QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC Chuyên đề: “Các yêu cầu để xác định dòng chảy môi trường

QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC Chuyên đề: “Các yêu cầu để xác định dòng chảy môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

-o0o -QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC

Chuyên đề: “Các yêu cầu để xác định dòng

chảy môi trường”

GDHD : TS Nguyễn Hồng Quân Học viên : Nguyễn Ngọc Minh Thảo Trương Thị Cẩm Nhung Nguyễn Quốc Trung

Hydrology and Earth System Sciences, 8(5), 861–876 (2004) © EGU

Các yêu cầu để xác định dòng chảy tự nhiên

Mike Acreman và Michael J Dunbar

Trung tâm Sinh thái và Thủy văn, Wallingford, Oxon., OX10 8BB, Vương quốc AnhEmail: man@ceh.ac.uk

mô hình thủy lực môi trường sống Không có phương pháp nào là tốt nhất, mỗi phươngpháp có thể phù hợp cho các ứng dụng khác nhau Nếu phương pháp tra bản dữ liệu đơngiản ít tốn kém và dễ dàng áp dụng thì có thể rất tốn kém để phát triển, ít chính xác và ítphù hợp hơn cho nghiên cứu Ngược lại, mặc dù mô hình thủy lực n môi trường sốngtốn kém trong việc áp dụng, nhưng nó phù hợp cho đánh giá tác động cụ thể tại các khuvực đặc thù riêng biết Mỗi phương pháp từng được sử dụng trong một khuôn khổ nhấtđịnh Nói chung thì với yêu cầu gì đi nữa thì các phương pháp trên đều để xác địnhhướng dòng chảy và hiện trạng sông cụ thể, hoặc đưa ra kịch bản về dòng chảy dựa trênnhững giá trị tương đối của các chế độ dòng chảy khác nhau cho môi trường sông

Từ khóa chính: dòng chảy môi trường, mô hình dòng chảy, mô hình môi trường sống của dòng sông, xây dựng phương pháp khối, phân tích kịch bản dòng chảy, thiết lập mục tiêu.

Giới thiệu

Hội nghị Thượng đỉnh Trái đất tại Rio de Janeiro vào năm 1992 thúc đẩy việcbảo tồn các hệ sinh thái – một tài sản chung, việc khai thác khác hẳn so với một nguồntài nguyên Một phần mới được mở rộng này là cấp quyền sử dụng nước đối với các loài

và hệ sinh thái, cùng với đó là yêu cầu của người sử dụng Công ước Costanza et al.(1997) và Postel và Carpenter (1997) đã nêu bật tầm quan trọng kinh tế to lớn của hệsinh thái đối với con người Vai trò của quản lý bền vững tài nguyên nước trong việcđảm bảo tính toàn vẹn của các hệ sinh thái đã được nhấn mạnh trong tuyên bố từ Diễnđàn nước thế giới thứ hai - The Hague năm 2000 Cuối cùng, tại Johannesburg năm

2002 Hội nghị Thượng đỉnh Thế giới về Phát triển bền vững củng cố vai trò của bảo vệmôi trường như một phần quan trọng trong việc phát triển bền vững Nhiều quốc gia,chẳng hạn như Nam Phi (Rowlston và Palmer, 2002) và gần đây hơn Tanzania (Bộ tàinguyên nước và phát triển chăn nuôi, 2002) đã phát triển luật và chính sách ưu tiên nướccho hệ sinh thái sông song song với việc đáp ứng nhu cầu cơ bản của người dân Các tổchức quốc tế như Liên minh Bảo tồn Thế giới (IUCN) đang thúc đẩy bảo vệ dòng chảy

tự nhiên như là một yếu tố quan trọng của việc quản lý tài nguyên nước (Dyson và cáccộng sự., 2003) Điều này cho thấy rằng chức năng của các hệ sinh thái rất quan trọngđối với hàng triệu người nghèo ở nông thôn - sống nhờ tài nguyên thiên nhiên, cũng nhưđối với đa dạng sinh học của thế giới

Các yếu tố khác nhau xác định tình trạng của một hệ sinh thái sông (Norris vàThoms, 1999) Chúng bao gồm xả (dòng chảy), cấu trúc của kênh và khu vực ven sông,chất lượng nước, quản lý đất ngập nước , nạo vét, mức độ khai thác (ví dụ như cá) và sựhiện diện của các ranh giới nhân tạo Sự kết hợp khoa học thủy sinh , thủy văn và sinhthái nước ngọt hiện nay được trình bày trong các tài liệu mới đây (Dunbar và Acreman,năm 2001, và tài liệu tham khảo trong đó, Bưu chính Viễn thông và Richter, 2003) Bàiviết này chỉ tập trung vào việc áp dụng kiến thức này để xác định số lượng, khối lượngnước, thời gian lưu cần thiết để duy trì sức khỏe dòng sông trong một trạng thái đặc biệt.Trạng thái này có thể được xác định trước hoặc thỏa thuận đã được cân nhắc Nó đãđược đặt tên khác nhau, bao gồm cả dòng chảy môi trường, dòng chảy cố định, phân bổmôi trường hoặc nhu cầu dòng chảy sinh thái Có sự khác biệt với thuật ngữ như dòngchảy bổ sung – (bồi hoàn lưu lượng nước) (Gustard et al., 1987), đã được thiết lập chocác mục đích khác, chẳng hạn như con người sử dụng nước ở hạ lưu (thủy lợi, thủyđiện), pha loãng ô nhiễm hoặc định hướng Tuy nhiên, trong thực tế, một dòng chảy đặcbiệt 'trong' một dòng sông sẽ phục vụ nhiều chức năng

