基于Tennant法的清澗河生態基流量計算

石 碩

（遼寧省阜蒙縣水利事務服務中心，遼寧 阜新 123100）

清澗河是黃河的重要支流。隨著自然資源的開發，嚴重的水土流失和水資源短缺導致了當地生態環境的惡化，也是制約整個流域經濟社會發展的重要因素之一。如何在保證生態環境良好發展的同時，科學合理地利用水資源，提高水資源利用效率，已成為亟待解決的問題。要解決這一問題，必須對清澗河流域水資源和生態環境的現狀和問題進行分析論證。河流生態基本流量是保證河流生態系統基本結構完整或主要生態系統服務功能正常發揮所需的最小流量，具有顯著的時空特征[4]。本文研究的生態基流是指在特定的時空條件下，為滿足一定的水質要求，保證生態系統不退化而為河流健康預留的流量。

1 研究區概況

清澗河是黃河中游吳堡至龍門右岸的一級支流，古稱“滴水”“岫巖水”“吐延川”。發源于子長縣李家岔鄉周家土金村，途經安塞、子長、清澗、延川、延長等4 個縣。清澗河排水系圖見圖1[1]。清澗河全長169.9 km，流域面積4078 km2。呈樹枝狀分布。當地氣候屬大陸性暖溫帶季風半干旱氣候，降水主要集中在6月～9月份的汛期，多為持續時間短、強度大的暴雨。年平均氣溫9.5℃，年平均降水量460.8 mm，水資源總量1.53 億m3。由于清澗河流經黃土丘陵溝壑區，該區植被覆蓋面積小，導致流域水土流失嚴重，使清澗河成為黃河流域治理開發的重要支流。

清澗河流域有兩個水文站：延川站和子長站。延川站是清澗河流域的出口控制站?？刂屏饔蛎娣e3468 km2，距延川站上游72 km處設有子長站?？刂屏饔蛎娣e913 km2。流域內支流主要有永平河、沱家川河和文安河。

圖1 清澗流域水系圖

2 研究方法

蒙大拿方法（Tennant方法）是基于觀測數據的流量與河流生態環境的經驗關系。利用歷史流量資料，可以確定一年中不同時期的生態環境需水量，使用簡單方便[2]。不同河流生態環境對應流量百分比見表1。

表1 不同河道內生態環境狀況對應的流量百分比

其計算過程如下：

①徑流還原計算。采用降雨—徑流關系法計算徑流量減少量。找出河流徑流的突變點，找出受人類活動影響較小的降雨徑流資料，建立降雨徑流關系。根據建立的降雨徑流關系，結合估算年的降雨資料，計算出在人為影響較小的情況下的年徑流量折減量，從而完成還原計算。

②水文過程與生態過程耦合的蒙大拿方法。典型的年流量過程能較好地反映年流量的變化規律[3]。根據陜北地區河流的周期性變化和生態需水的特點，可將其分為非汛期和汛期。非汛期河水相對干枯，水生植物進入冬眠期，生態需水量較??；汛期用水量增加，動植物進入活躍期，生態需水量較大。非汛期河流徑流量較小。蒙大拿方法認為年平均流量的10%是河流流量的最低下限，因此選擇年平均流量的10%作為生態基流的計算依據。

③通過計算河段流量頻率，選擇典型年份[5]。設計流量計算頻率為25%（豐水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）和90%（特枯水年）。汛期對河水的需求量很大。在此期間，如果生態基流較大，則對河流取水不利。相反，如果在這一時段內能夠保證最大的生態基流，其年份額可以滿足生態基流，生態基流與河流流量呈正相關。因此，在接近設計流量值的不同年份，選擇汛期河流流量相對充沛的年份作為典型年份。然后，根據某年測得的月流量序列，將修正后的年平均流量按相同比例換算，再乘以不同時段相應的流量百分比，計算出還原分析后河流的月生態基流。

