基于改進 Tennant 法的下河套水庫壩下河段生態(tài)基流計算

周曉玉

(凌源市水務(wù)局，遼寧 凌源 122500)

在相當(dāng)長的時期內(nèi)，水資源的開發(fā)利用側(cè)重于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活方面，對生態(tài)環(huán)境用水的重視不足，最終導(dǎo)致水資源和生態(tài)環(huán)境破壞嚴重，生態(tài)環(huán)境問題日漸突出[1]。河川徑流是地表水資源的主要表現(xiàn)形式，不僅是人類文明產(chǎn)生和發(fā)展的基礎(chǔ)，同時也為當(dāng)前的國民經(jīng)濟發(fā)展和社會進步提供了必要的水資源支持[2]。在人類進入工業(yè)化時代以來，各種工程技術(shù)手段被用于河流開發(fā)，在提高水資源利用效率的同時，也對河流本身的物理結(jié)構(gòu)造成顯著影響，最終造成河流生態(tài)的惡化[3]。因此，在水利工程建設(shè)和運行過程中，必須維持生態(tài)基流，保持河道的物理結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能。因此，有必要對河流的生態(tài)基流進行深入探討，在保持河道生態(tài)環(huán)境的前提下，實現(xiàn)有限水資源的合理配置。在生態(tài)基流計算的水文學(xué)方法中，Tennant法是應(yīng)用較廣泛的方法，但是該方法側(cè)重與河道流量的年際變化，對河道豐水期和枯水期流量的差距重視不足。基于此，此次研究提出了一種改進Tennant法，實現(xiàn)對背景工程壩下河段生態(tài)基流的準確計算。

1 改進 Tennant 法原理

1.1 Tennant 法

Tennant 法是田納特等專家在1976年提出的一種用于棲息地健康狀況評價的方法[4]。1964—1974年，田納特等專家對11條河流的生態(tài)情況進行了可深入研究，這些河流地處偏遠，受人類活動的影響很小。在對上述河流的流量與過流面積進行觀測的基礎(chǔ)上，分析其對漁業(yè)的影響，并最終匯總成Tennant法。目前，Tennant法主要應(yīng)用于河流生態(tài)需水量和生態(tài)基流的估算[5]。

通過長期的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)Tennant法在用于北方地區(qū)河流的生態(tài)基流計算過程中，存在一定的局限和不足。從方法的原理來看，主要是計算獲取天然河流的多年或月平均流量，然后通過分期百分數(shù)對生態(tài)需水量進行分級。顯然，多年平均流量的影響因素較多，屬于多種可能性數(shù)據(jù)的綜合，因此會造成年內(nèi)和年際之間的差異性被明顯消弱，從而使流量過程扁平化，難以科學(xué)、合理描述北方河流的水文特征。

1.2 改進Tennant 法

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國對河流水資源的開發(fā)和利用程度不斷提高，特別是修建了水庫等水利工程的河流，其水文過程會受到這些水利工程的嚴重影響，因此并不滿足傳統(tǒng)Tennant 法的使用前提[6]。因此，在利用該方法進行生態(tài)基流的計算過程中，必須要對相關(guān)的流量資料進行篩選和修正，以保證結(jié)果本身的真實性，最大限度避免扁平化數(shù)據(jù)對計算結(jié)果的影響。

對于此次研究的下河套水庫流域而言，由于其位于季風(fēng)氣候區(qū)，有著十分明顯的汛期和非汛期。因此，需要分為汛期和非汛期2個時段對生態(tài)基流進行研究[7]。為了使計算結(jié)果能夠符合汛期和非汛期季節(jié)變化特征，研究中引入季節(jié)修正系數(shù)對原Tennant 法中的流量百分比進行修正。由于下河套水庫建成較早，因此流域內(nèi)有比較齊全的水文資料，因此研究中選擇最能反映季節(jié)變化的年徑流量作為典型年，其選取方法結(jié)合流域特征進行如下改進。

首先，求出流域內(nèi)系列年的汛期和非汛期平均流量；然后，計算汛期和非汛期流量與平均流量的比值，并將其作為流量模數(shù)；最后，將流量模數(shù)最接近1.0的年份作為典型年。顯然，利用典型年的季節(jié)修正系數(shù)對流量百分比進行修正，可以使生態(tài)基流的計算結(jié)果更符合河流的實際情況。

由于研究區(qū)屬于典型的季風(fēng)氣候特點，降水的年際和年內(nèi)變化較大，往往會在某年或某個月份產(chǎn)生降雨的極端值，并對多年徑流量造成比較明顯的影響[8]。為了消除上述影響，研究中引入中位數(shù)代替多年平均流量組委推薦基流，這不僅具有一定的穩(wěn)定性和代表性，同時也符合Tennant 法的基本原理。