Các khái niệm đầu tiên về dòng chảy môi trường chỉ tập trung vào mức độ dòngchảy tối thiểu, bởi vì ban đầu các ý kiến cho rằng tất cả các vấn đề sức khỏe của mộtdòng sông đều có liên quan đến dòng chảy thấp và cho rằng miễn là lưu lượng dòngchảy được giữ tại hoặc cao hơn một giá trị xác định (mức độ dòng chảy tối thiểu), các hệsinh thái sông sẽ được bảo tồn Tuy nhiên, càng ngày càng nhận ra rằng tất cả các yếu tốcủa một chế độ dòng chảy, bao gồm cả dòng chảy lũ lụt, trung bình và thấp là quan

trọng (Poff và cộng sự, 1997; Hill và Beschta năm 1991; Junk và cộng sự, 1989.) Vìvậy, bất kỳ thay đổi trong chế độ dòng chảy sẽ ảnh hưởng đến hệ sinh thái sông mộtcách nào đó Do đó, nếu mục đích là để duy trì một hệ sinh thái sông thiên nhiên hoang

sơ, dòng chảy môi trường sẽ phải rất gần với chế độ dòng chảy tự nhiên Tuy nhiên, hầuhết các hệ sinh thái sông được quản lý ở mức độ nhiều hay ít cho các yêu cầu của conngười, làm giảm lượng nước từ sông, chẳng hạn như cung cấp nước công cộng, thủy lợi

và công nghiệp chế biến, Trong một số trường hợp, nước trở lại sông sau khi sử dụng(sử dụng này được gọi là không tiêu hao) như thủy điện hoặc làm mát của nhà máy côngnghiệp Trong trường hợp nước trở lại sông sau khi sử dụng – hoạt động trên dòng -thủy điện, có thể có ít ảnh hưởng đến dòng chảy, vận tốc nước ở thượng lưu có thể bịảnh hưởng và các công trình này có thể làm gián đoạn sự kết nối của dòng sông

Trong một số trường hợp, nước sau khi qua sử dụng được đưa trở lại sông, nhưtrường hợp của nhà máy thủy điện hoặc nước của hệ thống làm mát tại các nhà máy sảnxuất công nghiệp Tuy nhiên, thời điểm của dòng chảy ở hạ lưu tại vị trí xả nước thường

bị thay đổi Ở đoạn sông chịu sự chuyển nước (đoạn sông giữa vị trí lấy nước và xảnước) như vậy, dòng chảy thực tế sẽ thấp hơn dòng chảy tự nhiên Trong các trường hợpkhác như khai thác nước tưới chẳng hạn, do lượng nước hoàn trả lại sông rất ít hoặcđược xả tại một vị trí quá xa so với vị trí khai thác nên nước thường được coi là đã được

sử dụng và tiêu hao hết Cũng cần nhận thức rằng dòng chảy không phải là yếu tố duynhất ảnh hưởng tới sức khỏe dòng sông Chất lượng nước, đánh bắt thủy sản quá mức vàcác công trình trên sông cản trở sự di cư của các loài sinh vật cũng là những yếu tố gâyảnh hưởng lớn tới các hệ sinh thái thủy sinh Thách thức đối với các nhà khoa họcnghiên cứu sông là để giúp các nhà sản xuất quyết định dự đoán mức độ hậu quả khácnhau của sự thay đổi chế độ dòng chảy, tác động đối với xã hội Phải làm rõ các mụctiêu quản lý sông để các nhà khoa học có thể đề nghị xác định dòng chảy sông thíchhợp Động thái này để khôi phục lại chế độ dòng chảy mô phỏng biến thiên tự nhiên,đánh dấu sự phát triển của một mô hình quản lý sông mới (Postel và Richter, 2003; Poff

và cộng sự, 1997)

Kể từ giữa những năm 1970, các phương pháp được phát triển chỉ để xác địnhnhững gì là dòng chảy môi trường của một dòng sông (Wesche và Rechard, 1985;Reiser, 1989; Dunbar và cộng sự, 1998; Tharme, 2003; Acreman và King 2003) Mỗiphương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng Tiêu chí lựa chọn phương pháp baogồm nhiều vấn đề (phạm vi, đập, chế độ dòng), mục tiêu quản lý (ví dụ như sôngnguyên sơ hoặc đã chịu tác động), chuyên môn, thời gian và tiền bạc có sẵn và khungpháp lý trong đó dòng chảy phải được thiết lập

Bài viết này mô tả các loại phương pháp và phạm vi được sử dụng trong các phần

khác nhau để xác định dòng chảy môi trường.

Thiết lập kịch bản dòng chảy dựa trên mục tiêu

Không có số liệu nào thể hiện được yêu cầu của một dòng chảy môi trường, có sựliên quan của nhiều yếu tố, bao gồm:

• Kích thước của dòng sông;

• Trạng thái tự nhiên của nó, loại hình tiếp nhận ;

• Một sự kết hợp của trạng thái thực tế và việc sử dụng nó – dòng sông

Do đó, trước khi xác định dòng chảy, mục tiêu rộng hơn là phải xác định đượcchức năng chính của dòng sông đó

