改進的TENNANT模型在區(qū)域河道生態(tài)需水評價中的應用研究

林樹剛

（遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110500）

改進的TENNANT模型在區(qū)域河道生態(tài)需水評價中的應用研究

林樹剛

（遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110500）

本文引入改進的TENNANT模型對遼寧中部區(qū)域河道生態(tài)需水進行評價，研究結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)的TENNANT模型，改進的TENNANT模型在生態(tài)等級劃分時可綜合考慮最優(yōu)生態(tài)需水的上限和下限，且采用超頻計算原則，可避免極端事件對河流生態(tài)需水評價的影響，對區(qū)域生態(tài)需水評價結(jié)果更為合理，符合河流實際生態(tài)情況。研究成果對于區(qū)域河道生態(tài)需水評價和生態(tài)需水承載能力分析具有參考價值。

傳統(tǒng)TENNANT模型；改進TENNANT模型；河道生態(tài)需水評價；遼寧中部區(qū)域

當今，隨著區(qū)域可用水資源量與供水之間矛盾的日益突出，區(qū)域河道內(nèi)的生態(tài)需水逐步被其他用水擠占，河道內(nèi)的生態(tài)用水不能得到滿足，河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展難以得到保證。在河道內(nèi)生態(tài)需水計算的基礎(chǔ)上，如何對區(qū)域河道生態(tài)需水進行有效評價，成為國內(nèi)許多學者關(guān)注的熱點問題，許多學者對河道生態(tài)需水計算進行研究，并取得一定的研究成果［1-5］，但對河道生態(tài)需水評價研究還較少。傳統(tǒng)的TENNANT模型是應用較為廣泛的一種河道生態(tài)需水評價方法［6-10］，但其采用平均流量來反映樣本總體的發(fā)展趨勢，不能避免極端對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的影響，存在一定的局限。為此，本文引入改進的TENNANT模型對區(qū)域河道生態(tài)需水進行評價，該模型引入超頻率的概念，屏蔽極端對統(tǒng)計數(shù)據(jù)的影響，并在生態(tài)徑流劃分等級時可綜合考慮最優(yōu)生態(tài)需水的上限和下限，研究成果對于區(qū)域河道生態(tài)需水評價和生態(tài)需水承載能力分析具有參考價值。

1 改進的TENNANT模型原理

改進的TENNANT模型在傳統(tǒng)TENNANT模型基礎(chǔ)上，應用中位數(shù)的原理對傳統(tǒng)模型的分級標準進行改進，從而可以對河流多個屬性的生態(tài)需水進行評價，進行河流生態(tài)需水年際變化和年內(nèi)分配，構(gòu)建了不同頻率下的超頻生態(tài)徑流計算方法，計算公式為：

式（1）中pij表示為第 j個年份數(shù)據(jù)組第i個月份超過某一頻率的百分比；

rij則表示為區(qū)域流量日尺度系列從大到小排序的序號；mi表示為第i個月份所占據(jù)的天數(shù)（i=1，2….12月）；nj表示為第j個年份數(shù)據(jù)組所占據(jù)的年份數(shù)（j=1，2，3分別對應豐水年、枯水年以及平水年）。

傳統(tǒng)的TENNANT模型生態(tài)徑流方法將生態(tài)徑流劃分成10個等級，改進的TENNANT模型將生態(tài)徑流最小值到最優(yōu)生態(tài)需水的上限范圍值之間劃分成10個生態(tài)等級，第6個等級下表示為最優(yōu)生態(tài)需水的下限范圍值，等級劃分的計算公式為：

式（2）中E0（ij）表示為第j個年份數(shù)據(jù)組第i個月份生態(tài)最優(yōu)值上限范圍值；Q50（ij）和Q90（ij）則分別表示為第j個年份數(shù)據(jù)組第i個月份中位數(shù)值50%和75%百分比下對應的歷史流量數(shù)據(jù)點。

改進的TENNANT模型為避免極端事件對河流生態(tài)需水評價的影響，對生態(tài)徑流劃分等級標準的Q50進行了改進計算，等級劃分數(shù)量的計算公式為：

在生態(tài)徑流劃分等級數(shù)量后，對各個年組以及月份的生態(tài)徑流分級數(shù)進行定量化計算，結(jié)合 nij數(shù)據(jù)系列的中位數(shù)的具體計算原理，若方程計算返回得到不同等級的數(shù)量，則計算平均值，計算方程為：