2 案例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)概況

下河套水庫位于凌源市四合當(dāng)鎮(zhèn)下河套村。屬于大凌河西支，滲津河流域上游一級支流。水庫流域全長12.8km，水庫壩址以上控制面積55km2；該庫始建于1971年，1974年8月建成投付使用，屬小(一)型水庫。根據(jù)流域內(nèi)的多年氣象資料，多年平均降雨量為556.5mm，降雨主要集中在夏季的6—9月，一般占到全年降雨量的71.2%，多年平均蒸發(fā)量為1021.5mm。其中，4—9月的蒸發(fā)量最大，占到年蒸發(fā)量的81.5%左右。流域內(nèi)的多年平均氣溫為8.7℃，極端最高氣溫38.7℃，極端最低氣溫為-36.3℃。初冰期一般在每年的10月中旬，最大河心冰厚為50cm，最大凍土深度1.6m。水庫的下游河道水資源原本十分豐富，為各種動植物提供了良好的棲息地條件，因此生物的多樣性比較豐富。但是，由于上游水庫的建成和使用，使下游河段長期處于脫水和減水狀態(tài)，對生態(tài)環(huán)境造成了比較嚴重的影響。

2.2 生態(tài)基流的計算

研究中選擇的河流斷面為下河套水庫下游1230m的畢杖子水文站，該站始建于20世紀60年代，屬于流域內(nèi)重要的控制站點，擁有相對比較完整的水文資料，完全可以滿足本次研究的實際需要。此次研究統(tǒng)一選用1965—2020年的實測徑流系列，對流域內(nèi)的地表水資源進行分析計算。由于Tennant 法在計算過程中需要天然徑流量資料，因此需要對實測徑流量進行轉(zhuǎn)換，獲取天然徑流量，具體的計算結(jié)果如圖1所示。

圖1 流域年均徑流量變化曲線

由圖1中的結(jié)果可以看出，除了個別年份受到特殊氣象水文條件影響發(fā)生突變之外，流域內(nèi)的流量呈現(xiàn)出波動下降的變化特點。

北方地區(qū)的河流存在明顯的季節(jié)性特點，4—9月為豐水期和生物的主要生長期，生態(tài)需水量相對較大，10月至次年的3月為枯水期和生物的休眠期，生態(tài)需求量相對較小。利用上文提出的方法，利用徑流數(shù)據(jù)計算研究河段汛期和非汛期的模數(shù)，并根據(jù)偏差量選擇出典型年，求出汛期和非汛期的修正系數(shù)，分別為0.88和0.89。另一方面，由于原始方法中沒有考慮北方河流的季節(jié)性特點，也就是忽略了豐水年、平水年和枯水年的徑流差異。為了減少這種差異對計算結(jié)果的影響，最大限度提升水資源的合理分配合理性。基于此研究中選擇1971、1970、1978和2002年分別作為保證率25%、50%、75%和90%條件下的典型年，計算獲取河道生態(tài)基流，結(jié)果見表1。

表1 生態(tài)基流計算結(jié)果 單位：m3/s

生態(tài)基流月度變化曲線如圖2所示。

圖2 生態(tài)基流月度變化曲線

由計算結(jié)果可知，生態(tài)基流隨著保證率的增加呈不斷遞減的變化趨勢，這與河道的天然來水量變化特點基本一致。由于研究河段為北方河流，其豐水年的需水量較大，而枯水年的需水量相對較小。此外，河道在汛期的需水量明顯高于非汛期。一般來說，在枯水期如果生態(tài)基流能夠維持河流的生態(tài)健康穩(wěn)定，那么豐水期的生態(tài)基流必能滿足要求，因此一般選擇非汛期的平均流量

作為相應(yīng)代表年的生態(tài)基流。因此，在保證率25%、50%、75%和90%條件下，生態(tài)基流分別為2.03、1.39、0.93、0.75m3/s。鑒于保證率為25%和 50%條件下的生態(tài)基流值較大，現(xiàn)狀條件下的徑流量難以達到要求。因為河道的生態(tài)基流偏向于枯水期的流量，所以本文理論上選擇保證率75%時計算得出的0.93m3/s作為研究河段生態(tài)基流值。

3 結(jié)語

此次研究以遼寧省下河套水庫壩下河段為例，結(jié)合北方河流的實際特點，提出季節(jié)修正系數(shù)和中位數(shù)理論，對傳統(tǒng)Tennant 法進行改進，使其更符研究河段的河流特性，計算得出研究河段的生態(tài)基流為0.93m3/s。與傳統(tǒng)Tennant 法相比較，由于本文模型引進汛期和非汛期的流量模數(shù)，使選取的典型年更有代表性，可以顯著的提高計算的科學(xué)性和準確性，對相關(guān)類似工程的壩下河段的生態(tài)基流計算具有一定的參考意義和作用。當(dāng)然，生態(tài)基流的計算是一項復(fù)雜的工作，影響因素眾多。因此，本文提出的計算方法仍需要進一步發(fā)展和完善，以便獲取更為完善的計算方法。