基于Tennant法的清涧河生态基流量计算

石 硕

（辽宁省阜蒙县水利事务服务中心，辽宁 阜新 123100）

清涧河是黄河的重要支流。随着自然资源的开发，严重的水土流失和水资源短缺导致了当地生态环境的恶化，也是制约整个流域经济社会发展的重要因素之一。如何在保证生态环境良好发展的同时，科学合理地利用水资源，提高水资源利用效率，已成为亟待解决的问题。要解决这一问题，必须对清涧河流域水资源和生态环境的现状和问题进行分析论证。河流生态基本流量是保证河流生态系统基本结构完整或主要生态系统服务功能正常发挥所需的最小流量，具有显著的时空特征[4]。本文研究的生态基流是指在特定的时空条件下，为满足一定的水质要求，保证生态系统不退化而为河流健康预留的流量。

1 研究区概况

清涧河是黄河中游吴堡至龙门右岸的一级支流，古称“滴水”“岫岩水”“吐延川”。发源于子长县李家岔乡周家土金村，途经安塞、子长、清涧、延川、延长等4 个县。清涧河排水系图见图1[1]。清涧河全长169.9 km，流域面积4078 km2。呈树枝状分布。当地气候属大陆性暖温带季风半干旱气候，降水主要集中在6月～9月份的汛期，多为持续时间短、强度大的暴雨。年平均气温9.5℃，年平均降水量460.8 mm，水资源总量1.53 亿m3。由于清涧河流经黄土丘陵沟壑区，该区植被覆盖面积小，导致流域水土流失严重，使清涧河成为黄河流域治理开发的重要支流。

清涧河流域有两个水文站：延川站和子长站。延川站是清涧河流域的出口控制站。控制流域面积3468 km2，距延川站上游72 km处设有子长站。控制流域面积913 km2。流域内支流主要有永平河、沱家川河和文安河。

图1 清涧流域水系图

2 研究方法

蒙大拿方法（Tennant方法）是基于观测数据的流量与河流生态环境的经验关系。利用历史流量资料，可以确定一年中不同时期的生态环境需水量，使用简单方便[2]。不同河流生态环境对应流量百分比见表1。

表1 不同河道内生态环境状况对应的流量百分比

其计算过程如下：

①径流还原计算。采用降雨—径流关系法计算径流量减少量。找出河流径流的突变点，找出受人类活动影响较小的降雨径流资料，建立降雨径流关系。根据建立的降雨径流关系，结合估算年的降雨资料，计算出在人为影响较小的情况下的年径流量折减量，从而完成还原计算。

②水文过程与生态过程耦合的蒙大拿方法。典型的年流量过程能较好地反映年流量的变化规律[3]。根据陕北地区河流的周期性变化和生态需水的特点，可将其分为非汛期和汛期。非汛期河水相对干枯，水生植物进入冬眠期，生态需水量较小；汛期用水量增加，动植物进入活跃期，生态需水量较大。非汛期河流径流量较小。蒙大拿方法认为年平均流量的10%是河流流量的最低下限，因此选择年平均流量的10%作为生态基流的计算依据。

③通过计算河段流量频率，选择典型年份[5]。设计流量计算频率为25%（丰水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）和90%（特枯水年）。汛期对河水的需求量很大。在此期间，如果生态基流较大，则对河流取水不利。相反，如果在这一时段内能够保证最大的生态基流，其年份额可以满足生态基流，生态基流与河流流量呈正相关。因此，在接近设计流量值的不同年份，选择汛期河流流量相对充沛的年份作为典型年份。然后，根据某年测得的月流量序列，将修正后的年平均流量按相同比例换算，再乘以不同时段相应的流量百分比，计算出还原分析后河流的月生态基流。

