Tennant法在河流生態(tài)基流計(jì)算中的適用性探討
——以福建省東南沿海地區(qū)為例

朱 敏 翔，楊 柳，楊 超，牟 鑫 亮，李 晨，岳 東 霞

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730000; 2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875)

河流作為生態(tài)系統(tǒng)不可缺少的組成部分，在維持全球物質(zhì)與能量運(yùn)輸、調(diào)節(jié)地球氣候、支撐生態(tài)平衡方面發(fā)揮著重要的作用。然而，隨著人類對(duì)水資源過度的開發(fā)利用，河流生態(tài)環(huán)境問題日益突出，水資源的利用與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)之間形成了巨大的矛盾[1]。為了調(diào)節(jié)兩者之間的矛盾，人們提出了生態(tài)基流的概念[2-4]。目前，國際上并沒有對(duì)生態(tài)基流形成統(tǒng)一的定義。1978年，Nienhuis首次在河道最小生態(tài)流量的計(jì)算中加入了魚類、水電、航運(yùn)等的需水量[5]。1988年，Gleick提出了基本生態(tài)需水的概念[2]，他認(rèn)為基本生態(tài)需水的計(jì)算既要考慮生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)的完整性，又要考慮氣候、季節(jié)變化等影響因素。國內(nèi)的研究中對(duì)生態(tài)基流概念的認(rèn)識(shí)也存在著不同[6-8]。王西琴[8]等從水環(huán)境角度提出，河道最小環(huán)境需水量是指維持最基本的河流功能正常所必須的最小水量。孟慧穎[9]從生態(tài)系統(tǒng)角度提出，生態(tài)基流是指維持河流基本形態(tài)和基本生態(tài)功能、保證水生態(tài)系統(tǒng)基本功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)、保證不斷流、避免河道中的水生生物受到不可恢復(fù)性的破壞的最小流量。

生態(tài)基流的計(jì)算方法可分為四大類：水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法和整體法[9-10]。其中水文學(xué)法主要是基于天然流量，通過確定比率來計(jì)算生態(tài)基流量，該方法因計(jì)算方便、操作簡單，在流量較大且水文資料序列較長的河流使用率較高。水文學(xué)法主要包括Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法、90%保證率最枯月平均流量法、年型劃分法等。其中, Tennant法無需現(xiàn)場測定，且不要求流量序列長期完整，故在生態(tài)資料缺乏的地區(qū)得到廣泛的使用[9-11]。我國學(xué)者將Tennant法引入國內(nèi),先后在海河流域[6，12]、黃河流域[13-14]、長江流域[15-16]等國內(nèi)主要水資源開發(fā)流域開展了生態(tài)基流研究，并對(duì)該方法的區(qū)域適用性開展了初步研究。但目前的研究集中在河流的氣候因素及人為干擾因素影響下Tennant法的適用性[17]。若將該方法應(yīng)用于長時(shí)間序列天然河道的流量變化研究，則需開展進(jìn)一步的適用性研究。

福建省東南沿海地區(qū)位于中國東南部，在加快海峽西岸經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)、加強(qiáng)閩臺(tái)經(jīng)濟(jì)文化交流中發(fā)揮著重要的作用。因此，區(qū)內(nèi)水資源合理利用及生態(tài)環(huán)境的研究受到了廣大學(xué)者的關(guān)注。本文通過對(duì)比分析福建省東南沿海地區(qū)河流的多年徑流變化與Tennant法計(jì)算獲得的生態(tài)基流量，探討了Tennant法的在該區(qū)域的適用性，并針對(duì)Tennant法使用長序列基礎(chǔ)水文指標(biāo)來確定多年平均流量百分?jǐn)?shù)的原理，將計(jì)算結(jié)果與區(qū)域河流實(shí)際水文數(shù)據(jù)相比較，分析影響Tennant法計(jì)算結(jié)果的原因，以期為東南沿海地區(qū)水資源的合理利用、開發(fā)和流域的綜合管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

