基于改進(jìn)Tennant法的南渡江生態(tài)基流計(jì)算

任 朋，齊 進(jìn)

(山東省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，濟(jì)南 250013)

河道生態(tài)基流問題仍是近年來研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。目前，河道生態(tài)基流被廣泛接受的定義是2001年錢正英[1]等在《中國可持續(xù)發(fā)展水資源戰(zhàn)略研究綜合報(bào)告》中提出：廣義上的生態(tài)需水是指維持全球生態(tài)系統(tǒng)水分平衡包括水熱平衡、水鹽平衡、水沙平衡等所需用的水；狹義上的生態(tài)環(huán)境用水是指維護(hù)生態(tài)環(huán)境不再惡化，并逐漸改善所需要消耗的水資源總量。河道生態(tài)基流的方法大致可分為4類[2]：水文學(xué)法、水力學(xué)方法、生境模擬法和綜合分析法。其中Tennant法作為水文學(xué)法中的一種河道生態(tài)徑流量的計(jì)算方法被廣泛應(yīng)用。其僅用歷史流量數(shù)據(jù)進(jìn)行推導(dǎo)河流生態(tài)流量，計(jì)算方法算簡(jiǎn)單、方便，并容易將計(jì)算結(jié)果與水資源規(guī)劃、環(huán)境保護(hù)和建設(shè)相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，故而被廣泛推廣[3]。Tennant法[4]是Tennant 等于1964-1974 年通過對(duì)美國干旱和半干旱地區(qū)的11 條永久性河流進(jìn)行詳細(xì)的野外調(diào)查研究的基礎(chǔ)上提出的，故其適用范圍具有一定的局限性。該方法應(yīng)用的基礎(chǔ)是對(duì)該地區(qū)的生態(tài)因素、地形因素較為了解，需要根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況分析比例是否符合當(dāng)?shù)睾恿髑闆r，并要結(jié)合當(dāng)?shù)睾恿鞴芾砟繕?biāo)，對(duì)該比例進(jìn)行調(diào)整。因此不同的地區(qū)，不同的季節(jié)其比例均有差別。對(duì)此，國內(nèi)學(xué)者對(duì)Tennant法因地制宜的提出了不同的改進(jìn)方法。鄭志宏[5]等引入中位數(shù)及眾數(shù)理論，對(duì)傳統(tǒng)Tennant 法進(jìn)行改進(jìn)，有效地去除了極端數(shù)據(jù)對(duì)統(tǒng)計(jì)規(guī)律的影響，找出了典型流量過程；田景環(huán)[6]等基于河流功能的量化計(jì)算，從計(jì)算時(shí)段標(biāo)準(zhǔn)、特征流量、綜合影響因子等方面對(duì)Tennant 法進(jìn)行改進(jìn)，提高了模型的實(shí)用性；張澤聰[7]等針對(duì)傳統(tǒng)的Tennant法計(jì)算河流生態(tài)基流不能反映河流水量季節(jié)性變化的問題，提出引入季節(jié)修正系數(shù)并利用中位數(shù)代替平均數(shù)計(jì)算多年平均流量的改進(jìn)Tennant法。本文在原有的研究基礎(chǔ)上，為能更精確的推求南渡江河道的生態(tài)徑流量，引入季節(jié)修正系數(shù)，并采用中位數(shù)理論對(duì)傳統(tǒng)的Tennant法進(jìn)行改進(jìn)，使求解的生態(tài)徑流更符合南渡江的實(shí)際情況。并且在典型年選取過程中，提出根據(jù)汛期與非汛期的流量模數(shù)比進(jìn)行選取典型年，使選取的典型年更有代表性。

1 生態(tài)徑流量計(jì)算

1.1 傳統(tǒng)Tenant法

Tennant 法是建立在干旱半干旱地區(qū)永久性河流基礎(chǔ)上，判別棲息地環(huán)境優(yōu)劣的推薦基流標(biāo)準(zhǔn)，解決的是水生生物、河流景觀及娛樂與河流流量之間適應(yīng)關(guān)系的問題。在Tennant法中，根據(jù)多年平均天然徑流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對(duì)應(yīng)關(guān)系，將保護(hù)水生態(tài)和水環(huán)境的河流流量推薦值劃分為8種標(biāo)準(zhǔn)[8]。他們?cè)趯?duì)考察河流的過程中[9]，認(rèn)為：①最小生態(tài)需水量為河道多年平均流量的10 %時(shí)，研究表明這是一個(gè)維持大多數(shù)水生生物(尤其是魚類)短期內(nèi)最好生存的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)或最低限度；②當(dāng)河道內(nèi)流量占年平均流量的60%～100%時(shí), 河寬、水深及流速為水生生物提供優(yōu)良的生長(zhǎng)環(huán)境；③河道內(nèi)流量占年平均流量的30%～60% 時(shí)，河寬、水深及流速對(duì)水生生物的生長(zhǎng)環(huán)境而言，還是一般令人滿意的。④對(duì)于河道多年平均流量的5%～10%而言，是保持絕大多數(shù)生物短時(shí)間生存所必須的瞬時(shí)最低流量，河道生態(tài)環(huán)境非常差。

