基于Tennant方法的河流生態基流應用現狀及改進思路

黃 康， 李懷恩， 成 波， 田若谷

(西安理工大學 西北旱區生態水利工程國家重點實驗室， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

隨著經濟發展，人口不斷增加，人類用水與生態系統功能之間的沖突已不可避免，并且變得更加顯著，河流生態系統往往會隨之不斷退化[1-2]。天然河流中水文情勢的典型季節性和年際豐枯流量模式的特征對河流生態系統的完整性和生物多樣性至關重要[3]。因此，釋放某百分比的生態流量，來維持或恢復天然狀態下水生生態系統結構和功能的完整性是非常必要和現實的。目前，隨著人們越來越認識到維持河流生態系統的重要性，生態流量不斷受到重視。

目前，全世界已有200多種生態流量評估方法，它可以分為4類[4]，其中水文學方法約占總數的29.5%，由于該類方法只需要自然流動記錄、數理統計和專家判斷，無需昂貴的現場數據收集，基于廣泛可用的河流或河段的流量數據就可以確定河流生態流量，具有快速、非資源密集、易于使用的優勢，因而成為最受歡迎的方法。中國大多數河流具有長系列的水文數據，所以水文法普遍適用于國內河流生態基流評估及其他領域，其中Tennant方法是世界上計算環境流量最常用的方法之一，也是最適合中國國情的方法[5]。

本文選取全世界最普遍使用的Tennant法進行研究，針對該方法目前普遍存在的時空變化大、對流量的適宜性較弱、普適條件較差的3個關鍵問題，進而根據國內外學者公開發表的有關Tennant法的大量文獻，就Tennant法的改進進行了系統的分析和綜述，并在此基礎上提出了改進Tennant法研究的發展趨勢。

2 Tennant法

2.1 傳統Tennant方法

Tennant法也叫蒙大拿法，由Tennant[6]于1976年提出。該方法借助美國地質調查局(USGS)提供的水文數據進行分析以及通過Tennant等人對蒙大拿州、懷俄明州和內布拉斯加州的100多個地區11條河流進行了詳細的野外試驗研究提出，其建立了水生棲息地適宜性與流量之間的關系，被用于確定保護美國中西部健康河流環境的最小流量。現普遍用Tennant法估算河道生態基流或生態需水量。

Tennant等基于觀測的水深、河寬和流速等數據進行分析，研究表明大多數河流中的水生生境的狀況與平均流量的相同部分非常相似，并總結了某些規律：(1)基于水生物不同的生活習性，分為魚類產卵育幼期4-9月和一般用水期10月-次年3月。(2)將雨季和旱季的河流流量與魚類棲息地質量聯系起來，并量化為年均流量的百分比；引入10%作為最小瞬時流量，30%被推薦為基本流量，60%為最佳瞬時流量，并分別提供一般、優秀、最佳的棲息環境。(3)基于河流測站的觀測數據，確定了年平均流量的各種百分比，進而提出了河流生態流量的標準，見表1[6]。

表1 河流棲息地狀況和河道生態基流標準

Tennant法計算河流生態基流公式如下：

(1)

式中：W為河道的生態基流量，m3；Mi為全年第i個月的年均流量，m3；Ni為i月份對應的生態基流百分比，%。

2.2 Tennant法的特點

任何一種方法都有兩面性，體現在其產生、發展和延伸的過程中，在參考或應用某種方法時應該對其進行合理性分析[7]。因此，就Tennant法的特點闡述其優點和不足之處。

2.2.1 優點 Tennant法根據觀測資料建立起生態基流和棲息地狀況之間的響應關系，使用簡單且操作方便，無需野外測量工作，不局限于河流是否有水文站點的布設，僅僅使用歷史流量資料就可以評估生態基流，適用于生態優先度不高或生態資料缺乏地區的河流。Tennant法容易將計算結果與流域規劃相結合，作為河流生態管理的初始目標和戰略性方針[8]，具有宏觀的指導意義。同時，國內Tennant法適用于河流管理規劃階段的環境流量預評估[9-10]。生態基流值取決于給定的特征流量，以每月或每日水文記錄為基礎，流量特性相對容易確定日平均流量的時間序列是否可用，可作為檢驗其他計算方法的一種粗略方法或評價方法[11-12]。

