改进的TENNANT模型在区域河道生态需水评价中的应用研究

林树刚

（辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110500）

改进的TENNANT模型在区域河道生态需水评价中的应用研究

林树刚

（辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110500）

本文引入改进的TENNANT模型对辽宁中部区域河道生态需水进行评价，研究结果表明：相比于传统的TENNANT模型，改进的TENNANT模型在生态等级划分时可综合考虑最优生态需水的上限和下限，且采用超频计算原则，可避免极端事件对河流生态需水评价的影响，对区域生态需水评价结果更为合理，符合河流实际生态情况。研究成果对于区域河道生态需水评价和生态需水承载能力分析具有参考价值。

传统TENNANT模型；改进TENNANT模型；河道生态需水评价；辽宁中部区域

当今，随着区域可用水资源量与供水之间矛盾的日益突出，区域河道内的生态需水逐步被其他用水挤占，河道内的生态用水不能得到满足，河道内生态系统的健康发展难以得到保证。在河道内生态需水计算的基础上，如何对区域河道生态需水进行有效评价，成为国内许多学者关注的热点问题，许多学者对河道生态需水计算进行研究，并取得一定的研究成果［1-5］，但对河道生态需水评价研究还较少。传统的TENNANT模型是应用较为广泛的一种河道生态需水评价方法［6-10］，但其采用平均流量来反映样本总体的发展趋势，不能避免极端对统计数据的影响，存在一定的局限。为此，本文引入改进的TENNANT模型对区域河道生态需水进行评价，该模型引入超频率的概念，屏蔽极端对统计数据的影响，并在生态径流划分等级时可综合考虑最优生态需水的上限和下限，研究成果对于区域河道生态需水评价和生态需水承载能力分析具有参考价值。

1 改进的TENNANT模型原理

改进的TENNANT模型在传统TENNANT模型基础上，应用中位数的原理对传统模型的分级标准进行改进，从而可以对河流多个属性的生态需水进行评价，进行河流生态需水年际变化和年内分配，构建了不同频率下的超频生态径流计算方法，计算公式为：

式（1）中pij表示为第 j个年份数据组第i个月份超过某一频率的百分比；

rij则表示为区域流量日尺度系列从大到小排序的序号；mi表示为第i个月份所占据的天数（i=1，2….12月）；nj表示为第j个年份数据组所占据的年份数（j=1，2，3分别对应丰水年、枯水年以及平水年）。

传统的TENNANT模型生态径流方法将生态径流划分成10个等级，改进的TENNANT模型将生态径流最小值到最优生态需水的上限范围值之间划分成10个生态等级，第6个等级下表示为最优生态需水的下限范围值，等级划分的计算公式为：

式（2）中E0（ij）表示为第j个年份数据组第i个月份生态最优值上限范围值；Q50（ij）和Q90（ij）则分别表示为第j个年份数据组第i个月份中位数值50%和75%百分比下对应的历史流量数据点。

改进的TENNANT模型为避免极端事件对河流生态需水评价的影响，对生态径流划分等级标准的Q50进行了改进计算，等级划分数量的计算公式为：

在生态径流划分等级数量后，对各个年组以及月份的生态径流分级数进行定量化计算，结合 nij数据系列的中位数的具体计算原理，若方程计算返回得到不同等级的数量，则计算平均值，计算方程为：

式（4）中N表示为模型生态需水评价最后的生态等价划分数；Averag以及MOD则表示模型求解中数函数以及平均值的函数表达式。

结合传统TENNANT模型生态径流划分等级的标准，改进的TENNANT模型生态径流划分等级的标准为：

式（5）中Em表示为第m个等级的生态需水量；Q50表示为生态最优值的上限范围值；Q75表示为生态最优值的下限范围值。

2 实例应用

2.1 研究区域概况

研究区域位于辽宁中部区域，河流干流的总长度为25km，河流多年平均降水量达到750mm，区域内用水主要为生活和农业用水，生活用水所占比例为45%。为对区域内主干流河道的生态需水进行评价，在区域主干流河道上设置三个断面（水文站附近），各断面分布见图1。断面流量数据为水文站实测流量数据，结合流量数据，分别采用最小生态需水以及三频率下的最优生态需水方法分别计算区域内主干河道的最小和最优生态需水量，在此基础上结合改进的TENNANT模型对区域的生态需水进行评价。

