改進Tennant法在塔里木河生態(tài)基流量計算中的應用

李 亮

（塔里木河流域干流管理局,新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

流域生態(tài)基流量是為維持流域內(nèi)生物群落穩(wěn)定并保證流域生態(tài)環(huán)境和水資源功能不受破壞而需要的基本水量,對于特定流域而言,其生態(tài)基流取值應較為穩(wěn)定。國內(nèi)使用較多的流域生態(tài)基流量計算方法為水文學法,即應用水文指標,根據(jù)長序列流量資料進行流域生態(tài)需水量、生態(tài)基流量等的推求。近年來,Tennant法在流域生態(tài)基流量觀測計算方面應用越來越廣泛,Tennant法主要基于流域較長時間的流量數(shù)據(jù),根據(jù)相應系數(shù)便可計算出流域生態(tài)基流量,該方法忽略了流量年際變化,淡化了流域枯豐時期流量的差異,對流量季節(jié)性變化大的流域計算結(jié)果誤差較大。我國西北地區(qū)流域季節(jié)性變動趨勢明顯,流量在枯豐水期差異較大,河流生態(tài)基流也表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化。西北大部分流域?qū)儆谔烊缓恿?在人類活動的影響下徑流量逐年減小,這種就屬于未補水河流；而部分流域在人工調(diào)水、補水等情況下流量逐年增大,屬于補水性河流。為此,本文主要基于不同流域徑流量的變化及不同的功能定位,并綜合考慮徑流變化和生態(tài)過程對流域水文過程的影響,通過徑流過程的還原或還現(xiàn)進行年均流量修正,并對Tennant法進行實質(zhì)性改進。

1 Tennant法改進思路

1.1 Tennant法

該方法主要用于流域生態(tài)需水量估算及流域生態(tài)用水情況的評價,其主要針對干旱半干旱地區(qū)永久性流域棲息地環(huán)境優(yōu)劣的基流標準進行分析判定。該方法通過構(gòu)建流量與水生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系,簡化分析過程,對于生態(tài)資料缺乏流域較為適用。Tennant法對流域水生生物棲息地環(huán)境質(zhì)量和流量關(guān)系的描述見表1,Tennant法所推薦的流域水生生物棲息地環(huán)境質(zhì)量處于最佳狀態(tài)的基流應為60%～100%。

表1 流域水生生物棲息地環(huán)境質(zhì)量和流量關(guān)系

但是Tennant法計算結(jié)果的準確程度與研究者對棲息地重要性的認知程度有關(guān),不同流域形態(tài)下,水生生物棲息地環(huán)境質(zhì)量與流量的比例關(guān)系不同,必須進行調(diào)整以使其符合當?shù)亓饔蚯闆r；且該方法并未從流域特性和成因角度進行流量變動趨勢分析,忽視流量季節(jié)性變化,必須結(jié)合所研究流域情況進行改進。

1.2 Tennant法的改進

Tennant法之所以無法體現(xiàn)河流流量季節(jié)性變化,主要原因在于其使用的是年平均流量指標,削弱并坦化了河流年內(nèi)及年際流量過程峰谷,導致該法對于季節(jié)性變化較大流域的不適用。考慮到我國西北地區(qū)流域季節(jié)性特征明顯,應根據(jù)流域河段的自然地理特征進行分析時段劃分,并以年流量最接近多年平均流量的年份為典型年,由于典型年是流域本身一年流量過程的體現(xiàn),自然最能反應流域季節(jié)性豐枯變化特性。用所確定出的典型年流量代替多年流量均值,以使Tennant法更能體現(xiàn)流域流量的季節(jié)性特征[1]。