Tennant法作為一種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法，具有以下缺點(diǎn)[10]：①選取多年平均流量的百分比為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，典型性、代表性不強(qiáng)，對(duì)于許多地區(qū)河道經(jīng)常受到極端來水情況的影響； ②比例確定問題，需要根據(jù)當(dāng)?shù)睾恿骷竟?jié)來流流量變化情況，分析調(diào)整Tennant 法中流量百分比標(biāo)準(zhǔn)； ③Tennant 法根據(jù)多年平均流量的一定比例統(tǒng)一劃定，沒有考慮水量需求的年內(nèi)變化問題，與水生生物生境要求相左。

1.2 改進(jìn)的Tenant法

1.2.1 季節(jié)修正系數(shù)

南渡江是位于濕潤半濕潤地區(qū)的永久性河流，有著非常明顯的汛期(5-10月)和非汛期(11-4月)之分。故根據(jù)南渡江的汛期和非汛期時(shí)段將河流生態(tài)徑流劃分為這2個(gè)時(shí)段。

為了讓Tennant法的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)更符合南渡江流量的季節(jié)性變化情況，引入季節(jié)修正系數(shù)對(duì)原Tennant法中流量百分比進(jìn)行修正。由于南渡江水文資料齊全，故選擇最能反應(yīng)徑流季節(jié)變化過程的年徑流量，作為典型年相對(duì)較容易。典型年的選取方法根據(jù)南渡江的降雨特性做如下改進(jìn)：

(3)求出非汛期和汛期研究河段的模數(shù)kFt，kXt，其計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：n為控制站的個(gè)數(shù)。

(4)根據(jù)偏差變量Cv選出研究河段年內(nèi)非汛期和汛期模數(shù)kFt,kXt最接近1.0的年份為典型年(即選取Cv越接近0的年份)；

(3)

由典型年的選取過程可知，典型年的流量過程可以更好的反應(yīng)該河流的流量年變化特征。通過典型年引進(jìn)季節(jié)修正系數(shù)對(duì)Tennant法流量百分比進(jìn)行修正，可以使Tennant法計(jì)算得到的生態(tài)徑流量更符合當(dāng)?shù)睾恿鞯膶?shí)際情況。假設(shè)典型年i時(shí)段的流量為Q典i，多年平均流量為Q均i，則某一時(shí)間段的季節(jié)流量修正系為：

(4)

式中：i=1或2(1表示非汛期時(shí)段，2表示汛期時(shí)段)。

1.2.2 中位數(shù)代替平均數(shù)

由于南渡江位于海南島上，有時(shí)候受到特大型臺(tái)風(fēng)的影響，往往造成某年的某月份的徑流量產(chǎn)生極端值，從而對(duì)多年平均流量的產(chǎn)生影響。為了消除這種特殊年份臺(tái)風(fēng)帶來極端值的影響，本文引進(jìn)中位數(shù)來代替多年平均流量作為推薦基流量。中位數(shù)作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)總體或分布數(shù)列中處于中等水平的標(biāo)志值，是數(shù)組處于中間位置的變量值。當(dāng)總體的分布呈偏斜分布時(shí),分布偏斜度所造成的失真對(duì)中位數(shù)的影響較小[11]。故選取中位數(shù)作為計(jì)算的推薦基流具有一定的穩(wěn)定性和代表性，符合Tennant法的內(nèi)在原理。改進(jìn)的Tennant法算法見表1。

表1 改進(jìn)Tennant 法的生態(tài)徑流量標(biāo)準(zhǔn)Tab1. Ecological runoff standards of improved Tennant method

2 實(shí)例應(yīng)用

本次研究的河流是位于海南省的南渡江，南渡江流域面積7 033 km2，干流長(zhǎng)335 km，流經(jīng)海口市境內(nèi)約75 km，于海口市三聯(lián)村匯入瓊州海峽。自下而上設(shè)立有龍?zhí)痢⒍ò病⒔鸾⑦~灣、三灘、南豐、福才、白沙和細(xì)水等水文(水位)站。