上述優點使得Tennant法成為北美地區第二大普遍使用的生態基流評估方法和全世界應用最為廣泛的水文方法，至少25個國家根據各種水文、地貌、生態或基于流域的標準，以修改形式應用了最初闡述的Tennant法[13]。

2.2.2 不足 Tennant法作為一種經驗方法，在實際應用中具有局限性，現針對其普遍存在的時空變化大、流量適宜性較弱和普適條件較差的3個關鍵問題進行分析。

(1)時空變化大，Tennant法未考慮河流流量年內季節性變化和年際豐枯性變化。首先，Tennant法是基于年均流量百分比劃分河流生態健康狀況，未能全面考慮流量與水生生物之間關系受季節性變化的影響，其計算精確度不高，易受極端事件影響；同時，未考慮河流流量的年內分配，將全年劃分為兩個用水期，使得水生生物不適應于生態環境的要求。另外，淡化了河流流量年際變化的情況，沒有區分豐、平、枯各年份的差異。

(2)流量適宜性較弱，生態基流百分比確定困難。應用Tennant法時過度簡化處理了河流的真實情況，未能從河流流域特征和成因分布規律分析流量特性，河流生態健康狀況與流量比例之間的關系受到不同地域、不同水生態環境和不同保護對象等影響因素較大，因此，需分析Tennant法中基流標準與實際河流情況的適宜度。

(3)普適條件較差，Tennant法作為經驗公式，具有區域限制。Tennant法是通過研究11條低影響的天然河流而得出的經驗方法，而不同地區的河流水情、開發利用程度和生態經濟狀況不一樣。我國近年來的水資源開發利用率逐漸提高，人類活動對河流的影響也愈來愈嚴重，因此，通常需要對公式進行適應性分析和檢驗，一些學者對該方法在中國的應用提出質疑[14]。由于對自然流量模式適應程度較低，Tennant法也未被英國所采納[15]。

3 改進Tennant法

在全球范圍內，沒有表明河流生態狀況水平的數據集，也沒有一個具有全球河流理想生態狀況的數據集；缺乏生態水文數據使得難以確定全球不同淡水生態系統的最低環境流量閾值和臨界點。全球河流生態系統面臨的形勢十分嚴峻，特別對于中國的北方河流，已迫在眉睫。因此改進Tennant法是非常有必要的。基于現狀，查閱國內外相關文獻，根據Tennant法的優缺點，總結為3點改進思路。

3.1 改進思路

從上述Tennant法的局限性出發，分析在不同河流的適宜性，主要考慮以下3點：

(1)生物種群在不同時段對流量適宜程度是不同的，當Tennant法在不同河流檢驗時，生態基流值是隨季節豐枯性變化而改變的。因此，采用典型年的流量或月均流量代替多年平均流量，同時基于河流水生態系統的季節性特征和生物種群的活動周期對用水期進行修正劃分，從而體現Tennant法的豐、平、枯水文特征。

(2)考慮河流斷面的幾何形態特征和季節性變化對流量的影響，分析同一水期的基流百分比在不同河流的差異性，從而確定出當地河流流量比例與生態健康程度的關系，并基于該地區的實際情況適當改進生態基流標準。

(3)生態基流標準的確定需考慮河流水生物自然的棲息地狀況和河流的生物完整性，如覓食、繁殖、越冬等，另外也不能忽視河流輸沙、景觀旅游、保護特殊物種等功能。

基于以上3種改進思路，并根據特征流量、計算時段和百分比3個參數進行改進，從而總結出3種改進方法：年均值法、同期均值法、改進百分系數法。

3.2 年均值法

徐志俠等[16]曾評述Tennant方法，年平均流量的計算是基于自然條件下的流量數據，郭立丹等[7]稱Tennant方法的年平均值比是以年平均流量的百分比作為Tennant方法的計算或評估標準。

