Tennant法在河流生态基流计算中的适用性探讨——以福建省东南沿海地区为例

朱 敏 翔，杨 柳，杨 超，牟 鑫 亮，李 晨，岳 东 霞

(1.兰州大学 资源环境学院，甘肃 兰州 730000; 2.北京师范大学 地理科学学部，北京 100875)

河流作为生态系统不可缺少的组成部分，在维持全球物质与能量运输、调节地球气候、支撑生态平衡方面发挥着重要的作用。然而，随着人类对水资源过度的开发利用，河流生态环境问题日益突出，水资源的利用与生态环境的保护之间形成了巨大的矛盾[1]。为了调节两者之间的矛盾，人们提出了生态基流的概念[2-4]。目前，国际上并没有对生态基流形成统一的定义。1978年，Nienhuis首次在河道最小生态流量的计算中加入了鱼类、水电、航运等的需水量[5]。1988年，Gleick提出了基本生态需水的概念[2]，他认为基本生态需水的计算既要考虑生物多样性和生态系统的完整性，又要考虑气候、季节变化等影响因素。国内的研究中对生态基流概念的认识也存在着不同[6-8]。王西琴[8]等从水环境角度提出，河道最小环境需水量是指维持最基本的河流功能正常所必须的最小水量。孟慧颖[9]从生态系统角度提出，生态基流是指维持河流基本形态和基本生态功能、保证水生态系统基本功能正常运转、保证不断流、避免河道中的水生生物受到不可恢复性的破坏的最小流量。

生态基流的计算方法可分为四大类：水文学法、水力学法、生境模拟法和整体法[9-10]。其中水文学法主要是基于天然流量，通过确定比率来计算生态基流量，该方法因计算方便、操作简单，在流量较大且水文资料序列较长的河流使用率较高。水文学法主要包括Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法、90%保证率最枯月平均流量法、年型划分法等。其中, Tennant法无需现场测定，且不要求流量序列长期完整，故在生态资料缺乏的地区得到广泛的使用[9-11]。我国学者将Tennant法引入国内,先后在海河流域[6，12]、黄河流域[13-14]、长江流域[15-16]等国内主要水资源开发流域开展了生态基流研究，并对该方法的区域适用性开展了初步研究。但目前的研究集中在河流的气候因素及人为干扰因素影响下Tennant法的适用性[17]。若将该方法应用于长时间序列天然河道的流量变化研究，则需开展进一步的适用性研究。

福建省东南沿海地区位于中国东南部，在加快海峡西岸经济区建设、加强闽台经济文化交流中发挥着重要的作用。因此，区内水资源合理利用及生态环境的研究受到了广大学者的关注。本文通过对比分析福建省东南沿海地区河流的多年径流变化与Tennant法计算获得的生态基流量，探讨了Tennant法的在该区域的适用性，并针对Tennant法使用长序列基础水文指标来确定多年平均流量百分数的原理，将计算结果与区域河流实际水文数据相比较，分析影响Tennant法计算结果的原因，以期为东南沿海地区水资源的合理利用、开发和流域的综合管理提供科学依据。

1 研究区概况

福建省东南沿海地区属亚热带海洋季风气候，日照充足，雨量充沛，水资源丰富。区域内的降水集中在4～9月，包括3～6月份的锋面雨和7～10月份的台风雨。区域内河网密布，水系众多，流域地形以山地丘陵为主，河流主要包括九龙江、晋江、木兰溪、东溪等(见图1)，属于东南沿海诸河。其年径流空间分布与年降雨量的分布大体相似，径流量年内分配受季节性降水制约，有明显的丰枯变化。

图1 福建省东南沿海地区主要河流和水文站分布

2 研究方法与数据来源

2.1 Tennant法

1964～1974年，Tennant[18]等通过对3 145 km河段的58个断面的宽度、深度和流速等河流流量物理参数进行多次测量，于1976年提出了Tennant法。该方法认为，对于大部分水生生物，河流多年平均流量的10%是维持其短期生存栖息地的最小流量；30%是维持其一般活动的良好生存条件的基本流量；达到60%可为其在生长初期和大多数活动提供极好的栖息环境。而在北半球，一般地区的10月至翌年3月为枯水期，河道流量需要满足一般的用水；4～9月为丰水期，是大部分鱼类产卵育幼阶段，河道流量需要满足鱼类的繁衍和生存。基于此，Tennant法推荐枯水期10月至翌年3月的生态基流取多年平均流量的10%,丰水期4～9月的生态基流取多年平均流量的30%。

