基于Tennant改进法的云南高开发利用河流生态流量研究

李 姣，李学辉

(1.云南省水文水资源局红河分局，云南 红河 661199；2.云南省水文水资源局，云南 昆明 650106)

江河湖泊是地球孕育生命、滋养文明的源泉，是人类赖以生存和可持续发展的重要支撑。随着人类需求的不断增加，部分地区水资源开发利用程度不断加剧，出现了河流断流、湖泊萎缩、生物多样性受损、水生态功能下降等严峻问题，保护江河湖泊已经成为事关人民群众的美好生活愿望福祉迫切要求。河流生态流量是维系江河湖泊生态系统的基本要素，是控制水资源开发利用强度的重要指标，开展河流生态流量研究是落实生态文明建设的重要举措。

国外对生态流量的研究可追溯到20世纪40年代初的河道枯水流量、河道基流的研究，针对保护濒危物种或扩大生态保护范围分不同目标在水文学、水力学、专家模式和整体法等方面形成了较完善的生态流量研究体系；近20年来，水文学法得到了世界各地的广泛应用，技术成熟[1]。中国在学习和引进生态环境研究方法的基础上，进行了大量分析研究，徐志侠、王浩、陈敏建等[2-5]提出基于水文和河道形态分析、生物空间最小需求、鱼类生境法和鱼类生物量等生态需水计算方法研究；赵越等[6]通过生分析鱼类产卵期的生态水文事件组成，推求满足其产卵需求的流量过程，并通过生态调度对流量过程进行改进；董哲仁等[7]解析了生态流量的科学内涵，提出了水文情势改变和生态响应的生态流量研究方向；王中根等[8]从生态流量概念的提出、演化和内涵与外延等方面，对生态流量的概念进行了解析，归纳了主流的计算方法；高雪山等[9]以代表鱼类为生态保护目标，根据湿周、流速与流量的关系，推求鱼类不同生命周期的生态流量；成波等[10]基于对长江流域生态流量现状进行梳理分析，开展了生态流量调查和远程监控等实践工作，提出了科学确定生态流量管控目标，强化监控监测的改进措施和建议。

20世纪70年代，Tennant[11]在对河道生态需水研究的基础上提出了Tennant法，该法奠定了河道生态需水的理论基础，而它是基于对美国干旱地区河流调查研究提出的，根据多年平均流量的百分比对河流生态环境状况进行划分，其对河流年内水量季节性变化考虑不全面，适用范围在中国具有一定的局限性。国内学者对Tennant法提出了不同的改进方法，郑志宏等[12]通过中位数、众数理论对Tennant法进行了改进，减小了极端值对结果的影响；吴国燕[13]对Tennant法的汛期、非汛期河道环境需水量依据灌区河道水文特征周期加以修正；黄强等[14]在黄河干流生态需水量计算时引入环境比降参数。国内学者对Tennant法的研究多在北方地区，对南方地区山区中小河流探讨较少。本文在原有研究的基础上，结合云南河川径流年内丰枯变化规律及高开发利用河流“用水期”“防洪期”“蓄水期”的用水特性对传统的Tennant法进行改进，使生态流量更符合云南开发利用河流实际情况，对于开展云南高开发利用河流生态保护和修复具有重要意义。

1 研究区概况

云南位于青藏高原南延和云贵高原西部，境内地形地貌复杂，河流湖泊众多，由于干湿季分明，众多河流均修建了水库，以保障生产生活用水需求；而河流高差大、水量丰富，众多河流进行了水电开发。由此，云南部分河流水生态问题较为突出，生态流量保障程度较差。

牛栏江是金沙江右岸一级支流，作为滇池补充水源，牛栏江是云南境内水资源开发利用率较高的河流之一。牛栏江发源于寻甸县金所乡老黄山，源地高程2 295 m，于巧家县红山乡棉花地注入金沙江，汇口地高程527 m；河流长度439.6 km，落差1 768 m，平均比降4.4‰，省内集水面积11 426 km2。河流地处云贵高原向四川盆地的过渡地带，属于高原季风气候，年降水量约972.7 mm。河流中游建有德泽水库，为牛栏江滇池补水的水源地；德泽水库下游有黄梨树水文站，集水面积7 035 km2。干流水能蕴藏量150万kW，目前流域内有水电站51座，总装机规模106.93万kW，其中干流5座、支流46座[15]。

牛栏江生态流量的研究，对于其河流水生态保护和修复具有重要意义。因此，选取黄梨树站1956—2016年(共61年)的逐月还原流量系列作为生态流量计算的依据，选取黄梨树站1956—2016年的实测月平均流量系列作为满足率评估的依据。

2 生态流量计算方法

根据云南河流特性、水资源状况，按照易于操作、便于实施、合理可行的原则，依据提出的Tennant改进法及常用的Qp法、月流量变动法和频率曲线法作为生态流量研究的方法。