3 生态基流量计算

根据已收集到的资料，对清涧河上延川、子长水文站年平均流量先通过径流还原计算，再进行频率计算，利用皮尔逊Ⅲ型曲线进行配线，通过配线即可得到各个频率对应的流量值。

3.1 延川水文站典型年选取

根据延川水文站年平均流量曲线可以看出，1998 年流量骤降。考虑到与1998 年清涧河流域煤矿大规模开采有关，煤矿开采造成地表水向地下洞室渗漏，另一方面河道取水为煤矿提供部分生产用水。因此，认为在1998 年以前，人为干扰很小，1998 年以后流量进行还原。但延川站附近雨量资料不足，与流量相关性较差。延川站与子长站同属清涧河干流，相关性较强。因此，根据子长水文站断面还原后的流量，对延川水文站断面径流进行了还原，见图2、图3。

图2 子长水文站与延川水文站河流断面流量相关关系图

图3 清涧河延川水文站断面还原流量曲线图

对还原后的流量进行频率计算，得到25%（丰水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）、90%（特枯水年）对应的设计流量。

根据已收集到的资料，对清涧河延川水文站年平均流量先通过频率计算，利用皮尔逊Ⅲ型曲线进行配线，通过配线即可得到各个频率对应的流量值。见图4。

图4 清涧河延川水文站断面流量P-Ⅲ型曲线图

3.2 子长水文站典型年选取

从子长水文站年均流量历年变化曲线可见流量在1999 年骤降，考虑与1999 年清涧河流域煤矿大量开采有关，煤矿开采致使地表水向地下空洞漏失，另一方面河道取水供给部分煤矿生产用水，因此认为1999 年前受人为干扰小，需对1999 年后流量进行还原，建立降雨量与天然流量的相关关系[6]，见图5。

表2 清涧河延川水文站断面典型年选取一览表

图5 子长水文站降雨量与天然流量相关关系图

基于降雨量与天然流量的相关关系，对1999 年后子长水文站河流断面实测流量进行流量还原，见图6。

图6 清涧河子长水文站断面还原流量曲线图

对还原后的流量进行频率计算，得到25%（丰水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）、90%（特枯水年）对应的设计流量。根据已收集到的资料，对子长水文站年平均流量先通过频率计算，利用皮尔逊Ⅲ型曲线进行配线，通过配线即可得到各个频率对应的流量值。见图7。

图7 清涧河子长水文站断面流量P-Ⅲ型曲线图

表3 清涧河子长水文站断面典型年选取一览表

3.3 清涧河典型年选取（表4）

表4 清涧河典型年选取一览表

蒙大拿法选用多年平均流量的10%作为生态基流的计算基准。选取某年实测逐月流量序列通过同倍比缩放至修正后的多年平均流量，再乘以不同时期所对应的流量百分数，计算得经过还原分析的某河逐月生态基流量，见表5。

表5 各典型年下清涧河生态基流量

在90%保证率下，子长的年均生态基本流量为0.58 m3/s，延川的生态基本流量为1.12 m3/s。

3.4 目标水质保证下的生态需水量

根据《陕西省水功能区划》确定的各水文站断面以及水文站断面所属的功能区的目标水质，确定各个水文站断面的90%保证率河流流量的设计流量，作为目标生态环境需水量，见表6。

基于径流还原后的流量数据，系列大于30 年采用排频法计算保证率为90%的最枯月均流量。经计算得出，90%保证率下以子长水文站为控制断面，生态环境需水量为0.60 m3/s；以延川水文站为控制断面，生态环境需水量为1.12 m3/s，见表6。

表6 榆林市“四川四河”目标水质保障下的设计流量

4 结论

河道生态基流是保证河流生态系统基本结构完整或主要生态系统服务功能正常发挥所需的最小流量，具有显著的时空特征[7]。本文以清涧河为例，探讨了清涧河生态基流的基本概念、内涵和理论基础，并用Tennant法计算了清涧河流域子长段和延川段的生态基流，分别为0.58 m3/s和1.12 m3/s，以及清涧河生态基流的计算方法生态环境需水量分别为0.60m3/s和1.12m3/s。这一结果为清涧河生态恢复提供了理论依据，进一步计算清涧河生态流量调节具有重要意义。