基于Tennant法的清澗河生態(tài)基流量計(jì)算

石 碩

（遼寧省阜蒙縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 阜新 123100）

清澗河是黃河的重要支流。隨著自然資源的開發(fā)，嚴(yán)重的水土流失和水資源短缺導(dǎo)致了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的惡化，也是制約整個(gè)流域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要因素之一。如何在保證生態(tài)環(huán)境良好發(fā)展的同時(shí)，科學(xué)合理地利用水資源，提高水資源利用效率，已成為亟待解決的問題。要解決這一問題，必須對清澗河流域水資源和生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行分析論證。河流生態(tài)基本流量是保證河流生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)完整或主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能正常發(fā)揮所需的最小流量，具有顯著的時(shí)空特征[4]。本文研究的生態(tài)基流是指在特定的時(shí)空條件下，為滿足一定的水質(zhì)要求，保證生態(tài)系統(tǒng)不退化而為河流健康預(yù)留的流量。

1 研究區(qū)概況

清澗河是黃河中游吳堡至龍門右岸的一級支流，古稱“滴水”“岫巖水”“吐延川”。發(fā)源于子長縣李家岔鄉(xiāng)周家土金村，途經(jīng)安塞、子長、清澗、延川、延長等4 個(gè)縣。清澗河排水系圖見圖1[1]。清澗河全長169.9 km，流域面積4078 km2。呈樹枝狀分布。當(dāng)?shù)貧夂驅(qū)俅箨懶耘瘻貛Ъ撅L(fēng)半干旱氣候，降水主要集中在6月～9月份的汛期，多為持續(xù)時(shí)間短、強(qiáng)度大的暴雨。年平均氣溫9.5℃，年平均降水量460.8 mm，水資源總量1.53 億m3。由于清澗河流經(jīng)黃土丘陵溝壑區(qū)，該區(qū)植被覆蓋面積小，導(dǎo)致流域水土流失嚴(yán)重，使清澗河成為黃河流域治理開發(fā)的重要支流。

清澗河流域有兩個(gè)水文站：延川站和子長站。延川站是清澗河流域的出口控制站?？刂屏饔蛎娣e3468 km2，距延川站上游72 km處設(shè)有子長站?？刂屏饔蛎娣e913 km2。流域內(nèi)支流主要有永平河、沱家川河和文安河。

圖1 清澗流域水系圖

2 研究方法

蒙大拿方法（Tennant方法）是基于觀測數(shù)據(jù)的流量與河流生態(tài)環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。利用歷史流量資料，可以確定一年中不同時(shí)期的生態(tài)環(huán)境需水量，使用簡單方便[2]。不同河流生態(tài)環(huán)境對應(yīng)流量百分比見表1。

表1 不同河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況對應(yīng)的流量百分比

其計(jì)算過程如下：

①徑流還原計(jì)算。采用降雨—徑流關(guān)系法計(jì)算徑流量減少量。找出河流徑流的突變點(diǎn)，找出受人類活動影響較小的降雨徑流資料，建立降雨徑流關(guān)系。根據(jù)建立的降雨徑流關(guān)系，結(jié)合估算年的降雨資料，計(jì)算出在人為影響較小的情況下的年徑流量折減量，從而完成還原計(jì)算。

②水文過程與生態(tài)過程耦合的蒙大拿方法。典型的年流量過程能較好地反映年流量的變化規(guī)律[3]。根據(jù)陜北地區(qū)河流的周期性變化和生態(tài)需水的特點(diǎn)，可將其分為非汛期和汛期。非汛期河水相對干枯，水生植物進(jìn)入冬眠期，生態(tài)需水量較小；汛期用水量增加，動植物進(jìn)入活躍期，生態(tài)需水量較大。非汛期河流徑流量較小。蒙大拿方法認(rèn)為年平均流量的10%是河流流量的最低下限，因此選擇年平均流量的10%作為生態(tài)基流的計(jì)算依據(jù)。

③通過計(jì)算河段流量頻率，選擇典型年份[5]。設(shè)計(jì)流量計(jì)算頻率為25%（豐水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）和90%（特枯水年）。汛期對河水的需求量很大。在此期間，如果生態(tài)基流較大，則對河流取水不利。相反，如果在這一時(shí)段內(nèi)能夠保證最大的生態(tài)基流，其年份額可以滿足生態(tài)基流，生態(tài)基流與河流流量呈正相關(guān)。因此，在接近設(shè)計(jì)流量值的不同年份，選擇汛期河流流量相對充沛的年份作為典型年份。然后，根據(jù)某年測得的月流量序列，將修正后的年平均流量按相同比例換算，再乘以不同時(shí)段相應(yīng)的流量百分比，計(jì)算出還原分析后河流的月生態(tài)基流。

3 生態(tài)基流量計(jì)算

根據(jù)已收集到的資料，對清澗河上延川、子長水文站年平均流量先通過徑流還原計(jì)算，再進(jìn)行頻率計(jì)算，利用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行配線，通過配線即可得到各個(gè)頻率對應(yīng)的流量值。