本次選取的河流斷面是永發(fā)鎮(zhèn)到龍?zhí)了恼尽｝執(zhí)琳臼冀ㄓ?954年6月，它位于龍?zhí)伶?zhèn)上游300 m處，屬南渡江出海河口的控制站，自1956年至今有連續(xù)的水文資料，而且資料全、質(zhì)量可靠，能滿足分析計(jì)算的需要。本次統(tǒng)一采用1956-2000年實(shí)測(cè)徑流系列進(jìn)行南渡江下游地表水資源分析計(jì)算。由于Tennant法所需要的資料為天然徑流量，故需要將水文站實(shí)測(cè)的實(shí)際徑流量還原為天然徑流量。根據(jù)《南渡江龍?zhí)翂蜗掠沃脸龊？诮C合利用研究》分析可知，流域下墊面的變化對(duì)徑流變化影響不大，年徑流沒有明顯的衰減和增加態(tài)勢(shì)，因此，不需要對(duì)實(shí)際徑流量還原為天然徑流量。根據(jù)改進(jìn)Tennant法選取典型年的步驟運(yùn)用式(1)及式(2)求解研究河段非汛期模數(shù)和汛期模數(shù)值(圖1)，進(jìn)而根據(jù)偏差變量可確定選取典型年為1974年。根據(jù)式(4)可求得非汛期的季節(jié)修正系數(shù)為0.88，汛期的修正系數(shù)為0.89。

圖1 龍?zhí)了恼痉茄雌诤脱雌诹髁磕?shù)隨時(shí)間變化圖Fig.1 Change of non-flood season and flood season runoff modulus ratios at Longtang Station with the time

應(yīng)用基于中位數(shù)理論的Tennant 法，將45 a的每個(gè)月的天然徑流量值按降序( 或升序) 排列，取其中位數(shù)作為改進(jìn)Tennant法的推薦基流的基礎(chǔ)資料(見表2)，進(jìn)而求取南渡江下游非汛期( 10 月-翌年4 月) 中位數(shù)的平均流量值為83.83 m3/s，以此為改進(jìn)Tennant法的推薦基流；同樣汛期( 4-9 月) 推薦基流量值為186.70 m3/s。根據(jù)上述的計(jì)算數(shù)值，運(yùn)用改進(jìn)的Tennant進(jìn)行求解生態(tài)徑流，同樣根據(jù)表3的多年月平均流量值，運(yùn)用傳統(tǒng)Tennant法進(jìn)行生態(tài)徑流計(jì)算。具體求解結(jié)果見表4。

表2 1956-2000年龍?zhí)了恼局鹪聫搅髦形粩?shù) m3/sTab.2 Month by month median flow at Longtang station from 1960 to 2000

表3 1956-2000年龍?zhí)了恼局鹪聫搅髌骄鶖?shù) m3/sTab.3 Month by month average flow at Longtang station from 1960 to 2000

根據(jù)表4分析可知，傳統(tǒng)Tennant法得到的非汛期最小生態(tài)徑流量為8.47 m3/s，最佳生態(tài)流量為50.80 m3/s；汛期最小生態(tài)流量為20.76 m3/s，最佳生態(tài)流量為124.56 m3/s。改進(jìn)Tennant法得到的非汛期最小生態(tài)徑流量為7.37 m3/s，最佳生態(tài)流量為44.22 m3/s；汛期最小生態(tài)流量為16.47 m3/s，最佳生態(tài)流量為98.83 m3/s。改進(jìn)后的Tennant法計(jì)算得到的最小生態(tài)流量在非汛期和汛期分別比傳統(tǒng)Tennant法的計(jì)算值減少13%和20.7%；最佳生態(tài)流量分別減少13%和20.7%。

表4 生態(tài)徑流量計(jì)算值 m3/sTab.4 Ecological runoff calculation values

3 結(jié) 論

(1)本文根據(jù)南渡江的地理氣候特征，計(jì)算出了南渡江的生態(tài)徑流，為南渡江的水資源合理開發(fā)利用和規(guī)劃，提供參考依據(jù)。

(2)與傳統(tǒng)Tennant法相比較，引進(jìn)季節(jié)修正系數(shù)，使改進(jìn)的Tennant法更符合南渡江的河流特性。在選取典型年時(shí)，引進(jìn)汛期和非汛期的流量模數(shù)比，選擇典型年，從而使選取的典型年更有代表性。引進(jìn)中位數(shù)理論進(jìn)行分析計(jì)算，得到的計(jì)算結(jié)果均偏小于傳統(tǒng)Tennant法的計(jì)算結(jié)果，可以有效的減小特殊年份特大降雨造成河道流量極端值帶來的影響。

(3)本文改進(jìn)Tennant法的思路可以運(yùn)用于其他類似河道的生態(tài)徑流量計(jì)算，為其他河道的生態(tài)徑流量計(jì)算提供一種新的方法。