基于Tennant改進法的討賴河生態流量分析與評價

李計生，于海超，張 揚，馬金珠

(1.甘肅省水文局，蘭州 730000；2.蘭州大學 資源環境學院，西部環境教育部重點實驗室，蘭州 730000)

河流生態流量是為維持河流生態系統的結構和功能而必須保證的流量，當河流流量小于這一數值時，將導致河流水生生物生長和繁殖條件的破壞，生物量減少甚至滅失[1]。當前，關于河流生態流量的計算，國內外已提出很多方法[2-6]，但目前尚無統一的標準，而中國國家環保總局、水利部先后推薦了多年平均流量法、多年平均枯水時段法、Tennant 法、生態基流 Q95 法等近 10 余種計算方法，總體上可分為 3大類，即水文水力學法、生態環境法和整體法。鐘華平等[7]在綜合分析了水文學法、水力學法、整體分析法和棲息地生態環境法后，認為水文學方法最適合我國現階段的河流研究。于松延等[8]通過對幾種水文學法分析，得出 Tennant 法要優于其他方法。Tennant 法是美國學者Tennant提出的用來確定河道生態環境需水量的一種方法[5]，它以歷史的流量數據來確定河流生態流量，操作簡單、所需資料較少，主要適用于干旱區河流[7,9]。同時鄭志宏等[10]通過中位數、眾數理論對Tennant 法進行了改進，使其計算結果更加科學合理。

討賴河為西北干旱區小型內陸河流，考慮其氣候以及水資源特點，本文基于Tennant法確定河流生態流量，同時結合中位數法和眾數法進行改進，最終確定了討賴河更加科學合理的生態流量閾值，并且以2016年為例，定性評價了現狀水平年討賴河干流實際生態狀況，本研究可為討賴河河流生態環境評價和水資源合理利用提供一定的參考。

1 研究區概況

討賴河地處河西走廊中部，是黑河的一級支流，流域東起馬營河，西以嘉峪關的黑山為界，南與疏勒河流域毗鄰，北以金塔盆地的馬鬃山為界[11-13]，介于97°22′46″～99°27′11″E， 38°24′16″～40°56′08″N之間，涉及青海祁連縣、甘肅省張掖市肅南縣、高臺縣和嘉峪關市以及酒泉市肅州區、金塔縣，流域總面積2.81 萬km2[14,15]。討賴河受降水及冰川融水補給，補給量較小[16,17]，多年平均徑流量 6.24 億m3，年最大徑流量 11.2億m3，年最小徑流量 4.888 1 億m3，Cv值為0.198[18]。自1947年鴛鴦池水庫建成后，討賴河在水庫下游消失于金塔盆地。

2 材料與方法

2.1 數據來源

數據來源包括討賴河干流的冰溝水文站(1948-2001年)、嘉峪關水文站(2002-2015年)和鴛鴦池水庫站(壩上站1978-2015)的水文資料，其中，嘉峪關水文站位于冰溝水文站下游，且兩站面積相差僅3%，因此本文計算了嘉峪關站至冰溝站的滲漏損失量，將嘉峪關站2002-2015年實測徑流量加上滲漏損失量，修正為冰溝站2002-2015年徑流數據。最終計算以冰溝站和鴛鴦池水庫站為基準站，確定了討賴河生態流量。

2.2 生態流量的計算方法

(1)Tennant法。考慮到討賴河流域的特點，汛期是農業灌溉用水、魚蝦產卵的高峰期，所以河流最大徑流量并不一定出現在汛期。因此，將分期確定為一般用水期和用水高峰期[19 ]。Tennant法以多年平均流量值為基準，其生態流量評價標準見表1，其中，對一般河流而言，若河流流量占多年平均流量60%～100%，此時的河寬、水深及流速等可為水生生物提供優良的生長環境；若流量占多年平均流量的30%～60%，此時大部分淺灘都能被水淹沒[20-21]。而河流流量占多年平均流量10%，被認為是保持河流生態系統健康的最小流量[7]。

表1 Tennant法的生態流量評價標準

(2)中位數改進法。中位數不受極端值的影響，在出現了極端值的情況下，用中位數代替算術平均數更好[10]。討賴河徑流量受季節影響較大，同時年際間分布不均，因此采用中位數代替多年平均流量值，可以降低極端值造成的影響。

3 結果分析

3.1 討賴河的生態流量

3.1.1 Tennant法計算

根據Tennant法，求得討賴河不同時段的生態流量(表2)。其中，冰溝站一般用水期生態流量為1.366 m3/s，用水高峰期為2.773 m3/s；鴛鴦池水庫站一般用水期生態流量為0.857 m3/s，用水高峰期為1.163 m3/s。下游生態流量較小主要是由于受到水庫調蓄的影響。

表2 Tennant法計算的各站不同時期的生態流量 m3/s

3.1.2 中位數改進法計算

以冰溝站(1948-2015年)、鴛鴦池水庫(壩上站1978-2015)還原后的天然徑流量作為原始數據進行計算，降序排列后得到逐月中位數月平均生態流量(表3)。結果表明，冰溝站一般用水期生態流量為1.336 m3/s，用水高峰期2.558 m3/s；鴛鴦池水庫站一般用水期生態流量為0.835 m3/s，用水高峰期為1.094 m3/s。