福建省東南沿海地區(qū)屬亞熱帶海洋季風(fēng)氣候，日照充足，雨量充沛，水資源豐富。區(qū)域內(nèi)的降水集中在4～9月，包括3～6月份的鋒面雨和7～10月份的臺(tái)風(fēng)雨。區(qū)域內(nèi)河網(wǎng)密布，水系眾多，流域地形以山地丘陵為主，河流主要包括九龍江、晉江、木蘭溪、東溪等(見圖1)，屬于東南沿海諸河。其年徑流空間分布與年降雨量的分布大體相似，徑流量年內(nèi)分配受季節(jié)性降水制約，有明顯的豐枯變化。

圖1 福建省東南沿海地區(qū)主要河流和水文站分布

2 研究方法與數(shù)據(jù)來源

2.1 Tennant法

1964～1974年，Tennant[18]等通過對(duì)3 145 km河段的58個(gè)斷面的寬度、深度和流速等河流流量物理參數(shù)進(jìn)行多次測量，于1976年提出了Tennant法。該方法認(rèn)為，對(duì)于大部分水生生物，河流多年平均流量的10%是維持其短期生存棲息地的最小流量；30%是維持其一般活動(dòng)的良好生存條件的基本流量；達(dá)到60%可為其在生長初期和大多數(shù)活動(dòng)提供極好的棲息環(huán)境。而在北半球，一般地區(qū)的10月至翌年3月為枯水期，河道流量需要滿足一般的用水；4～9月為豐水期，是大部分魚類產(chǎn)卵育幼階段，河道流量需要滿足魚類的繁衍和生存?；诖耍琓ennant法推薦枯水期10月至翌年3月的生態(tài)基流取多年平均流量的10%,豐水期4～9月的生態(tài)基流取多年平均流量的30%。

Tennant法利用多年平均流量的比例將保護(hù)魚類、野生動(dòng)物、娛樂和相關(guān)環(huán)境資源與河流流量聯(lián)系了起來(見表1)，宏觀上對(duì)河流生態(tài)保護(hù)的基本需水量管理具有指導(dǎo)價(jià)值。

表1 保護(hù)魚類、野生動(dòng)物、娛樂和相關(guān)環(huán)境資源的河流流量狀況

2.2 數(shù)據(jù)來源

本研究針對(duì)福建省東南沿海地區(qū)的河流生態(tài)基流計(jì)算的需求，系統(tǒng)收集了區(qū)域內(nèi)各水文站的多年徑流實(shí)測數(shù)據(jù)。

九龍江北溪選擇浦南水文站的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，該站控制流域面積8 490 km2，約占北溪流域面積的88.1%，是北溪下游的控制站。九龍江西溪流域選擇鄭店水文站的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，該站位于九龍江西溪干流，控制流域面積3 419 km2，約占整個(gè)西溪流域的86.8%，為西溪主要控制站。晉江流域選擇石礱水文站的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源，該站位于晉江干流，距晉江出?？趦H24.8 km，控制流域面積5 060 km2，是晉江下游的控制性水文站。木蘭溪流域選擇瀨溪水文站作為數(shù)據(jù)來源站，該站是木蘭溪干流上主要水文站，控制流域面積1 070 km2。東溪選擇詔安水文站作為數(shù)據(jù)來源站，該站位于下游詔安城關(guān)，控制流域面積955 km2，約占東溪全流域面積的83.2%，是東溪流域的主要控制站。

3 結(jié)果與分析

3.1 Tennant法的應(yīng)用及適應(yīng)性分析

本研究利用浦南站1950～2016年(67 a)、鄭店站1951～2016年(66 a)、石礱站1951～2016年(66 a)、瀨溪站1951～2016年(66 a)、詔安站1962～2016年(55 a)的徑流資料，得到各站多年平均流量數(shù)據(jù)，使用Tennant法計(jì)算的結(jié)果見表2。

表2 各河流Tennant法生態(tài)基流計(jì)算結(jié)果

3.2 生態(tài)基流量適應(yīng)性分析

河道內(nèi)天然流量必須滿足生態(tài)基流量，才能保證河道的基本生態(tài)功能。因此，我們統(tǒng)計(jì)了各河流代表站反映河道流量年內(nèi)及年際變化的多年月平均流量和多年最小月平均流量(多年各月平均流量數(shù)據(jù)中的最小值)兩個(gè)特征值(見表3)。由表3可知，最小月平均流量只占多年月平均流量的6%～45%，說明各河流年內(nèi)及年際變幅較大。