Đối với một hệ thống sông, dòng chảy được thiết lập để đạt được mục tiêu kinh

tế, xã hội hoặc sinh thái cụ thể được xác định trước; được gọi là thiết lập mục tiêu dòngchảy Ví dụ, mục tiêu cho các thung lũng trung tâm của lưu vực sông Senegal, được duytrì diện tích 50000 ha đồng bằng cho canh tác nông nghiệp sau lũ Vì khoảng một nửavùng lũ là để trồng trọt, tương đương với một vùng ngập lũ rộng khoảng 100.000ha,điều này đòi hỏi phải có khoảng 7.500 triệu m3 nước được xả từ đập Manantali ở vùngthượng nguồn (Acreman, 2003) Như một ví dụ khác, Nghị định khung về nước củaCộng đồng Châu Âu (Ủy ban châu Âu và Nghị viện năm 2000), đòi hỏi một tình trạngtham chiếu được xác định cho tất cả các con sông (cũng như hồ, cửa sông và ven biển).Việc xác định này phải có một sự đối chiếu giữa các yếu tố có thể tìm thấy trong khuvực không bị ảnh hưởng Theo thứ tự, vị trí các yếu tố càng quan trọng thì giới hạn của

sự ảnh hưởng càng nhỏ Yêu cầu các nước phải đạt được "tình trạng tốt" (GS - GoodStatus) đối với tất cả các nguồn nước ngầm và nước mặt "Tình trạng tốt" ở đây là sự kếthợp giữa tình trạng tốt về mặt hóa học (GCS - Good Chemical Status) và tình trạng tốt

về mặt sinh thái (GES - Good Ecological Status) Tình trạng tốt về mặt sinh thái đượcđịnh nghĩa một cách định tính, bao gồm các quần thể và khu hệ cá, động vật khôngxương sống kích thước lớn, thực vật vĩ mô, thực vật đáy và thực vật phù du Tình trạngtốt về mặt sinh thái cũng bao gồm các nhân tố phụ trợ có ảnh hưởng tới các yếu tố sinhhọc, như hình thái lòng sông, độ sâu nước và dòng chảy Thiết lập dòng chảy môitrường là một bước quan trọng để đạt được "trạng thái tốt" Ở Nam Phi cũng sử dụngmột cách phân loại tương tự, tuy nhiên, thay vì hướng tới trạng thái tốt cho tất cả cáctrường hợp, Cục Tài nguyên Nước và Lâm nghiệp lại xây dựng các mục tiêu theo cáctiêu chí quản lý sinh thái khác nhau Có 4 cấp phân loại từ A đến D (xem bảng) Hai cấpphụ là E và F có thể dùng để mô tả hiện trạng sinh thái chứ không phải là tiêu chí Cácnguồn nước hiện đang thuộc E hoặc cấp F cần phải được cải thiện để đạt tiêu chí cấp Dhoặc cao hơn nữa

Việc áp dụng cách tiếp cận dựa trên mục tiêu đòi hỏi trước hết phải định ra tìnhtrạng mong muốn của con sông Sau đó, cần xác định ngưỡng dòng chảy - khi dòngchảy thực tế ở mức lớn hơn hay nhỏ hơn ngưỡng này thì trạng thái của sông sẽ có nhữngthay đổi rõ ràng Ở Ôxtrâylia, đã có đề xuất rằng xác suất để có một dòng sông khỏemạnh sẽ giảm từ mức cao xuống mức trung bình khi chế độ thủy văn ở mức thấp hơn2/3 điều kiện tự nhiên Mặc dù đề xuất này có vẻ hợp lý nhưng lại chưa được chứngminh rõ ràng về mặt khoa học Thực vậy, trên quan điểm lý thuyết, rất khó xác địnhđược chế độ dòng chảy nào đảm bảo duy trì các điều kiện tốt cho sông ngòi Trên quanđiểm thực tế, đánh giá dòng chảy môi trường vẫn là công cụ quản lý sông ngòi đangđược sử dụng Tuy nhiên, cũng cần chú ý rằng, chừng nào kiến thức về môi trường thủysinh còn hạn chế thì rõ ràng là việc thiết lập ngưỡng dòng chảy môi trường sẽ vẫn là mộtphán quyết mang tính chuyên môn hoặc chính trị.

Đối với hầu hết các hệ thống sông trên thế giới, không có mục đích sinh thái cụthể được thiết lập Hơn nữa, các cơ quan quản lý phải cân bằng nhu cầu của người sửdụng nước với vấn đề môi trường Trong những trường như vậy, một lựa chọn chophương pháp tiếp cận dựa trên mục tiêu là kiểm tra các phương án hoặc kịch bản phân

bổ nước khác nhau Điều này được gọi là thiết lập kịch bản dòng chảy Ví dụ, trên lưuvực sông Wylye ở Vương quốc Anh có 4 nguồn nước ngầm chính có thể được bơm khaithác Cục Môi trường của Anh và xứ Wales đá quy định mức khai thác bằng cách xemxét một loạt các kịch bản khai thác khác nhau, từ mức không khai thác tới mức khai tháctối đa cả 4 nguồn với các tổ hợp lưu lượng bơm khác nhau Đối với mỗi kịch bản, đá xácđịnh được tác động tới sinh cảnh của các loài cá quan trọng cũng như những ảnh hưởngtới việc cấp nước phục vụ sinh hoạt và các hoạt động sản xuất

Bảng 1: Phân cấp theo tiêu chí quản lý sinh thái của Nam Phi

A Thay đổi không đáng kể so với điều kiện tự nhiên Hau như không có

rủi ro cho các loài nhạy cảm

B Thay đổi nhỏ so với điều kiện tự nhiên Mức độ rủi ro thấp đối với khu

hệ sinh vật có khả năng chịu đựng kém

C Thay đổi trung bình so với điều kiện tự nhiên Khu hệ sinh vật có khả

năng chịu đựng kém có thể bị suy giảm đáng kể cả về số lượng phạm

vi phân bố

D Thay đổi ở mức cao so với điều kiện tự nhiên Khu hệ sinh thực vật có

khả năng chịu đựng kém rất khó tồn tại

Mối liên hệ giữa sinh cảnh và chế' độ dòng chảy được nghiên cứu và ảnh hưởngcủa sự thay đổi dòng chảy tới các đoạn sông khác nhau được đối sánh, trong đó có tínhđến sự thay đổi hình thái và kích thước lòng sông Những kịch bản này tạo cơ sở chocác cuộc thảo luận với các bên liên quan - như ngư dân và đại diện các công ty cấp nước

