改进Tennant法在塔里木河生态基流量计算中的应用

李 亮

（塔里木河流域干流管理局,新疆 库尔勒 841000）

0 引言

流域生态基流量是为维持流域内生物群落稳定并保证流域生态环境和水资源功能不受破坏而需要的基本水量,对于特定流域而言,其生态基流取值应较为稳定。国内使用较多的流域生态基流量计算方法为水文学法,即应用水文指标,根据长序列流量资料进行流域生态需水量、生态基流量等的推求。近年来,Tennant法在流域生态基流量观测计算方面应用越来越广泛,Tennant法主要基于流域较长时间的流量数据,根据相应系数便可计算出流域生态基流量,该方法忽略了流量年际变化,淡化了流域枯丰时期流量的差异,对流量季节性变化大的流域计算结果误差较大。我国西北地区流域季节性变动趋势明显,流量在枯丰水期差异较大,河流生态基流也表现出明显的季节性变化。西北大部分流域属于天然河流,在人类活动的影响下径流量逐年减小,这种就属于未补水河流；而部分流域在人工调水、补水等情况下流量逐年增大,属于补水性河流。为此,本文主要基于不同流域径流量的变化及不同的功能定位,并综合考虑径流变化和生态过程对流域水文过程的影响,通过径流过程的还原或还现进行年均流量修正,并对Tennant法进行实质性改进。

1 Tennant法改进思路

1.1 Tennant法

该方法主要用于流域生态需水量估算及流域生态用水情况的评价,其主要针对干旱半干旱地区永久性流域栖息地环境优劣的基流标准进行分析判定。该方法通过构建流量与水生态系统之间的关系,简化分析过程,对于生态资料缺乏流域较为适用。Tennant法对流域水生生物栖息地环境质量和流量关系的描述见表1,Tennant法所推荐的流域水生生物栖息地环境质量处于最佳状态的基流应为60%～100%。

表1 流域水生生物栖息地环境质量和流量关系

但是Tennant法计算结果的准确程度与研究者对栖息地重要性的认知程度有关,不同流域形态下,水生生物栖息地环境质量与流量的比例关系不同,必须进行调整以使其符合当地流域情况；且该方法并未从流域特性和成因角度进行流量变动趋势分析,忽视流量季节性变化,必须结合所研究流域情况进行改进。

1.2 Tennant法的改进

Tennant法之所以无法体现河流流量季节性变化,主要原因在于其使用的是年平均流量指标,削弱并坦化了河流年内及年际流量过程峰谷,导致该法对于季节性变化较大流域的不适用。考虑到我国西北地区流域季节性特征明显,应根据流域河段的自然地理特征进行分析时段划分,并以年流量最接近多年平均流量的年份为典型年,由于典型年是流域本身一年流量过程的体现,自然最能反应流域季节性丰枯变化特性。用所确定出的典型年流量代替多年流量均值,以使Tennant法更能体现流域流量的季节性特征[1]。

1.2.1 典型年及分期百分数的选取

典型年的选取对改进Tennant法生态基流值计算结果能否满足所在流域生态系统的准确性有较大影响,典型年及多年流量均值必须在同一流域的流量序列中选取。具体而言,先求流域河段各控制站多年流量均值Qx；再将各控制站年流量值与Qx比较,并得出控制站年模数值kit,其中i为控制站编号,t为观测时间（年）,并通过式（1）计算流域河段年模数（其中N为流域河段控制站个数）；根据计算结果选择流域河段年模数取值最接近1.0 的年份为典型年。如果所得到的结果≥2,则应以系列年模数偏差最小的年份为典型年。

对于人工补水性流域河段,应从突变点之后进行典型年选取,而对于无人工补水的天然河流则正好相反。结合我国西北地区流域河段季节性变化及生态需水特征,11月～次年3月进入枯水期,流域降水稀少,水生生物也进入冬眠期,生态需水量减少。在这一期间Tennant法认为流域河段流量的最低下限应为多年流量均值的10%,所以以多年流量均值的10%为计算流域河段生态基流量的基准。而4月～10月流域降水增大,水生生物开始进入产卵期和生长发育期,生态需水量增大。在此期间内多年流量均值的10%显然无法满足流域水生生物用水的最低需求,结合我国西北地区流域生态需水量方面的相关研究成果,将4月～10月计算流域河段生态基流量的基准确定为多年流量均值的15%,以较好地满足流域河段水生生物最低用水需求。

