基于改進Tennant法的花園口生態(tài)徑流量計算

陳南祥，張 丹，蔣曉輝

(1.華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州450011;2.黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州450003)

生態(tài)徑流量是指滿足河流生態(tài)系統(tǒng)需水要求的徑流量，同時也能反應(yīng)河流在天然狀態(tài)下該徑流過程的泥沙、營養(yǎng)等特征［1］.我國在生態(tài)徑流量計算方面的研究起步較晚，但結(jié)合我國河流的自身特點也提出了眾多計算方法.根據(jù)側(cè)重點的不同，這些方法可以分為4類:歷史流量法、水力定額法、棲息地法、整體分析法［2－4］.其中棲息地法與水生生物結(jié)合緊密，由于獲取生物資料極具復(fù)雜性，工作量太大，導(dǎo)致該法暫時難以在我國大量使用.歷史流量法由于對資料要求較少，因而成為使用最為廣泛的方法，其中Tennant法是最常用的計算生態(tài)徑流量的方法.

1 Tennant法簡介

Tennant法是美國人Tennant等在研究了美國11條河流的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了流量與水生生物、娛樂功能和河流條件之間的關(guān)系，從而提出的一種經(jīng)驗計算方法［5］.Tennant法使用河流歷史流量資料計算生態(tài)需水量，便于實際操作.傳統(tǒng)的Tennant法選取多年平均流量的百分數(shù)作為判別棲息地環(huán)境優(yōu)劣和推薦生態(tài)基流量的標準，是一種綜合體現(xiàn)方法.當河道流量占平均流量的10%以下時，生態(tài)系統(tǒng)嚴重受損，不適合水生生物的生存，河槽寬度、水深及流速將顯著減小，水生棲息地已經(jīng)退化;河流底質(zhì)或濕周將有近一半暴露，是支撐短期生存棲息地的最小瞬時流量［6］;當河道流量增大到平均流量的30% ～60%時，濕潤底質(zhì)明顯增加，水生生物數(shù)量增多，生態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也明顯增強，河寬、水深和流速能基本滿足水生生物生長繁育的需要;當流量大于平均流量的60%時，認為是極為適合的生態(tài)徑流量.表1是Tennant法的生態(tài)徑流量標準［5］.

表1 Tennant法的生態(tài)徑流量標準

2 基于黃河特征的Tennant法的改進

黃河與其他河流相比有以下特點:①它具有北方河流季節(jié)分明的特點，非汛期徑流量偏小，汛期集中了超過全年50%的水量，其中汛期的某個月可能出現(xiàn)大流量集中;②黃河含沙量大，其泥沙主要來自黃土高原，因此上游清而下游渾.結(jié)合黃河自身特點，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)Tennant法以多年平均流量計算生態(tài)基流量，掩蓋了黃河汛期流量大的事實.并且水生生物的繁殖與生長已經(jīng)適應(yīng)了天然狀態(tài)下的黃河，也具有極強的時間特征，大多在汛期前產(chǎn)卵育幼，汛期生長發(fā)育.因此為了使Tennant法更好地描述黃河不同時期的生態(tài)徑流量，需對其進行修改.

2.1 生態(tài)水文季節(jié)的改進

生態(tài)水文季節(jié)形成的直接原因是河流的季節(jié)性.河流生態(tài)系統(tǒng)隨水情而變化，春夏期間的漲水時段是水生生物的繁殖期;生長期一般是河流豐水期，并且對下游濕地、河岸進行生態(tài)補水;而對水量要求最低的冬季休眠期是河流較枯的季節(jié).對于一個流域而言，完整的河流生態(tài)系統(tǒng)由汛前期、汛期、汛后枯水期構(gòu)成，它們一起被稱為生態(tài)水文季節(jié)［7］.黃河的水文季節(jié)性明顯，每年7月至10月為汛期，汛期來水量大且集中，以年平均流量計算的傳統(tǒng)Tennant法不能反映這個特點.由于汛前期和汛后期實際來水量遠小于汛期，故這里將汛前期與汛后期合并為非汛期考慮，以汛期和非汛期的平均流量代替年平均流量進行計算，能更好地反映較短時間內(nèi)的實際來水過程，更具有代表性.