式（4）中N表示為模型生態(tài)需水評價最后的生態(tài)等價劃分數(shù)；Averag以及MOD則表示模型求解中數(shù)函數(shù)以及平均值的函數(shù)表達式。

結(jié)合傳統(tǒng)TENNANT模型生態(tài)徑流劃分等級的標準，改進的TENNANT模型生態(tài)徑流劃分等級的標準為：

式（5）中Em表示為第m個等級的生態(tài)需水量；Q50表示為生態(tài)最優(yōu)值的上限范圍值；Q75表示為生態(tài)最優(yōu)值的下限范圍值。

2 實例應用

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于遼寧中部區(qū)域，河流干流的總長度為25km，河流多年平均降水量達到750mm，區(qū)域內(nèi)用水主要為生活和農(nóng)業(yè)用水，生活用水所占比例為45%。為對區(qū)域內(nèi)主干流河道的生態(tài)需水進行評價，在區(qū)域主干流河道上設(shè)置三個斷面（水文站附近），各斷面分布見圖1。斷面流量數(shù)據(jù)為水文站實測流量數(shù)據(jù)，結(jié)合流量數(shù)據(jù)，分別采用最小生態(tài)需水以及三頻率下的最優(yōu)生態(tài)需水方法分別計算區(qū)域內(nèi)主干河道的最小和最優(yōu)生態(tài)需水量，在此基礎(chǔ)上結(jié)合改進的TENNANT模型對區(qū)域的生態(tài)需水進行評價。

圖1 研究區(qū)域計算斷面分布圖

2.2 區(qū)域河道生態(tài)需水計算

2.2.1 最小生態(tài)需水計算

計算各斷面每月最小流量的均值，作為流域的最小生態(tài)需水量，計算結(jié)果見表1。三個斷面生態(tài)徑流過程，見圖1。

表1 研究區(qū)3個斷面最小生態(tài)徑流量及最小生態(tài)需水量

圖1 研究區(qū)域3個斷面的最小生態(tài)徑流過程

從表1可以看出3#斷面最小生態(tài)需水量最大，1#斷面最小生態(tài)需水量最小，這主要是因為3#斷面位于干流河道的下游，1#斷面位于干流河道的上游，因此3#斷面的生態(tài)需水量大于 1#斷面的生態(tài)需水量。從圖 1中可以看出，4～9月份的最小生態(tài)需水量大于10～3月份的最小生態(tài)需水量，這主要是因為4～9月份來水量較大，河道生態(tài)需水量也相對較大，而在10～3月份來水量較小，采用逐月最小流量作為最小生態(tài)徑流量，因此在10～3月份其最小生態(tài)需水量最小。

2.2.2 最優(yōu)生態(tài)需水計算

采用逐月頻率計算區(qū)域河道最優(yōu)生態(tài)需水，本文采用對應改進的TENNANT模型中選取的頻率（50%以及75%），計算逐月頻率下河道最優(yōu)生態(tài)需水，此外結(jié)合區(qū)域3處斷面多年平均流量數(shù)據(jù)繪制區(qū)域多年平均徑流過程，詳見表2以及圖2。

表2 研究區(qū)域3個斷面最優(yōu)生態(tài)徑流量及最優(yōu)生態(tài)需水量

表2為采用對應改進的TENNANT模型選取的頻率計算的研究區(qū)域河道最優(yōu)生態(tài)需水量，從表中可以看出，最優(yōu)生態(tài)需水計算值都大于區(qū)域河道的最小生態(tài)需水量，最優(yōu)生態(tài)需水是滿足區(qū)域河道達到中等或者最佳生態(tài)情況的需水量，而最小生態(tài)需水量為滿足區(qū)域河道最低生態(tài)系統(tǒng)所需要的水量，因此最優(yōu)生態(tài)需水量要大于最小生態(tài)需水量。同最小生態(tài)需水一樣，最優(yōu)生態(tài)需水量從上游到下游，逐步增加。圖 2為三個斷面最優(yōu)生態(tài)徑流的過程，從圖中可以看出，三個斷面計算的最優(yōu)生態(tài)徑流的過程和多年平均值較為相似，最優(yōu)生態(tài)需水受區(qū)域來水量的分配影響較大。在 4～9月份來水量較大，其最優(yōu)生態(tài)需水量也較大，而在10～3月份由于來水量較小，其最優(yōu)生態(tài)需水量相對較小。