將各水文站各月多年月平均流量和最小月平均流量與Tennant法計(jì)算的生態(tài)基流量對(duì)比(圖2)，可以看出，各水文站各月多年平均流量值都在生態(tài)基流量值之上，說明各河流各月多年平均流量皆能滿足使用Tennant法計(jì)算的生態(tài)基流量。在自然狀態(tài)下，河流生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)安全度過多年各月平均流量中最小值的時(shí)期，河流沒有發(fā)生斷流，水生生物沒有受到不可恢復(fù)性的破壞，可將多年各月平均流量最小值作為該月的最小生態(tài)徑流量[19-21]。因此，將最小月平均流量與Tennant法估算的生態(tài)基流量相比較(見圖3)，可以看出在浦南站多年實(shí)測數(shù)據(jù)中2個(gè)月出現(xiàn)最小月平均流量小于生態(tài)基流的情況；鄭店站多年數(shù)據(jù)則說明九龍江西溪在3～5月，均出現(xiàn)了無法滿足生態(tài)基流的情況；石礱站所在的晉江干流，因受上游山美水庫(大型)的水量調(diào)配，各月均能滿足生態(tài)基流；由瀨溪站的多年數(shù)據(jù)可知，木蘭溪有9個(gè)月都出現(xiàn)了小于生態(tài)基流的情況；詔安站多年數(shù)據(jù)則說明東溪干流在1～5月和9，10，12月均出現(xiàn)不能滿足生態(tài)基流的情況。由此可說明，Tennant法計(jì)算得出的流域生態(tài)基流量不能應(yīng)用于徑流量年際變化較大的河流。

4 影響Tennant法計(jì)算的因素

4.1 計(jì)算原理

Tennant法是針對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別建立斷面流速、主槽水深以及水面寬度與多年平均流量百分?jǐn)?shù)的關(guān)系，對(duì)關(guān)系圖中各線斜率進(jìn)行分析，得到斷面流速、主槽水深以及水面寬度的變化速率突變時(shí)所對(duì)應(yīng)的多年平均流量百分?jǐn)?shù)，結(jié)合魚類對(duì)棲息地的流量、河流物質(zhì)組成等的要求進(jìn)行驗(yàn)證的方法。

福建省東南沿海各河流均為獨(dú)立入海的河流，受采砂影響從1990年開始河道斷面逐年下切，近幾年由于禁止采砂，河床趨于穩(wěn)定。因各河流的河道形狀及特性基本一致，本研究僅以九龍江北溪的浦南水文站實(shí)測水道斷面為例，通過分析其實(shí)測斷面的水面寬、深度和流速數(shù)據(jù)，探究Tennant法不適用性的原因。

4.2 河道斷面變化及研究斷面選取

浦南水文站位于九龍江北溪下游，河段屬沙質(zhì)河床。受采砂影響，從1990年開始河道斷面逐年下切，近幾年由于河道禁止采砂，河床趨于穩(wěn)定。浦南水文站1990,2000,2010,2016年實(shí)測斷面如圖4所示。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，斷面主槽寬度總體較為穩(wěn)定，其中1990年最大，為337.6 m；2010年最小，為328.7 m，變化量僅為8.9 m。河道斷面變化主要表現(xiàn)為河床的下切和過水面積增加，過水面積由1990年的1 367.1 m2增大到2016年的1 852.28 m2。由于近幾年河道禁止采砂，河床趨于穩(wěn)定，所以選擇2016年浦南水文站的實(shí)測斷面，作為本次Tennant法適用性研究斷面。

表3 各河流代表站月徑流量年際變化統(tǒng)計(jì)