2.2 輸沙性的改進

對于多泥沙的河流，輸沙量與河水的流量和流速相關(guān)［8］.黃強等在文獻［9］中利用 Tennant法計算黃河干流生態(tài)環(huán)境需水時提出了關(guān)于輸沙性的改進，即在河流的非汛期，當流量一定時，輸沙量就只與流速的大小相關(guān).河流被開發(fā)的程度較低時，自然河流中的泥沙在非汛期淤積，在汛期水量大時被沖刷，年沖淤量達到平衡狀態(tài)，則不會產(chǎn)生淤積.當河流開發(fā)利用程度為50%以上時，泥沙便會在河床淤積.黃河的開發(fā)程度遠大于50%，下游泥沙淤積嚴重，這將改變黃河的河流形態(tài)和河流的生態(tài)環(huán)境.所以，非汛期要保持一定流速使得主槽沖淤平衡.

影響黃河泥沙沉積的因素眾多，其中河床比降是重要因素之一.當河流在上游山區(qū)時，由于比降較大，即使流量很小也不至于淤積而影響河流生態(tài)環(huán)境;當河流到達開闊的平原時，由于平原抬高，成為地上懸河.因此，為了表征河流的輸沙性，引入輸沙系數(shù)ie來表征這種關(guān)系:

把所求得的河床比降乘以所研究河段Tennant法的推薦基流百分比系數(shù)，從而得到新的百分比系數(shù).這樣可使Tennant法更適合多沙河流.

3 應(yīng)用實例

花園口站是黃河防汛重要的洪水控制站，黃河90%以上的洪水來自花園口地區(qū)以上的黃河干支流［10］.花園口站歷史資料較為齊全，按照改進的Tennant法對花園口站1950—2000年(小浪底水庫投入使用前)及2001—2010年(小浪底水庫投入使用后)的流量數(shù)據(jù)分析計算，結(jié)果見表2與表3.

表2 逐月平均流量 m3/s

表3 生態(tài)徑流量計算結(jié)果 m3/s

采用傳統(tǒng)Tennant法計算得推薦生態(tài)流量為774～1 286 m3/s.對比2001—2010年期間月平均流量可以看出，1，2，5，7，11，12 月均達不到最佳范圍;而6月則遠大于推薦流量;3，4，8，9，10月在最佳范圍內(nèi).采用改進后的Tennant法計算得1，2月小于非汛期最佳標準;6月遠大于非汛期的最佳范圍;12月則不滿足最佳標準范圍.傳統(tǒng)Tennant法的推薦流量范圍與非汛期的推薦流量范圍相差不大，改進后的Tennant法主要體現(xiàn)在汛期的最佳流量范圍，汛期較大的流量為正處于生長期的水生生物擴展了棲息地的面積和食物來源，流量脈沖為魚類的遷移和產(chǎn)卵提供了必要的提示，并決定了河漫灘植物的分布及豐度［11］，所以應(yīng)該在推薦范圍之內(nèi).花園口河段是黃河鯉魚、鯽魚等水生生物的棲息地，并且要滿足下游及周邊城市生活、生態(tài)和生產(chǎn)用水，汛期生態(tài)徑流量太小不合乎情理.

對比1950—2000年以前的汛期流量，除了8，9月份大于最佳范圍以外，其余各月份均能滿足生態(tài)用水需要.而 2001—2010 年1，2，7，8，9，10，12 月均小于推薦最佳范圍，其中6月遠大于最佳范圍，這也說明人類對河流的過度開發(fā)影響了河流的生態(tài)徑流量，從而導(dǎo)致水生生物天然棲息地面積減小.

4 結(jié)語

1)在對花園口生態(tài)徑流量的計算中使用了改進的Tennant法.該方法考慮了河流流量生態(tài)水文季節(jié)的變化，相對準確地反映汛期與非汛期不同要求下的生態(tài)流量，可以用于對河流水生生物不同生態(tài)水文季節(jié)的棲息地評價.

2)考慮了黃河是多泥沙河流，計算了輸沙性能對生態(tài)徑流量的影響，更為全面地反映了黃河生態(tài)徑流量的特點，也可用于其他多泥沙河流的生態(tài)徑流量計算.

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