基于改进 Tennant 法的下河套水库坝下河段生态基流计算

周晓玉

(凌源市水务局，辽宁 凌源 122500)

在相当长的时期内，水资源的开发利用侧重于工农业生产和居民生活方面，对生态环境用水的重视不足，最终导致水资源和生态环境破坏严重，生态环境问题日渐突出[1]。河川径流是地表水资源的主要表现形式，不仅是人类文明产生和发展的基础，同时也为当前的国民经济发展和社会进步提供了必要的水资源支持[2]。在人类进入工业化时代以来，各种工程技术手段被用于河流开发，在提高水资源利用效率的同时，也对河流本身的物理结构造成显著影响，最终造成河流生态的恶化[3]。因此，在水利工程建设和运行过程中，必须维持生态基流，保持河道的物理结构和生态功能。因此，有必要对河流的生态基流进行深入探讨，在保持河道生态环境的前提下，实现有限水资源的合理配置。在生态基流计算的水文学方法中，Tennant法是应用较广泛的方法，但是该方法侧重与河道流量的年际变化，对河道丰水期和枯水期流量的差距重视不足。基于此，此次研究提出了一种改进Tennant法，实现对背景工程坝下河段生态基流的准确计算。

1 改进 Tennant 法原理

1.1 Tennant 法

Tennant 法是田纳特等专家在1976年提出的一种用于栖息地健康状况评价的方法[4]。1964—1974年，田纳特等专家对11条河流的生态情况进行了可深入研究，这些河流地处偏远，受人类活动的影响很小。在对上述河流的流量与过流面积进行观测的基础上，分析其对渔业的影响，并最终汇总成Tennant法。目前，Tennant法主要应用于河流生态需水量和生态基流的估算[5]。

通过长期的应用，发现Tennant法在用于北方地区河流的生态基流计算过程中，存在一定的局限和不足。从方法的原理来看，主要是计算获取天然河流的多年或月平均流量，然后通过分期百分数对生态需水量进行分级。显然，多年平均流量的影响因素较多，属于多种可能性数据的综合，因此会造成年内和年际之间的差异性被明显消弱，从而使流量过程扁平化，难以科学、合理描述北方河流的水文特征。

1.2 改进Tennant 法

随着经济社会的发展，我国对河流水资源的开发和利用程度不断提高，特别是修建了水库等水利工程的河流，其水文过程会受到这些水利工程的严重影响，因此并不满足传统Tennant 法的使用前提[6]。因此，在利用该方法进行生态基流的计算过程中，必须要对相关的流量资料进行筛选和修正，以保证结果本身的真实性，最大限度避免扁平化数据对计算结果的影响。

对于此次研究的下河套水库流域而言，由于其位于季风气候区，有着十分明显的汛期和非汛期。因此，需要分为汛期和非汛期2个时段对生态基流进行研究[7]。为了使计算结果能够符合汛期和非汛期季节变化特征，研究中引入季节修正系数对原Tennant 法中的流量百分比进行修正。由于下河套水库建成较早，因此流域内有比较齐全的水文资料，因此研究中选择最能反映季节变化的年径流量作为典型年，其选取方法结合流域特征进行如下改进。

首先，求出流域内系列年的汛期和非汛期平均流量；然后，计算汛期和非汛期流量与平均流量的比值，并将其作为流量模数；最后，将流量模数最接近1.0的年份作为典型年。显然，利用典型年的季节修正系数对流量百分比进行修正，可以使生态基流的计算结果更符合河流的实际情况。

由于研究区属于典型的季风气候特点，降水的年际和年内变化较大，往往会在某年或某个月份产生降雨的极端值，并对多年径流量造成比较明显的影响[8]。为了消除上述影响，研究中引入中位数代替多年平均流量组委推荐基流，这不仅具有一定的稳定性和代表性，同时也符合Tennant 法的基本原理。

