Bài báo tập trung vào một yếu tố vô cùng quan trọng của thách thức này: Nhu cầu duy trì dòng chảy môi trường thích hợp ở phía hạ lưu đập. Thuật ngữ này có nghĩa là một chế độ dòng chảy thay đổi đã được thiết kế và thực hiện, ví dụ như thông qua việc xả nước có chủ ý từ đập xuống đoạn sông ở phía hạ lưu, nhằm hỗ trợ các điều kiện sinh thái và các dịch vụ của hệ sinh thái mong muốn. Việc tích hợp công tác xả dòng chảy môi trường với việc vận hành bình thường của đập thường được gọi là sửa đổi chế độ vận hành (re-operation).

Mọi thay đổi được đề xuất trong vận hành đập đều có thể ảnh hưởng tới việc sử dụng nước và các lợi ích kinh tế hiện có. Các mục tiêu cụ thể cần đạt được bằng cách sửa đổi chế độ vận hành đập đối với việc xả dòng chảy môi trường phải được các nhà môi trường học và xã hội học có trình độ chuyên môn cao xác định cẩn thận, có sự cộng tác của các cộng đồng người dân địa phương, và việc tích hợp công tác xả dòng chảy này vào trong các hoạt động đập phải xem xét các hậu quả đối với tất cả các mục tiêu vận hành khác.

Quản lý lũ

Các đập kiểm soát lũ, kể cả đập đa dụng bao gồm chức năng quản lý lũ, thường được thiết kế và vận hành để kiểm soát hoặc sửa đổi tất cả các con lũ. Lũ có thể gây đe dọa lớn tới cuộc sống con người và gây thiệt hại cho các công trình ở hạ lưu. Những con lũ nhỏ hơn có thể xả an toàn và đem lại lợi ích sinh thái to lớn cho các hệ sinh thái sông phía hạ lưu. Tính linh hoạt cao để dung nạp việc xả lũ nhỏ có thể đạt được bằng cách khôi phục các khu vực bãi sông để chúng lại có khả năng tích trữ nước lũ. Bằng cách tích trữ một phần nào đó khả năng trữ lũ tự nhiên ở bãi sông thay vì trong hồ chứa, có thể giảm tổng dung tích cắt lũ cần thiết trong hồ chứa. Trong nhiều trường hợp, có thể có giải pháp có lợi về ba mặt (đặc biệt đối với các đập đa dụng) khi các khu vực bãi sông phía hạ lưu có thể được bảo vệ hoặc phục hồi hoạt động cho việc cắt lũ, cụ thể như bằng cách dời các khu định cư ra ngoài khu vực nguy hiểm hoặc được phép làm ngập nước theo mùa một số diện tích đất nông nghiệp.

Làm ngập trở lại các bãi sông tự nhiên cũng có thể đem lại lợi ích sinh thái đáng kể, ví dụ tăng cơ hội cá đẻ trứng và nguồn thức ăn cho cá và tạo điều kiện nước ngập bồi đắp phù sa và làm ẩm các vùng bãi sông sử dụng trong nông nghiệp và chăn nuôi. Vì vậy, ngoài việc có được thêm dung tích để phát điện hoặc cung cấp nước (cái lợi đầu tiên), còn có thể giảm rủi ro lũ lụt nói chung (cái lợi thứ hai), và có thể thực hiện dòng chảy môi trường (cái lợi thứ ba).

Cục Bảo vệ thiên nhiên và Viện Di sản thiên nhiên hiện nay cùng tham gia nghiên cứu khả thi thăm dò khả năng thực hiện một chiến lược như vậy trên sông Trường Giang (Trung Quốc). Tám đập thủy điện lớn được lên kế hoạch hoặc đang xây đựng ở lưu vực dòng sông này, phía thượng lưu đập Tam Hiệp, trong đó có bốn đập được xây dựng ở ngay thượng lưu hồ chứa Tam Hiệp, do Công ty công trình Tam Hiệp (Trung Quốc) thực hiện. Dung tích cắt lũ lớn đã được dự kiến cho từng đập trong số bốn đập mới này, gây ảnh hưởng lớn đến việc phát điện của các công trình vì phải hạ thấp đáng kể mực nước hồ chứa trong mùa lũ. Tuy nhiên, những diện tích rộng lớn ở bãi sông Trường Giang có thể khai thác trở lại một cách an toàn để tích trữ được cùng lượng nước lũ được dự kiến cho bốn đập mới; phần lớn diện tích bãi sông hiện đã bị các con đê ngăn cách khỏi dòng sông. Thực vậy, theo ước tính ban đầu, mỗi năm có thể thu thêm được tới 1 tỷ USD nhờ tăng doanh thu thủy điện bằng cách khôi phục lại khả năng trữ lũ ở bãi sông và cho phép bốn đập vận hành với sản lượng thủy điện tăng cao. Chiến lược này có thể thực hiện tại các lưu vực sông khác trên khắp thế giới.