1.2.2 月均流量

结合生态基流量的相关规定,为满足流域河段水生生物生存的需要,必须充分考虑其正常产卵和繁育对水资源的需求。对于西北地区的流域河段,鱼类一般从4月上旬开始产卵,生态需水量增大,4月～5月期间大部分鱼类产卵,生态需水量持续增大,而当流域河段水位下降或流速降低,鱼类产卵行为会停止。6月～9月水温升高,鱼类索饵生长过程加快,洪水将大量草根草籽树叶带入河道,为鱼类生长带来丰富的有机质。结合相关统计,鱼类产卵所需要的最低流速为0.2 m/s～0.25 m/s,且0.25 m/s是保证鱼卵漂浮安全的下限；从4月水生生物产卵期开始至8 月水生生物产育高峰期,流速应至少增大0.1 m/s。为进行流域生态基流量计算,必须充分考虑水生生物产育习性,将其繁育生长规律和流域河段水文情势耦合后在Tennant法中增加流速条件,使其分析结果更加适宜流域水生生物生存繁育。

2 应用实例

2.1 流域概况

塔里木河流域地处南疆,流域全长2181 km,是我国第一大内陆河流,塔里木河流经塔克拉玛干沙漠,沿线自然条件恶劣,水资源匮乏。流域主要由阿克苏河、和田河、叶尔羌河、开都河等九大水系数百条河流组成（图1）,其中位于塔河上游源流区的阿克苏河、和田河、叶尔羌河等流域性塔河干流持续供水,形成四源一干的水资源区域调配供水格局,源流区三条流域向塔河所供水量分别占总调水量的72.8%、23.1%、4.1%。由于区域地形及气候、降水等原因,塔里木河流域径流年内波动剧烈,因汛期径流量快速增大,往往造成洪水资源难以利用；而枯水期径流量较小,甚至出现部分河段断流,无法为流域水生生物提供基本的生存条件。通过分析塔河径流年际变化规律及年内分配特征,计算塔河流域生态基流量,以便进行塔河流域水资源的合理开发利用。

图1 塔里木河流域水系及站点

2.2 径流变异诊断及还现

为消除极端值的干扰,通过适用于非正态分布的Mann-Kendall无分布检验方法[2]进行塔里木河流域径流变异诊断,计算结果见图2,由图可知,UF统计量曲线和UB统计量曲线在2002 年首次相交,在2012 年出现第二个交点。实地调查结果显示,塔里木河流域于2000 年左右开始修建大量水库,对流域流量造成较大扰动,从2001 年开始对胡杨林严重衰败的区域第一次调水,并同时进行部分河道整治,所以径流突变点在2002 年出现实属合理,故以2002 年为塔里木河流域径流变异点。此外,从图1还可以看出,在该径流变异点之后流域流量呈逐年增大趋势,为保证分析结果的准确性,对2002 年径流突变点后的流量序列进行还现计算。

图2 塔里木河流域径流序列M-K变异诊断结果

在分析时,基于2002 年首个径流突变点出现后的2002年～2020 年降水-径流序列,构建塔里木河流域降水-径流关系曲线,具体见图3,所得出的塔里木河流域2002年～2020年降水-径流关系式为y=0.1138x0.7224,相关系数R2=0.6110,相关系数小,说明塔里木河流域近年来受人工补水、人工调水等人为活动影响较大。

图3 塔里木河流域降水-径流关系曲线

应用上述方式对塔里木河流域2002年径流突变点之前的径流情况进行模拟,结果表明,在径流突变前因塔里木河流域未进行人工补水,实测流量减小,可见,流量还原后生态基流量的分析对于恢复塔里木河天然水文情势具有积极作用。

2.3 改进Tennant法计算生态基流量

基于还现后的塔里木河流域生态流量序列计算流域1965年～2015 年流量均值为3190 m3/s,比改进前增大。根据典型年选取方法,选择1965 年实测逐月流量序列并进行同比缩放,直至多年平均流量修正后再与不同期流量百分比相乘,便可得出还现后的塔里木河流域逐月生态基流量,具体结果见表2。由表中结果可知,原Tennant法计算值使塔里木河流域实际来水过程线更加扁平化 ,不能满足流域内水生物产育需求,而典型年逐月流量是考虑到水生生物产育需求后的最低流速,更能体现流域河流用水特点,也更能满足流域内水生生物产育需求。综合分析后采用流量还现进行年流量均值的修正,并采用改进的Tennant法更好地反应塔里木河天然水文情势。

表2 还现后的塔里木河流域逐月生态基流量

3 结论

综上所述,应多年流量均值坦化并削减了天然流域来水过程和流量峰值,导致Tennant法对于流量季节性变化较大的流域并不适用。通过选取典型年,并用典型年流量代替流域多年流量均值对Tennant法进行改进,以使其适用于季节性变化大流域河段生态基流量的估算。以Tennant法所给出的流域水生生物生存繁育水位流速临界点为依据,确定出非汛期最小流量百分比数,进行流域河段平均流量的还原计算。实践证明,改进后的Tennant法典型年流量计算过程更好地体现了流域河段流量的季节性变化,也更符合流域生态基流量相关要求。有利于保证流域河段流速及水深、水面宽度,确保流域河段水生生物栖息环境的良性发展。