- về các chiến lược khai thác nước hợp lý có thể chấp nhận được Tương tự như vậy,trong Dự án nước vùng cao nguyên Lesotho, các kịch bản khác nhau về dòng chảy môitrường xả từ các đập đá được xem xét Đối với mỗi kịch bản, các tác động tới hệ sinhthái hạ lưu và sinh kế của các cộng đồng phụ thuộc đều được xác định, cũng như cáckhía cạnh kinh tế về tính sẵn có của nguồn nước bán sang Nam Phi Những kịch bản nàygiúp Chính phủ Lesotho đánh giá được các thỏa hiệp đối với các phương án dòng chảymôi trường khác nhau

Các phương pháp xác định nhu cầu dòng chảy

Để xác định nhu cầu dòng chảy sinh thái, có thể sử dụng nhiều phương pháp đáđược phát triển ở các quốc gia khác nhau.Nhìn chung, những phương pháp này có thểđược phân thành 4 nhóm:

• Bảng tra cứu

• Phân tích nội nghiệp

• Phân tích chức năng

• Mô hình hóa sinh cảnh

Mỗi phương pháp này - ở các mức độ khác nhau - đều cần đến thông tin đầu vào

từ các chuyên gia và có thể được dùng cho một phần hoặc cả hệ thống sông Vì vậy,việc tham khảo ý kiến chuyên gia và mức độ toàn diện mà các phương pháp bao quátđược tất cả các phần của hệ thống sông được coi là đặc điểm của từng phương pháp.Ngoài ra, còn có các cách phân loại phương pháp khác11 trong đó bao gồm nhiều nhómnhỏ Mục đích của tài liệu này là đề xuất một cách phân loại đơn giản, dễ hiểu, dễ sửdụng cho những đối tượng khác nhau chứ không chỉ các nhà chuyên môn

1. Bảng tra cứu

Trên thế giới, phương pháp được ứng dụng phổ biến nhất để xác định dòng chảysông là phương pháp sơ bộ dựa trên kinh nghiệm, sử dụng các chỉ số đơn giản đượccung cấp trong các bảng tra cứu Thông thường, các kỹ sư sử dụng số liệu thủy văn choluật quản lý nước và thiết lập dòng chảy bổ sung dưới hồ chứa và đập tràn Ví dụ như tỷ

lệ phần trăm của dòng chảy trung bình hoặc phần trăm vượt từ một đường cong dòng

chảy theo thời gian (đường cong thời gian dòng chảy là một công cụ xác định tỷ lệnguồn nước theo thời gian đã cho là bằng hoặc vượt quá) Phương pháp này đã được ápdụng cho việc thiết lập dòng chảy môi trường, xác định quy tắc hoạt động đơn giản đốivới các đập hoặc cấu trúc ít nhánh hoặc không có dữ liệu sinh thái địa phương có sẵn.

Các số liệu này có thể được xác định bằng các kỹ thuật khác nhau hoặc giả định,mặc dù trong thực tế, các phân biệt thường không rõ ràng:

(a) Hoàn toàn dựa trên thực tế thủy văn, với các dấu vết hoàn nguyên;

(b) Quan sát tổng quát trên các mối quan hệ thủy sinh thái từ một khu vực (lưuvực hoặc nhóm các lưu vực)

(c) Chính thức hơn (thống kê) phân tích dữ liệu thủy văn và sinh thái từ một khuvực

Bản chất của các chỉ số này là chúng dựa trên các đặc tính xác suất thống kê củachế độ dòng chảy tự nhiên Ví dụ, chỉ số thủy văn được dùng ở Pháp Luật Đánh bắtthủy sản nước ngọt của Pháp năm 1984 quy định dòng chảy còn lại trong sông ở nhữngđoạn sông chịu sự chuyển nước ít nhất phải bằng 1/40 dòng chảy trung bình đối với hệthống hiện tại và bằng 1/10 dòng chảy trung bình đối với hệ thống mới

Ở Anh, chỉ số dòng chảy kiệt tự nhiên đá được sử dụng để xác định dòng chảymôi trường trong quá trình điều tiết khai thác nước Chỉ số thường được dùng nhất là Q95

là dòng chảy có thời gian duy trì bằng hoặc lớn hơn 95% Trong các trường hợp khác,chỉ số về những đợt hạn hán ít xảy ra cũng được sử dụng như dòng chảy kiệt trung bìnhnăm Chỉ số Q95 được lựa chọn hoàn toàn dựa trên cơ sở thủy văn Tuy nhiên, khi ápdụng phương pháp này thường yêu cầu phải sử dụng các thông tin sinh thái

Phương pháp Tenant (1976) được phát triển bằng cách sử dụng các số liệu cânchỉnh thu thập từ hàng trăm con sông ở các bang vùng Trung – Tây nước Mỹ để quyđịnh dòng chảy tối thiểu cần thiết để bảo vệ môi trường mạnh khỏe cho sông ngòi Phầntrăm của dòng chảy trung bình năm được xác định cho các mức khác nhau về chất lượngsinh cảnh của loài cá, ví dụ nếu trong sông chỉ còn 10% lượng dòng chảy trung bìnhnăm thì chất lượng sinh cảnh thuộc loại thấp (chỉ đủ cho cá tồn tại), 30% tương ứng vớisinh cảnh có chất lượng trung bình (thoả mãn các nhu cầu của cá) và 60% sẽ đảm bảosinh cảnh tốt nhất Phương pháp này có thể áp dụng được cho các vùng khác nhưng cầntính toán lại các chỉ số cụ thể cho phù hợp với từng vùng Các chỉ số đã được điều chỉnhcho các vùng khí hậu khác ở Bắc Mỹ và đã được sử dụng rộng rãi trong lập kế hoạch ởcấp lưu vực sông

