基于Tennant改進(jìn)法的云南高開發(fā)利用河流生態(tài)流量研究

李 姣，李學(xué)輝

(1.云南省水文水資源局紅河分局，云南 紅河 661199；2.云南省水文水資源局，云南 昆明 650106)

江河湖泊是地球孕育生命、滋養(yǎng)文明的源泉，是人類賴以生存和可持續(xù)發(fā)展的重要支撐。隨著人類需求的不斷增加，部分地區(qū)水資源開發(fā)利用程度不斷加劇，出現(xiàn)了河流斷流、湖泊萎縮、生物多樣性受損、水生態(tài)功能下降等嚴(yán)峻問題，保護(hù)江河湖泊已經(jīng)成為事關(guān)人民群眾的美好生活愿望福祉迫切要求。河流生態(tài)流量是維系江河湖泊生態(tài)系統(tǒng)的基本要素，是控制水資源開發(fā)利用強(qiáng)度的重要指標(biāo)，開展河流生態(tài)流量研究是落實(shí)生態(tài)文明建設(shè)的重要舉措。

國外對生態(tài)流量的研究可追溯到20世紀(jì)40年代初的河道枯水流量、河道基流的研究，針對保護(hù)瀕危物種或擴(kuò)大生態(tài)保護(hù)范圍分不同目標(biāo)在水文學(xué)、水力學(xué)、專家模式和整體法等方面形成了較完善的生態(tài)流量研究體系；近20年來，水文學(xué)法得到了世界各地的廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟[1]。中國在學(xué)習(xí)和引進(jìn)生態(tài)環(huán)境研究方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了大量分析研究，徐志俠、王浩、陳敏建等[2-5]提出基于水文和河道形態(tài)分析、生物空間最小需求、魚類生境法和魚類生物量等生態(tài)需水計(jì)算方法研究；趙越等[6]通過生分析魚類產(chǎn)卵期的生態(tài)水文事件組成，推求滿足其產(chǎn)卵需求的流量過程，并通過生態(tài)調(diào)度對流量過程進(jìn)行改進(jìn)；董哲仁等[7]解析了生態(tài)流量的科學(xué)內(nèi)涵，提出了水文情勢改變和生態(tài)響應(yīng)的生態(tài)流量研究方向；王中根等[8]從生態(tài)流量概念的提出、演化和內(nèi)涵與外延等方面，對生態(tài)流量的概念進(jìn)行了解析，歸納了主流的計(jì)算方法；高雪山等[9]以代表魚類為生態(tài)保護(hù)目標(biāo)，根據(jù)濕周、流速與流量的關(guān)系，推求魚類不同生命周期的生態(tài)流量；成波等[10]基于對長江流域生態(tài)流量現(xiàn)狀進(jìn)行梳理分析，開展了生態(tài)流量調(diào)查和遠(yuǎn)程監(jiān)控等實(shí)踐工作，提出了科學(xué)確定生態(tài)流量管控目標(biāo)，強(qiáng)化監(jiān)控監(jiān)測的改進(jìn)措施和建議。

20世紀(jì)70年代，Tennant[11]在對河道生態(tài)需水研究的基礎(chǔ)上提出了Tennant法，該法奠定了河道生態(tài)需水的理論基礎(chǔ)，而它是基于對美國干旱地區(qū)河流調(diào)查研究提出的，根據(jù)多年平均流量的百分比對河流生態(tài)環(huán)境狀況進(jìn)行劃分，其對河流年內(nèi)水量季節(jié)性變化考慮不全面，適用范圍在中國具有一定的局限性。國內(nèi)學(xué)者對Tennant法提出了不同的改進(jìn)方法，鄭志宏等[12]通過中位數(shù)、眾數(shù)理論對Tennant法進(jìn)行了改進(jìn)，減小了極端值對結(jié)果的影響；吳國燕[13]對Tennant法的汛期、非汛期河道環(huán)境需水量依據(jù)灌區(qū)河道水文特征周期加以修正；黃強(qiáng)等[14]在黃河干流生態(tài)需水量計(jì)算時(shí)引入環(huán)境比降參數(shù)。國內(nèi)學(xué)者對Tennant法的研究多在北方地區(qū)，對南方地區(qū)山區(qū)中小河流探討較少。本文在原有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合云南河川徑流年內(nèi)豐枯變化規(guī)律及高開發(fā)利用河流“用水期”“防洪期”“蓄水期”的用水特性對傳統(tǒng)的Tennant法進(jìn)行改進(jìn)，使生態(tài)流量更符合云南開發(fā)利用河流實(shí)際情況，對于開展云南高開發(fā)利用河流生態(tài)保護(hù)和修復(fù)具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

