基于改进Tennant法的南渡江生态基流计算

任 朋，齐 进

(山东省水利勘测设计院，济南 250013)

河道生态基流问题仍是近年来研究的热点和难点问题。目前，河道生态基流被广泛接受的定义是2001年钱正英[1]等在《中国可持续发展水资源战略研究综合报告》中提出：广义上的生态需水是指维持全球生态系统水分平衡包括水热平衡、水盐平衡、水沙平衡等所需用的水；狭义上的生态环境用水是指维护生态环境不再恶化，并逐渐改善所需要消耗的水资源总量。河道生态基流的方法大致可分为4类[2]：水文学法、水力学方法、生境模拟法和综合分析法。其中Tennant法作为水文学法中的一种河道生态径流量的计算方法被广泛应用。其仅用历史流量数据进行推导河流生态流量，计算方法算简单、方便，并容易将计算结果与水资源规划、环境保护和建设相结合等优点，故而被广泛推广[3]。Tennant法[4]是Tennant 等于1964-1974 年通过对美国干旱和半干旱地区的11 条永久性河流进行详细的野外调查研究的基础上提出的，故其适用范围具有一定的局限性。该方法应用的基础是对该地区的生态因素、地形因素较为了解，需要根据当地实际情况分析比例是否符合当地河流情况，并要结合当地河流管理目标，对该比例进行调整。因此不同的地区，不同的季节其比例均有差别。对此，国内学者对Tennant法因地制宜的提出了不同的改进方法。郑志宏[5]等引入中位数及众数理论，对传统Tennant 法进行改进，有效地去除了极端数据对统计规律的影响，找出了典型流量过程；田景环[6]等基于河流功能的量化计算，从计算时段标准、特征流量、综合影响因子等方面对Tennant 法进行改进，提高了模型的实用性；张泽聪[7]等针对传统的Tennant法计算河流生态基流不能反映河流水量季节性变化的问题，提出引入季节修正系数并利用中位数代替平均数计算多年平均流量的改进Tennant法。本文在原有的研究基础上，为能更精确的推求南渡江河道的生态径流量，引入季节修正系数，并采用中位数理论对传统的Tennant法进行改进，使求解的生态径流更符合南渡江的实际情况。并且在典型年选取过程中，提出根据汛期与非汛期的流量模数比进行选取典型年，使选取的典型年更有代表性。

1 生态径流量计算

1.1 传统Tenant法

Tennant 法是建立在干旱半干旱地区永久性河流基础上，判别栖息地环境优劣的推荐基流标准，解决的是水生生物、河流景观及娱乐与河流流量之间适应关系的问题。在Tennant法中，根据多年平均天然径流量百分比和河道内生态环境状况对应关系，将保护水生态和水环境的河流流量推荐值划分为8种标准[8]。他们在对考察河流的过程中[9]，认为：①最小生态需水量为河道多年平均流量的10 %时，研究表明这是一个维持大多数水生生物(尤其是鱼类)短期内最好生存的标准点或最低限度；②当河道内流量占年平均流量的60%～100%时, 河宽、水深及流速为水生生物提供优良的生长环境；③河道内流量占年平均流量的30%～60% 时，河宽、水深及流速对水生生物的生长环境而言，还是一般令人满意的。④对于河道多年平均流量的5%～10%而言，是保持绝大多数生物短时间生存所必须的瞬时最低流量，河道生态环境非常差。

Tennant法作为一种经验计算方法，具有以下缺点[10]：①选取多年平均流量的百分比为评判标准，典型性、代表性不强，对于许多地区河道经常受到极端来水情况的影响； ②比例确定问题，需要根据当地河流季节来流流量变化情况，分析调整Tennant 法中流量百分比标准； ③Tennant 法根据多年平均流量的一定比例统一划定，没有考虑水量需求的年内变化问题，与水生生物生境要求相左。

1.2 改进的Tenant法

1.2.1 季节修正系数

南渡江是位于湿润半湿润地区的永久性河流，有着非常明显的汛期(5-10月)和非汛期(11-4月)之分。故根据南渡江的汛期和非汛期时段将河流生态径流划分为这2个时段。

为了让Tennant法的计算标准更符合南渡江流量的季节性变化情况，引入季节修正系数对原Tennant法中流量百分比进行修正。由于南渡江水文资料齐全，故选择最能反应径流季节变化过程的年径流量，作为典型年相对较容易。典型年的选取方法根据南渡江的降雨特性做如下改进：

(3)求出非汛期和汛期研究河段的模数kFt，kXt，其计算公式为：

(1)

(2)

式中：n为控制站的个数。

(4)根据偏差变量Cv选出研究河段年内非汛期和汛期模数kFt,kXt最接近1.0的年份为典型年(即选取Cv越接近0的年份)；

(3)