Matthews và Bao (1991) kết luận rằng phương pháp dựa trên tỷ lệ của dòng chảy

trung bình là không phù hợp với chế độ dòng chảy của các con sông ở Texas, vì kết quảthường dẫn đến một dòng chảy cao hơn thực tế Thay vào đó, họ đề xuất ra một phươngpháp dựa trên sử dụng thay đổi của lưu lượng dòng chảy trung bình tháng, dựa trên mùasinh sản của cá trong khu vực, hay phân bố dòng chảy theo thời điểm đăc biệt (ví dụ nhưthời kỳ di cư).

Lợi thế của tất cả các phương pháp thực tế hiện trường là các quy trình chung đãđược phát triển, ứng dụng ít tốn kém Tuy nhiên, phương pháp nhanh này luôn đượchiệu chỉnh cho một khu vực cụ thể và khó có thể áp dụng cho những nơi khác Số liệudựa trên dữ liệu thủy văn có thể tính toán cho khu vực mới, ví dụ như lưu lượng thường

là có sẵn, nhưng không có giá trị về sinh thái, vì vậy độ tin cậy của kết quả này là thấp.Những chỉ số được xây dựng dựa trên các số liệu sinh thái thì rõ ràng có giá trị về mặtsinh thái hơn, nhưng việc thu thập các số liệu sinh thái thường tốn kém và mất thời gian

Do vậy, nhìn chung, các bảng tra cứu đặc biệt phù hợp cho các trường hợp không phứctạp và có ít sự tranh cái Hơn nữa, chúng có khuynh hướng phòng ngừa

2. Phân tích nội nghiệp

Các phương pháp được nêu trong phần này chủ yếu tập trung vào phân tích các

dữ liệu sẵn có Tuy nhiên, trong một số trường hợp có thể sử dụng dữ liệu từ các môhình thủy văn Các phương pháp này có thể được phân chia thành:

(a) Phân tích dựa trên dữ liệu thủy văn;

(b) Phân tích dựa trên việc sử dụng cả dữ liệu thủy văn và sinh thái

Phương pháp sử dụng dữ liệu thủy văn nghiên cứu chế độ dòng chảy của toàn bộdòng sông thay vì sử dụng số liệu thống kê đơn giản trước đó Nguyên lý cơ bản là duytrì tính nhất quán, tính mùa vụ tự nhiên và tính thay đổi của dòng chảy, bao gồm cả lũlụt và dòng chảy thấp Ví dụ, lũ lụt đóng vai trò rất quan trọng trong việc duy trì cấu trúcvật lý của các con kênh bằng cách bổ sung và phân loại trầm tích (Hill and Beschta,1991)

Một ví dụ về phương pháp Phân tích nội nghiệp được thể hiện trong cuốn Hướngtiếp cận đến khoảng biến động (RVA; Richter và cộng sự, 1997) bằng cách sử dụng cácchỉ số thay đổi thủy văn (IHA; Richter và cộng sự 1996) Họ đã phát triển một phươngpháp thủy văn để thiết lập dòng chảy tiêu chuẩn trên các dòng sông, nơi mà việc bảo vệcác hệ sinh thái tự nhiên là mục tiêu chính Phương pháp này tập trung vào việc xác địnhcác thành phần của một chế độ dòng chảy tự nhiên, và sắp xếp theo cường độ của dòngchảy (cao và thấp), thời gian (xác định theo số liệu thống kê hàng tháng), tần số (số sựkiện), biên độ (được xác định bằng sự biến động trung bình giữa cực tiểu và cực đại) và

tốc độ thay đổi Phương pháp này sử dụng các dòng chảy hàng ngày được phỏng đoánhoặc mô hình hóa và một bộ 32 chỉ số (Richter và cộng sự, 1996) Mỗi chỉ số được tínhtoán trên cơ sở hàng năm cho mỗi năm trong các hồ sơ thủy văn và do đó tập trung vào

sự biến động hàng năm của các chỉ số Câu hỏi đặt ra là trong sự biến động tự nhiên quálớn của các thông số này, thì sẽ có bao nhiêu độ lệch? Trường hợp thông tin về các sốliệu sinh thái không trả lời được câu hỏi này, RVA sử dụng một giới hạn mặc định choviệc biến động trong phạm vi độ lệch chuẩn + / - 1 từ giá trị trung bình hay giữa 25%-75% Phương pháp này được dùng để xác định tiêu chuẩn tạm thời, có thể được theo dõi

và điều chỉnh Nghiên cứu liên quan đến các số liệu thống kê lưu lượng đến hệ sinh tháisông ở mức độ loài, cộng đồng và các hệ sinh thái vẫn đang được tiếp tục

Các phương pháp phân tích nội nghiệp có sử dụng số liệu sinh thái thường dựavào các kỹ thuật thống kê để xây dựng mối quan hệ của biến số độc lập như dòng chảyvới các biến số sinh học phụ thuộc, như số lượng quần thể hoặc các chỉ số về cấu trúcquần xá sinh vật tính được từ danh sách các loài Ưu điểm của loại phương pháp này là

đá trực tiếp đề cập tới hai khía cạnh được quan tâm (dòng chảy và sinh thái) và trực tiếptính tới điều kiện tự nhiên của dòng sông đang xem xét Tuy nhiên, các phương phápnày cũng có một số nhược điểm như sau:

(a) Rất khó hoặc thậm chí không thể có được các chỉ số sinh học chỉ nhạy cảmvới dòng chảy mà không nhạy cảm với các yếu tố khác như cấu trúc sinh cảnh

và chất lượng nước Chí ít thì các chỉ số sinh học được thiết kế để giám sátchất lượng nước cần phải được sử dụng một cách vô cùng thận trọng

(b) Việc thiếu cả số liệu thủy văn và sinh thái thường là một yếu tố hạn chế Đôikhi có các số liệu được thu thập định kỳ nhưng lại cho các mục đích khác dovậy cũng không phù hợp

(c) Chuỗi số liệu dòng chảy theo thời gian và các chỉ số sinh thái có thể khônghoàn toàn độc lập Điều này có thể vi phạm tới các giả thiết của các phươngpháp thống kê cổ điển nên cần hết sức thận trọng

Một phương pháp thuộc nhóm này mới được xây dựng ở Vương quốc Anh có tên

là "Chỉ số động vật không xương sống trong nước chảy dùng cho đánh giá dòng chảy",gọi tắt là LIFE (Lotic Invertebrate Index for Flow Evaluation) Phương pháp này đượcthiết kế dựa trên các số liệu giám sát định kỳ động vật không xương sống kích thướclớn Một chỉ số về tính nhạy cảm nhận thấy được đối với vận tốc dòng chảy đá được xâydựng bằng cách gán cho tất cả các nhóm số liệu đá được thu thập ở Anh một điểm số từ

1 đến 6 Đối với một mẫu nào đó, điểm số cho mỗi nhóm quan trắc được điều chỉnh dựatrên mức độ phong phú của nhóm, rồi tính được một điểm số chung Hệ thống này dùng

số liệu loài hoặc họ Đối với các vị trí quan trắc gần các trạm thủy văn, có thể phân tíchđược mối quan hệ giữa điểm số tính theo phương pháp LIFE và dòng chảy vốn có trongsông Sự thay đổi giá trị trung bình của dòng chảy vốn có có mối tương quan chặt chẽvới điểm số LIFE ở các vị trí Quy trình sử dụng thông tin này trong quản lý dòng chảysông ngòi vẫn đang trong quá trình xây dựng Tuy nhiên, nguyên tắc được cốt lõi củaLIFE là có lợi thế lớn từ việc sử dụng dữ liệu thu thập bởi các chương trình giám sátsinh học hiện có nên cũng tương thích với các Khung về Nước của châu Âu.

Hình 1: Mối quan hệ giữa chỉ số thuỷ văn và tỷ lệ phần trăm của dòng chảy

Hughes và Munster (2000) và Hughes và Hannart (2003) đã phát triển mộtphương pháp nội nghiệp để cung cấp các ước tính ban đầu của nhu cầu dòng chảy môitrường cho các con sông ở Nam Phi Người sử dụng tính toán một chỉ số thủy văn (tức

là hệ số biến thiên của dòng chảy chia tỷ lệ trên tổng lưu lượng của dòng chảy cơ bản;CV/BFI) sử dụng dữ liệu lưu lượng sông tại khu vực này Sau đó, đường cong được sửdụng để xác định tỷ lệ phần trăm của dòng chảy hàng năm (MAR) khối lượng trungbình đó là cần thiết cho các thành phần khác nhau (dòng thấp và lũ lụt) trong chế độdòng chảy môi trường

3. Phân tích chức năng

Nhóm phương pháp thứ 3 bao gồm các phương pháp để xây dựng sự hiểu biết vềcác mối liên kết chức năng giữa tất cả các yếu tố thủy văn và sinh thái của hệ thốngsông Các phương pháp này đều có một quan điểm khá toàn diện và bao quát nhiều yếu

tố của hệ sinh thái sông, sử dụng các phân tích thủy văn, thông tin đánh giá thủy lực và

số liệu sinh học Các phương pháp này cũng sử dụng nhiều kiến thức chuyên gia

Chỉ số thủy văn

Phương pháp được biết đến nhiều nhất trong nhóm này là Phương pháp luận khối dựng(Building Block Methodology, gọi tắt là BBM) được phát triển ở Nam Phi (Tharme và

King, 1998, King và cộng sự, 2000) Tiền đề cơ sở của BBM là các loài sinh vật sống

trong sông phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố cơ bản (các khối dựng) của chế độ dòngchảy, bao gồm dòng chảy kiệt và lũ, là những yếu tố ảnh hưởng tới việc duy trì động lựchọc bùn cát và cấu trúc địa mạo của sông Vì vậy, có thể thiết lập một chế độ dòng chảythuận lợi cho việc duy trì hệ sinh thái bằng cách kết hợp các khối dựng này (Hình 2).Phương pháp BBM coi nhóm chuyên gia là nòng cốt, thường bao gồm các nhà khoa học

tự nhiên như thủy văn, địa chất thủy văn và địa mạo cũng như các nhà sinh vật học nhưcôn trùng học thủy sinh, thực vật học và sinh học cá, Họ tiến hành một loạt các bướcnghiên cứu, đánh giá các số liệu đá có, sử dụng kết quả mô hình và kết hợp với kinhnghiệm chuyên môn để đạt được sự nhất trí về các khối dựng của chế độ dòng chảy

Phương pháp BBM có tài liệu hướng dẫn thực hiện chi tiết (King et al., 2000) Tài liệu

này hiện đang được sử dụng ở Nam Mỹ như một phần của Luật Nước được ban hànhnăm 1998 Phương pháp này cũng được áp dụng ở Ôxtrâylia và đang được thử nghiệm ở