云南位于青藏高原南延和云貴高原西部，境內(nèi)地形地貌復(fù)雜，河流湖泊眾多，由于干濕季分明，眾多河流均修建了水庫，以保障生產(chǎn)生活用水需求；而河流高差大、水量豐富，眾多河流進(jìn)行了水電開發(fā)。由此，云南部分河流水生態(tài)問題較為突出，生態(tài)流量保障程度較差。

牛欄江是金沙江右岸一級支流，作為滇池補(bǔ)充水源，牛欄江是云南境內(nèi)水資源開發(fā)利用率較高的河流之一。牛欄江發(fā)源于尋甸縣金所鄉(xiāng)老黃山，源地高程2 295 m，于巧家縣紅山鄉(xiāng)棉花地注入金沙江，匯口地高程527 m；河流長度439.6 km，落差1 768 m，平均比降4.4‰，省內(nèi)集水面積11 426 km2。河流地處云貴高原向四川盆地的過渡地帶，屬于高原季風(fēng)氣候，年降水量約972.7 mm。河流中游建有德澤水庫，為牛欄江滇池補(bǔ)水的水源地；德澤水庫下游有黃梨樹水文站，集水面積7 035 km2。干流水能蘊(yùn)藏量150萬kW，目前流域內(nèi)有水電站51座，總裝機(jī)規(guī)模106.93萬kW，其中干流5座、支流46座[15]。

牛欄江生態(tài)流量的研究，對于其河流水生態(tài)保護(hù)和修復(fù)具有重要意義。因此，選取黃梨樹站1956—2016年(共61年)的逐月還原流量系列作為生態(tài)流量計(jì)算的依據(jù)，選取黃梨樹站1956—2016年的實(shí)測月平均流量系列作為滿足率評估的依據(jù)。

2 生態(tài)流量計(jì)算方法

根據(jù)云南河流特性、水資源狀況，按照易于操作、便于實(shí)施、合理可行的原則，依據(jù)提出的Tennant改進(jìn)法及常用的Qp法、月流量變動(dòng)法和頻率曲線法作為生態(tài)流量研究的方法。

2.1 Tennant改進(jìn)法

傳統(tǒng)Tennant法將全年劃分為汛期和非汛期2個(gè)時(shí)期，各時(shí)期根據(jù)河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況與多年平均流量的百分?jǐn)?shù)對應(yīng)關(guān)系，計(jì)算這一時(shí)期的生態(tài)流量，評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。傳統(tǒng)Tennant法全年僅分為汛期與非汛期2個(gè)生態(tài)流量值，無法反映河流流量的季節(jié)性變化規(guī)律。

表1 Tennant法生態(tài)流量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

按高開發(fā)利用河流特性，將全年劃分為“用水期”“防洪期”“蓄水期”，各時(shí)期根據(jù)河道內(nèi)用水需求及生態(tài)環(huán)境狀況選取百分比，時(shí)期內(nèi)各月按時(shí)期的百分比與各月多年平均流量來逐月計(jì)算生態(tài)流量值，以對傳統(tǒng)Tennant法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量的季節(jié)性變化。