2 案例应用

2.1 研究区概况

下河套水库位于凌源市四合当镇下河套村。属于大凌河西支，渗津河流域上游一级支流。水库流域全长12.8km，水库坝址以上控制面积55km2；该库始建于1971年，1974年8月建成投付使用，属小(一)型水库。根据流域内的多年气象资料，多年平均降雨量为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%，多年平均蒸发量为1021.5mm。其中，4—9月的蒸发量最大，占到年蒸发量的81.5%左右。流域内的多年平均气温为8.7℃，极端最高气温38.7℃，极端最低气温为-36.3℃。初冰期一般在每年的10月中旬，最大河心冰厚为50cm，最大冻土深度1.6m。水库的下游河道水资源原本十分丰富，为各种动植物提供了良好的栖息地条件，因此生物的多样性比较丰富。但是，由于上游水库的建成和使用，使下游河段长期处于脱水和减水状态，对生态环境造成了比较严重的影响。

2.2 生态基流的计算

研究中选择的河流断面为下河套水库下游1230m的毕杖子水文站，该站始建于20世纪60年代，属于流域内重要的控制站点，拥有相对比较完整的水文资料，完全可以满足本次研究的实际需要。此次研究统一选用1965—2020年的实测径流系列，对流域内的地表水资源进行分析计算。由于Tennant 法在计算过程中需要天然径流量资料，因此需要对实测径流量进行转换，获取天然径流量，具体的计算结果如图1所示。

图1 流域年均径流量变化曲线

由图1中的结果可以看出，除了个别年份受到特殊气象水文条件影响发生突变之外，流域内的流量呈现出波动下降的变化特点。

北方地区的河流存在明显的季节性特点，4—9月为丰水期和生物的主要生长期，生态需水量相对较大，10月至次年的3月为枯水期和生物的休眠期，生态需求量相对较小。利用上文提出的方法，利用径流数据计算研究河段汛期和非汛期的模数，并根据偏差量选择出典型年，求出汛期和非汛期的修正系数，分别为0.88和0.89。另一方面，由于原始方法中没有考虑北方河流的季节性特点，也就是忽略了丰水年、平水年和枯水年的径流差异。为了减少这种差异对计算结果的影响，最大限度提升水资源的合理分配合理性。基于此研究中选择1971、1970、1978和2002年分别作为保证率25%、50%、75%和90%条件下的典型年，计算获取河道生态基流，结果见表1。

表1 生态基流计算结果 单位：m3/s

生态基流月度变化曲线如图2所示。

图2 生态基流月度变化曲线

由计算结果可知，生态基流随着保证率的增加呈不断递减的变化趋势，这与河道的天然来水量变化特点基本一致。由于研究河段为北方河流，其丰水年的需水量较大，而枯水年的需水量相对较小。此外，河道在汛期的需水量明显高于非汛期。一般来说，在枯水期如果生态基流能够维持河流的生态健康稳定，那么丰水期的生态基流必能满足要求，因此一般选择非汛期的平均流量

作为相应代表年的生态基流。因此，在保证率25%、50%、75%和90%条件下，生态基流分别为2.03、1.39、0.93、0.75m3/s。鉴于保证率为25%和 50%条件下的生态基流值较大，现状条件下的径流量难以达到要求。因为河道的生态基流偏向于枯水期的流量，所以本文理论上选择保证率75%时计算得出的0.93m3/s作为研究河段生态基流值。

3 结语

此次研究以辽宁省下河套水库坝下河段为例，结合北方河流的实际特点，提出季节修正系数和中位数理论，对传统Tennant 法进行改进，使其更符研究河段的河流特性，计算得出研究河段的生态基流为0.93m3/s。与传统Tennant 法相比较，由于本文模型引进汛期和非汛期的流量模数，使选取的典型年更有代表性，可以显著的提高计算的科学性和准确性，对相关类似工程的坝下河段的生态基流计算具有一定的参考意义和作用。当然，生态基流的计算是一项复杂的工作，影响因素众多。因此，本文提出的计算方法仍需要进一步发展和完善，以便获取更为完善的计算方法。