1.2.1 典型年及分期百分數(shù)的選取

典型年的選取對改進Tennant法生態(tài)基流值計算結(jié)果能否滿足所在流域生態(tài)系統(tǒng)的準確性有較大影響,典型年及多年流量均值必須在同一流域的流量序列中選取。具體而言,先求流域河段各控制站多年流量均值Qx；再將各控制站年流量值與Qx比較,并得出控制站年模數(shù)值kit,其中i為控制站編號,t為觀測時間（年）,并通過式（1）計算流域河段年模數(shù)（其中N為流域河段控制站個數(shù)）；根據(jù)計算結(jié)果選擇流域河段年模數(shù)取值最接近1.0 的年份為典型年。如果所得到的結(jié)果≥2,則應以系列年模數(shù)偏差最小的年份為典型年。

對于人工補水性流域河段,應從突變點之后進行典型年選取,而對于無人工補水的天然河流則正好相反。結(jié)合我國西北地區(qū)流域河段季節(jié)性變化及生態(tài)需水特征,11月～次年3月進入枯水期,流域降水稀少,水生生物也進入冬眠期,生態(tài)需水量減少。在這一期間Tennant法認為流域河段流量的最低下限應為多年流量均值的10%,所以以多年流量均值的10%為計算流域河段生態(tài)基流量的基準。而4月～10月流域降水增大,水生生物開始進入產(chǎn)卵期和生長發(fā)育期,生態(tài)需水量增大。在此期間內(nèi)多年流量均值的10%顯然無法滿足流域水生生物用水的最低需求,結(jié)合我國西北地區(qū)流域生態(tài)需水量方面的相關(guān)研究成果,將4月～10月計算流域河段生態(tài)基流量的基準確定為多年流量均值的15%,以較好地滿足流域河段水生生物最低用水需求。

1.2.2 月均流量

結(jié)合生態(tài)基流量的相關(guān)規(guī)定,為滿足流域河段水生生物生存的需要,必須充分考慮其正常產(chǎn)卵和繁育對水資源的需求。對于西北地區(qū)的流域河段,魚類一般從4月上旬開始產(chǎn)卵,生態(tài)需水量增大,4月～5月期間大部分魚類產(chǎn)卵,生態(tài)需水量持續(xù)增大,而當流域河段水位下降或流速降低,魚類產(chǎn)卵行為會停止。6月～9月水溫升高,魚類索餌生長過程加快,洪水將大量草根草籽樹葉帶入河道,為魚類生長帶來豐富的有機質(zhì)。結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計,魚類產(chǎn)卵所需要的最低流速為0.2 m/s～0.25 m/s,且0.25 m/s是保證魚卵漂浮安全的下限；從4月水生生物產(chǎn)卵期開始至8 月水生生物產(chǎn)育高峰期,流速應至少增大0.1 m/s。為進行流域生態(tài)基流量計算,必須充分考慮水生生物產(chǎn)育習性,將其繁育生長規(guī)律和流域河段水文情勢耦合后在Tennant法中增加流速條件,使其分析結(jié)果更加適宜流域水生生物生存繁育。

2 應用實例

2.1 流域概況

塔里木河流域地處南疆,流域全長2181 km,是我國第一大內(nèi)陸河流,塔里木河流經(jīng)塔克拉瑪干沙漠,沿線自然條件惡劣,水資源匱乏。流域主要由阿克蘇河、和田河、葉爾羌河、開都河等九大水系數(shù)百條河流組成（圖1）,其中位于塔河上游源流區(qū)的阿克蘇河、和田河、葉爾羌河等流域性塔河干流持續(xù)供水,形成四源一干的水資源區(qū)域調(diào)配供水格局,源流區(qū)三條流域向塔河所供水量分別占總調(diào)水量的72.8%、23.1%、4.1%。由于區(qū)域地形及氣候、降水等原因,塔里木河流域徑流年內(nèi)波動劇烈,因汛期徑流量快速增大,往往造成洪水資源難以利用；而枯水期徑流量較小,甚至出現(xiàn)部分河段斷流,無法為流域水生生物提供基本的生存條件。通過分析塔河徑流年際變化規(guī)律及年內(nèi)分配特征,計算塔河流域生態(tài)基流量,以便進行塔河流域水資源的合理開發(fā)利用。