a)用水期。12月至次年6月，為流域內(nèi)主要用水期，用水以牛欄江-滇池補(bǔ)水、流域內(nèi)農(nóng)業(yè)用水為主。其中4—6月是土著魚類產(chǎn)卵繁育高峰期，需要一定的水深及水面寬等良好的水域環(huán)境；3—5月是河谷植被的萌芽期，該時(shí)期降雨量少而植被蒸散損耗量大，是河谷植被需水高峰期[16]。該時(shí)期主要考慮流域內(nèi)魚類產(chǎn)卵及河谷植被生態(tài)環(huán)境用水需求，以及該時(shí)期河流較枯的水文情勢，適宜的生態(tài)流量選取表1中“極好”狀況下對應(yīng)的百分比，該時(shí)期內(nèi)各月生態(tài)流量取各月多年平均流量的40%。

b)防洪期。7—9月，為主汛期，徑流占全年的50%以上，河流水量大，水庫以安全度汛為首要任務(wù)，要求在汛限水位以下運(yùn)行，降低水位運(yùn)行甚至空庫運(yùn)行；該時(shí)期河水中含沙量高，一般允許小洪水及中洪水產(chǎn)生，以維持河道內(nèi)的沖淤平衡，而洪水淹沒河灘地的流量過程也可滿足河岸周邊生物的生存需求。該時(shí)期主要考慮流域內(nèi)行洪、沖淤需求，結(jié)合該時(shí)期河流較豐的水文情勢，適宜的生態(tài)流量選取表1中“非常好”狀況下對應(yīng)的百分比，該時(shí)期內(nèi)各月生態(tài)流量取各月多年平均流量的50%。

c)蓄水期。10—11月，為水庫蓄水期，該時(shí)期流域內(nèi)基本沒有較大降雨過程，來水主要靠流域內(nèi)的滲水，因此10—11月的來水情況基本決定了當(dāng)年末和次年枯期的來水量。該時(shí)期主要考慮水利工程蓄水需求及維持河流生態(tài)環(huán)境功能所需水量，適宜的生態(tài)流量選取表1中“好”狀況下對應(yīng)的百分比；各月生態(tài)流量取各月多年平均流量的30%。

2.2 常用水文學(xué)方法

a)Qp法。又稱不同頻率最枯月平均值法，以控制斷面長系列(≥30年)天然月平均流量、月平均水位或徑流量(Q)為基礎(chǔ)，用每年的最小月平均流量組成的系列排頻，選擇不同頻率下的最枯月平均流量、月平均水位或徑流量作為節(jié)點(diǎn)，即基本生態(tài)環(huán)境需水量的最小值。根據(jù)云南水資源干濕狀況、水資源開發(fā)利用程度、河流來水等情況，頻率P取90%。

b)月流量變動(dòng)法(VMF法)。適用于有水生生物保護(hù)對象的河流，根據(jù)月平均流量占年均流量的比重，將年內(nèi)水期劃分成豐水、平水和枯水3個(gè)水期。當(dāng)多年月平均流量大于年均流量的80%時(shí)，確定為豐水月份，其生態(tài)流量取值為月平均流量的30%；當(dāng)月平均流量小于等于年均流量的80%、大于40%時(shí)，確定為平水月份，生態(tài)流量取月平均流量的45%；當(dāng)月平均流量小于等于年均流量的40%時(shí)，確定為枯水月份，生態(tài)流量取多年月平均流量的60%。

c)頻率曲線法。用長系列水文資料的月平均流量、月平均水位或徑流量的歷史資料構(gòu)建各月水文頻率曲線，將95%頻率相應(yīng)的月平均流量、月平均水位或徑流量作為對應(yīng)月份的節(jié)點(diǎn)基本生態(tài)環(huán)境需水量，組成年內(nèi)不同時(shí)段值，用汛期、非汛期各月的平均值復(fù)核汛期、非汛期的基本生態(tài)環(huán)境需水量。頻率取95%，該方法一般需要30年以上的水文系列數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 年月生態(tài)流量分析

4種水文學(xué)計(jì)算方法的生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果見表2，流量年內(nèi)分配過程線見圖1。

