改進Tennant法在塔里木河生態基流量計算中的應用

李 亮

（塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

流域生態基流量是為維持流域內生物群落穩定并保證流域生態環境和水資源功能不受破壞而需要的基本水量,對于特定流域而言,其生態基流取值應較為穩定。國內使用較多的流域生態基流量計算方法為水文學法,即應用水文指標,根據長序列流量資料進行流域生態需水量、生態基流量等的推求。近年來,Tennant法在流域生態基流量觀測計算方面應用越來越廣泛,Tennant法主要基于流域較長時間的流量數據,根據相應系數便可計算出流域生態基流量,該方法忽略了流量年際變化,淡化了流域枯豐時期流量的差異,對流量季節性變化大的流域計算結果誤差較大。我國西北地區流域季節性變動趨勢明顯,流量在枯豐水期差異較大,河流生態基流也表現出明顯的季節性變化。西北大部分流域屬于天然河流,在人類活動的影響下徑流量逐年減小,這種就屬于未補水河流；而部分流域在人工調水、補水等情況下流量逐年增大,屬于補水性河流。為此,本文主要基于不同流域徑流量的變化及不同的功能定位,并綜合考慮徑流變化和生態過程對流域水文過程的影響,通過徑流過程的還原或還現進行年均流量修正,并對Tennant法進行實質性改進。

1 Tennant法改進思路

1.1 Tennant法

該方法主要用于流域生態需水量估算及流域生態用水情況的評價,其主要針對干旱半干旱地區永久性流域棲息地環境優劣的基流標準進行分析判定。該方法通過構建流量與水生態系統之間的關系,簡化分析過程,對于生態資料缺乏流域較為適用。Tennant法對流域水生生物棲息地環境質量和流量關系的描述見表1,Tennant法所推薦的流域水生生物棲息地環境質量處于最佳狀態的基流應為60%～100%。

表1 流域水生生物棲息地環境質量和流量關系

但是Tennant法計算結果的準確程度與研究者對棲息地重要性的認知程度有關,不同流域形態下,水生生物棲息地環境質量與流量的比例關系不同,必須進行調整以使其符合當地流域情況；且該方法并未從流域特性和成因角度進行流量變動趨勢分析,忽視流量季節性變化,必須結合所研究流域情況進行改進。

1.2 Tennant法的改進

Tennant法之所以無法體現河流流量季節性變化,主要原因在于其使用的是年平均流量指標,削弱并坦化了河流年內及年際流量過程峰谷,導致該法對于季節性變化較大流域的不適用。考慮到我國西北地區流域季節性特征明顯,應根據流域河段的自然地理特征進行分析時段劃分,并以年流量最接近多年平均流量的年份為典型年,由于典型年是流域本身一年流量過程的體現,自然最能反應流域季節性豐枯變化特性。用所確定出的典型年流量代替多年流量均值,以使Tennant法更能體現流域流量的季節性特征[1]。

1.2.1 典型年及分期百分數的選取

典型年的選取對改進Tennant法生態基流值計算結果能否滿足所在流域生態系統的準確性有較大影響,典型年及多年流量均值必須在同一流域的流量序列中選取。具體而言,先求流域河段各控制站多年流量均值Qx；再將各控制站年流量值與Qx比較,并得出控制站年模數值kit,其中i為控制站編號,t為觀測時間（年）,并通過式（1）計算流域河段年模數（其中N為流域河段控制站個數）；根據計算結果選擇流域河段年模數取值最接近1.0 的年份為典型年。如果所得到的結果≥2,則應以系列年模數偏差最小的年份為典型年。

對于人工補水性流域河段,應從突變點之后進行典型年選取,而對于無人工補水的天然河流則正好相反。結合我國西北地區流域河段季節性變化及生態需水特征,11月～次年3月進入枯水期,流域降水稀少,水生生物也進入冬眠期,生態需水量減少。在這一期間Tennant法認為流域河段流量的最低下限應為多年流量均值的10%,所以以多年流量均值的10%為計算流域河段生態基流量的基準。而4月～10月流域降水增大,水生生物開始進入產卵期和生長發育期,生態需水量增大。在此期間內多年流量均值的10%顯然無法滿足流域水生生物用水的最低需求,結合我國西北地區流域生態需水量方面的相關研究成果,將4月～10月計算流域河段生態基流量的基準確定為多年流量均值的15%,以較好地滿足流域河段水生生物最低用水需求。