Mỹ (Arthington và Long 1997; Arthington và Lloyd, 1998)

Tại Ôxtrâylia, một số phương pháp phân tích chức năng đã được phát triển(Arthington 1998), bao gồm:

• Phương pháp đánh giá bảng (Swales và Harris, 1995);

• Phương pháp tiếp cận khoa học (Thoms et al., 1996);

• Phương pháp chuẩn (Brizga et al., 2002)

Cũng như với phương pháp BBM, tất cả các yếu tố của chế độ thủy văn và hệthống sinh thái được nghiên cứu bởi một nhóm chuyên gia trong lĩnh vực khoa học tựnhiên và sinh thái Họ sử dụng các số liệu sẵn có và số liệu mới thu thập để đưa ra ýkiến đánh giá về các hậu quả sinh thái do sự biến đổi về lưu lượng và thời điểm củadòng chảy gây ra Ở lưu vực sông Murray-Darling (Swales và Harris, 1995), là con sông

có dòng chảy bị kiểm soát bởi các đập, nhóm chuyên gia đá xem xét con sông một cáchtrực tiếp ở các dòng chảy khác nhau tương ứng với những lượng xả khác nhau Trongcác trường hợp khác, các chuyến công tác thực địa được đi kèm với phân tích số liệuthủy văn Phương pháp tổng hợp này cũng bao gồm các cuộc họp, gặp gỡ công khai vớicác bên liên quan chính trên lưu vực sông

Trong phương pháp Flow Events (FEM) (Stewardson và Gippel, 2003), các tácgiả nhấn mạnh rằng tính chất tự nhiên của con sông có thể làm mất hiệu lực của ý tưởng

sự tương tác ổn định giữa các loài trong hệ sinh thái, điều này tác động quan trọng đốivới các phương pháp dựa trên mô hình môi trường thủy lực Tuy nhiên, một số phương

pháp nền là quá chung chung, họ không có bất kỳ chi tiết cụ thể về phản ứng sinh tháicũng như bất kỳ xem xét thủy lực học sông và địa mạo nào FEM cung cấp phương phápchung cho việc phân tích các tần số của riêng thủy lực - liên quan chỉ số dòng chảy dướichế độ dòng chảy thay thế Do đó, nó phù hợp với kịch bản phân tích nhưng không phải

để thiết lập mục tiêu xa hơn Các tác giả gợi ý một nhóm chuyên gia để lựa chọn chỉ sốtrong bất kỳ nghiên cứu cụ thể nào

Mặc dù dựa trên các khái niệm chắc chắn, các phương pháp này tin vào sự amhiểu mối quan hệ chức năng giữa thuỷ văn với hệ sinh thái của hệ thống dòng sông.Những kiến thức đó có thể không tồn tại; trước đó, nó thường xuyên xuất hiện trong cácbáo cáo quan trọng trong lịch sử hay trong đầu các nhà sinh thái học địa phương Sự đổihướng khái niệm này trong việc sử dụng hữu ích thông tin phụ thuộc vào kỹ năng củanhững người trợ giúp và phương pháp tổng thể

Hình 2: Ví dụ về thiết lập một chế độ dòng chảy bằng cách kết hợp các yếu tố

cơ bản (các khối dựng)

4. Mô hình hóa sinh cảnh

Như đã phân tích ở trên, rất khó để xác định mối liên hệ trực tiếp giữa nhữngbiến đổi về chế độ dòng chảy với đáp ứng của các loài và quần xá sinh vật Vì vậy, cácphương pháp đá được xây dựng trong đó sử dụng số liệu về sinh cảnh của các loài sinhvật cần quan tâm để xác định các nhu cầu dòng chảy sinh thái Trong toàn bộ môitrường sống của loài trong hệ sinh thái không thể thiếu một loài thực vật hay động vậtnào trong dòng sông, đó là khía cạnh vật lý và nó bị ảnh hưởng trực tiếp do sự thay đổichế độ dòng chảy

Nhân tố vật lý rõ ràng nhất có thể bị thay đổi bởi việc thay đổi chế độ dòng chảy

là chu vi ướt (khu vực đáy) của kênh Phương pháp đánh giá thủy lực cung cấp các chỉ

số đơn giản của môi trường sống có sẵn (ví dụ như chu vi ướt) trong một con sông tạimột điểm xả nhất định Đồ thị xả và chu vi ướt cung cấp một công cụ cơ bản cho đánhgiá dòng chảy môi trường Như một quy luật ngón tay cái, sông nông và rộng chu vi ướt

có xu hướng thể hiện độ nhạy hơn với những thay đổi trong dòng chảy hơn là con sônghẹp, sâu Trong một số trường hợp sự khảo sát đo đạc trong phạm vi hạn chế được đảmbảo, trong những trường hợp khác, tồn tại đường cong giai đoạn xả hiện từ trạm đongoài sông được sử dụng Cách tiếp cận này đã được nghiên cứu ở Mỹ (Stalnaker vàArnette, 1976; Espegren và Merriman, 1995) và Úc (Richardson, 1996; Gippel và

Stewardson, 1998; Reinfelds và cộng sự trên báo chí) Trong số đó, tuy Gippel và

Stewardson (1998), đã nêu bật các vấn đề cố gắng để xác định ngưỡng (điểm thải bêndưới nơi chu vi ướt giảm nhanh chóng) có thể được sử dụng để xác định dòng chảy môitrường tối thiểu (Hình 1) Vì vậy, bảo dưỡng cẩn thận là cần thiết nếu ngưỡng dòngchảy được xác định, bởi vì phương pháp này là đôi khi hữu ích hơn khi so sánh tác độngcủa kịch bản thay thế

