Abstract A key challenge in Integrated Water Resources Management (IWRM) is determination of environmental flow (EF). This is relevant in all water use scenarios and river regulation work. Water use and management alter water availability for ecosystems and the timing and distribution of runoff. Increased water consumption and allocation of water to different types of consumption impose pressures on aquatic ecosystems, affecting their status and ability to deliver important services, well–known examples being the Aral Sea in Asia and Lake Chad in Africa. This thesis presents new methods to determine the impacts of hydraulic structures on the flow regime of lakes and rivers. Methods to quantify different characteristics of flow in a non–dimensionless way are also presented. These tools allow more environment–based regulation of flow regimes. By using three main flow characteristics of river regime (magnitude, timing and intra–annual), three impact factors, MIF (magnitude impact factor), TIF (timing impact factor) and VIF (variation impact factor), were developed. Combining these impact factors produced a new river impact (RI) index to assess the impacts of hydraulic structure using monthly flow data. Based on RI variations, a classification was developed rating impacts along a scale from ‘Low’ to ‘Drastic’. The importance of climate patterns and river flow regime in controlling lake levels was examined. The lake simulation results were compared using a new index, Degree of Lake Wetness (DLW) and lake response time to changes in hydrology or climate was evaluated. Environmental flow allocation and optimisation of annual EF distribution are critical for ecosystem health. Flow release from reservoirs can be partly supplemented or compensated for by natural runoff from downstream (residual) catchment areas. In a new hydrological approach, optimal intra–annual flow regime for EF can be estimated while considering water inflow from the downstream residual sub-catchment. This thesis provides methods and indices to help quantify river and lake regimes, better understand the possible impacts of changes and manage these impacts optimally. This knowledge is crucial for decision making about EF regimes and achieving water release patterns from dams and hydropower that minimise the hydrological, morphological and biological impacts.

Tiivistelmä Integroidun vesivarojen suunnittelun ja hallinnan (IWRM) yhtenä haasteena on ympäristövirtaaman määrittäminen valuma–alue-tasolla. Tämä on tärkeää arvioitaessa säännöstelyn ja vesirakentamisen ympäristövaikutuksia. Vedenkäyttö ja hallinta muuttavat veden saatavuutta jokiekosysteemissä ja virtaaman vuosittaista ajoittumista sekä jakautumista eri kuukausien välillä. Vesivarojen lisääntyvä käyttö eri tarkoituksiin voi vaikuttaa vesiekosysteemeihin ja niiden tuottamiin ekosysteemipalveluihin. Aral–järvi Aasiassa ja Chad–järvi Afrikassa ovat hyviä esimerkkejä veden liiallisesta käytöstä ja ympäristönäkökulman huomiotta jättämisestä. Väitöstyön keskeisin tavoite oli kehittää menetelmiä, joilla voidaan arvioida miten vesirakentaminen vaikuttaa jokien virtaamiin ja järvien vedenpintoihin. Jotta vesistövaikutuksia voidaan yleistää, menetelmät kehitettiin dimensiottomiksi. Nämä menetelmät luovat perustan ympäristöystävällisemmällä vesistöjen virtaamien säännöstelylle. Käyttäen kuukausittaista keskivirtaamaa ja kolmea tyypillisintä virtaamaluokkaa (suuruus, ajoittuminen ja vuodenaikainen vaihtelu), määritettiin uusi yhdistetty jokivaikutusindeksi (RI). Tämän indeksin avulla voitiin lopulta arvioida vesirakentamisen vaikutusta. Perustuen RI-indeksiin, usean joen vesirakentamisen vaikutuksia arvioitiin luokittelemalla vaikutukset vähäisiksi tai merkittäviksi. Työssä tarkasteltiin ilmaston vaihtelun ja jokien virtaamaolosuhteiden vaikutusta järvien vedenpintoihin. Järvisimuloinnin tuloksia verrattiin puolestaan käyttäen indeksiä, joka kuvaa järvessä tapahtuvia muutoksia suhteessa hydrologisiin ja ilmastollisiin olosuhteisiin. Väitöskirja käsittelee myös ympäristövirtaamien (EF) keskeisiä kysymyksiä: vedenkäytön jakautumista ja vuosittaisen virtaaman optimointia ympäristövirtaaman näkökulmasta. Työssä käytetään uutta hydrologista lähestymistapaa arvioimaan ympäristövirtaaman optimoitua kausivirtaamavaihtelua. Tässä lähestymistavassa vesivarastoaltaista lähtevää virtaamaa voidaan osittain täydentää tai kompensoida alapuoliselta valuma–alueelta tulevalla virtaamalla. Väitöstyön tulokset lisäävät ymmärrystä vesivarojen kestävästä käytöstä. Lisäksi työssä kehitetyillä menetelmillä voidaan määrittää ja optimoida jokien ja järvien virtaamaolosuhteita erilaisissa tilanteissa. Väitöstyö tarjoaa uusia käytäntöjä päätöksentekoon liittyen ympäristövirtaamaolosuhteisiin ja -jakaumiin vesivoima- ja vedenkäyttökysymyksissä ottaen huomioon hydrologiset, morfologiset ja biologiset rajoitteet.