圖1 塔里木河流域水系及站點

2.2 徑流變異診斷及還現(xiàn)

為消除極端值的干擾,通過適用于非正態(tài)分布的Mann-Kendall無分布檢驗方法[2]進行塔里木河流域徑流變異診斷,計算結(jié)果見圖2,由圖可知,UF統(tǒng)計量曲線和UB統(tǒng)計量曲線在2002 年首次相交,在2012 年出現(xiàn)第二個交點。實地調(diào)查結(jié)果顯示,塔里木河流域于2000 年左右開始修建大量水庫,對流域流量造成較大擾動,從2001 年開始對胡楊林嚴重衰敗的區(qū)域第一次調(diào)水,并同時進行部分河道整治,所以徑流突變點在2002 年出現(xiàn)實屬合理,故以2002 年為塔里木河流域徑流變異點。此外,從圖1還可以看出,在該徑流變異點之后流域流量呈逐年增大趨勢,為保證分析結(jié)果的準確性,對2002 年徑流突變點后的流量序列進行還現(xiàn)計算。

圖2 塔里木河流域徑流序列M-K變異診斷結(jié)果

在分析時,基于2002 年首個徑流突變點出現(xiàn)后的2002年～2020 年降水-徑流序列,構(gòu)建塔里木河流域降水-徑流關(guān)系曲線,具體見圖3,所得出的塔里木河流域2002年～2020年降水-徑流關(guān)系式為y=0.1138x0.7224,相關(guān)系數(shù)R2=0.6110,相關(guān)系數(shù)小,說明塔里木河流域近年來受人工補水、人工調(diào)水等人為活動影響較大。

圖3 塔里木河流域降水-徑流關(guān)系曲線

應用上述方式對塔里木河流域2002年徑流突變點之前的徑流情況進行模擬,結(jié)果表明,在徑流突變前因塔里木河流域未進行人工補水,實測流量減小,可見,流量還原后生態(tài)基流量的分析對于恢復塔里木河天然水文情勢具有積極作用。

2.3 改進Tennant法計算生態(tài)基流量

基于還現(xiàn)后的塔里木河流域生態(tài)流量序列計算流域1965年～2015 年流量均值為3190 m3/s,比改進前增大。根據(jù)典型年選取方法,選擇1965 年實測逐月流量序列并進行同比縮放,直至多年平均流量修正后再與不同期流量百分比相乘,便可得出還現(xiàn)后的塔里木河流域逐月生態(tài)基流量,具體結(jié)果見表2。由表中結(jié)果可知,原Tennant法計算值使塔里木河流域?qū)嶋H來水過程線更加扁平化 ,不能滿足流域內(nèi)水生物產(chǎn)育需求,而典型年逐月流量是考慮到水生生物產(chǎn)育需求后的最低流速,更能體現(xiàn)流域河流用水特點,也更能滿足流域內(nèi)水生生物產(chǎn)育需求。綜合分析后采用流量還現(xiàn)進行年流量均值的修正,并采用改進的Tennant法更好地反應塔里木河天然水文情勢。

表2 還現(xiàn)后的塔里木河流域逐月生態(tài)基流量

3 結(jié)論

綜上所述,應多年流量均值坦化并削減了天然流域來水過程和流量峰值,導致Tennant法對于流量季節(jié)性變化較大的流域并不適用。通過選取典型年,并用典型年流量代替流域多年流量均值對Tennant法進行改進,以使其適用于季節(jié)性變化大流域河段生態(tài)基流量的估算。以Tennant法所給出的流域水生生物生存繁育水位流速臨界點為依據(jù),確定出非汛期最小流量百分比數(shù),進行流域河段平均流量的還原計算。實踐證明,改進后的Tennant法典型年流量計算過程更好地體現(xiàn)了流域河段流量的季節(jié)性變化,也更符合流域生態(tài)基流量相關(guān)要求。有利于保證流域河段流速及水深、水面寬度,確保流域河段水生生物棲息環(huán)境的良性發(fā)展。