Chi tiết hơn về phương pháp tiếp cận liên kết dữ liệu trên điều kiện vật lý (như độsâu và vận tốc) trong các con sông ở các dòng khác nhau (hoặc đo hoặc ước lượng từmáy tính mô hình) với các dữ liệu trên các điều kiện vật chất bắt buộc bởi các loài độngvật quan trọng hoặc các loài thực vật (hoặc từng giai đoạn phát triển riêng củachúng) Các mối quan hệ chức năng trước đây giữa môi trường vật chất và dòng chảy đãđược xác định, chúng được liên kết với các kịch bản của dòng sông

Bước đầu tiên trong việc xây dựng phương pháp tiếp cận này cho sông được xuấtbản bởi Waters (1976), ông đã phát minh ra khái niệm diện tích sử dụng trọng số đượcxác định bởi biến vật lý như độ sâu và tốc độ Sáng kiến này nhanh chóng, mô tả chínhthức hơn của một mô hình máy tính được gọi là PHABSIM (vật lý Mô phỏng môitrường sống) của Cá và Động vật hoang dã (Bovee, 1982) Như thực hiện trong một sốgói phần mềm, cách tiếp cận PHABSIM truyền thống sử dụng mô hình thủy lực mộtchiều, thích nghi để xử lý điều kiện lưu lượng thấp và mô hình vận tốc cắt ngang Chúngđược kết hợp với đại diện đơn biến của môi trường sống phù hợp hoặc ưu tiên để xácđịnh cách sử dụng môi trường sống (gọi là thay đổi diện tích sử dụng) trọng với dòngchảy Mức độ thay đổi này sẽ được cụ thể cho các loài đang được xem xét và nó khácnhau cho các giai đoạn phát triển khác nhau Phương pháp tiếp cận mô hình môi trườngsống vật lý hiện nay đã được phổ biến ở nhiều nước (Parasiewicz và Dunbar, 2001),trong đó có Pháp (Ginot, 1995), Na Uy (Killingtviet và Harby, 1994) và New Zealand

(Jowett, 1989), trong khi các quốc gia khác, độc lập, đã phát triển phương pháp tiếp cậntương tựví dụ như Đức (Jorde, 1996).

Mô hình hóa môi trường sống đã được sử dụng để ước tính hiệu ứng (về môitrường sống vật lý được sử dụng) cho lịch sử hay thay đổi dự đoán tương lai trong dòngchảy gây ra bởi sự tháo nước hay các đập nước Phương pháp này được rút ra từ mộttrạng thái ổn định của các dòng cho mức độ của môi trường sống nhất định, các công cụphân tích chuỗi thời gian mà xem xét toàn bộ chế độ dòng chảy (thực tế hoặc mô hình)trong sông Một cách nhanh chóng, những công cụ này đã phát triển từ dòng đơn giản vàcác đường cong kéo dài môi trường sống đến nhứng phân tích sâu hơn về giảm môi

trường sống dưới kịch bản khác nhau (Dunbar và các cộng sự., 2004).

Một số khía cạnh của các phương pháp tiếp cận, liên quan đến cả mô hình thủylực và môi trường sống, bắt đầu bị chỉ trích trong những năm 1980 Đặc biệt, liên kếtdòng chảy môi trường chỉ thiên về môi trường sống trong PHABSIM và mô hình tương

tự được đơn giản hóa và thu được kinh nghiệm từ thực nghiệm Kể từ đó, rất nhiều môhình ứng dụng cụ thể đã chứng minh được một số cải thiện Tuy nhiên, vẫn chưa đưa rađược căn nguyên để gói đơn như sự thay thế hợp lý cho PHABSIM Quan trọng hơn là

sự miêu tả quá trình thủy lực có thể đạt được là sử dụng 2D và 3D để tính toán mô hình

động lực học chất lỏng (Alfredsen etal, 1997; Booker 2003) Cách tiếp cận mới để định lượng môi trường sống thủy lực đã được công bố (Peters và cộng sự, 1995.Nestler và

Sutton, 2000) Mô hình môi trường sống mới có bao gồm các biến bổ sung và đã được

mở rộng đến cấp độ cộng đồng (Bain và cộng sự, 1988; Bain 1995; Lamoroux và cộng

sự,1998; Parasiewicz, 2001) Nhiều mô hình dựa trên tính chất vật lý sử dụng môi

trường sống của cá (ví dụ Guensch và cộng sự, 2001.Booker et al., 2004) cũng có tiềm

năng để cải thiện phương pháp dòng chảy môi trường (Hardy, 1998)

Tất cả những cải thiện này hiện đang đi với chi phí gia tăng phức tạp, mặc dù,trong tương lai, người ta hy vọng rằng quy định chung chung hơn được ban hành đểphát triển cải thiện phương pháp tìm bảng (Lamouroux và Capra, 2002) và xác định tácđộng của điều tiết dòng chảy sông trên cả quần thể hơn là những môi trường nhân tạo

Một ưu điểm của phương pháp mô hình hóa sinh cảnh là có các tài liệu hướngdẫn rõ ràng về quy trình thực hiện một cách cụ thể, theo từng bước, cho phép sao chépkết quả của cá nhân hoặc nhóm các nhà nghiên cứu khác nhau Điều này cho phép cácnhà nghiên cứu khác nhau có thể nhân rộng kết quả mô hình Nhược điểm của phươngpháp này là khó ứng dụng nếu người thực hiện có ít kinh nghiệm Như vậy, phươngpháp sẽ cho kết quả tốt nhất nếu như nhóm chuyên gia bao gồm các kỹ sư thủy lực, thủy