基于Tennant法改進的生態水位計算方法研究

吳 玲 玲，閆 中 月，阮 曉 紅

(南京大學 地球科學與工程學院水科學系，江蘇 南京 210023)

河流生態系統是地表最富生產力和生物多樣性的生態系統類型之一，具有極其強大的生態服務功能[1]。科學確定河流生態需水，合理配置水資源供給需求，維持河流系統水的自然循環，對維持河流生態系統健康具有重要的意義。生態需水是在特定時空下，滿足河流生態系統諸項功能所需水量的總稱[2-5]。目前，有關生態需水確定的方法超過200種[6-7]，歸納起來主要有水文學評價法(Tennant 法[8]、Texas 法[9]等)，水力學評價法(濕周法[10]，R-2 Cross法[11]等)，棲息地評價法(IFIM 法[12]、PHABSIM 法[13]等)及綜合法(BBM 法[14]、整體評價法[15]等)。其中，水文學法需要長序列的歷史水文數據，其他3類方法需要河湖水力參數及生物響應的數據積累。

由于我國河流生態觀測工作起步較晚，相關資料積累不足，國內學者主要采用水文學方法開展河流生態需水研究。其中，應用最多的是Tennant 法[16-17]。Tennant 法是依據觀測資料而建立起來的流量和棲息地質量之間的經驗關系，取多年平均流量的不同百分數作為河道不同棲息狀態下需水量推薦值[18-22]。由于其統計參數為流量，在無流量站點的河流中難以應用。目前，我國水文監測站網尚不完善，許多河流缺少流量站，但水位站的設置較為普遍。水位是反映水文情勢的重要指標，與流量往往存在較為明顯的相關性[23-24]。在流量資料缺乏條件下，可建立水位與流量、流量與河道生態平衡和生物多樣性等的關系，即河流生態水位[25-26]。淮河流域是我國典型的基流匱乏、多閘壩流域，除干流外大多數水文站為水位測站[27-28]。

本文選擇淮河流域作為研究區域。首先，選取流域干支流具有長序列歷史流量資料的站點，計算Tennant法對應棲息狀態下流量比值的保證率，進行四分位數和方差分析，確定淮河流域河流系統不同棲息狀態下的水文保證率；然后，將確定的保證率用于計算淮河入海水道的生態水位，以期為缺乏流量資料的河流的生態需水研究提供一種理論計算方法。

1 基于Tennant法改進的生態水位計算方法

Tennant法又稱蒙大拿法，是田納特( Tennant, D.L )于1976年提出的河流生態需水評估方法。該方法基于1964～1974年間對美國11 條河流實施的詳細野外調查實驗，分析在不同地區、不同河流、不同斷面和不同流量狀態下，物理、化學和生物信息對冷水和暖水漁業的影響。進一步將全年分為一般用水期與魚類產卵育幼期兩個時段，建立棲息地質量與流量的關系(見表1)，基于此關系確定不同河流不同棲息等級下的生態流量[18-22]。

表1 Tennant法對棲息地質量的描述Tab.1 Tennant method′s description to habitat quality

本研究在Tennant法的基礎上，根據流域內長序列流量監測站點資料擬合皮爾遜Ⅲ型累積頻率曲線，然后將各站點Tennant法不同棲息狀態的推薦流量代入曲線計算累積頻率，以此作為不同棲息狀態下的推薦保證率，應用于流量資料缺乏型河流，取對應保證率下水位作為生態水位。具體步驟如下。

(1) 利用P-Ⅲ曲線將Tennant法不同棲息狀態下推薦流量比值轉換成對應的保證率。

皮爾遜Ⅲ型(P-Ⅲ)累積頻率曲線分布函數如式(1)所示：

(1)

(2)

式中，Fδ為不同棲息狀態下推薦的多年平均流量倍數的保證率，x為水文指標，此處指流量，δ為不同棲息狀態下推薦的多年平均流量倍數，μ為多年平均流量，α、β為皮爾遜Ⅲ型分布的形狀尺度參數，α>0，β>0，a0為皮爾遜Ⅲ型分布的位置參數，Cv為離勢系數，Cs為偏態系數。

(2) 將多年月均水位Z按照從大到小的順序進行排列,如式(3)，利用公式(4)進行Pn值計算，然后將Pn與對應的月均水位擬合成頻率曲線。

Z1>Z2>…Zi…>Zn

(3)

Pn=n/(N+1)×100%

(4)

式中，Pn為序列n所發生的頻率，n為序列號，N為總序列數。

(3) 根據步驟(1)Tennant法不同棲息狀態下推薦流量轉換的保證率和步驟(2)擬合的頻率曲線，計算不同棲息狀態保證率下所對應的水位作為生態水位。

ZFδ=Z(Fδ)

(5)

式中，Fδ指保證率，ZFδ指頻率分布上對應某保證率的水位。

以淮河流域息縣水文站為例，具體計算過程為：根據長序列流量資料擬合P-Ⅲ曲線，計算Tennant法不同棲息狀態下推薦流量的保證率，取對應保證率下水位為生態水位。圖1中標識了200%推薦流量的保證率為11.9%，圖2中對應保證率水位為34.89 m，即為此棲息狀態下生態水位。

