基于Tennant和R2-CROSS的滇池流域河流生态需水量计算

陈 晨，张刘东，倪匡迪，胥晓蓉

（云南农业大学水利学院 昆明 650201）

0 引言

滇池流域位于云贵高原中部，总流域面积2920 km2，流域内大小河流数十条，是滇池流域水资源交替循环的主要来源[1]。研究滇池流域的城市生态需水量是把握该流域的水资源、水生态与水环境相互联系[2]，是促进滇池流域水资源可持续发展的关键性问题。计算生态流量的方法很多，如刘铁龙等[3]通过构建Zenga指数来量化分析河流的生态流量；李伟等[4]通过结合Tennant法、枯水频率法、流量历时曲线法、最小月平均流量法和RVA法等的计算结果综合比较出丹江的生态流量。Tennant法也叫蒙大拿法，起源于美国，是目前应用最广泛的生态流量计算方法[5]。该法不需要现场测量数值，而是以历史流量为基础确定河道生态需水量，采用年平均天然径流量的百分比作为推荐流量，在不同月份采用不同百分比来估算河道生态需水量。参考其他研究者：10%的平均流量是支撑大多数水生物短期生存栖息地的最小瞬时流量[6]；当河流流量占年均流量的20%～60%时，河宽、水深及流速一般是令人满意的[7]。其优点在于只需获得当地一段较长时间的流量资料，就能根据相应系数快捷计算出当地河流生态基流量[8]。目前，我国水文监测站网尚不完善，许多河流缺少流量站，在流量资料缺乏条件下，可建立水位与流量、流量与河道生态平衡和生物多样性等的关系[9，10]，运用这样的方法对湖泊和河流的生态需水和生态水位进行计算。R2-CROSS法综合考虑了水力学、水文学、生物学、地质学等方面，是全世界无水文资料的河湖水系统生态需水量研究最常见的方法之一[11]。滇池流域的水生态问题受到广泛关注，但河流生态需水的研究报道较少。本文采用经验法研究滇池流域河流生态需水量，对流域生态保护提供指导。

1 数据来源

本文所用的河流资料来自于调查资料以及昆明市统计局官网，绿化植物的灌溉定额来自《云南省用水定额标准》（DB53T168-2013），多年的平均降雨量和蒸发量来自于《云南省水资源综合规划》。

2 研究方法

生态需水量是指一个特定区域内的生态系统需水量，是指维持生物地理生态系统水分平衡所需用的水，是为维护生态环境不再恶化保护河流水生生物、维持生态系统健康和满足水资源可持续利用所需要的水资源量[12]，通过查阅大量的文献来看，Tennant法和R2-CROSS法比较适合滇池流域河流的生态需水量计算，因此本文采用的研究方法为Tennant法和R2-CROSS法。

2.1 Tennant法

滇池流域内河流众多，大多为源近短流的山区性河流，集水面积大于100 km2的有盘龙江等7条河流。滇池流域生态需水量应该结合河道基流、河流水面蒸发需水量、河流渗漏需水量、河道外绿化带需水量等多方面共同分析，以计算出维持滇池流域生态系统健康和满足水资源可持续利用所需要的水资源量。

2.1.1 河道基本生态流量

河道基本生态需水量是指能够维持河道基本生态功能的水资源量[13]，通过以往的研究可知，年均径流量的10%、20%、30%分别是保障河流水生生物正常生长的栖息地最低、适宜和最佳生态基流[14，15]。河流的生态需水一般是用生态流量表示，而且这一数值不是固定的。对于一条河流，在不同河段和不同月份，河流的生态需求是变化的，因此，本文采用河流多年平均径流量来计算河道基本生态流量。应用Tennant法计算河流河道生态基流的公式为：

式中：Wt为河道生态基流，m3/s；M为河流多年平均径流量，m3/s；N为推荐基流简单百分比，%。

2.1.2 河流水面蒸发需水量

河流的水面蒸发是河流水量消耗的重要方式之一[16]，水面蒸发需水量计算公式为：

式中：WE为河流水面蒸发需水量，亿m3/a；A为河流水面面积，km2；E为水面蒸发量，mm/a；P为河道内降水量，mm/a。

2.1.3 河流渗漏需水量

当河道水位高于两岸地下水位时，河道将通过渗漏的方式补给河道两岸地下水。假定河道渗漏段内损失均匀，沿程流量按等比级数递减。河道渗漏补给量的公式为：

式中：Q河为河道渗漏量，m3/s；k为经验系数，水文地质条件为优良、中级、差等时取值分别为0～0.5 m、0.5～1.0 m、1.0～2.0 m；A为河流水面面积，km2。