圖1 不同水文學(xué)方法計(jì)算結(jié)果對比

表2 計(jì)算結(jié)果 單位：m3/s

根據(jù)黃梨樹站多年平均天然徑流年內(nèi)分配過程可以發(fā)現(xiàn)，其季節(jié)性變化明顯，枯水期和豐水期流量相差較大，7—9月為主汛期，其流量占全年的50%，1—5月流量相對較少，僅占全年的17%。

4種方法計(jì)算的年均生態(tài)流量介于19.2～37.8 m3/s，占多年平均流量的22%～43%，Qp法年生態(tài)需水量最小，Tennant改進(jìn)法年生態(tài)需水量最大。

對比4種方法各月生態(tài)流量計(jì)算結(jié)果，除Qp法外，其余方法均能體現(xiàn)不同水期生態(tài)流量的豐枯變化。在天然徑流較少的1—5月，Tennant改進(jìn)法計(jì)算的生態(tài)流量低于頻率曲線法和月流量變動(dòng)法；在天然徑流較豐的7—9月，Tennant改進(jìn)法計(jì)算的生態(tài)流量明顯高于其余幾種方法。在4種方法中，Tennant改進(jìn)法在枯水期和豐水期的生態(tài)流量變幅最大，7—9月生態(tài)流量占全年的57%，1—5月占全年的16%，較貼合多年平均天然徑流的年內(nèi)分配過程，在體現(xiàn)流量的年內(nèi)季節(jié)性變化特征方面具有更高的敏感度，各月生態(tài)流量也更能反映天然徑流的逐月間變化規(guī)律。

3.2 Tennant法評價(jià)

采用Tennant法對4種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行逐月生態(tài)環(huán)境狀況評價(jià)，評價(jià)結(jié)果見表3。由表3可知，11月至次年5月，河道內(nèi)流量較少的時(shí)期，4種方法計(jì)算的生態(tài)流量對應(yīng)的生態(tài)環(huán)境狀況均在“好”以上等次，均可滿足河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境用水需求；6—10月，河道內(nèi)流量較豐的時(shí)期，Qp法、頻率曲線法、月流量變動(dòng)法均出現(xiàn)生態(tài)環(huán)境狀況評級為“差”的月份，僅能滿足絕大多數(shù)水生生物短時(shí)間生存所必需的最低流量。綜合各月評價(jià)結(jié)果來看，Tennant改進(jìn)法均無評級為“差”的月份，各月對應(yīng)的生態(tài)環(huán)境狀況較好。

表3 Tennant法評價(jià)結(jié)果

3.3 滿足率評估

將4種方法各月生態(tài)流量與歷年實(shí)測月平均流量對比，按不同水平年、年內(nèi)不同水期進(jìn)行各方法生態(tài)流量滿足率分析，結(jié)果見表4。由于受人類活動(dòng)取用水及極端天氣影響，4種方法的滿足率均不能達(dá)到100%。4種方法總體滿足率無較大差距，滿足率均較高，介于90%～97%，Qp法滿足率最高，頻率曲線法滿足率最低。

枯水年來水量少，在枯水年份保障生態(tài)流量尤為重要，加之水生生物在枯水期對流量需求最為敏感，很多水生生物，如藻類、魚類均在枯水期物種大量減少或死亡，因此有必要適當(dāng)提高枯水年份枯期生態(tài)流量的滿足率[17]。由表4可見，Tennant改進(jìn)法枯水年枯期滿足率明顯高于其余3種方法。

3.4 討論

目前，國內(nèi)對Tennant法的改進(jìn)，主要是通過選取典型年的流量，或是根據(jù)河流水生態(tài)環(huán)境的季節(jié)性規(guī)律及水生生物種群的活動(dòng)周期對年內(nèi)水期進(jìn)行修正劃分，從而符合河川徑流年內(nèi)豐、平、枯的變化規(guī)律。通過采用中位數(shù)及眾數(shù)理論以減小Tennant法計(jì)算結(jié)果受極端值的影響，使計(jì)算的生態(tài)流量更符合流域?qū)嶋H。

