基于Tennant改進(jìn)法的討賴河生態(tài)流量分析與評價

李計生，于海超，張 揚，馬金珠

(1.甘肅省水文局，蘭州 730000；2.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，西部環(huán)境教育部重點實驗室，蘭州 730000)

河流生態(tài)流量是為維持河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能而必須保證的流量，當(dāng)河流流量小于這一數(shù)值時，將導(dǎo)致河流水生生物生長和繁殖條件的破壞，生物量減少甚至滅失[1]。當(dāng)前，關(guān)于河流生態(tài)流量的計算，國內(nèi)外已提出很多方法[2-6]，但目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而中國國家環(huán)?？偩?、水利部先后推薦了多年平均流量法、多年平均枯水時段法、Tennant 法、生態(tài)基流 Q95 法等近 10 余種計算方法，總體上可分為 3大類，即水文水力學(xué)法、生態(tài)環(huán)境法和整體法。鐘華平等[7]在綜合分析了水文學(xué)法、水力學(xué)法、整體分析法和棲息地生態(tài)環(huán)境法后，認(rèn)為水文學(xué)方法最適合我國現(xiàn)階段的河流研究。于松延等[8]通過對幾種水文學(xué)法分析，得出 Tennant 法要優(yōu)于其他方法。Tennant 法是美國學(xué)者Tennant提出的用來確定河道生態(tài)環(huán)境需水量的一種方法[5]，它以歷史的流量數(shù)據(jù)來確定河流生態(tài)流量，操作簡單、所需資料較少，主要適用于干旱區(qū)河流[7,9]。同時鄭志宏等[10]通過中位數(shù)、眾數(shù)理論對Tennant 法進(jìn)行了改進(jìn)，使其計算結(jié)果更加科學(xué)合理。

討賴河為西北干旱區(qū)小型內(nèi)陸河流，考慮其氣候以及水資源特點，本文基于Tennant法確定河流生態(tài)流量，同時結(jié)合中位數(shù)法和眾數(shù)法進(jìn)行改進(jìn)，最終確定了討賴河更加科學(xué)合理的生態(tài)流量閾值，并且以2016年為例，定性評價了現(xiàn)狀水平年討賴河干流實際生態(tài)狀況，本研究可為討賴河河流生態(tài)環(huán)境評價和水資源合理利用提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

討賴河地處河西走廊中部，是黑河的一級支流，流域東起馬營河，西以嘉峪關(guān)的黑山為界，南與疏勒河流域毗鄰，北以金塔盆地的馬鬃山為界[11-13]，介于97°22′46″～99°27′11″E， 38°24′16″～40°56′08″N之間，涉及青海祁連縣、甘肅省張掖市肅南縣、高臺縣和嘉峪關(guān)市以及酒泉市肅州區(qū)、金塔縣，流域總面積2.81 萬km2[14,15]。討賴河受降水及冰川融水補給，補給量較小[16,17]，多年平均徑流量 6.24 億m3，年最大徑流量 11.2億m3，年最小徑流量 4.888 1 億m3，Cv值為0.198[18]。自1947年鴛鴦池水庫建成后，討賴河在水庫下游消失于金塔盆地。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源包括討賴河干流的冰溝水文站(1948-2001年)、嘉峪關(guān)水文站(2002-2015年)和鴛鴦池水庫站(壩上站1978-2015)的水文資料，其中，嘉峪關(guān)水文站位于冰溝水文站下游，且兩站面積相差僅3%，因此本文計算了嘉峪關(guān)站至冰溝站的滲漏損失量，將嘉峪關(guān)站2002-2015年實測徑流量加上滲漏損失量，修正為冰溝站2002-2015年徑流數(shù)據(jù)。最終計算以冰溝站和鴛鴦池水庫站為基準(zhǔn)站，確定了討賴河生態(tài)流量。