Tennant法依據魚類的生活習性規律將水期劃分為兩個時段，這固然有其合理性，但許多學者會根據當地河流水文狀況因地制宜進行適當修正。比如，Orth[17]分析了俄克拉荷馬州24條河流的月度水文圖，修正Tennant法7-12月的最小流量為平均流量的10%，1-6月為30%，對于初步流量評估非常有用。北卡羅來納州針對開普菲爾河供水計劃，修正Tennant法的用水期進行未來用水情景模擬[18]。趙然杭等[19]、董楠[20]、劉丹等[21]分別基于彌河流域、塔里木河流域和賈魯河流域的水文、地理、生物習性等特征，修正Tennant法的水期，改進后的Tennant法更能反映流域的生態意義。吳玲玲等[22]為了彌補河流流量數據匱乏的不足，提出基于生態水位計算的修正Tennant法，確定淮河流域的生態需水量。另外，考慮到極端流量事件對年平均流量的影響，可取年均流量序列的眾數或中位數替代年平均流量。如林樹剛[23]基于超頻原則，應用中位數原理對Tennant法進行改進。鄭志宏等[24]為彌補平均值不能切實反映總體分布集中趨勢的不足，引入中位數和眾數理論，結果表明改進后的Tennant法計算結果更科學合理。

年均值法的改進是最為簡易的Tennant改進方法，分析影響河道自然水文狀況失真的可能性，進而修正了年均流量和用水期，來維持完整的生態系統功能，拓寬了方法的適用性。

然而，改進后的Tennant法仍存在3個主要的問題：(1)不能較好地反映天然徑流流量季節性和逐月豐枯特性；(2)計算的生態基流不具有年際豐枯性變化；(3)百分比為不變的數值，使得年均值法的普適性較差。

3.3 同期均值法

年均值法是應用年均值比的思想，即以年均流量的百分比作為計算或評價標準，其缺點是：即使重新劃分全年的水期、消除了極端事件的影響，其計算的結果也不能在某種程度上較好地反映生態基流的季節性特征。不同河流，甚至同一河流的不同河段，由于水文、地理、氣候、人為影響程度等以及生物種群在不同生命時期對河道生態基流的需求差異，造成了河道生態基流年內分布的差異。因此，認為河道生態基流計算標準或評價方法應依據河流天然流量過程的本身特征來明確與量化水文指標，從而引入同期均值比指標[19]。基于此，提出采用同期均值比替代年均值比的思路，Tennant法的同期均值比可理解為以多年條件下的同期平均流量百分比作為Tennant法計算或評價標準。

以上表明，在利用Tennan法評價或計算河流的某一徑流過程時，應以多年同期平均流量為標準，不限于原先的分期，一般可根據水生生物的生活習性、水文、地理條件和河流生態保護目標等具體需求劃分豐、平、枯水期或汛期和非汛期乃至逐月等，同期均值比相對而言有利于維持河流生態系統健康。但是，由于采用同期均值比思想的Tennant法其百分比仍為不變的數值，使得其普適性較差。

3.4 改進百分系數法

在國外，常用10%～30%的年均流量作為各月的生態基流，智利[13]、美國蒙大拿州[6]取10%年均流量，美國[13]取30%年均流量，葡萄牙[40]取2.5～5年均流量。在中國，環評函【2006】4號文件指出，一般河流的生態基流不應小于多年平均天然徑流量的10%。前兩種方法從水期劃分、均值流量方面進行改進，生態基流標準是主觀的和啟發式的。無論低流量或高流量條件如何，這些標準都會降低所有流量的固定值，這可能會在低流量期間對河流環境造成嚴重損失。因此，考慮將固定的百分比修改為響應水文情勢的流量，從而提高其適用范圍。黃強等[41]考慮到Tennant法反映黃河流域泥沙特征和徑流特性的缺陷，引入環境比降和季節系數，改進后更能適應季節性強、地形多變的河流。李舜等[42]、杜懿等[43]針對流域的生態特征，引入季節系數，改進后更能適應河流季節性變化。同時，為了滿足魚類等水生生物的生存繁衍需求，鄭小康等[44]、楊裕恒等[45]、鄭志宏等[46]以水生生物維持健康生態功能的臨界點的平均流量和流速為依據，確定河流汛期、非汛期的分期百分數，使環境流量適應于相關生態系統功能的要求。另外，從考慮河流功能層面出發，田景環等[47]分別引入季節因子、輸沙因子、環境因子，提高了該方法的實用性。為了進一步提高其適用范圍，考慮將各月相同的百分比系數調整為隨各月流量情勢變化的流量。Li等[48-49]根據國內不同類型河流的流量波動和季節性影響，首先考慮到極端流量和不同水功能區生態目標的可轉移性和空間變化的影響，引入了算術級數的概念；其次，考慮到月度和年度流量變化和年均分布不均勻、空間流量變化，提出一種生態基流標準隨流量動態變化的方法，在不同河流生態系統中具有良好的月度和年際貧富差異和可轉移性。