由典型年的选取过程可知，典型年的流量过程可以更好的反应该河流的流量年变化特征。通过典型年引进季节修正系数对Tennant法流量百分比进行修正，可以使Tennant法计算得到的生态径流量更符合当地河流的实际情况。假设典型年i时段的流量为Q典i，多年平均流量为Q均i，则某一时间段的季节流量修正系为：

(4)

式中：i=1或2(1表示非汛期时段，2表示汛期时段)。

1.2.2 中位数代替平均数

由于南渡江位于海南岛上，有时候受到特大型台风的影响，往往造成某年的某月份的径流量产生极端值，从而对多年平均流量的产生影响。为了消除这种特殊年份台风带来极端值的影响，本文引进中位数来代替多年平均流量作为推荐基流量。中位数作为一个统计总体或分布数列中处于中等水平的标志值，是数组处于中间位置的变量值。当总体的分布呈偏斜分布时,分布偏斜度所造成的失真对中位数的影响较小[11]。故选取中位数作为计算的推荐基流具有一定的稳定性和代表性，符合Tennant法的内在原理。改进的Tennant法算法见表1。

表1 改进Tennant 法的生态径流量标准Tab1. Ecological runoff standards of improved Tennant method

2 实例应用

本次研究的河流是位于海南省的南渡江，南渡江流域面积7 033 km2，干流长335 km，流经海口市境内约75 km，于海口市三联村汇入琼州海峡。自下而上设立有龙塘、定安、金江、迈湾、三滩、南丰、福才、白沙和细水等水文(水位)站。

本次选取的河流断面是永发镇到龙塘水文站。龙塘站始建于1954年6月，它位于龙塘镇上游300 m处，属南渡江出海河口的控制站，自1956年至今有连续的水文资料，而且资料全、质量可靠，能满足分析计算的需要。本次统一采用1956-2000年实测径流系列进行南渡江下游地表水资源分析计算。由于Tennant法所需要的资料为天然径流量，故需要将水文站实测的实际径流量还原为天然径流量。根据《南渡江龙塘坝下游至出海口江水综合利用研究》分析可知，流域下垫面的变化对径流变化影响不大，年径流没有明显的衰减和增加态势，因此，不需要对实际径流量还原为天然径流量。根据改进Tennant法选取典型年的步骤运用式(1)及式(2)求解研究河段非汛期模数和汛期模数值(图1)，进而根据偏差变量可确定选取典型年为1974年。根据式(4)可求得非汛期的季节修正系数为0.88，汛期的修正系数为0.89。

图1 龙塘水文站非汛期和汛期流量模数随时间变化图Fig.1 Change of non-flood season and flood season runoff modulus ratios at Longtang Station with the time

应用基于中位数理论的Tennant 法，将45 a的每个月的天然径流量值按降序( 或升序) 排列，取其中位数作为改进Tennant法的推荐基流的基础资料(见表2)，进而求取南渡江下游非汛期( 10 月-翌年4 月) 中位数的平均流量值为83.83 m3/s，以此为改进Tennant法的推荐基流；同样汛期( 4-9 月) 推荐基流量值为186.70 m3/s。根据上述的计算数值，运用改进的Tennant进行求解生态径流，同样根据表3的多年月平均流量值，运用传统Tennant法进行生态径流计算。具体求解结果见表4。

表2 1956-2000年龙塘水文站逐月径流中位数 m3/sTab.2 Month by month median flow at Longtang station from 1960 to 2000

表3 1956-2000年龙塘水文站逐月径流平均数 m3/sTab.3 Month by month average flow at Longtang station from 1960 to 2000

根据表4分析可知，传统Tennant法得到的非汛期最小生态径流量为8.47 m3/s，最佳生态流量为50.80 m3/s；汛期最小生态流量为20.76 m3/s，最佳生态流量为124.56 m3/s。改进Tennant法得到的非汛期最小生态径流量为7.37 m3/s，最佳生态流量为44.22 m3/s；汛期最小生态流量为16.47 m3/s，最佳生态流量为98.83 m3/s。改进后的Tennant法计算得到的最小生态流量在非汛期和汛期分别比传统Tennant法的计算值减少13%和20.7%；最佳生态流量分别减少13%和20.7%。

表4 生态径流量计算值 m3/sTab.4 Ecological runoff calculation values

3 结 论

(1)本文根据南渡江的地理气候特征，计算出了南渡江的生态径流，为南渡江的水资源合理开发利用和规划，提供参考依据。

(2)与传统Tennant法相比较，引进季节修正系数，使改进的Tennant法更符合南渡江的河流特性。在选取典型年时，引进汛期和非汛期的流量模数比，选择典型年，从而使选取的典型年更有代表性。引进中位数理论进行分析计算，得到的计算结果均偏小于传统Tennant法的计算结果，可以有效的减小特殊年份特大降雨造成河道流量极端值带来的影响。

(3)本文改进Tennant法的思路可以运用于其他类似河道的生态径流量计算，为其他河道的生态径流量计算提供一种新的方法。