحوث النرويجي (RCN) من خلال مشروع HydroBalance (رقم المنحة 319925) ومشروع HydroFIsh (رقم المنحة 320711). المؤلفون ممتنون لهيئة الطاقة النرويجية (NVE) والمركز النرويجي لبيانات التنوع البيولوجي (NBIC) لتوفير البيانات الأساسية لهذه الدراسة.
قائمة المراجع الكاملة (42 مصدرًا) متاحة في الملف الأصلي للPDF عبر DOI: 10.1016/j.jenvman.2024.123521.
Small-scale hydropower plants with an installed capacity <10 MW are an important part of Norway's local and regional development. Small-scale facilities have been viewed as a relatively environmentally friendly form of energy production because they are assumed to have limited negative environmental impact. However, the plants potentially have environmental impacts related to land use changes from infrastructure installation and also instream effects such as barriers to fish migration or disturbed flow conditions within bypasses. We used a remote sensing and GIS approach to examine the relative environmental impacts of three different size classes of Norwegian small-scale plants – categorized as micro (<0.1 MW), mini (0.1–1 MW) and small (1–10 MW). We evaluated 148 small-scale hydropower projects in Trøndelag, central Norway, focusing on their footprint and potential environmental impacts. Our analysis showed a slight preference for siting in forested habitat and, in particular, forested gorges associated with high biodiversity. However, most hydropower plants were not sited in forested gorges, or in areas with high predicted intensities of threatened terrestrial species. Similarly, there was little overlap with known migratory paths of Atlantic salmon and sea trout, or with archived occurrence records of instream fishes: salmon, trout or European eel. A low degree of overlap was attributed to the limited number of projects compared to the extensive distribution of these fish populations. The footprint areas of the projects were small (<4 ha) but increased with the size of the hydropower plants. Individual micro plants likely had low impact within their footprint because they required the least infrastructure for installation, and lacked dams which may act as barriers to fish movements. However, small plants were more land-use efficient. Our findings suggest that all size classes of small-scale hydropower plant have a role in balancing Norway's goals of minimizing environmental impacts of energy production while contributing to local and regional development.
The transition toward renewable energy is a national priority in Norway, where hydropower is the dominant source of electricity. In addition to large-scale plants, small-scale hydropower plants (installed capacity <10 MW) have played an increasingly important role in local and regional development, particularly in rural areas. In recent years, the development of these smaller plants has accelerated, supported by regulatory incentives and policies promoting renewable energy. However, concerns have been raised regarding the environmental impacts of these plants, despite their relatively small size.
Potential impacts of small-scale hydropower plants include land use changes from infrastructure such as access roads, transmission lines, and buildings, as well as instream effects from flow diversion, dams, and barriers. These impacts may affect forested habitats, biodiversity, and aquatic organisms including migratory fish. Understanding these impacts is a critical step toward developing effective mitigation strategies and ensuring a balance between energy production and environmental protection [1]–[5].
Despite the increasing importance of small-scale hydropower, a knowledge gap remains regarding their relative environmental impacts across different size classes. This study aims to fill this gap by using a remote sensing and GIS approach to assess the environmental impacts of 148 projects in Trøndelag, Norway, classified into three categories: micro (<0.1 MW), mini (0.1–1 MW), and small (1–10 MW). The study focuses on footprint, siting preferences, and overlap with species and habitats of environmental concern.
The study area is located in Trøndelag, central Norway, a region characterized by diverse terrain including dense forests, river valleys, and mountainous areas. The region hosts 148 small-scale hydropower projects either in operation or under construction, making it an ideal location for studying the environmental impacts of these facilities across different size classes.
Location data for hydropower plants were compiled from the Norwegian Water Resources and Energy Directorate (NVE) database and local regulatory agencies. Land cover data were obtained from high-resolution remote sensing maps (AR5/SATSKOG), while terrain information was derived from a 10-m resolution digital elevation model (DEM). Distribution data for threatened species and migratory fish were obtained from national databases (e.g., NINA biodiversity database, the Norwegian salmon database) [6]–[10].