3 生態基流量計算

根據已收集到的資料，對清澗河上延川、子長水文站年平均流量先通過徑流還原計算，再進行頻率計算，利用皮爾遜Ⅲ型曲線進行配線，通過配線即可得到各個頻率對應的流量值。

3.1 延川水文站典型年選取

根據延川水文站年平均流量曲線可以看出，1998 年流量驟降?？紤]到與1998 年清澗河流域煤礦大規模開采有關，煤礦開采造成地表水向地下洞室滲漏，另一方面河道取水為煤礦提供部分生產用水。因此，認為在1998 年以前，人為干擾很小，1998 年以后流量進行還原。但延川站附近雨量資料不足，與流量相關性較差。延川站與子長站同屬清澗河干流，相關性較強。因此，根據子長水文站斷面還原后的流量，對延川水文站斷面徑流進行了還原，見圖2、圖3。

圖2 子長水文站與延川水文站河流斷面流量相關關系圖

圖3 清澗河延川水文站斷面還原流量曲線圖

對還原后的流量進行頻率計算，得到25%（豐水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）、90%（特枯水年）對應的設計流量。

根據已收集到的資料，對清澗河延川水文站年平均流量先通過頻率計算，利用皮爾遜Ⅲ型曲線進行配線，通過配線即可得到各個頻率對應的流量值。見圖4。

圖4 清澗河延川水文站斷面流量P-Ⅲ型曲線圖

3.2 子長水文站典型年選取

從子長水文站年均流量歷年變化曲線可見流量在1999 年驟降，考慮與1999 年清澗河流域煤礦大量開采有關，煤礦開采致使地表水向地下空洞漏失，另一方面河道取水供給部分煤礦生產用水，因此認為1999 年前受人為干擾小，需對1999 年后流量進行還原，建立降雨量與天然流量的相關關系[6]，見圖5。

表2 清澗河延川水文站斷面典型年選取一覽表

圖5 子長水文站降雨量與天然流量相關關系圖

基于降雨量與天然流量的相關關系，對1999 年后子長水文站河流斷面實測流量進行流量還原，見圖6。

圖6 清澗河子長水文站斷面還原流量曲線圖

對還原后的流量進行頻率計算，得到25%（豐水年）、50%（平水年）、75%（枯水年）、90%（特枯水年）對應的設計流量。根據已收集到的資料，對子長水文站年平均流量先通過頻率計算，利用皮爾遜Ⅲ型曲線進行配線，通過配線即可得到各個頻率對應的流量值。見圖7。

圖7 清澗河子長水文站斷面流量P-Ⅲ型曲線圖

表3 清澗河子長水文站斷面典型年選取一覽表

3.3 清澗河典型年選?。ū?）

表4 清澗河典型年選取一覽表

蒙大拿法選用多年平均流量的10%作為生態基流的計算基準。選取某年實測逐月流量序列通過同倍比縮放至修正后的多年平均流量，再乘以不同時期所對應的流量百分數，計算得經過還原分析的某河逐月生態基流量，見表5。

表5 各典型年下清澗河生態基流量

在90%保證率下，子長的年均生態基本流量為0.58 m3/s，延川的生態基本流量為1.12 m3/s。

3.4 目標水質保證下的生態需水量

根據《陜西省水功能區劃》確定的各水文站斷面以及水文站斷面所屬的功能區的目標水質，確定各個水文站斷面的90%保證率河流流量的設計流量，作為目標生態環境需水量，見表6。

基于徑流還原后的流量數據，系列大于30 年采用排頻法計算保證率為90%的最枯月均流量。經計算得出，90%保證率下以子長水文站為控制斷面，生態環境需水量為0.60 m3/s；以延川水文站為控制斷面，生態環境需水量為1.12 m3/s，見表6。

表6 榆林市“四川四河”目標水質保障下的設計流量

4 結論

河道生態基流是保證河流生態系統基本結構完整或主要生態系統服務功能正常發揮所需的最小流量，具有顯著的時空特征[7]。本文以清澗河為例，探討了清澗河生態基流的基本概念、內涵和理論基礎，并用Tennant法計算了清澗河流域子長段和延川段的生態基流，分別為0.58 m3/s和1.12 m3/s，以及清澗河生態基流的計算方法生態環境需水量分別為0.60m3/s和1.12m3/s。這一結果為清澗河生態恢復提供了理論依據，進一步計算清澗河生態流量調節具有重要意義。