2.1.4 河道外绿化带需水量

一般采用面积定额法[17]来计算河道外绿化带需水消耗的河流水量，其计算公式为：

式中：W绿为绿地生态需水量，m3/a；φ为绿化用水定额，m3/（m2·a）；F为绿化带覆盖面积，m2。

2.2 R2-CROSS法

R2-CROSS法主要基于曼宁方程[18]，假设保护浅滩就是保护最临界的河流栖息地。河流的水深、流速以及湿周率是需要研究与栖息地质量有关的水流指示因子。使用R2-CROSS法确定栖息地最小流量的参数标准如表1所示。

表1 R2-CROSS法确定生态流量的标准

3 结果

根据昆明市河流属于季节性河流的特征，按Tennant法的评价标准[19]，部分数据来自于其他研究者的研究成果[20]，以多年平均径流量的20%作为河道适宜基本生态流量的推荐值，结合式（1），计算出河道基本生态需水量（见表3）。根据《云南省水资源综合规划》项目的调查评价成果，滇池流域多年平均降雨量为925.7 mm，多年平均蒸发量为1 466.9 mm。多年平均蒸发量高于多年平均降雨量，根据式（2）计算出河流的水面蒸发需水量。流域河道分渠化河段和自然河段，河道的水文地质条件较好，式（3）的经验系数k取0.5 m，计算出河流的河流渗漏需水量。根据《云南省用水定额标准》（DB53T168-2013），绿化用水定额取2910 m3/hm2，根据式（4）可以求得河道绿化的需水量，计算结果见表2。

采用R2-CROSS法计算河流生态需水量时，河流宽度资料来自于调查资料，为了使河流生态系统正常工作，使用河流的平均宽度作为栖息地最小流量的河流宽度[10]。水深、流速以及湿周率取该河流宽度下对应表2的下限值，计算结果见表2。

表2 河流生态需水量计算结果

4 分析与讨论

Tennant法通过计算滇池流域的河流水面蒸发需水量、河道渗漏需水量和河道外绿化带需水量获得生态需水量，R2-CROSS法通过参考河流的水力参数特征计算生态需水量，通过查阅资料可知，滇池多年入湖平均径流量为98 454万m3。计算结果表明：运用Tennant法得出滇池流域河流生态需水量为16 974.59万m3，运用R2-CROSS法得出滇池流域河流生态需水量为16 715.49万m3，采用Tennant法算出的生态需水量稍高于R2-CROSS法算出的结果，两种方法的计算结果相近，计算结果具有可参考性。

滇池流域河流年内最大月径流量与最小月径流量差距很大，在丰水期的河流径流量可以满足生态需水量的要求，但在枯水期，河流径流量的急剧减少，给河流生态需水量造成压力。比较运用不同方法算出的集水面积大于100 m2的7条河流生态需水量可以看出，除捞鱼河外，其余6条河流采用Ten⁃nant法算出的生态需水量均高于采用R2-CROSS法算出的需水量。盘龙江、宝象河、洛龙河、白鱼河、柴河与东大河采用R2-CROSS法算出的生态需水量分别比采用Tennant法算出的生态需水量低5.25%、14.38%、18.02%、0.75%、14.69%、13.75%，而捞鱼河采用R2-CROSS法算出的生态需水量比采用Tennant法算出的生态需水量高29.42%，比较结果见图1。通过R2-CROSS法算出的河流生态需水量占各河流多年平均流量的20.33%～35.03%，属于Tennant法中20%～40%较好的范围内，盘龙江的生态需水量大约占整个滇池流域生态需水量的30%，计算结果基本合理。

图1 不同方法下7条大河生态需水量比较图

两种方法计算的结果中，乌龙河和老宝象河的计算结果差距较大，出现这种误差的原因是由于R2-CROSS法具有明显的地域特性，采用R2-CROSS法计算乌龙河和老宝象河生态流量时选择的下限水深和流速不够准确。同时，乌龙河目前上段已被截断，采用Tennant法时选择的年均径流量可能低于实际年均径流量从而造成较大的误差。老宝象河属于昆明古六河之一，水质污染较严重，河水浑浊，流速较慢，达不到R2-CROSS法计算生态流量的标准流速，因此采用R2-CROSS法来估计老宝象河的生态需水量误差较大。

5 结语

本文采用Tennant法和R2-CROSS法作为自然河流生态需水量的计算方法，开展滇池流域河流生态需水量研究。研究结果表明：两种方法计算的河流生态需水量的范围为16 715.49万～16 974.59万m3，计算的河流生态需水量占入湖平均径流量的16.98%～17.24%，结果基本合理。因此，两种方法对于计算河流生态需水量均具有参考意义。对于体现季节变化因素估算水生生物正常生长的季节性河流的生态需水量，采用Tennant法更能满足需求，对于水力学特性较强且河流宽度较小的河流以及山地冷水河流，采用R2-CROSS法更能满足需求。