Tennant法利用多年平均流量的比例将保护鱼类、野生动物、娱乐和相关环境资源与河流流量联系了起来(见表1)，宏观上对河流生态保护的基本需水量管理具有指导价值。

表1 保护鱼类、野生动物、娱乐和相关环境资源的河流流量状况

2.2 数据来源

本研究针对福建省东南沿海地区的河流生态基流计算的需求，系统收集了区域内各水文站的多年径流实测数据。

九龙江北溪选择浦南水文站的数据作为数据来源，该站控制流域面积8 490 km2，约占北溪流域面积的88.1%，是北溪下游的控制站。九龙江西溪流域选择郑店水文站的数据作为数据来源，该站位于九龙江西溪干流，控制流域面积3 419 km2，约占整个西溪流域的86.8%，为西溪主要控制站。晋江流域选择石砻水文站的数据作为数据来源，该站位于晋江干流，距晋江出海口仅24.8 km，控制流域面积5 060 km2，是晋江下游的控制性水文站。木兰溪流域选择濑溪水文站作为数据来源站，该站是木兰溪干流上主要水文站，控制流域面积1 070 km2。东溪选择诏安水文站作为数据来源站，该站位于下游诏安城关，控制流域面积955 km2，约占东溪全流域面积的83.2%，是东溪流域的主要控制站。

3 结果与分析

3.1 Tennant法的应用及适应性分析

本研究利用浦南站1950～2016年(67 a)、郑店站1951～2016年(66 a)、石砻站1951～2016年(66 a)、濑溪站1951～2016年(66 a)、诏安站1962～2016年(55 a)的径流资料，得到各站多年平均流量数据，使用Tennant法计算的结果见表2。

表2 各河流Tennant法生态基流计算结果

3.2 生态基流量适应性分析

河道内天然流量必须满足生态基流量，才能保证河道的基本生态功能。因此，我们统计了各河流代表站反映河道流量年内及年际变化的多年月平均流量和多年最小月平均流量(多年各月平均流量数据中的最小值)两个特征值(见表3)。由表3可知，最小月平均流量只占多年月平均流量的6%～45%，说明各河流年内及年际变幅较大。

将各水文站各月多年月平均流量和最小月平均流量与Tennant法计算的生态基流量对比(图2)，可以看出，各水文站各月多年平均流量值都在生态基流量值之上，说明各河流各月多年平均流量皆能满足使用Tennant法计算的生态基流量。在自然状态下，河流生态系统已经安全度过多年各月平均流量中最小值的时期，河流没有发生断流，水生生物没有受到不可恢复性的破坏，可将多年各月平均流量最小值作为该月的最小生态径流量[19-21]。因此，将最小月平均流量与Tennant法估算的生态基流量相比较(见图3)，可以看出在浦南站多年实测数据中2个月出现最小月平均流量小于生态基流的情况；郑店站多年数据则说明九龙江西溪在3～5月，均出现了无法满足生态基流的情况；石砻站所在的晋江干流，因受上游山美水库(大型)的水量调配，各月均能满足生态基流；由濑溪站的多年数据可知，木兰溪有9个月都出现了小于生态基流的情况；诏安站多年数据则说明东溪干流在1～5月和9，10，12月均出现不能满足生态基流的情况。由此可说明，Tennant法计算得出的流域生态基流量不能应用于径流量年际变化较大的河流。

4 影响Tennant法计算的因素

4.1 计算原理

Tennant法是针对统计结果分别建立断面流速、主槽水深以及水面宽度与多年平均流量百分数的关系，对关系图中各线斜率进行分析，得到断面流速、主槽水深以及水面宽度的变化速率突变时所对应的多年平均流量百分数，结合鱼类对栖息地的流量、河流物质组成等的要求进行验证的方法。

福建省东南沿海各河流均为独立入海的河流，受采砂影响从1990年开始河道断面逐年下切，近几年由于禁止采砂，河床趋于稳定。因各河流的河道形状及特性基本一致，本研究仅以九龙江北溪的浦南水文站实测水道断面为例，通过分析其实测断面的水面宽、深度和流速数据，探究Tennant法不适用性的原因。