2.2 生態(tài)流量的計算方法

(1)Tennant法。考慮到討賴河流域的特點，汛期是農(nóng)業(yè)灌溉用水、魚蝦產(chǎn)卵的高峰期，所以河流最大徑流量并不一定出現(xiàn)在汛期。因此，將分期確定為一般用水期和用水高峰期[19 ]。Tennant法以多年平均流量值為基準(zhǔn)，其生態(tài)流量評價標(biāo)準(zhǔn)見表1，其中，對一般河流而言，若河流流量占多年平均流量60%～100%，此時的河寬、水深及流速等可為水生生物提供優(yōu)良的生長環(huán)境；若流量占多年平均流量的30%～60%，此時大部分淺灘都能被水淹沒[20-21]。而河流流量占多年平均流量10%，被認(rèn)為是保持河流生態(tài)系統(tǒng)健康的最小流量[7]。

表1 Tennant法的生態(tài)流量評價標(biāo)準(zhǔn)

(2)中位數(shù)改進(jìn)法。中位數(shù)不受極端值的影響，在出現(xiàn)了極端值的情況下，用中位數(shù)代替算術(shù)平均數(shù)更好[10]。討賴河徑流量受季節(jié)影響較大，同時年際間分布不均，因此采用中位數(shù)代替多年平均流量值，可以降低極端值造成的影響。

3 結(jié)果分析

3.1 討賴河的生態(tài)流量

3.1.1 Tennant法計算

根據(jù)Tennant法，求得討賴河不同時段的生態(tài)流量(表2)。其中，冰溝站一般用水期生態(tài)流量為1.366 m3/s，用水高峰期為2.773 m3/s；鴛鴦池水庫站一般用水期生態(tài)流量為0.857 m3/s，用水高峰期為1.163 m3/s。下游生態(tài)流量較小主要是由于受到水庫調(diào)蓄的影響。

表2 Tennant法計算的各站不同時期的生態(tài)流量 m3/s

3.1.2 中位數(shù)改進(jìn)法計算

以冰溝站(1948-2015年)、鴛鴦池水庫(壩上站1978-2015)還原后的天然徑流量作為原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，降序排列后得到逐月中位數(shù)月平均生態(tài)流量(表3)。結(jié)果表明，冰溝站一般用水期生態(tài)流量為1.336 m3/s，用水高峰期2.558 m3/s；鴛鴦池水庫站一般用水期生態(tài)流量為0.835 m3/s，用水高峰期為1.094 m3/s。

3.1.3 眾數(shù)改進(jìn)法計算

本研究將月平均流量最大值與最小值的差值平均分為3～7個區(qū)間，眾數(shù)計算結(jié)果見表4。

采用該時段數(shù)據(jù)應(yīng)用皮爾遜經(jīng)驗公式確定眾數(shù)，選擇經(jīng)驗值與試算值最為接近的一組數(shù)，即選定為眾數(shù)，進(jìn)而得到基于眾數(shù)理論的生態(tài)流量(表5)。其中，冰溝站一般用水期生態(tài)流量為1.258 m3/s，用水高峰期為2.332 m3/s；鴛鴦池水庫站一般用水期生態(tài)流量為0.778 m3/s，用水高峰期為0.989 m3/s。

3.1.4 3種方法計算結(jié)果對比

3種方法計算結(jié)果對比見表6，相比于中位數(shù)法和眾數(shù)法，Tennant法確定的多年平均生態(tài)流量偏大，主要是由于極端值的出現(xiàn)而造成。因此，本次采用基于眾數(shù)改進(jìn)法確定的生態(tài)流量值，該方法明顯降低了極端值的影響，計算結(jié)果更為合理，比較符合我國河西走廊水資源短缺的實際情況。

表3 中位數(shù)改進(jìn)法計算的各站不同時期的生態(tài)流量 m3/s

表4 冰溝站眾數(shù)試算結(jié)果

表5 眾數(shù)改進(jìn)法計算的各站不同時期的生態(tài)流量 m3/s

表6 3種方法計算結(jié)果對比 m3/s

3.2 現(xiàn)狀年不同用水期流量與生態(tài)流量對比

3.2.1 不同用水期流量與生態(tài)流量對比

根據(jù)2016年冰溝站水文資料，冰溝站、鴛鴦池水庫用水高峰期、一般用水期生態(tài)流量統(tǒng)計結(jié)果見表7?？梢钥闯?，冰溝站、鴛鴦池水庫出庫用水高峰期和一般用水期流量均可以達(dá)到最佳生態(tài)流量。

