基于改进Tennant法的花园口生态径流量计算

陈南祥，张 丹，蒋晓辉

(1.华北水利水电学院，河南 郑州450011;2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南郑州450003)

生态径流量是指满足河流生态系统需水要求的径流量，同时也能反应河流在天然状态下该径流过程的泥沙、营养等特征［1］.我国在生态径流量计算方面的研究起步较晚，但结合我国河流的自身特点也提出了众多计算方法.根据侧重点的不同，这些方法可以分为4类:历史流量法、水力定额法、栖息地法、整体分析法［2－4］.其中栖息地法与水生生物结合紧密，由于获取生物资料极具复杂性，工作量太大，导致该法暂时难以在我国大量使用.历史流量法由于对资料要求较少，因而成为使用最为广泛的方法，其中Tennant法是最常用的计算生态径流量的方法.

1 Tennant法简介

Tennant法是美国人Tennant等在研究了美国11条河流的基础上，发现了流量与水生生物、娱乐功能和河流条件之间的关系，从而提出的一种经验计算方法［5］.Tennant法使用河流历史流量资料计算生态需水量，便于实际操作.传统的Tennant法选取多年平均流量的百分数作为判别栖息地环境优劣和推荐生态基流量的标准，是一种综合体现方法.当河道流量占平均流量的10%以下时，生态系统严重受损，不适合水生生物的生存，河槽宽度、水深及流速将显著减小，水生栖息地已经退化;河流底质或湿周将有近一半暴露，是支撑短期生存栖息地的最小瞬时流量［6］;当河道流量增大到平均流量的30% ～60%时，湿润底质明显增加，水生生物数量增多，生态结构的稳定性也明显增强，河宽、水深和流速能基本满足水生生物生长繁育的需要;当流量大于平均流量的60%时，认为是极为适合的生态径流量.表1是Tennant法的生态径流量标准［5］.

表1 Tennant法的生态径流量标准

2 基于黄河特征的Tennant法的改进

黄河与其他河流相比有以下特点:①它具有北方河流季节分明的特点，非汛期径流量偏小，汛期集中了超过全年50%的水量，其中汛期的某个月可能出现大流量集中;②黄河含沙量大，其泥沙主要来自黄土高原，因此上游清而下游浑.结合黄河自身特点，发现传统Tennant法以多年平均流量计算生态基流量，掩盖了黄河汛期流量大的事实.并且水生生物的繁殖与生长已经适应了天然状态下的黄河，也具有极强的时间特征，大多在汛期前产卵育幼，汛期生长发育.因此为了使Tennant法更好地描述黄河不同时期的生态径流量，需对其进行修改.

2.1 生态水文季节的改进

生态水文季节形成的直接原因是河流的季节性.河流生态系统随水情而变化，春夏期间的涨水时段是水生生物的繁殖期;生长期一般是河流丰水期，并且对下游湿地、河岸进行生态补水;而对水量要求最低的冬季休眠期是河流较枯的季节.对于一个流域而言，完整的河流生态系统由汛前期、汛期、汛后枯水期构成，它们一起被称为生态水文季节［7］.黄河的水文季节性明显，每年7月至10月为汛期，汛期来水量大且集中，以年平均流量计算的传统Tennant法不能反映这个特点.由于汛前期和汛后期实际来水量远小于汛期，故这里将汛前期与汛后期合并为非汛期考虑，以汛期和非汛期的平均流量代替年平均流量进行计算，能更好地反映较短时间内的实际来水过程，更具有代表性.

2.2 输沙性的改进

对于多泥沙的河流，输沙量与河水的流量和流速相关［8］.黄强等在文献［9］中利用 Tennant法计算黄河干流生态环境需水时提出了关于输沙性的改进，即在河流的非汛期，当流量一定时，输沙量就只与流速的大小相关.河流被开发的程度较低时，自然河流中的泥沙在非汛期淤积，在汛期水量大时被冲刷，年冲淤量达到平衡状态，则不会产生淤积.当河流开发利用程度为50%以上时，泥沙便会在河床淤积.黄河的开发程度远大于50%，下游泥沙淤积严重，这将改变黄河的河流形态和河流的生态环境.所以，非汛期要保持一定流速使得主槽冲淤平衡.