4.2 河道断面变化及研究断面选取

浦南水文站位于九龙江北溪下游，河段属沙质河床。受采砂影响，从1990年开始河道断面逐年下切，近几年由于河道禁止采砂，河床趋于稳定。浦南水文站1990,2000,2010,2016年实测断面如图4所示。由图4可以发现，断面主槽宽度总体较为稳定，其中1990年最大，为337.6 m；2010年最小，为328.7 m，变化量仅为8.9 m。河道断面变化主要表现为河床的下切和过水面积增加，过水面积由1990年的1 367.1 m2增大到2016年的1 852.28 m2。由于近几年河道禁止采砂，河床趋于稳定，所以选择2016年浦南水文站的实测断面，作为本次Tennant法适用性研究断面。

表3 各河流代表站月径流量年际变化统计

图2 各月多年平均流量与Tennant法估算的生态基流量关系

图3 最小月平均流量与Tennant法估算的生态基流量关系

图4 浦南水文站历年实测断面

4.3 影响因素

通过分析浦南水文站断面实测流速与多年平均流量百分比的关系(图5)可以看出，随着断面流量的增大，流速呈增大的趋势，但曲线较为平滑，变化速率无突变。多年平均流量的10%所对应的断面流速为0.03 m/s ,并没有达到鱼类的感应流速0.2 m/s以及Tennant所推荐的鱼类最小流速0.23 m/s。

通过建立浦南水文站断面主槽水深与多年平均流量百分比的关系(图6)，可以看出，总体上，主槽水深随流量变化幅度较小，主槽水深变化量为1.06 m。结合图3可知，主槽河床下切明显，多年平均流量的10%所对应的断面主槽水深达到了4.71 m，远大于Tennant所推荐的鱼类最小水深0.3 m。

图5 浦南水文站断面实测流速与多年平均流量百分比关系

图6 浦南水文站断面主槽水深与多年平均流量百分比关系

通过建立浦南水文站断面主槽水面宽度与多年平均流量百分比曲线的关系(图7)，结合图3可以得出，断面主槽形状呈U型，水面宽随流量变化不大，曲线有一处变化速率转折点，但并不明显，总体上水面宽度与多年平均流量百分比曲线斜率趋于平缓。多年平均流量值的10%所对应的水面宽为194.5 m，多年平均流量所对应的水面宽为198.5 m，两者比值(水面宽率)为97%，远大于Tennant所推荐的生态基流所对应的水面宽率60%。

图7 浦南水文站断面水面宽度与多年平均流量百分比关系

综上可知，Tennant法中将多年平均流量的10%作为河道健康的关键点或下限，不适用于福建省东南沿海河流中河床坡降较小、过水面积较大的下游河段。

5 结论与建议

利用福建省东南沿海主要河流各水文站的多年流量数据，使用Tennant法计算求得各河流的生态基流量。经分析，各河流的生态基流量均小于逐月平均流量，但由于福建省东南沿海各河流的径流量年内及年际变幅较大，最小月平均流量只占多年月平均流量的6%～45%，从而造成各河流均出现多个最小月平均流量比Tennant法求得的生态基流量小的情况。可见，Tennant法只有丰、枯两个分期的生态基流量，不适应于径流量年内及年际变幅较大的福建省东南沿海各河流。

福建省东南沿海各河流均为独立入海的河流，受河床刷深和回水顶托的影响，各河流下游河段具有河道坡降小、水流平缓、水面较宽、水深较深的特点。根据2016年浦南水文站实测数据，建立断面流速、主槽水深以及水面宽度与多年平均流量百分比的关系曲线，对图中各关系线斜率进行分析，发现无明显的速率突变。通过对10%多年平均流量所对应断面流速、主槽水深以及水面宽度进行分析可知，Tennant法中将多年平均流量的10%作为河道健康的关键点或下限，不适用于河床坡降较小，过水面积较大的东南沿海河流。

福建省东南沿海各河流径流受台风影响明显，年内径流量分配不均，总体上可分为洪水期(5～9月)和非洪水期(10月至翌年4月)，计算时应调整Tennant法的丰水期和枯水期的时间分段。此外，各河流具有水面宽、水深深、水流缓的特点，应适当调整Tennant法中的百分数，使计算所得的生态基流量更符合区域鱼类、野生动物和相关环境资源的保护。