基于改進(jìn)Tennant法的大沽河河道內(nèi)生態(tài)水量分析研究

鄭從奇 莊會波 陳干琴 孫 琳 郭曉娜

目前，河流生態(tài)水量的計(jì)算方法大致分為水文學(xué)法、水力學(xué)法、生境模擬法、整體分析法4類，各方法均具有優(yōu)劣條件。Tennant法是水文學(xué)法中應(yīng)用最為廣泛的方法，該法簡單易行、便于操作，不需要現(xiàn)場測量，是脫離特定用途的綜合性計(jì)算方法。但傳統(tǒng)的Tennant法作為一種設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上不能較好反映河流流量的季節(jié)特性，文章以大沽河流域?yàn)檠芯繉ο螅捎媚洗逭緦?shí)測流量和還原資料，通過改進(jìn)Tennant法對河道內(nèi)生態(tài)水量進(jìn)行了分析研究。

一、研究區(qū)相關(guān)概況

大沽河發(fā)源于煙臺市轄招遠(yuǎn)市的阜山，流經(jīng)萊西、平度、即墨、膠州及城陽等區(qū)（市），于膠州市碼頭村入海。干流長度179 km，流域面積6131.3km2。該流域?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，降水量比較豐沛，但年際變化較大，且有連豐連枯的規(guī)律。降水量年內(nèi)分配不均勻，大約80%集中在6～9月份，尤以7～8月份為最多，約占汛期降水量的70%，年降水天數(shù)一般不足90天。

大沽河干流上共有南村、產(chǎn)芝水庫、張家院3個(gè)水文站，其中南村站系大沽河下游干流控制站，于1951年7月設(shè)立，距河口62 km，集水面積3724 km2。南村站以上有小沽河、潴河、五沽河等較大支流。

二、大沽河河道內(nèi)生態(tài)水量計(jì)算

根據(jù)《河湖生態(tài)環(huán)境需水計(jì)算規(guī)范》與《全國水資源調(diào)查評價(jià)生態(tài)水量調(diào)查評價(jià)補(bǔ)充技術(shù)細(xì)則》，選擇大沽河把口站南村站作為控制斷面，進(jìn)行河道內(nèi)生態(tài)水量計(jì)算。同時(shí)基于大沽河流域現(xiàn)狀調(diào)查，未發(fā)現(xiàn)明確的指示物種及生態(tài)敏感區(qū)。因此，根據(jù)計(jì)算規(guī)范，大沽河流域的生態(tài)保護(hù)目標(biāo)確定為基本目標(biāo)，大沽河生態(tài)水量為維持大沽河基本形態(tài)、生物基本棲息地和基本自凈能力等基本生態(tài)環(huán)境功能所對應(yīng)的水量，即基本生態(tài)需水量。

1.傳統(tǒng)Tennant計(jì)算方法

Tennant法將全年分為汛期（6～9月）和非汛期（10～5月）兩個(gè)時(shí)段，根據(jù)多年天然平均流量百分比和河道內(nèi)生態(tài)環(huán)境狀況的對應(yīng)關(guān)系，直接計(jì)算維持一定河道功能的生態(tài)環(huán)境需水量。Tennant法通常將河流流量狀況分為8個(gè)等級。對一般河流而言，10%的多年平均流量能夠?yàn)楹恿魃鷳B(tài)系統(tǒng)提供短期（最小）的棲息環(huán)境。基于大沽河南村水文站1956～2016年逐月天然徑流量資料，進(jìn)一步還現(xiàn)得到61年逐月天然徑流量資料，根據(jù)大沽河開發(fā)利用實(shí)際，取相應(yīng)10%級別比例，并按照汛期、非汛期進(jìn)行分配，得到大沽河南村站斷面生態(tài)水量，具體如表1所示。

2.Tennant法的改進(jìn)

考慮到山東省大沽河為季節(jié)性河流，河川徑流量年際、年內(nèi)變化很大，河流的多年平均流量（水量）受極端來水的影響很大。本研究提出改進(jìn)Tennant計(jì)算方法，采用眾數(shù)法計(jì)算值代替河流斷面的多年平均天然徑流量，以減少極端值對計(jì)算結(jié)果的影響，在時(shí)段劃分上，考慮我國北方地區(qū)特別是大沽河流域的氣候特征，按10～1月 、2～5月 、6～9月三個(gè)不同時(shí)段計(jì)算生態(tài)水量。