2.1 Tennant改进法

传统Tennant法将全年划分为汛期和非汛期2个时期，各时期根据河道内生态环境状况与多年平均流量的百分数对应关系，计算这一时期的生态流量，评价标准见表1。传统Tennant法全年仅分为汛期与非汛期2个生态流量值，无法反映河流流量的季节性变化规律。

表1 Tennant法生态流量评价标准

按高开发利用河流特性，将全年划分为“用水期”“防洪期”“蓄水期”，各时期根据河道内用水需求及生态环境状况选取百分比，时期内各月按时期的百分比与各月多年平均流量来逐月计算生态流量值，以对传统Tennant法进行改进，实现生态流量的季节性变化。

a)用水期。12月至次年6月，为流域内主要用水期，用水以牛栏江-滇池补水、流域内农业用水为主。其中4—6月是土著鱼类产卵繁育高峰期，需要一定的水深及水面宽等良好的水域环境；3—5月是河谷植被的萌芽期，该时期降雨量少而植被蒸散损耗量大，是河谷植被需水高峰期[16]。该时期主要考虑流域内鱼类产卵及河谷植被生态环境用水需求，以及该时期河流较枯的水文情势，适宜的生态流量选取表1中“极好”状况下对应的百分比，该时期内各月生态流量取各月多年平均流量的40%。

b)防洪期。7—9月，为主汛期，径流占全年的50%以上，河流水量大，水库以安全度汛为首要任务，要求在汛限水位以下运行，降低水位运行甚至空库运行；该时期河水中含沙量高，一般允许小洪水及中洪水产生，以维持河道内的冲淤平衡，而洪水淹没河滩地的流量过程也可满足河岸周边生物的生存需求。该时期主要考虑流域内行洪、冲淤需求，结合该时期河流较丰的水文情势，适宜的生态流量选取表1中“非常好”状况下对应的百分比，该时期内各月生态流量取各月多年平均流量的50%。

c)蓄水期。10—11月，为水库蓄水期，该时期流域内基本没有较大降雨过程，来水主要靠流域内的渗水，因此10—11月的来水情况基本决定了当年末和次年枯期的来水量。该时期主要考虑水利工程蓄水需求及维持河流生态环境功能所需水量，适宜的生态流量选取表1中“好”状况下对应的百分比；各月生态流量取各月多年平均流量的30%。

2.2 常用水文学方法

a)Qp法。又称不同频率最枯月平均值法，以控制断面长系列(≥30年)天然月平均流量、月平均水位或径流量(Q)为基础，用每年的最小月平均流量组成的系列排频，选择不同频率下的最枯月平均流量、月平均水位或径流量作为节点，即基本生态环境需水量的最小值。根据云南水资源干湿状况、水资源开发利用程度、河流来水等情况，频率P取90%。

b)月流量变动法(VMF法)。适用于有水生生物保护对象的河流，根据月平均流量占年均流量的比重，将年内水期划分成丰水、平水和枯水3个水期。当多年月平均流量大于年均流量的80%时，确定为丰水月份，其生态流量取值为月平均流量的30%；当月平均流量小于等于年均流量的80%、大于40%时，确定为平水月份，生态流量取月平均流量的45%；当月平均流量小于等于年均流量的40%时，确定为枯水月份，生态流量取多年月平均流量的60%。

c)频率曲线法。用长系列水文资料的月平均流量、月平均水位或径流量的历史资料构建各月水文频率曲线，将95%频率相应的月平均流量、月平均水位或径流量作为对应月份的节点基本生态环境需水量，组成年内不同时段值，用汛期、非汛期各月的平均值复核汛期、非汛期的基本生态环境需水量。频率取95%，该方法一般需要30年以上的水文系列数据。

3 结果与分析

3.1 年月生态流量分析

4种水文学计算方法的生态流量计算结果见表2，流量年内分配过程线见图1。

图1 不同水文学方法计算结果对比

表2 计算结果 单位：m3/s

根据黄梨树站多年平均天然径流年内分配过程可以发现，其季节性变化明显，枯水期和丰水期流量相差较大，7—9月为主汛期，其流量占全年的50%，1—5月流量相对较少，仅占全年的17%。

4种方法计算的年均生态流量介于19.2～37.8 m3/s，占多年平均流量的22%～43%，Qp法年生态需水量最小，Tennant改进法年生态需水量最大。

对比4种方法各月生态流量计算结果，除Qp法外，其余方法均能体现不同水期生态流量的丰枯变化。在天然径流较少的1—5月，Tennant改进法计算的生态流量低于频率曲线法和月流量变动法；在天然径流较丰的7—9月，Tennant改进法计算的生态流量明显高于其余几种方法。在4种方法中，Tennant改进法在枯水期和丰水期的生态流量变幅最大，7—9月生态流量占全年的57%，1—5月占全年的16%，较贴合多年平均天然径流的年内分配过程，在体现流量的年内季节性变化特征方面具有更高的敏感度，各月生态流量也更能反映天然径流的逐月间变化规律。