總結分析全球各大河流中對改進Tennant法的應用，并對3種改進方法從方式、優缺點方面進行分析說明，如表2和3所示。

表2 各大河流應用改進Tennant法情況

表3 3類改進Tennant法對比

4 存在問題

Tennant方法的改進最大限度拓寬了不同河流需水的使用范圍，一定程度上解決了普適性的問題，使其維持河流流量與不同自然水文狀況下的適應性。此外，在流量百分比的選取過程中也是具備了較強的經驗性和主觀性。但總體來看，還存在以下幾個有待解決的問題：

(1)使用典型年流量代替多年平均流量的改進Tennant法，雖然選取了流量模數最接近于1.0的年份為典型年，但考慮河流本身來水的豐枯性，此方法的結果仍有待檢驗。

(2)各月水情變化中的百分比系數難以確定，不同河流的形態參數、水文氣候不一，而形態相似性是其轉移到其他河流的關鍵，這對于任何環境流量建議都是至關重要的。

(3)目前，城市河流逐漸增多，人類活動影響嚴重的河流由于無法形成生物庇護所，沒有水生物種的棲息地需求的具體信息，適合天然河流計算的Tennant法將沒有生物學意義，從而不能提供最大的生態效益。

(4)生態基流不是一個固定值，而是有一個閾值范圍，低于或高于這個閾值，生態系統就會發生一些重大的變化；因此，圍繞環境可接受閾值的Tennant法需修正。

(5)在沒有明確閾值的情況下，確定生態基流就成為在社會和經濟偏好與對生態保護要求的科學理解之間建立妥協的問題，而生態保護是可持續水資源利用的一個關鍵組成部分。將兩者聯系起來是未來的挑戰，尤其是在發展中國家。

5 結論與展望

國際上應用Tennant法評估河道生態基流或生態需水量問題迄今已有40多年時間，并已在不同水文情勢的大、中、小河流進行了系統研究。為了拓寬其應用范圍，針對不同區域的水文特征、需水類型和保護功能等特點，圍繞水生生物用水期的劃分以及流量百分比的選取提出了年均值法、同期均值法和改進百分系數法，使調整后的流量符合該地區的實際情況。國外主要是基于月平均流量替代年平均流量或是兩者比值，多采用Tessmann法，國內各大水系應用修正的Tennant法，都是基于流域生態環境特點采用3種改進的方法。隨著水利工程，引水渠的興建和其他人類活動(如快速城市化)的不斷加劇，對流域內水文過程的干擾越來越大，水文效應將發生巨大變化，改進Tennant法的研究勢在必行。從目前Tennant方法的發展趨勢來看，以下研究方向是未來的挑戰。

(1)考慮到年均流量易受極端高流量的影響，使得最小生態基流與低流量的變化不一致，所以應強化對具有調節流量河流的研究學習，并將季節性河流的低流量指標作為生態基流標準中百分系數的修正參數。

(2)強化對生態水文學的理論學習，主要探究天然河道年內各月流量的CV、CS、均值等衡量標準的相關性，探索基流百分比與水生生物棲息地之間的響應關系，并建立適應曲線簇，以進一步完善Tennant評估方法的空間移植性和完整性，構建適應性管理的標準。

(3)目前Tennant法的修正僅是對生物棲息地條件的研究，未來可考慮針對實際河流的生物信息和物理信息需求進行改進，同時可將4類環境流量評估法綜合考慮，以進一步完善方法的適用性，將其聯系起來是未來的研究方向。

(4)生態基流的閾值是難以確定的，需將社會經濟的發展與生態系統的保護聯系起來，特別是在發展中國家，為水資源的開發制定環境上可接受的限度方案則需要考慮到流量與河流生態系統之間的關系。