基于改進Tennant法的大沽河河道內生態水量分析研究

鄭從奇 莊會波 陳干琴 孫 琳 郭曉娜

目前，河流生態水量的計算方法大致分為水文學法、水力學法、生境模擬法、整體分析法4類，各方法均具有優劣條件。Tennant法是水文學法中應用最為廣泛的方法，該法簡單易行、便于操作，不需要現場測量，是脫離特定用途的綜合性計算方法。但傳統的Tennant法作為一種設定標準，在一定程度上不能較好反映河流流量的季節特性，文章以大沽河流域為研究對象，采用南村站實測流量和還原資料，通過改進Tennant法對河道內生態水量進行了分析研究。

一、研究區相關概況

大沽河發源于煙臺市轄招遠市的阜山，流經萊西、平度、即墨、膠州及城陽等區（市），于膠州市碼頭村入海。干流長度179 km，流域面積6131.3km2。該流域屬暖溫帶半濕潤季風氣候區，降水量比較豐沛，但年際變化較大，且有連豐連枯的規律。降水量年內分配不均勻，大約80%集中在6～9月份，尤以7～8月份為最多，約占汛期降水量的70%，年降水天數一般不足90天。

大沽河干流上共有南村、產芝水庫、張家院3個水文站，其中南村站系大沽河下游干流控制站，于1951年7月設立，距河口62 km，集水面積3724 km2。南村站以上有小沽河、潴河、五沽河等較大支流。

二、大沽河河道內生態水量計算

根據《河湖生態環境需水計算規范》與《全國水資源調查評價生態水量調查評價補充技術細則》，選擇大沽河把口站南村站作為控制斷面，進行河道內生態水量計算。同時基于大沽河流域現狀調查，未發現明確的指示物種及生態敏感區。因此，根據計算規范，大沽河流域的生態保護目標確定為基本目標，大沽河生態水量為維持大沽河基本形態、生物基本棲息地和基本自凈能力等基本生態環境功能所對應的水量，即基本生態需水量。

1.傳統Tennant計算方法

Tennant法將全年分為汛期（6～9月）和非汛期（10～5月）兩個時段，根據多年天然平均流量百分比和河道內生態環境狀況的對應關系，直接計算維持一定河道功能的生態環境需水量。Tennant法通常將河流流量狀況分為8個等級。對一般河流而言，10%的多年平均流量能夠為河流生態系統提供短期（最小）的棲息環境。基于大沽河南村水文站1956～2016年逐月天然徑流量資料，進一步還現得到61年逐月天然徑流量資料，根據大沽河開發利用實際，取相應10%級別比例，并按照汛期、非汛期進行分配，得到大沽河南村站斷面生態水量，具體如表1所示。

2.Tennant法的改進

考慮到山東省大沽河為季節性河流，河川徑流量年際、年內變化很大，河流的多年平均流量（水量）受極端來水的影響很大。本研究提出改進Tennant計算方法，采用眾數法計算值代替河流斷面的多年平均天然徑流量，以減少極端值對計算結果的影響，在時段劃分上，考慮我國北方地區特別是大沽河流域的氣候特征，按10～1月 、2～5月 、6～9月三個不同時段計算生態水量。

表1 大沽河南村站基本生態需水量分配表（傳統Tennant法）單位：（萬m3）

表2 大沽河南村站基本生態需水量分配表（改進Tennant法）單位：（萬m3）

眾數是統計學名詞，是一組數據中出現次數最多的數據，它通常是作為統計分組整理后數據集中趨勢的測度值，可以描述和說明統計總體的一般水平，且不會受到極端值的影響，一般可采用經驗值或試算法進行計算。

卡爾·皮爾遜認為在適度偏斜的情況下，眾數與中位數和算數平均數具有如下的經驗公式：

眾數試算有兩種計算方法：

方法一：找出數據落的最多的區間，求出這一區間的計算平均值作為眾數；方法二：找出落在每個區間上的頻數大于長系列年/n取整的所有區間，求出這些區間的算數平均值作為眾數。

經計算，選擇經驗值與各段試算值最為接近的一組數作為選定的眾數，按三個不同時段對大沽河生態水量進行過程分配，結果如表2所示。

3.不同方法對比分析

為便于比較分析，將多年平均天然月徑流量的10%、多年平均天然年徑流量的10%、傳統Tennant法與改進Tennant法計算結果一并列出，結果見表3與圖1。

圖1 大沽河南村站生態水量對比散點圖

由計算成果和散點圖對比可知，南村站生態水量在年內表現出一定的變化，汛期（6～9月）所需要的生態水量較多，非汛期則較少。為實現大沽河流域水資源的高效利用，在選擇生態水量計算結果時，應選用符合大沽河水資源開發利用實際、且能反應年內生態水量變化的方案。其中，改進的Tennant法基于大沽河實際考慮，適當降低了生態水量，且根據流域氣候特征，按10～次年1月、2～5月、6～9月三個不同時段對生態水量過程進行分配，使計算結果更加科學合理，也比較符合當前大沽河流域水資源短缺的現實情況。

4.滿足程度分析

據南村水文站2001～2016年實測月徑流量數據，對該斷面生態水量滿足程度進行分析。總體上大沽河干流生態水量的滿足程度較低，其中7月和8月滿足程度較高，系列年中有13年達到滿足；其次是9月，系列年中有8年達到滿足；再其次是2月、5月和10月，系列年中僅有6年達到滿足；其余月份滿足程度較差，系列年中滿足程度都不足5年。全系列中月滿足程度為35%，其中汛期為68.8%，非汛期為12.5%。可以看出，大沽河南村站生態水量滿足程度較低。根據大沽河南村站2001～2016年實測流量資料數據分析，近16年大沽河斷流現象嚴重，其中最小斷流天數為285天，最大斷流天數為366天，平均329天實際流量為0，全年生態水量缺失較多。

表3 大沽河南村站控制斷面基本生態水量計算結果表 單位：（萬m3）

三、結論

（1）傳統Tennant法不能較好反映河流的季節性變化，因而在計算河流的生態水量時存在一定的局限性。本研究通過選取眾數測算值代替徑流平均值，并考慮流域氣候、徑流特性對傳統Tennant法進行了改進，彌補了計算結果受極端值影響的不足，在時段劃分上也更符合流域實際情況。

（2）當前大沽河斷流現象嚴重，生態水量滿足程度整體較低，未來亟需開展流域的生態水量研究和水調度工作，以解決大沽河流域生態水量不足問題