圖1 息縣水文站流量頻率曲線Fig.1 Flow frequency curve at Xixian hydrology station

圖2 息縣水文站水位頻率曲線Fig.2 Water level frequency curve at Xixian hydrological station

2 結果與討論

2.1 數據資料

淮河流域面積為27萬km2，流域內除干流外大多數水文站為水位測站[27-28]。因此，建立河流生態水位方法更具有普適性。本文選擇了淮河流域主要干支流上具有較長序列流量監測數據的19個水文站作為Tennant法棲息狀態下生態流量比值轉換保證率的參考站點，具體分布如圖3所示。

圖3 淮河流域主要水文站點分布示意Fig.3 Distribution of the main hydrological stations in Huaihe River Basin

Tab.2 The hydrological guarantee rates corresponding to the flow recommended by Tennant method in the main tributaries of the Huaihe River Basin %

2.2 不同棲息狀態水文保證率計算

基于淮河流域主要干支流上19個水文站點1956～2014年實測月均流量資料，利用P-Ⅲ曲線推求Tennant法不同棲息狀態下推薦流量水文保證率，計算結果如表2所示。從表2可以看出，各站點流量分布均符合P-Ⅲ曲線，擬合度均在0.95以上，且多年平均流量比值保證率與比值呈冪指數遞減；不同站點同一棲息狀態下的流量比轉換后保證率存在差異，其中20%狀態下的差異最大為15.59%，200%狀態下的差異最小為6.51%。

2.3 河流不同棲息狀態下保證率確定

本文利用方差與四分位圖，進一步分析不同推薦流量百分比下各站點的水文保證率，結果如圖4所示。

由圖4可知，雖然不同推薦流量百分比下水文保證率四分位數區間存在一定差異，但方差均在5%之內，且流量比值越大方差越小，說明流域內各水文斷面轉換后的保證率分布相對集中。因此，本文選擇淮河流域19個流量站點轉換后的保證率均值，作為整個流域不同棲息狀態對應的保證率，具體見表3。

圖4 淮河流域不同流量百分比下水文保證率箱型圖Fig.4 Hydrological guarantee rate box diagram at different flow rates in Huaihe River Basin

流量及相應棲息地的定性描述一般用水期(10月～翌年3月)推薦流量(多年平均流量百分比)/%水文保證率/%魚類產卵育幼期(4～9月)推薦流量(多年平均流量百分比)/%水文保證率/%最大20012.820012.8最佳范圍60～10027.0～41.660～10027.0～41.6極好4054.76041.6非常好3065.45047.9好2077.14054.7中1090.23065.4差1090.21090.2極差0～1090.2～100.00～1090.2～100.0

2.4 應用實例

淮河入海水道為束洪型河流，西起洪澤湖東側二河閘，東至扁擔港入黃海，總長162.3 km。入海水道除二河新閘、東沙港閘、海口閘為水文站外，其余站點均為水位站點。但是，由于二河新閘僅在行洪時開啟，因此各站缺少流量觀測資料。同時，由于入海水道修建于2003年，水文與水位站點大部分建立于2009年。其中，淮阜控制調度閘和東沙港閘水位站點資料較完整。本文選擇淮阜控制調度閘和東沙港閘站點水位資料，應用基于Tennant法改進的生態水位計算方法開展淮河入海水道生態需水研究。

淮阜控制調度閘日均水位時間序列為2006年1月1日～2015年12月31日，東沙港閘日均水位時間序列為2004年1月1日～2015年12月31日。鑒于2007年7月入海水道進行了行洪，統計中未采用2007年7月數據。淮河入海水道主要水系及水文站點分布情況如圖5所示。

圖5 淮河入海水道水系及水文站點分布情況Fig.5 Distribution of water systems and hydrological stations in sea-entering channel of Huaihe River

根據基于Tennant法推求的水文保證率，不同棲息狀態下淮河入海水道淮阜控制調度閘與東沙港閘的生態水位計算結果如表4所示。

表4 淮阜控制調度閘與東沙港閘不同棲息狀態下生態水位Tab.4 The ecological water levels of Huaifu control floodgate and Dongshagang floodgate m

由表4可知，不同棲息狀態下淮阜控制調度閘(上游)生態水位均高于東沙港閘(下游)，魚類產卵育幼期生態水位高于或等于一般用水期，符合經驗事實。同時，淮阜控制調度閘生態水位最佳范圍為1.71～1.83 m、差為1.26 m；東沙港閘生態水位最佳范圍為1.60～1.72 m、差為1.08 m。為保證河道生態需求，建議入海水道淮阜控制調度閘和東沙港閘水位應分別盡量保持在1.26～1.83，1.08～1.72 m之間。

3 結 語

(1) 本文基于Tennant法，提出了一種適用于流量資料缺乏型河流的生態需水計算方法。該方法將Tennant法中推薦流量占多年平均流量的百分比與水位保證率進行關聯，計算不同保證率下水位作為不同棲息狀態的生態水位，并進行空間差異性檢驗，實現了流量資料缺乏型河流的生態需水計算。

(2) 以淮河流域為例，基于流域內19個水文站點長序列流量資料，利用P-Ⅲ曲線推求Tennant法推薦流量閾值相應的水文保證率；進行流域內代表性站點不同棲息狀態所對應的水文保證率空間差異性檢驗，選取所有斷面保證率的均值作為淮河流域河流系統不同棲息狀態水位保證率。結果為棲息狀態為差與最佳的水文保證率分別為90.2%，27.0%～41.6%。

(3) 基于Tennant法改進的生態水位計算方法，束洪型河道淮河入海水道淮阜控制調度閘和東沙港閘水位應保持在1.26～1.83，1.08～1.72 m之間。該結果對束洪型河道生態需水保障具有重要意義。