2.3 區(qū)域河道生態(tài)需水評價

在區(qū)域最小和最優(yōu)生態(tài)需水計算的基礎(chǔ)上，分別采用傳統(tǒng)TENNANT模型和改進的TENNANT模型對研究區(qū)域河道最小生態(tài)需水量和最優(yōu)的生態(tài)需水量進行評價計算，計算結(jié)果見表3和表4。

表3 研究區(qū)三處斷面最小生態(tài)需水評價結(jié)果

表4 研究區(qū)三處斷面最優(yōu)生態(tài)需水評價結(jié)果

表3為分別采用傳統(tǒng)TENNANT模型和改進的TENNANT模型評價研究區(qū)域河道三處斷面最小生態(tài)需水的評價結(jié)果，經(jīng)過傳統(tǒng)模型評價的三處斷面最小生態(tài)需水情況下，其河流將達到較差和中等的生態(tài)程度，而改進模型評價評價的三處斷面最小生態(tài)需水情況下其河流生態(tài)評價結(jié)果要差于傳統(tǒng)模型，這主要是在最小生態(tài)需水下，河流生態(tài)系統(tǒng)平衡很難得到保證，其中1#和3#斷面在最小生態(tài)需水情況下其主干河道將達到極差的情況，通過對區(qū)域歷史河流斷流情況進行調(diào)查，1#和3#斷面在最小生態(tài)需水情況下，河流處于斷流的邊緣，河流生態(tài)系統(tǒng)將得到破壞，這和應用改進的TENNANT模型評價的結(jié)果相吻合。通過對比傳統(tǒng)TENNANT模型和改進的傳統(tǒng)TENNANT模型對區(qū)域河道最小生態(tài)

圖3 研究區(qū)域三個斷面的最優(yōu)生態(tài)徑流過程

需水的結(jié)果可以看出，改進的TENNANT模型對于區(qū)域最小生態(tài)需水評價和區(qū)域河道生態(tài)情況更為吻合，區(qū)域最小生態(tài)需水很難滿足區(qū)域河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，應在河道來水量較少的年份中，盡可能多的保證河道內(nèi)的水量與區(qū)域河道最小生態(tài)需水量。

表4為分別采用傳統(tǒng)TENNANT模型和改進的TENNANT模型評價研究區(qū)域河道三處斷面最優(yōu)生態(tài)需水的評價結(jié)果，從兩種模型評價的結(jié)果可以看出，各斷面在最優(yōu)生態(tài)需水情況下，兩種模型評價的結(jié)果區(qū)域河道生態(tài)將達到中等到好的狀態(tài)，其中改進模型在區(qū)域河道生態(tài)情況評價的結(jié)果要好于傳統(tǒng)的模型，這是因為改進的模型采用頻率為50%和75%的超頻方法評價生態(tài)需水情況，從而避免極端事件對河流生態(tài)需水評價的影響，評價結(jié)果更為合理，通過對實地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，改進的TENNANT模型評價的最優(yōu)生態(tài)需水情況與實際情況較為吻合。

3 結(jié)論

本文采用改進的TENNANT模型對區(qū)域河道最小和最優(yōu)生態(tài)需水進行評價，研究取得以下結(jié)論：

（1）相比于傳統(tǒng)TENNANT模型，改進的TENNANT模型在研究區(qū)域河道生態(tài)需水評價結(jié)果更為合理，區(qū)域最小生態(tài)需水很難滿足區(qū)域河道生態(tài)系統(tǒng)的健康，在枯水季節(jié)，應增加區(qū)域內(nèi)的河道水量，從而能滿足區(qū)域河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定；

（2）由于采用超頻計算原則，改進的 TENNANT模型可避免極端事件對河流生態(tài)需水評價的影響，對最優(yōu)生態(tài)需水評價的結(jié)果要好于傳統(tǒng)TENNANT模型。

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X171

A

1672-2469（2017）02-0072-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.023

2016-07-16

林樹剛（1980年—），男，工程師。