3.1.3 眾數改進法計算

本研究將月平均流量最大值與最小值的差值平均分為3～7個區間，眾數計算結果見表4。

采用該時段數據應用皮爾遜經驗公式確定眾數，選擇經驗值與試算值最為接近的一組數，即選定為眾數，進而得到基于眾數理論的生態流量(表5)。其中，冰溝站一般用水期生態流量為1.258 m3/s，用水高峰期為2.332 m3/s；鴛鴦池水庫站一般用水期生態流量為0.778 m3/s，用水高峰期為0.989 m3/s。

3.1.4 3種方法計算結果對比

3種方法計算結果對比見表6，相比于中位數法和眾數法，Tennant法確定的多年平均生態流量偏大，主要是由于極端值的出現而造成。因此，本次采用基于眾數改進法確定的生態流量值，該方法明顯降低了極端值的影響，計算結果更為合理，比較符合我國河西走廊水資源短缺的實際情況。

表3 中位數改進法計算的各站不同時期的生態流量 m3/s

表4 冰溝站眾數試算結果

表5 眾數改進法計算的各站不同時期的生態流量 m3/s

表6 3種方法計算結果對比 m3/s

3.2 現狀年不同用水期流量與生態流量對比

3.2.1 不同用水期流量與生態流量對比

根據2016年冰溝站水文資料，冰溝站、鴛鴦池水庫用水高峰期、一般用水期生態流量統計結果見表7。可以看出，冰溝站、鴛鴦池水庫出庫用水高峰期和一般用水期流量均可以達到最佳生態流量。

表7 冰溝站、鴛鴦池水庫出庫用水高峰期和一般用水期對比表 m3/s

3.2.2 一般用水期的日流量分析

統計分析2016年冰溝水文站(還原計算)、鴛鴦池水庫站日流量，冰溝站無斷流情況發生；鴛鴦池水庫下游河段由于水庫在6月21至6月27日出庫流量為0而導致有七天發生斷流。但用水高峰期一般為汛期，來水量大，因此用水高峰期河流實際流量基本滿足生態流量。而一般用水期基本處于枯水期，水量小，因此本文進一步分析了一般用水期的日流量變化。

冰溝站-鴛鴦池水庫段一般用水期內達到最佳生態流量的天數為181 d，極好生態流量為1 d。可滿足河道一般用水期生態流量，詳見表8。

而鴛鴦池水庫下游，鴛鴦池水庫水文站計算的一般用水期生態流量與鴛鴦池水庫日出庫流量進行對比，達到一般用水期最佳生態流量的天數為137 d，占一般用水期天數的74.5%；達到好的生態流量的天數為19 d，占一般用水期天數的10.4%；達到非常好的生態流量的天數為5 d，占一般用水期天數的3.1%；達到好的生態流量的天數為22 d，占一般用水期天數的12.0%，綜上，討賴河干流日流量基本可以滿足枯水期河流生態流量，詳見表9。

表9 鴛鴦池水庫下游一般用水期生態流量與日流量對比表

4 討 論

楊杰等[3]采用了Qp法、Tennant法對甘肅黨河的生態流量進行了計算，發現當徑流量的Cv值較大時，Qp法受極端值影響較大，Cv值較小時，Qp法與Tennant法計算結果一致。其最終采用了Tennant法確定黨河的黨河水庫斷面枯水期生態流量為1.35 m3/s，豐水期為5.08 m3/s。黨河和討賴河均為我國西北地區小型內陸河流，二者的枯水期生態流量較為相近。但黨河的豐水期生態流量遠高于討賴河同期的生態流量。主要是由于黨河的天然徑流量年際、年內變化幅度較大，而Tennant法未考慮到極端值的影響。

為了減小 Tennant 法受極端值的影響，本文采用眾數法對其改進，使其計算結果更加合理，但該方法沒有考慮河流的形態對流量的影響，其計算結果的精度仍需探究[7]。

國內研究的河道生態流量大多停留在理論探討階段，計算方法多從國外引進, 還沒有形成一套比較完全適合我國國情的生態需水計算方法。而不同的估算方法有其適用條件和適用范圍，應根據當地的實際情況來確定計算方法，同時需要對其評價標準做進一步研究。

5 結 論

(1)通過對比Tennant法、中位數改進法、眾數改進法，最終采用眾數改進法，確定了冰溝水文站用水高峰期生態流量為2.332 m3/s，一般用水期為1.258 m3/s；而鴛鴦池水庫站用水高峰期生態流量為0.989 m3/s，一般用水期則為0.778 m3/s。

(2)根據2016年現狀水平年實測資料，冰溝水文站、鴛鴦池水庫站用水高峰期、一般用水期月平均流量均可以達到最佳生態流量。

(3)在日尺度上，2016年冰溝水文站在一般用水期實測的徑流量達到最佳生態流量的天數為181 d；極好生態流量為1 d；鴛鴦池水庫站在一般用水期實測的徑流量達到最佳、極好、非常好、好的生態流量的天數分別占74.5%、10.4%、3.1%、12.0%。因此，冰溝水文站、鴛鴦池水庫站均可滿足河道一般用水期生態流量。