基于Tennant 法的塔里木河河道基流生態需水量計算

賈小俊

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 概 況

塔里木河干流全長1321 km，流域面積1.76萬km2[1]。塔里木河干流水資源開發利用現狀為：地表水開發程度較高，平均引用率超過70%；地下水開發利用程度不高，水資源利用效率低。目前，塔里木河流域經濟結構仍以農業為主，大部分灌區由河道直接引水。同時，塔里木河流域水資源的經濟效益差，流域內單方水GDP產出量僅為1.44元，為全疆平均水平的一半，水資源緊張，區域性缺水嚴重，灌溉用水矛盾突出。

2 河道水面蒸發

2.1 計算方法

河道水面蒸發是河道水量損耗的主要組成之一。塔里木河干流河道水面蒸發量采用面積定額法計算，如公式(1)所示：

We=B·L·Eφ·k

(1)

式中:We為水面蒸發量,m3;B為河段水面寬,m;L為河段長度,km;Eφ為直徑20 cm水面蒸發皿觀測的水面蒸發量,mm;k為水面折算系數。阿拉爾—新渠滿(BAL)、新渠滿—英巴扎(BXQ)和英巴扎—恰拉(BYB)的水面寬計算如式(2)～式(4)所示：

(2)

(3)

(4)

式中:BAL、BXQ和BYB分別為上述三個河段的水面寬,m;QAL、QXQ和QYB為三水文站年徑流量,億m3。其中，k在阿拉爾—新渠滿河段取值0.67(阿拉爾和新渠滿的平均值)，新其滿—英巴扎河段取值0.62(阿拉爾、新渠滿和博斯騰湖的平均值)，英巴扎—恰拉段取值0.57(新渠滿和博斯騰湖的平均值)。

2.2 河道水面蒸發耗水分析

以阿拉爾站、庫車站和庫爾勒站的水面蒸發量代表區間蒸發，其分時段水面蒸發量見表1所示。阿拉爾—新渠滿、新渠滿—英巴扎和英巴扎—恰拉段的蒸發量分別為1019.04 mm、1046.80 mm和1166.10 mm。

表1 干流不同區間的分時段水面蒸發量 mm

阿拉爾、新渠滿和英巴扎水文站1957—2015年多年平均徑流量分別為45.82億m3、37.62億m3和28.26億m3。阿拉爾—新渠滿段河長為237 km,新渠滿—英巴扎段河長為258 km及英巴扎—恰拉段河長為398 km。塔里木河干流河道各河段蒸發相關參數見表2。

表2 塔里木河干流河道蒸發參數表

根據干流分區間河寬、河長、水面蒸發以及折算系數等數據，計算干流分區間分時段的河道蒸發量見表3。

表3 干流不同區間的分時段河道蒸發量 億m3

3 河道基流生態需水量

3.1 計算方法

Tennant 法以多年平均流量為基礎，根據對生態環境的有利程度，分別將豐水期、枯水期和平水期的多年平均流量乘以相應級別的百分比，作為保護河流生態環境的用水流量推薦值。多年平均流量指河流天然狀態下的多年平均流量，各月流量情況可以用典型年的流量過程來表征。Tennant法使用簡單、操作方便[2]，對資料要求不高，僅要求天然時期10 a以上的歷史流量資料。根據Tennant法，維持河流生態系統健康的各月河道內生態需水量如式(5)所示：

WRij=36×24×ni×Qi×Pij/108

(5)

式中：WRij為多年平均條件下第i月在河流棲息地狀況處于j條件下(j為最大、最佳范圍、極好、非常好、一般、差、極差幾種條件之一)的河流生態需水值,億m3;ni為第i月的天數,d；Qi為第i月的多年平均流量,m3/s;Pij為第i月河流棲息地狀況j時的需水百分比,%。

3.2 人類活動對徑流量顯著干擾點甄別

此次選擇塔里木河上游阿拉爾、中游英巴扎和下游恰拉三個典型水文斷面，計算流域河道內的生態環境流量。1972年以前人類活動對阿拉爾站、恰拉站以上流域徑流影響不大[3]，1973年開始的點據與1972年以前的點據有明顯偏離，表明人類活動在1973年以后，對徑流的影響發生了變化。英巴扎水文站1957—2002年，在1971年以前，點據基本在同一水平上，說明在此期間，人類活動對英巴扎站以上流域徑流量影響不大，從1972年開始，點據與1971年以前的點據發生明顯偏離，說明人類活動在1972年以后，對徑流影響發生了變化。

3.3 Tennant法計算河道基流生態需水量

Tennant法選用的是典型年的月徑流資料。

(1)典型年的選取。采用塔里木河1957—1972年平均徑流量為基準。尚還未大規模興建水庫和引水閘、水資源開發利用程度較低、河流處于天然狀態。阿拉爾、英巴扎和恰拉站1957—1972年水文資料見表4 。河流自然狀態下，阿拉爾、英巴扎和恰拉站多年平均徑流量分別為162 m3/s、111 m3/s和36 m3/s。 年流量模數如式(6)所示：

表4 1957—1972年塔里木河干流水文站年徑流數據 m3·s-1

(6)

根據年流量模數的計算公式(6)，計算自然狀態下各年的流量模數見表5。

表5 1957—1972年塔里木河干流水文站各年的年流量模數 m3·s-1

典型年為年流量模數最接近于1的年份，分別取阿拉爾的1959年、英巴扎的1958年和1964年和恰拉站的1969年為典型年。塔里木河干流上、中、下游水文站典型年的月均流量，見表6。

表6 塔里木河干流水文站典型年實測月平均徑流量 m3·s-1

塔里木河屬于季節性河流，主要依靠高山冰川和永久積雪補給徑流。塔里木河河流生態系統具有明顯的季節性，河道內生態需水可按照季節性劃分為三個時段：4—6月、7—10月和11月—次年3月。豐水期一般出現在年內氣溫最高的7—10月。根據塔里木河干流水文站典型年的月均流量，分別求三個時段的平均流量，見表7。

表7 塔里木河干流水文站典型年各時段平均徑流量 m3·s-1

(2)評價標準。塔里木河流域各用水時段的流量百分比采用Tennant法對河流生態需水的評價標準，見表8。

表8 Tennant法對河流生態需水的評價標準推薦的基流(平均流量) %

(3)河流生態流量的計算。各用水時段不同河流流量狀況的百分數，采用Tennant法計算阿拉爾、英巴扎和恰拉水文斷面的河流生態流量，見表9。

表9 塔里木河干流代表站各時段的生態流量 m3·s-1

采用Tennant法計算得塔里木河干流阿拉爾、英巴扎和恰拉站河道生態需水量分別為13.58億m3、8.97億m3和3.16億m3。河道情況為尚好的生態需水量分別為11.01億m3、7.21億m3和2.57億m3。具體數值見表10。

表10 塔里木河干流研究河段的各階段生態需水量 億m3

4 結 語

對于塔里木河來說，河道生態需水量是指去除耗水蒸發后的河道流量，本文以干流上、中、下游的阿拉爾、英巴扎和恰拉站為研究對象，采用Tennant法計算后，得出三個水平站生態需水量分別為13.58億m3、8.97億m3、3.16億m3，這將對實現水資源的合理配置，維系河流水文過程完整及確保兩岸天然植被生態用水提供重要的科學依據。