影响黄河泥沙沉积的因素众多，其中河床比降是重要因素之一.当河流在上游山区时，由于比降较大，即使流量很小也不至于淤积而影响河流生态环境;当河流到达开阔的平原时，由于平原抬高，成为地上悬河.因此，为了表征河流的输沙性，引入输沙系数ie来表征这种关系:

把所求得的河床比降乘以所研究河段Tennant法的推荐基流百分比系数，从而得到新的百分比系数.这样可使Tennant法更适合多沙河流.

3 应用实例

花园口站是黄河防汛重要的洪水控制站，黄河90%以上的洪水来自花园口地区以上的黄河干支流［10］.花园口站历史资料较为齐全，按照改进的Tennant法对花园口站1950—2000年(小浪底水库投入使用前)及2001—2010年(小浪底水库投入使用后)的流量数据分析计算，结果见表2与表3.

表2 逐月平均流量 m3/s

表3 生态径流量计算结果 m3/s

采用传统Tennant法计算得推荐生态流量为774～1 286 m3/s.对比2001—2010年期间月平均流量可以看出，1，2，5，7，11，12 月均达不到最佳范围;而6月则远大于推荐流量;3，4，8，9，10月在最佳范围内.采用改进后的Tennant法计算得1，2月小于非汛期最佳标准;6月远大于非汛期的最佳范围;12月则不满足最佳标准范围.传统Tennant法的推荐流量范围与非汛期的推荐流量范围相差不大，改进后的Tennant法主要体现在汛期的最佳流量范围，汛期较大的流量为正处于生长期的水生生物扩展了栖息地的面积和食物来源，流量脉冲为鱼类的迁移和产卵提供了必要的提示，并决定了河漫滩植物的分布及丰度［11］，所以应该在推荐范围之内.花园口河段是黄河鲤鱼、鲫鱼等水生生物的栖息地，并且要满足下游及周边城市生活、生态和生产用水，汛期生态径流量太小不合乎情理.

对比1950—2000年以前的汛期流量，除了8，9月份大于最佳范围以外，其余各月份均能满足生态用水需要.而 2001—2010 年1，2，7，8，9，10，12 月均小于推荐最佳范围，其中6月远大于最佳范围，这也说明人类对河流的过度开发影响了河流的生态径流量，从而导致水生生物天然栖息地面积减小.

4 结语

1)在对花园口生态径流量的计算中使用了改进的Tennant法.该方法考虑了河流流量生态水文季节的变化，相对准确地反映汛期与非汛期不同要求下的生态流量，可以用于对河流水生生物不同生态水文季节的栖息地评价.

2)考虑了黄河是多泥沙河流，计算了输沙性能对生态径流量的影响，更为全面地反映了黄河生态径流量的特点，也可用于其他多泥沙河流的生态径流量计算.

［1］王霞，夏自强，唐志坚.黄河下游生态径流量计算研究［J］.河海大学学报:自然科学版，2009，37(2):53 －57.

［2］ DFID of the U K.Handbook for the assessment of catchment water demand and use［M］.Oxon:HR Walling-ford，2003.

［3］粟晓玲，康绍忠.生态需水的概念及其计算方法［J］.水科学进展，2003，14(6):740 －744.

［4］钟华平，刘恒，耿雷华.河道内生态需水估算方法及其评述［J］.水科学进展，2006，17(3):430 －434.

［5］门宝辉，刘昌明.Tennant法计算标准的修正及其应用［J］.哈尔滨工业大学学报，2008，40(3):480 －481.

［6］徐志侠，董增川，周健康，等.生态需水计算的蒙大拿法及其应用［J］.水利水电技术，2004，34(11):15 －17.

［7］丰华丽，陈敏建，王立群.河流生态系统特征及流量变化的生态效应［J］.南京晓庄学院学报，2007，12(6):59－61.

［8］石伟，王光谦.黄河下游生态需水量及其估算［J］.地理学报，2002，57(5):595 －602.

［9］黄强，李群，张泽中，等.计算黄河干流生态环境需水Tennant法的改进及应用［J］.水动力学研究与进展，2007，22(6):773 －181.

［10］黄友瑜，刘法贵，吴德耀.基于GM(1，1)模型的黄河花园口站的径流量预测［J］.安徽农业科学，2011，39(9):5057－5059.

［11］蒋晓辉，赵卫华，张文鸽.小浪底水库运行对黄河鲤鱼栖息地的影响［J］.生态学报，2010，30(18):4941－4947.