Nhịp điệu dòng sông

Mục tiêu của việc sửa đổi chế độ vận hành nhà máy thủy điện, vì lợi ích môi trường, là cố gắng đạt được một chế độ dòng chảy tự nhiên hơn ở phía hạ lưu của đập và nhà máy điện. Để làm được việc này, cần xả nước từ hồ chứa về cơ bản là đồng thời và với cùng tốc độ như là dòng vào. Điều đó có nghĩa là đập sẽ phát điện với công suất tối đa trong (các) mùa mưa, và với công suất thấp hơn nhiều trong (các) mùa khô. Chế độ này nhiều khi khác hẳn so với vai trò quen thuộc của các đập thủy điện trong cân bằng công suất các công trình nguồn cung cấp điện cho hệ thống phân phối điện.

Thường thì, đập thủy điện được vận hành theo đường cong phụ tải. Sửa đổi chế độ vận hành do vậy sẽ dẫn đến phải thay đổi phương thức phát điện, nhưng không nhất thiết giảm sản lượng. Để điều này khả thi, các máy phát điện khác trong hệ thống, ví dụ như các tổ máy phát điện đốt dầu và tuabin khí, cũng cần phải sửa đổi chế độ vận hành sao cho đồng bộ với đập nhà máy thủy điện. Như vậy trong mùa mưa, thủy điện sẽ thay thế cho nhiệt điện, còn trong mùa khô, nhiệt điện sẽ thay thế cho thủy điện. Đôi khi sẽ cần phải tích hợp hệ thống thủy điện vào lưới điện địa phương lớn hơn với số lượng nhiều hơn các nhà máy điện. Đây là kỹ thuật sửa đổi chế độ vận hành đang được theo đuổi và trình diễn đối với đập Akosombo trên sông Lower Volta ở Ghana, với sự tham gia hợp tác của đơn vị vận hành đập, Cục quản lý sông Volta, Viện Di sản thiên nhiên, Cục Bảo vệ thiên nhiên và một số đối tác thuộc chính phủ và phi chính phủ ở Ghana. 

Công suất biến thiên của tổ máy phát tuabin nước

Khả năng của đơn vị vận hành đập trong việc tạo ra một dải các dòng chảy đáp ứng các mục đích môi trường hạ lưu, xét cho cùng lại phụ thuộc vào khả năng xả nước của đập và công suất tổ máy phát tuabin nước. Nhiều đập thủy điện không có đủ công suất tổ máy phát tuabin nước tương xứng để xả ra lượng nước lớn mà không ảnh hưởng đến việc sản xuất điện, mặc dầu ngập nước có kiểm soát có thể rất có lợi cho việc duy trì sự lành mạnh về sinh thái của các hệ sinh thái ở các bãi sông phía hạ lưu và các cửa sông. Do những hạn chế này, một phần lượng nước tháo lũ có kiểm soát buộc phải xả qua tràn của đập. Việc hy sinh sản lượng điện này khiến các đơn vị vận hành đập không muốn chấp nhận hình thức xả lũ có kiểm soát này.

Đây là tình trạng ở đập Manantali trên lưu vực sông Senegal. Ở đập Manantali, khoảng 2.000 m3 nước/giây cần được xả để làm ngập bãi sông nhằm hỗ trợ 50.000 ha sản xuất nông nghiệp phụ thuộc vào lũ, tuy nhiên khả năng xả và công suất tổ máy phát tuabin chỉ đạt 48 m3/giây. Phần dòng chảy yêu cầu sẽ phải xả qua đập tràn, do đó ảnh hưởng đến sản xuất điện. Thay đổi cấu trúc nhằm mở rộng công suất nhà máy điện từ 480 - 2.000 m3/giây sẽ là rất tốn kém ở thời điểm này, nhưng giá như ngay từ ban đầu, người ta đã cân đối tối ưu công suất nhà máy điện và dung tích hồ chứa thì hiệu quả kinh tế của việc làm ngập bãi sông chắc chắn đã thuận lợi hơn. Tuy nhiên, việc sửa đổi cấu trúc thoát nước nhằm đáp ứng tốt hơn yêu cầu dòng chảy môi trường rất có thể là khả thi và hiệu quả về chi phí, cụ thể như ở các đập có khả năng trang bị mới hoặc bổ sung các tổ máy phát tuabin nước để nâng cao tiềm năng phát điện.

Mực nước sông lên xuống thất thường, trái với tự nhiên, do phát điện hoặc do tích nước hoặc xả nước phục vụ nhu cầu đô thị hoặc tưới tiêu, có thể được giảm nhẹ ở mức độ nào đó bằng việc xây dựng đập điều tiết lại.