表7 冰溝站、鴛鴦池水庫出庫用水高峰期和一般用水期對比表 m3/s

3.2.2 一般用水期的日流量分析

統(tǒng)計分析2016年冰溝水文站(還原計算)、鴛鴦池水庫站日流量，冰溝站無斷流情況發(fā)生；鴛鴦池水庫下游河段由于水庫在6月21至6月27日出庫流量為0而導(dǎo)致有七天發(fā)生斷流。但用水高峰期一般為汛期，來水量大，因此用水高峰期河流實際流量基本滿足生態(tài)流量。而一般用水期基本處于枯水期，水量小，因此本文進(jìn)一步分析了一般用水期的日流量變化。

冰溝站-鴛鴦池水庫段一般用水期內(nèi)達(dá)到最佳生態(tài)流量的天數(shù)為181 d，極好生態(tài)流量為1 d?？蓾M足河道一般用水期生態(tài)流量，詳見表8。

而鴛鴦池水庫下游，鴛鴦池水庫水文站計算的一般用水期生態(tài)流量與鴛鴦池水庫日出庫流量進(jìn)行對比，達(dá)到一般用水期最佳生態(tài)流量的天數(shù)為137 d，占一般用水期天數(shù)的74.5%；達(dá)到好的生態(tài)流量的天數(shù)為19 d，占一般用水期天數(shù)的10.4%；達(dá)到非常好的生態(tài)流量的天數(shù)為5 d，占一般用水期天數(shù)的3.1%；達(dá)到好的生態(tài)流量的天數(shù)為22 d，占一般用水期天數(shù)的12.0%，綜上，討賴河干流日流量基本可以滿足枯水期河流生態(tài)流量，詳見表9。

表9 鴛鴦池水庫下游一般用水期生態(tài)流量與日流量對比表

4 討 論

楊杰等[3]采用了Qp法、Tennant法對甘肅黨河的生態(tài)流量進(jìn)行了計算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)徑流量的Cv值較大時，Qp法受極端值影響較大，Cv值較小時，Qp法與Tennant法計算結(jié)果一致。其最終采用了Tennant法確定黨河的黨河水庫斷面枯水期生態(tài)流量為1.35 m3/s，豐水期為5.08 m3/s。黨河和討賴河均為我國西北地區(qū)小型內(nèi)陸河流，二者的枯水期生態(tài)流量較為相近。但黨河的豐水期生態(tài)流量遠(yuǎn)高于討賴河同期的生態(tài)流量。主要是由于黨河的天然徑流量年際、年內(nèi)變化幅度較大，而Tennant法未考慮到極端值的影響。

為了減小 Tennant 法受極端值的影響，本文采用眾數(shù)法對其改進(jìn)，使其計算結(jié)果更加合理，但該方法沒有考慮河流的形態(tài)對流量的影響，其計算結(jié)果的精度仍需探究[7]。

國內(nèi)研究的河道生態(tài)流量大多停留在理論探討階段，計算方法多從國外引進(jìn), 還沒有形成一套比較完全適合我國國情的生態(tài)需水計算方法。而不同的估算方法有其適用條件和適用范圍，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況來確定計算方法，同時需要對其評價標(biāo)準(zhǔn)做進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

(1)通過對比Tennant法、中位數(shù)改進(jìn)法、眾數(shù)改進(jìn)法，最終采用眾數(shù)改進(jìn)法，確定了冰溝水文站用水高峰期生態(tài)流量為2.332 m3/s，一般用水期為1.258 m3/s；而鴛鴦池水庫站用水高峰期生態(tài)流量為0.989 m3/s，一般用水期則為0.778 m3/s。

(2)根據(jù)2016年現(xiàn)狀水平年實測資料，冰溝水文站、鴛鴦池水庫站用水高峰期、一般用水期月平均流量均可以達(dá)到最佳生態(tài)流量。

(3)在日尺度上，2016年冰溝水文站在一般用水期實測的徑流量達(dá)到最佳生態(tài)流量的天數(shù)為181 d；極好生態(tài)流量為1 d；鴛鴦池水庫站在一般用水期實測的徑流量達(dá)到最佳、極好、非常好、好的生態(tài)流量的天數(shù)分別占74.5%、10.4%、3.1%、12.0%。因此，冰溝水文站、鴛鴦池水庫站均可滿足河道一般用水期生態(tài)流量。