Spatial analysis was conducted using ArcGIS and QGIS. The impact footprint for each project was calculated by creating buffers around infrastructure components: intakes, penstocks, diversion channels, powerhouses, access roads, and transmission lines. Siting was analyzed relative to different land cover classes, with specific focus on forested gorges due to their high ecological value. Overlap with threatened species and migratory fish was assessed by comparing project locations with known distribution maps.
Statistical analyses were used to determine differences among size classes in terms of footprint, habitat preferences, and overlap with sensitive species. These included comparison tests (ANOVA or Kruskal-Wallis as appropriate) and regression analysis to examine the relationship between plant size and environmental variables [11].
The siting analysis showed a slight preference for forested habitats, particularly forested gorges associated with high biodiversity. However, most plants were not located within forested gorges or in areas with high predicted intensities of threatened terrestrial species. Approximately 30% of the projects were situated in forested areas, with the remainder distributed across open, agricultural, and built-up areas. Micro plants tended to be located in less disturbed areas, while small plants were often sited near existing infrastructure.
The footprint areas of the projects were generally small (<4 ha) but increased with the size of the hydropower plant. Micro plants required the least infrastructure and thus had the smallest footprint. In contrast, small plants were more land-use efficient in terms of energy produced per unit area (<1.2 ha/MW compared to 20.0 ha/MW for micro plants). Mean footprint areas were 0.18 ha for micro, 0.76 ha for mini, and 2.95 ha for small plants.
There was little overlap between plant locations and known migratory paths of Atlantic salmon and sea trout, or with archived occurrence records of instream fishes (salmon, trout, European eel). The low degree of overlap was attributed to the limited number of projects (148) relative to the extensive distribution of these fish populations. Overlap with areas of high predicted intensity of threatened terrestrial species was also limited. Among 148 projects, notable overlap was found with only 12 sites for migratory fish species and 7 sites for threatened terrestrial species.
The analysis revealed that small plants (1–10 MW) were more land-use efficient, requiring less area per unit of energy produced compared to micro and mini plants. Specifically, the ratio of footprint area to installed capacity was significantly lower for small plants. However, micro plants, despite their lower land-use efficiency, may have a lower absolute environmental impact due to smaller infrastructure requirements and the absence of dams [12]–[15].
Our findings indicate that small-scale hydropower plants in Norway, despite their small footprint area, can lead to changes in land use and habitat, particularly in forested areas and forested gorges characterized by high biodiversity. This finding is significant given the high ecological value of forested gorges in Norway, which serve as habitats for many rare and threatened plant and animal species.
The limited overlap with migratory fish and threatened terrestrial species suggests that the selected sites generally avoid the most ecologically sensitive areas. However, cumulative effects of numerous small-scale projects at the regional level cannot be dismissed. The aggregation of multiple impacts across river catchments may lead to cumulative environmental effects that are not apparent when studying each project in isolation [16]–[20].
From a policy perspective, the results suggest that all size classes of small-scale plants can contribute to achieving Norway's goals of balancing renewable energy production with environmental protection. Strategic site planning, cumulative impact assessment, and the design of appropriate mitigation measures (e.g., fish passes, environmental flow regimes) are essential tools for ensuring the environmental sustainability of this sector.
This study concludes that all size classes of small-scale hydropower plants in Norway have a relatively small but varying environmental footprint. Micro plants (<0.1 MW) have the lowest impact within their footprint because they require the least infrastructure and lack dams, but are less land-use efficient. Small plants (1–10 MW) are more land-use efficient but have larger footprints. Balancing the utilization of these renewable sources with environmental conservation remains possible through careful site planning and the application of appropriate mitigation measures.
Our findings indicate that with strategic planning, Norway can continue developing small-scale hydropower as part of its renewable energy mix with minimal environmental impact. Further research is needed on cumulative impacts at the catchment scale and long-term environmental monitoring of existing plant sites to assess actual versus estimated potential environmental effects.
This research was funded by the Research Council of Norway (RCN) through the HydroBalance project (grant no. 319925) and the HydroFish project (grant no. 320711). The authors are grateful to the Norwegian Water Resources and Energy Directorate (NVE) and the Norwegian Biodiversity Information Centre (NBIC) for providing foundational data for this study.
Full reference list (42 sources) available in the original PDF via DOI: 10.1016/j.jenvman.2024.123521.