3.1 延川水文站典型年選取

根據(jù)延川水文站年平均流量曲線可以看出，1998 年流量驟降?？紤]到與1998 年清澗河流域煤礦大規(guī)模開采有關(guān)，煤礦開采造成地表水向地下洞室滲漏，另一方面河道取水為煤礦提供部分生產(chǎn)用水。因此，認(rèn)為在1998 年以前，人為干擾很小，1998 年以后流量進(jìn)行還原。但延川站附近雨量資料不足，與流量相關(guān)性較差。延川站與子長站同屬清澗河干流，相關(guān)性較強(qiáng)。因此，根據(jù)子長水文站斷面還原后的流量，對延川水文站斷面徑流進(jìn)行了還原，見圖2、圖3。

圖2 子長水文站與延川水文站河流斷面流量相關(guān)關(guān)系圖

圖3 清澗河延川水文站斷面還原流量曲線圖

對還原后的流量進(jìn)行頻率計(jì)算，得到25%（豐水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）、90%（特枯水年）對應(yīng)的設(shè)計(jì)流量。

根據(jù)已收集到的資料，對清澗河延川水文站年平均流量先通過頻率計(jì)算，利用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行配線，通過配線即可得到各個(gè)頻率對應(yīng)的流量值。見圖4。

圖4 清澗河延川水文站斷面流量P-Ⅲ型曲線圖

3.2 子長水文站典型年選取

從子長水文站年均流量歷年變化曲線可見流量在1999 年驟降，考慮與1999 年清澗河流域煤礦大量開采有關(guān)，煤礦開采致使地表水向地下空洞漏失，另一方面河道取水供給部分煤礦生產(chǎn)用水，因此認(rèn)為1999 年前受人為干擾小，需對1999 年后流量進(jìn)行還原，建立降雨量與天然流量的相關(guān)關(guān)系[6]，見圖5。

表2 清澗河延川水文站斷面典型年選取一覽表

圖5 子長水文站降雨量與天然流量相關(guān)關(guān)系圖

基于降雨量與天然流量的相關(guān)關(guān)系，對1999 年后子長水文站河流斷面實(shí)測流量進(jìn)行流量還原，見圖6。

圖6 清澗河子長水文站斷面還原流量曲線圖

對還原后的流量進(jìn)行頻率計(jì)算，得到25%（豐水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）、90%（特枯水年）對應(yīng)的設(shè)計(jì)流量。根據(jù)已收集到的資料，對子長水文站年平均流量先通過頻率計(jì)算，利用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行配線，通過配線即可得到各個(gè)頻率對應(yīng)的流量值。見圖7。

圖7 清澗河子長水文站斷面流量P-Ⅲ型曲線圖

表3 清澗河子長水文站斷面典型年選取一覽表

3.3 清澗河典型年選取（表4）

表4 清澗河典型年選取一覽表

蒙大拿法選用多年平均流量的10%作為生態(tài)基流的計(jì)算基準(zhǔn)。選取某年實(shí)測逐月流量序列通過同倍比縮放至修正后的多年平均流量，再乘以不同時(shí)期所對應(yīng)的流量百分?jǐn)?shù)，計(jì)算得經(jīng)過還原分析的某河逐月生態(tài)基流量，見表5。

表5 各典型年下清澗河生態(tài)基流量

在90%保證率下，子長的年均生態(tài)基本流量為0.58 m3/s，延川的生態(tài)基本流量為1.12 m3/s。

3.4 目標(biāo)水質(zhì)保證下的生態(tài)需水量

根據(jù)《陜西省水功能區(qū)劃》確定的各水文站斷面以及水文站斷面所屬的功能區(qū)的目標(biāo)水質(zhì)，確定各個(gè)水文站斷面的90%保證率河流流量的設(shè)計(jì)流量，作為目標(biāo)生態(tài)環(huán)境需水量，見表6。

基于徑流還原后的流量數(shù)據(jù)，系列大于30 年采用排頻法計(jì)算保證率為90%的最枯月均流量。經(jīng)計(jì)算得出，90%保證率下以子長水文站為控制斷面，生態(tài)環(huán)境需水量為0.60 m3/s；以延川水文站為控制斷面，生態(tài)環(huán)境需水量為1.12 m3/s，見表6。

表6 榆林市“四川四河”目標(biāo)水質(zhì)保障下的設(shè)計(jì)流量

4 結(jié)論

河道生態(tài)基流是保證河流生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)完整或主要生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能正常發(fā)揮所需的最小流量，具有顯著的時(shí)空特征[7]。本文以清澗河為例，探討了清澗河生態(tài)基流的基本概念、內(nèi)涵和理論基礎(chǔ)，并用Tennant法計(jì)算了清澗河流域子長段和延川段的生態(tài)基流，分別為0.58 m3/s和1.12 m3/s，以及清澗河生態(tài)基流的計(jì)算方法生態(tài)環(huán)境需水量分別為0.60m3/s和1.12m3/s。這一結(jié)果為清澗河生態(tài)恢復(fù)提供了理論依據(jù)，進(jìn)一步計(jì)算清澗河生態(tài)流量調(diào)節(jié)具有重要意義。