表1 大沽河南村站基本生態(tài)需水量分配表（傳統(tǒng)Tennant法）單位：（萬m3）

表2 大沽河南村站基本生態(tài)需水量分配表（改進(jìn)Tennant法）單位：（萬m3）

眾數(shù)是統(tǒng)計(jì)學(xué)名詞，是一組數(shù)據(jù)中出現(xiàn)次數(shù)最多的數(shù)據(jù)，它通常是作為統(tǒng)計(jì)分組整理后數(shù)據(jù)集中趨勢的測度值，可以描述和說明統(tǒng)計(jì)總體的一般水平，且不會受到極端值的影響，一般可采用經(jīng)驗(yàn)值或試算法進(jìn)行計(jì)算。

卡爾·皮爾遜認(rèn)為在適度偏斜的情況下，眾數(shù)與中位數(shù)和算數(shù)平均數(shù)具有如下的經(jīng)驗(yàn)公式：

眾數(shù)試算有兩種計(jì)算方法：

方法一：找出數(shù)據(jù)落的最多的區(qū)間，求出這一區(qū)間的計(jì)算平均值作為眾數(shù)；方法二：找出落在每個(gè)區(qū)間上的頻數(shù)大于長系列年/n取整的所有區(qū)間，求出這些區(qū)間的算數(shù)平均值作為眾數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，選擇經(jīng)驗(yàn)值與各段試算值最為接近的一組數(shù)作為選定的眾數(shù)，按三個(gè)不同時(shí)段對大沽河生態(tài)水量進(jìn)行過程分配，結(jié)果如表2所示。

3.不同方法對比分析

為便于比較分析，將多年平均天然月徑流量的10%、多年平均天然年徑流量的10%、傳統(tǒng)Tennant法與改進(jìn)Tennant法計(jì)算結(jié)果一并列出，結(jié)果見表3與圖1。

圖1 大沽河南村站生態(tài)水量對比散點(diǎn)圖

由計(jì)算成果和散點(diǎn)圖對比可知，南村站生態(tài)水量在年內(nèi)表現(xiàn)出一定的變化，汛期（6～9月）所需要的生態(tài)水量較多，非汛期則較少。為實(shí)現(xiàn)大沽河流域水資源的高效利用，在選擇生態(tài)水量計(jì)算結(jié)果時(shí)，應(yīng)選用符合大沽河水資源開發(fā)利用實(shí)際、且能反應(yīng)年內(nèi)生態(tài)水量變化的方案。其中，改進(jìn)的Tennant法基于大沽河實(shí)際考慮，適當(dāng)降低了生態(tài)水量，且根據(jù)流域氣候特征，按10～次年1月、2～5月、6～9月三個(gè)不同時(shí)段對生態(tài)水量過程進(jìn)行分配，使計(jì)算結(jié)果更加科學(xué)合理，也比較符合當(dāng)前大沽河流域水資源短缺的現(xiàn)實(shí)情況。

4.滿足程度分析

據(jù)南村水文站2001～2016年實(shí)測月徑流量數(shù)據(jù)，對該斷面生態(tài)水量滿足程度進(jìn)行分析。總體上大沽河干流生態(tài)水量的滿足程度較低，其中7月和8月滿足程度較高，系列年中有13年達(dá)到滿足；其次是9月，系列年中有8年達(dá)到滿足；再其次是2月、5月和10月，系列年中僅有6年達(dá)到滿足；其余月份滿足程度較差，系列年中滿足程度都不足5年。全系列中月滿足程度為35%，其中汛期為68.8%，非汛期為12.5%。可以看出，大沽河南村站生態(tài)水量滿足程度較低。根據(jù)大沽河南村站2001～2016年實(shí)測流量資料數(shù)據(jù)分析，近16年大沽河斷流現(xiàn)象嚴(yán)重，其中最小斷流天數(shù)為285天，最大斷流天數(shù)為366天，平均329天實(shí)際流量為0，全年生態(tài)水量缺失較多。

表3 大沽河南村站控制斷面基本生態(tài)水量計(jì)算結(jié)果表 單位：（萬m3）

三、結(jié)論

（1）傳統(tǒng)Tennant法不能較好反映河流的季節(jié)性變化，因而在計(jì)算河流的生態(tài)水量時(shí)存在一定的局限性。本研究通過選取眾數(shù)測算值代替徑流平均值，并考慮流域氣候、徑流特性對傳統(tǒng)Tennant法進(jìn)行了改進(jìn)，彌補(bǔ)了計(jì)算結(jié)果受極端值影響的不足，在時(shí)段劃分上也更符合流域?qū)嶋H情況。

（2）當(dāng)前大沽河斷流現(xiàn)象嚴(yán)重，生態(tài)水量滿足程度整體較低，未來亟需開展流域的生態(tài)水量研究和水調(diào)度工作，以解決大沽河流域生態(tài)水量不足問題