1.2.2 月均流量

結合生態基流量的相關規定,為滿足流域河段水生生物生存的需要,必須充分考慮其正常產卵和繁育對水資源的需求。對于西北地區的流域河段,魚類一般從4月上旬開始產卵,生態需水量增大,4月～5月期間大部分魚類產卵,生態需水量持續增大,而當流域河段水位下降或流速降低,魚類產卵行為會停止。6月～9月水溫升高,魚類索餌生長過程加快,洪水將大量草根草籽樹葉帶入河道,為魚類生長帶來豐富的有機質。結合相關統計,魚類產卵所需要的最低流速為0.2 m/s～0.25 m/s,且0.25 m/s是保證魚卵漂浮安全的下限；從4月水生生物產卵期開始至8 月水生生物產育高峰期,流速應至少增大0.1 m/s。為進行流域生態基流量計算,必須充分考慮水生生物產育習性,將其繁育生長規律和流域河段水文情勢耦合后在Tennant法中增加流速條件,使其分析結果更加適宜流域水生生物生存繁育。

2 應用實例

2.1 流域概況

塔里木河流域地處南疆,流域全長2181 km,是我國第一大內陸河流,塔里木河流經塔克拉瑪干沙漠,沿線自然條件惡劣,水資源匱乏。流域主要由阿克蘇河、和田河、葉爾羌河、開都河等九大水系數百條河流組成（圖1）,其中位于塔河上游源流區的阿克蘇河、和田河、葉爾羌河等流域性塔河干流持續供水,形成四源一干的水資源區域調配供水格局,源流區三條流域向塔河所供水量分別占總調水量的72.8%、23.1%、4.1%。由于區域地形及氣候、降水等原因,塔里木河流域徑流年內波動劇烈,因汛期徑流量快速增大,往往造成洪水資源難以利用；而枯水期徑流量較小,甚至出現部分河段斷流,無法為流域水生生物提供基本的生存條件。通過分析塔河徑流年際變化規律及年內分配特征,計算塔河流域生態基流量,以便進行塔河流域水資源的合理開發利用。

圖1 塔里木河流域水系及站點

2.2 徑流變異診斷及還現

為消除極端值的干擾,通過適用于非正態分布的Mann-Kendall無分布檢驗方法[2]進行塔里木河流域徑流變異診斷,計算結果見圖2,由圖可知,UF統計量曲線和UB統計量曲線在2002 年首次相交,在2012 年出現第二個交點。實地調查結果顯示,塔里木河流域于2000 年左右開始修建大量水庫,對流域流量造成較大擾動,從2001 年開始對胡楊林嚴重衰敗的區域第一次調水,并同時進行部分河道整治,所以徑流突變點在2002 年出現實屬合理,故以2002 年為塔里木河流域徑流變異點。此外,從圖1還可以看出,在該徑流變異點之后流域流量呈逐年增大趨勢,為保證分析結果的準確性,對2002 年徑流突變點后的流量序列進行還現計算。

圖2 塔里木河流域徑流序列M-K變異診斷結果

在分析時,基于2002 年首個徑流突變點出現后的2002年～2020 年降水-徑流序列,構建塔里木河流域降水-徑流關系曲線,具體見圖3,所得出的塔里木河流域2002年～2020年降水-徑流關系式為y=0.1138x0.7224,相關系數R2=0.6110,相關系數小,說明塔里木河流域近年來受人工補水、人工調水等人為活動影響較大。

圖3 塔里木河流域降水-徑流關系曲線

應用上述方式對塔里木河流域2002年徑流突變點之前的徑流情況進行模擬,結果表明,在徑流突變前因塔里木河流域未進行人工補水,實測流量減小,可見,流量還原后生態基流量的分析對于恢復塔里木河天然水文情勢具有積極作用。

2.3 改進Tennant法計算生態基流量

基于還現后的塔里木河流域生態流量序列計算流域1965年～2015 年流量均值為3190 m3/s,比改進前增大。根據典型年選取方法,選擇1965 年實測逐月流量序列并進行同比縮放,直至多年平均流量修正后再與不同期流量百分比相乘,便可得出還現后的塔里木河流域逐月生態基流量,具體結果見表2。由表中結果可知,原Tennant法計算值使塔里木河流域實際來水過程線更加扁平化 ,不能滿足流域內水生物產育需求,而典型年逐月流量是考慮到水生生物產育需求后的最低流速,更能體現流域河流用水特點,也更能滿足流域內水生生物產育需求。綜合分析后采用流量還現進行年流量均值的修正,并采用改進的Tennant法更好地反應塔里木河天然水文情勢。

表2 還現后的塔里木河流域逐月生態基流量

3 結論

綜上所述,應多年流量均值坦化并削減了天然流域來水過程和流量峰值,導致Tennant法對于流量季節性變化較大的流域并不適用。通過選取典型年,并用典型年流量代替流域多年流量均值對Tennant法進行改進,以使其適用于季節性變化大流域河段生態基流量的估算。以Tennant法所給出的流域水生生物生存繁育水位流速臨界點為依據,確定出非汛期最小流量百分比數,進行流域河段平均流量的還原計算。實踐證明,改進后的Tennant法典型年流量計算過程更好地體現了流域河段流量的季節性變化,也更符合流域生態基流量相關要求。有利于保證流域河段流速及水深、水面寬度,確保流域河段水生生物棲息環境的良性發展。