图1 研究区域计算断面分布图

2.2 区域河道生态需水计算

2.2.1 最小生态需水计算

计算各断面每月最小流量的均值，作为流域的最小生态需水量，计算结果见表1。三个断面生态径流过程，见图1。

表1 研究区3个断面最小生态径流量及最小生态需水量

图1 研究区域3个断面的最小生态径流过程

从表1可以看出3#断面最小生态需水量最大，1#断面最小生态需水量最小，这主要是因为3#断面位于干流河道的下游，1#断面位于干流河道的上游，因此3#断面的生态需水量大于 1#断面的生态需水量。从图 1中可以看出，4～9月份的最小生态需水量大于10～3月份的最小生态需水量，这主要是因为4～9月份来水量较大，河道生态需水量也相对较大，而在10～3月份来水量较小，采用逐月最小流量作为最小生态径流量，因此在10～3月份其最小生态需水量最小。

2.2.2 最优生态需水计算

采用逐月频率计算区域河道最优生态需水，本文采用对应改进的TENNANT模型中选取的频率（50%以及75%），计算逐月频率下河道最优生态需水，此外结合区域3处断面多年平均流量数据绘制区域多年平均径流过程，详见表2以及图2。

表2 研究区域3个断面最优生态径流量及最优生态需水量

表2为采用对应改进的TENNANT模型选取的频率计算的研究区域河道最优生态需水量，从表中可以看出，最优生态需水计算值都大于区域河道的最小生态需水量，最优生态需水是满足区域河道达到中等或者最佳生态情况的需水量，而最小生态需水量为满足区域河道最低生态系统所需要的水量，因此最优生态需水量要大于最小生态需水量。同最小生态需水一样，最优生态需水量从上游到下游，逐步增加。图 2为三个断面最优生态径流的过程，从图中可以看出，三个断面计算的最优生态径流的过程和多年平均值较为相似，最优生态需水受区域来水量的分配影响较大。在 4～9月份来水量较大，其最优生态需水量也较大，而在10～3月份由于来水量较小，其最优生态需水量相对较小。

2.3 区域河道生态需水评价

在区域最小和最优生态需水计算的基础上，分别采用传统TENNANT模型和改进的TENNANT模型对研究区域河道最小生态需水量和最优的生态需水量进行评价计算，计算结果见表3和表4。

表3 研究区三处断面最小生态需水评价结果

表4 研究区三处断面最优生态需水评价结果

表3为分别采用传统TENNANT模型和改进的TENNANT模型评价研究区域河道三处断面最小生态需水的评价结果，经过传统模型评价的三处断面最小生态需水情况下，其河流将达到较差和中等的生态程度，而改进模型评价评价的三处断面最小生态需水情况下其河流生态评价结果要差于传统模型，这主要是在最小生态需水下，河流生态系统平衡很难得到保证，其中1#和3#断面在最小生态需水情况下其主干河道将达到极差的情况，通过对区域历史河流断流情况进行调查，1#和3#断面在最小生态需水情况下，河流处于断流的边缘，河流生态系统将得到破坏，这和应用改进的TENNANT模型评价的结果相吻合。通过对比传统TENNANT模型和改进的传统TENNANT模型对区域河道最小生态

图3 研究区域三个断面的最优生态径流过程

需水的结果可以看出，改进的TENNANT模型对于区域最小生态需水评价和区域河道生态情况更为吻合，区域最小生态需水很难满足区域河道生态系统的稳定，应在河道来水量较少的年份中，尽可能多的保证河道内的水量与区域河道最小生态需水量。

表4为分别采用传统TENNANT模型和改进的TENNANT模型评价研究区域河道三处断面最优生态需水的评价结果，从两种模型评价的结果可以看出，各断面在最优生态需水情况下，两种模型评价的结果区域河道生态将达到中等到好的状态，其中改进模型在区域河道生态情况评价的结果要好于传统的模型，这是因为改进的模型采用频率为50%和75%的超频方法评价生态需水情况，从而避免极端事件对河流生态需水评价的影响，评价结果更为合理，通过对实地调查发现，改进的TENNANT模型评价的最优生态需水情况与实际情况较为吻合。

3 结论

本文采用改进的TENNANT模型对区域河道最小和最优生态需水进行评价，研究取得以下结论：

（1）相比于传统TENNANT模型，改进的TENNANT模型在研究区域河道生态需水评价结果更为合理，区域最小生态需水很难满足区域河道生态系统的健康，在枯水季节，应增加区域内的河道水量，从而能满足区域河道生态系统的稳定；

（2）由于采用超频计算原则，改进的 TENNANT模型可避免极端事件对河流生态需水评价的影响，对最优生态需水评价的结果要好于传统TENNANT模型。

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X171

A

1672-2469（2017）02-0072-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.023

2016-07-16

林树刚（1980年—），男，工程师。