基于改進 Tennant 法的下河套水庫壩下河段生態基流計算

周曉玉

(凌源市水務局，遼寧 凌源 122500)

在相當長的時期內，水資源的開發利用側重于工農業生產和居民生活方面，對生態環境用水的重視不足，最終導致水資源和生態環境破壞嚴重，生態環境問題日漸突出[1]。河川徑流是地表水資源的主要表現形式，不僅是人類文明產生和發展的基礎，同時也為當前的國民經濟發展和社會進步提供了必要的水資源支持[2]。在人類進入工業化時代以來，各種工程技術手段被用于河流開發，在提高水資源利用效率的同時，也對河流本身的物理結構造成顯著影響，最終造成河流生態的惡化[3]。因此，在水利工程建設和運行過程中，必須維持生態基流，保持河道的物理結構和生態功能。因此，有必要對河流的生態基流進行深入探討，在保持河道生態環境的前提下，實現有限水資源的合理配置。在生態基流計算的水文學方法中，Tennant法是應用較廣泛的方法，但是該方法側重與河道流量的年際變化，對河道豐水期和枯水期流量的差距重視不足。基于此，此次研究提出了一種改進Tennant法，實現對背景工程壩下河段生態基流的準確計算。

1 改進 Tennant 法原理

1.1 Tennant 法

Tennant 法是田納特等專家在1976年提出的一種用于棲息地健康狀況評價的方法[4]。1964—1974年，田納特等專家對11條河流的生態情況進行了可深入研究，這些河流地處偏遠，受人類活動的影響很小。在對上述河流的流量與過流面積進行觀測的基礎上，分析其對漁業的影響，并最終匯總成Tennant法。目前，Tennant法主要應用于河流生態需水量和生態基流的估算[5]。

通過長期的應用，發現Tennant法在用于北方地區河流的生態基流計算過程中，存在一定的局限和不足。從方法的原理來看，主要是計算獲取天然河流的多年或月平均流量，然后通過分期百分數對生態需水量進行分級。顯然，多年平均流量的影響因素較多，屬于多種可能性數據的綜合，因此會造成年內和年際之間的差異性被明顯消弱，從而使流量過程扁平化，難以科學、合理描述北方河流的水文特征。

1.2 改進Tennant 法

隨著經濟社會的發展，我國對河流水資源的開發和利用程度不斷提高，特別是修建了水庫等水利工程的河流，其水文過程會受到這些水利工程的嚴重影響，因此并不滿足傳統Tennant 法的使用前提[6]。因此，在利用該方法進行生態基流的計算過程中，必須要對相關的流量資料進行篩選和修正，以保證結果本身的真實性，最大限度避免扁平化數據對計算結果的影響。

對于此次研究的下河套水庫流域而言，由于其位于季風氣候區，有著十分明顯的汛期和非汛期。因此，需要分為汛期和非汛期2個時段對生態基流進行研究[7]。為了使計算結果能夠符合汛期和非汛期季節變化特征，研究中引入季節修正系數對原Tennant 法中的流量百分比進行修正。由于下河套水庫建成較早，因此流域內有比較齊全的水文資料，因此研究中選擇最能反映季節變化的年徑流量作為典型年，其選取方法結合流域特征進行如下改進。

首先，求出流域內系列年的汛期和非汛期平均流量；然后，計算汛期和非汛期流量與平均流量的比值，并將其作為流量模數；最后，將流量模數最接近1.0的年份作為典型年。顯然，利用典型年的季節修正系數對流量百分比進行修正，可以使生態基流的計算結果更符合河流的實際情況。

由于研究區屬于典型的季風氣候特點，降水的年際和年內變化較大，往往會在某年或某個月份產生降雨的極端值，并對多年徑流量造成比較明顯的影響[8]。為了消除上述影響，研究中引入中位數代替多年平均流量組委推薦基流，這不僅具有一定的穩定性和代表性，同時也符合Tennant 法的基本原理。