Đập điều tiết lại có thể được vận hành nhằm giảm bớt những thăng giáng trái với tự nhiên do các hoạt động của đập gây ra, thậm chí khi đang phát điện, bằng cách xả nước theo một hình mẫu gần hơn với dòng chảy vào hồ chứa. Khả năng của đập điều tiết lại trong việc khôi phục hình mẫu dòng chảy tự nhiên phía hạ lưu phụ thuộc vào mức độ đập thủy điện làm thay đổi dòng chảy này. Về cơ bản, cần có cùng một dung tích chứa để thay đổi dòng chảy ở đập thủy điện và để khôi phục dòng chảy ở đập điều tiết lại. Nếu không muốn có những thăng giáng hằng giờ ở phía hạ lưu thì một đập điều tiết lại tương đối nhỏ ở dưới nhà máy điện có thể là công trình có lợi cho việc phát điện và cho môi trường vì nó tạo nên một lưu lượng phía hạ lưu đều hơn trong ngày. Lợi ích này có thể đạt được bằng cách dành riêng đập thủy điện thấp nhất trong bậc thang thuỷ điện cho việc điều tiết lại dòng chảy, điều này có thể đem lại lợi ích đáng kể cho môi trường phía hạ lưu.

Các yếu tố chính để  thành công

Sau hơn hai thập kỷ làm việc với các nhà quản lý đập trên giới để thay đổi chế độ vận hành các công trình, phục vụ lợi ích môi trường và xã hội, chúng tôi đã hiểu ra rằng, có thể cải thiện đáng kể các điều kiện và lợi ích sinh thái bằng cách điều chỉnh ở mức tương đối ít việc xả dòng chảy môi trường và cắt giảm tối thiểu mức sử dụng nước hiện nay. Nhưng cũng cần có một số yếu tố thiết yếu mới có thể thành công, làm vừa lòng các bên trong nỗ lực thay đổi chế độ vận hành đập. Chúng tôi coi những yếu tố sau là thiết yếu:

· Kiểm tra toàn diện các lựa chọn và tính linh hoạt để tích hợp các dòng chảy môi trường. Khi xem xét sự vận hành của một đập duy nhất, thường có thể xác định các cơ hội tích hợp xả dòng chảy môi trường. Tuy nhiên, những tiềm năng này có thể được mở rộng rất nhiều bằng cách xem xét toàn bộ hệ thống nước hoặc hệ thống năng lượng trong đó đập chỉ là bộ phận tích trữ. Việc thay đổi chế độ vận hành của một đập cung cấp nước cho nông nghiệp có thể yêu cầu phải đánh giá toàn bộ hệ thống tưới tiêu, nhằm tạo ra khả năng linh hoạt trong vận hành nhờ tích hợp các hệ thống tích trữ nước mặt và nước ngầm. Việc thay đổi chế độ vận hành của một đập thủy điện có thể yêu cầu phải đánh giá toàn bộ hệ thống năng lượng bao gồm đập cùng với nhiều nhà máy điện khác. Khi mà động lực chính là quản lý lũ thì có thể phải có các chiến lược dung nạp các cơn lũ được kiểm soát lớn hơn ở bãi sông phía hạ lưu.

· Kích thích sức sáng tạo kỹ thuật. Các kỹ sư thủy lợi và xây dựng đập là những người giỏi nhất thế giới trong việc giải quyết các bài toán khó khăn. Một khi đã kết hợp đầy đủ các mục tiêu về dòng chảy môi trường với các mục đích khác của việc vận hành đập, họ có thể khai nguồn sáng tạo để tìm ra các giải pháp tiên tiến, tối ưu. Kết quả tốt nhất đạt được khi có sự cộng tác tích cực giữa các kỹ sư, các nhà khoa học hiểu rõ về sự hoạt động của các hệ sinh thái dòng sông, và đại diện của cộng đồng cư dân địa phương có khả năng truyền đạt những gì người dân cần.

· Quản lý các yếu tố không chắc chắn và phản ứng trước các sự kiện bất ngờ. Không nhà khoa học nào có thể tiên đoán chính xác phản ứng của hệ sinh thái đối với việc xả dòng chảy môi trường, và cũng không kỹ sư nào có thể lường trước một cách đầy đủ mọi thách thức sẽ xảy ra khi thực hiện xả dòng chảy môi trường. Ngoài ra, các giá trị xã hội luôn thay đổi theo thời gian, và việc vận hành đập cũng cần được điều chỉnh tương ứng. Một khi các chỉ số thích hợp về khả năng thành công đã được xác định rõ, và tiềm năng này có thể mở rộng rất nhiều bằng cách xem xét toàn bộ hệ thống nước hoặc hệ thống năng lượng trong đó đập chỉ là bộ phận tích trữ. Việc thay đổi chế độ vận hành của một đập cung cấp nước cho nông nghiệp có thể yêu cầu phải đánh giá toàn bộ hệ thống tưới tiêu, nhằm tạo ra khả năng linh hoạt trong vận hành nhờ tích hợp các hệ thống tích trữ nước mặt và nước ngầm. Việc thay đổi chế độ vận hành của một đập thủy điện có thể yêu cầu phải đánh giá toàn bộ hệ thống năng lượng bao gồm đập cùng với nhiều nhà máy điện khác. Khi mà động lực chính là quản lý lũ thì có thể phải có các chiến lược dung nạp các hệ thống quan trắc phù hợp đã được xây dựng để theo dõi các chỉ số đó, thì sẽ có cơ hội để biết được cái gì đang hoạt động như mong đợi, và cái gì không, nhờ đó tạo ra nền tảng để liên tục cải tiến.

Theo Khoa hoc CN Điện