圖2 各月多年平均流量與Tennant法估算的生態(tài)基流量關(guān)系

圖3 最小月平均流量與Tennant法估算的生態(tài)基流量關(guān)系

圖4 浦南水文站歷年實(shí)測斷面

4.3 影響因素

通過分析浦南水文站斷面實(shí)測流速與多年平均流量百分比的關(guān)系(圖5)可以看出，隨著斷面流量的增大，流速呈增大的趨勢，但曲線較為平滑，變化速率無突變。多年平均流量的10%所對(duì)應(yīng)的斷面流速為0.03 m/s ,并沒有達(dá)到魚類的感應(yīng)流速0.2 m/s以及Tennant所推薦的魚類最小流速0.23 m/s。

通過建立浦南水文站斷面主槽水深與多年平均流量百分比的關(guān)系(圖6)，可以看出，總體上，主槽水深隨流量變化幅度較小，主槽水深變化量為1.06 m。結(jié)合圖3可知，主槽河床下切明顯，多年平均流量的10%所對(duì)應(yīng)的斷面主槽水深達(dá)到了4.71 m，遠(yuǎn)大于Tennant所推薦的魚類最小水深0.3 m。

圖5 浦南水文站斷面實(shí)測流速與多年平均流量百分比關(guān)系

圖6 浦南水文站斷面主槽水深與多年平均流量百分比關(guān)系

通過建立浦南水文站斷面主槽水面寬度與多年平均流量百分比曲線的關(guān)系(圖7)，結(jié)合圖3可以得出，斷面主槽形狀呈U型，水面寬隨流量變化不大，曲線有一處變化速率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但并不明顯，總體上水面寬度與多年平均流量百分比曲線斜率趨于平緩。多年平均流量值的10%所對(duì)應(yīng)的水面寬為194.5 m，多年平均流量所對(duì)應(yīng)的水面寬為198.5 m，兩者比值(水面寬率)為97%，遠(yuǎn)大于Tennant所推薦的生態(tài)基流所對(duì)應(yīng)的水面寬率60%。

圖7 浦南水文站斷面水面寬度與多年平均流量百分比關(guān)系

綜上可知，Tennant法中將多年平均流量的10%作為河道健康的關(guān)鍵點(diǎn)或下限，不適用于福建省東南沿海河流中河床坡降較小、過水面積較大的下游河段。

5 結(jié)論與建議

利用福建省東南沿海主要河流各水文站的多年流量數(shù)據(jù)，使用Tennant法計(jì)算求得各河流的生態(tài)基流量。經(jīng)分析，各河流的生態(tài)基流量均小于逐月平均流量，但由于福建省東南沿海各河流的徑流量年內(nèi)及年際變幅較大，最小月平均流量只占多年月平均流量的6%～45%，從而造成各河流均出現(xiàn)多個(gè)最小月平均流量比Tennant法求得的生態(tài)基流量小的情況。可見，Tennant法只有豐、枯兩個(gè)分期的生態(tài)基流量，不適應(yīng)于徑流量年內(nèi)及年際變幅較大的福建省東南沿海各河流。

福建省東南沿海各河流均為獨(dú)立入海的河流，受河床刷深和回水頂托的影響，各河流下游河段具有河道坡降小、水流平緩、水面較寬、水深較深的特點(diǎn)。根據(jù)2016年浦南水文站實(shí)測數(shù)據(jù)，建立斷面流速、主槽水深以及水面寬度與多年平均流量百分比的關(guān)系曲線，對(duì)圖中各關(guān)系線斜率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)無明顯的速率突變。通過對(duì)10%多年平均流量所對(duì)應(yīng)斷面流速、主槽水深以及水面寬度進(jìn)行分析可知，Tennant法中將多年平均流量的10%作為河道健康的關(guān)鍵點(diǎn)或下限，不適用于河床坡降較小，過水面積較大的東南沿海河流。

福建省東南沿海各河流徑流受臺(tái)風(fēng)影響明顯，年內(nèi)徑流量分配不均，總體上可分為洪水期(5～9月)和非洪水期(10月至翌年4月)，計(jì)算時(shí)應(yīng)調(diào)整Tennant法的豐水期和枯水期的時(shí)間分段。此外，各河流具有水面寬、水深深、水流緩的特點(diǎn)，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整Tennant法中的百分?jǐn)?shù)，使計(jì)算所得的生態(tài)基流量更符合區(qū)域魚類、野生動(dòng)物和相關(guān)環(huán)境資源的保護(hù)。