基于已有研究，結(jié)合云南高開發(fā)利用河流不同時(shí)期用水特性劃分水期，各時(shí)期根據(jù)河道內(nèi)用水需求及生態(tài)環(huán)境狀況選取百分比，逐月計(jì)算生態(tài)流量值以實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量的季節(jié)性變化。通過與其余3種常用水文學(xué)方法的比較，提出的Tennant改進(jìn)法在滿足開發(fā)利用河流用水特性、天然河流年內(nèi)豐枯變化規(guī)律、河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況、枯水期生態(tài)流量滿足率方面有明顯優(yōu)勢。但由于不同河流的形態(tài)參數(shù)、水文氣候不一，形態(tài)相似性不一，將該法移植到其他河流使用具有一定的局限性，且各月水情變化的百分比的選取過程中具有較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性和主觀性，使百分比系數(shù)難以確定[18]。

未來可將河流的生物及物理信息需求納入分析以進(jìn)一步進(jìn)行改進(jìn)，并綜合水力學(xué)法、環(huán)境流量評估法和水文學(xué)法進(jìn)一步研究，以完善方法的適用性。

4 結(jié)論

根據(jù)云南高開發(fā)利用河流用水特性提出Tennant改進(jìn)法計(jì)算生態(tài)流量，基于牛欄江水系黃梨樹斷面長序列實(shí)測及還原流量數(shù)據(jù)，與其他3種常用的水文學(xué)方法進(jìn)行對比分析，得出如下結(jié)論。

a)年內(nèi)水期劃分方面，Qp法、頻率曲線法沒有劃分水期，月流量變動(dòng)法劃分了枯期、汛期，Tennant改進(jìn)法結(jié)合了徑流年內(nèi)的豐枯變化及高開發(fā)利用河流不同時(shí)期用水特性劃分了用水期、防洪期和蓄水期，Tennant改進(jìn)法的水期劃分充分考慮了高開發(fā)利用河流生態(tài)系統(tǒng)不同時(shí)期對水文條件的需求。

b)流量季節(jié)性變化方面，在4種方法中，Tennant改進(jìn)法在枯水期和豐水期的生態(tài)流量變幅最大，較貼合多年平均天然徑流的年內(nèi)分配過程，在體現(xiàn)流量的年內(nèi)季節(jié)性變化特征方面具有更高的敏感度，各月生態(tài)流量也更能反映天然徑流的逐月間變化規(guī)律。

c)Tennant法評價(jià)結(jié)果來看，Tennant改進(jìn)法計(jì)算的各月生態(tài)流量對應(yīng)的河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況評級為中等以上，生態(tài)環(huán)境狀況相對其他方法較好。

d)滿足率方面，Tennant改進(jìn)法年生態(tài)需水量最大，但其對應(yīng)的總體滿足率并不是最低的，且其在枯水年枯期滿足率明顯高于其余3種方法。

e)生態(tài)保護(hù)需求支持方面，Tennant改進(jìn)法的用水期充分考慮了流域內(nèi)魚類產(chǎn)卵及河谷植被生態(tài)環(huán)境用水需求，防洪期主要考慮流域內(nèi)行洪、沖淤需求及河岸周邊生物生存需求，蓄水期主要考慮水利工程蓄水需求及維持河流生態(tài)環(huán)境功能所需水量。根據(jù)各時(shí)期生態(tài)環(huán)境用水需求來選取各時(shí)期生態(tài)流量占多年平均流量的百分比，從而使生態(tài)流量充分滿足流域內(nèi)不同時(shí)期對水環(huán)境、水生態(tài)保護(hù)的需求。

綜上，Tennant改進(jìn)法對于計(jì)算高開發(fā)利用河流生態(tài)具有一定的優(yōu)勢，對于開展云南高開發(fā)利用河流生態(tài)保護(hù)和修復(fù)具有重要意義。