3.2 Tennant法评价

采用Tennant法对4种方法计算结果进行逐月生态环境状况评价，评价结果见表3。由表3可知，11月至次年5月，河道内流量较少的时期，4种方法计算的生态流量对应的生态环境状况均在“好”以上等次，均可满足河道内生态环境用水需求；6—10月，河道内流量较丰的时期，Qp法、频率曲线法、月流量变动法均出现生态环境状况评级为“差”的月份，仅能满足绝大多数水生生物短时间生存所必需的最低流量。综合各月评价结果来看，Tennant改进法均无评级为“差”的月份，各月对应的生态环境状况较好。

表3 Tennant法评价结果

3.3 满足率评估

将4种方法各月生态流量与历年实测月平均流量对比，按不同水平年、年内不同水期进行各方法生态流量满足率分析，结果见表4。由于受人类活动取用水及极端天气影响，4种方法的满足率均不能达到100%。4种方法总体满足率无较大差距，满足率均较高，介于90%～97%，Qp法满足率最高，频率曲线法满足率最低。

枯水年来水量少，在枯水年份保障生态流量尤为重要，加之水生生物在枯水期对流量需求最为敏感，很多水生生物，如藻类、鱼类均在枯水期物种大量减少或死亡，因此有必要适当提高枯水年份枯期生态流量的满足率[17]。由表4可见，Tennant改进法枯水年枯期满足率明显高于其余3种方法。

3.4 讨论

目前，国内对Tennant法的改进，主要是通过选取典型年的流量，或是根据河流水生态环境的季节性规律及水生生物种群的活动周期对年内水期进行修正划分，从而符合河川径流年内丰、平、枯的变化规律。通过采用中位数及众数理论以减小Tennant法计算结果受极端值的影响，使计算的生态流量更符合流域实际。

基于已有研究，结合云南高开发利用河流不同时期用水特性划分水期，各时期根据河道内用水需求及生态环境状况选取百分比，逐月计算生态流量值以实现生态流量的季节性变化。通过与其余3种常用水文学方法的比较，提出的Tennant改进法在满足开发利用河流用水特性、天然河流年内丰枯变化规律、河道内生态环境状况、枯水期生态流量满足率方面有明显优势。但由于不同河流的形态参数、水文气候不一，形态相似性不一，将该法移植到其他河流使用具有一定的局限性，且各月水情变化的百分比的选取过程中具有较强的经验性和主观性，使百分比系数难以确定[18]。

未来可将河流的生物及物理信息需求纳入分析以进一步进行改进，并综合水力学法、环境流量评估法和水文学法进一步研究，以完善方法的适用性。

4 结论

根据云南高开发利用河流用水特性提出Tennant改进法计算生态流量，基于牛栏江水系黄梨树断面长序列实测及还原流量数据，与其他3种常用的水文学方法进行对比分析，得出如下结论。

a)年内水期划分方面，Qp法、频率曲线法没有划分水期，月流量变动法划分了枯期、汛期，Tennant改进法结合了径流年内的丰枯变化及高开发利用河流不同时期用水特性划分了用水期、防洪期和蓄水期，Tennant改进法的水期划分充分考虑了高开发利用河流生态系统不同时期对水文条件的需求。

b)流量季节性变化方面，在4种方法中，Tennant改进法在枯水期和丰水期的生态流量变幅最大，较贴合多年平均天然径流的年内分配过程，在体现流量的年内季节性变化特征方面具有更高的敏感度，各月生态流量也更能反映天然径流的逐月间变化规律。

c)Tennant法评价结果来看，Tennant改进法计算的各月生态流量对应的河道内生态环境状况评级为中等以上，生态环境状况相对其他方法较好。

d)满足率方面，Tennant改进法年生态需水量最大，但其对应的总体满足率并不是最低的，且其在枯水年枯期满足率明显高于其余3种方法。

e)生态保护需求支持方面，Tennant改进法的用水期充分考虑了流域内鱼类产卵及河谷植被生态环境用水需求，防洪期主要考虑流域内行洪、冲淤需求及河岸周边生物生存需求，蓄水期主要考虑水利工程蓄水需求及维持河流生态环境功能所需水量。根据各时期生态环境用水需求来选取各时期生态流量占多年平均流量的百分比，从而使生态流量充分满足流域内不同时期对水环境、水生态保护的需求。

综上，Tennant改进法对于计算高开发利用河流生态具有一定的优势，对于开展云南高开发利用河流生态保护和修复具有重要意义。