2 案例應用

2.1 研究區概況

下河套水庫位于凌源市四合當鎮下河套村。屬于大凌河西支，滲津河流域上游一級支流。水庫流域全長12.8km，水庫壩址以上控制面積55km2；該庫始建于1971年，1974年8月建成投付使用，屬小(一)型水庫。根據流域內的多年氣象資料，多年平均降雨量為556.5mm，降雨主要集中在夏季的6—9月，一般占到全年降雨量的71.2%，多年平均蒸發量為1021.5mm。其中，4—9月的蒸發量最大，占到年蒸發量的81.5%左右。流域內的多年平均氣溫為8.7℃，極端最高氣溫38.7℃，極端最低氣溫為-36.3℃。初冰期一般在每年的10月中旬，最大河心冰厚為50cm，最大凍土深度1.6m。水庫的下游河道水資源原本十分豐富，為各種動植物提供了良好的棲息地條件，因此生物的多樣性比較豐富。但是，由于上游水庫的建成和使用，使下游河段長期處于脫水和減水狀態，對生態環境造成了比較嚴重的影響。

2.2 生態基流的計算

研究中選擇的河流斷面為下河套水庫下游1230m的畢杖子水文站，該站始建于20世紀60年代，屬于流域內重要的控制站點，擁有相對比較完整的水文資料，完全可以滿足本次研究的實際需要。此次研究統一選用1965—2020年的實測徑流系列，對流域內的地表水資源進行分析計算。由于Tennant 法在計算過程中需要天然徑流量資料，因此需要對實測徑流量進行轉換，獲取天然徑流量，具體的計算結果如圖1所示。

圖1 流域年均徑流量變化曲線

由圖1中的結果可以看出，除了個別年份受到特殊氣象水文條件影響發生突變之外，流域內的流量呈現出波動下降的變化特點。

北方地區的河流存在明顯的季節性特點，4—9月為豐水期和生物的主要生長期，生態需水量相對較大，10月至次年的3月為枯水期和生物的休眠期，生態需求量相對較小。利用上文提出的方法，利用徑流數據計算研究河段汛期和非汛期的模數，并根據偏差量選擇出典型年，求出汛期和非汛期的修正系數，分別為0.88和0.89。另一方面，由于原始方法中沒有考慮北方河流的季節性特點，也就是忽略了豐水年、平水年和枯水年的徑流差異。為了減少這種差異對計算結果的影響，最大限度提升水資源的合理分配合理性。基于此研究中選擇1971、1970、1978和2002年分別作為保證率25%、50%、75%和90%條件下的典型年，計算獲取河道生態基流，結果見表1。

表1 生態基流計算結果 單位：m3/s

生態基流月度變化曲線如圖2所示。

圖2 生態基流月度變化曲線

由計算結果可知，生態基流隨著保證率的增加呈不斷遞減的變化趨勢，這與河道的天然來水量變化特點基本一致。由于研究河段為北方河流，其豐水年的需水量較大，而枯水年的需水量相對較小。此外，河道在汛期的需水量明顯高于非汛期。一般來說，在枯水期如果生態基流能夠維持河流的生態健康穩定，那么豐水期的生態基流必能滿足要求，因此一般選擇非汛期的平均流量

作為相應代表年的生態基流。因此，在保證率25%、50%、75%和90%條件下，生態基流分別為2.03、1.39、0.93、0.75m3/s。鑒于保證率為25%和 50%條件下的生態基流值較大，現狀條件下的徑流量難以達到要求。因為河道的生態基流偏向于枯水期的流量，所以本文理論上選擇保證率75%時計算得出的0.93m3/s作為研究河段生態基流值。

3 結語

此次研究以遼寧省下河套水庫壩下河段為例，結合北方河流的實際特點，提出季節修正系數和中位數理論，對傳統Tennant 法進行改進，使其更符研究河段的河流特性，計算得出研究河段的生態基流為0.93m3/s。與傳統Tennant 法相比較，由于本文模型引進汛期和非汛期的流量模數，使選取的典型年更有代表性，可以顯著的提高計算的科學性和準確性，對相關類似工程的壩下河段的生態基流計算具有一定的參考意義和作用。當然，生態基流的計算是一項復雜的工作，影響因素眾多。因此，本文提出的計算方法仍需要進一步發展和完善，以便獲取更為完善的計算方法。