基于改進TENNANT模型的大洋河干流生態需水評估

宋佳陽

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

近些年來，河道生態需水保障對于流域水生態恢復至關重要，由于區域用水矛盾日益緊張，河道內的生態需水很難得到有效保證，使得河流生態環境遭到不同程度的破壞。為提高河流生態環境保護力度，亟需對其河道內的生態需水量進行評估，確定不同來水期河道生態需水量，從而制定相對應的河道生態水量調節方案。近些年來，國內對于河道生態需水取得一定研究成果，這其中TENNANT模型應用較為廣泛，該模型以河道流量均值來評估生態需水量，可解決河流季節性來水對生態需水的影響。當前，一些研究成果表明，傳統TENNANT模型由于不能考慮生態需水過程變化，使得其生態需水評估量有所偏大，為此有學者針對傳統TENNANT模型生態需水評估的局限性，通過設定河流生態需水的上限和下限，對其河道生態徑流進行等級劃分，解決傳統TENNANT模型不能考慮河道生態需水過程變化的局限。為提高東北地區季節性河流生態需水評估的科學性，本文引入改進的TENNANT模型對大洋河干流生態需水進行評估，研究成果對于東北地區方季節性河流生態需水評估具有重要參考價值。

1 改進的TENNANT模型

在傳統TENNANT模型基礎上，改進TENNANT模型改進其生態徑流分類計算標準，綜合考慮生態需水年內和年際之間的變化，對其河道內不同來水頻率下的生態徑流進行計算：

(1)

式中，pij—第i個月份和第j個年份下超過某一頻率的徑流量占全年的百分比，%；rij—從大到小排序的區域日流量；mi、nj—超過某頻率徑流量維持的天數和年數。改進的TENNANT模型對河道生態徑流量等級劃分方程為：

(2)

式中，E0(ij)—第i個月份在第j個年份下最大生態徑流量，m3/s；Q50(ij)、Q90(ij)—第i個月份在第j個年份下50%、75%頻率下對應的流量歷史數據值，m3/s。為降低極端流量事件對生態需水評估的影響對其劃分等級進行計算：

(3)

各個年組以及月份的生態徑流在確定生態徑流劃分等級數量后，對不同等級按照中位數均值原理進行計算：

N=Average[MOD(nij)]

(4)

式中，N—改進模型生態徑流劃分等級數量。改進后模型生態徑流標準等級劃分方程為：

(5)

式中，Em—不同等級下生態需水評估量，m3；Q50、Q75—上限和下限生態需水閾值。

2 大洋河干流生態需水估算

2.1 研究區域概況

以大洋河干流岫巖水文站以上集水區域為研究區域，該區域為鞍山地區暴雨洪水易發區域，河道內豐水期水量較大，枯水期水量銳減，區域多年降水量均值在800～1000mm左右。大洋河干流由于無控制型大型水庫，因此河道內水量受人類活動影響程度相對較低，區域內需水主要滿足工業和生活需水。分別在岫巖水文站設置上、中、下3個斷面，通過對其斷面流量進行同步觀測，采用改進的TENNANT模型對其河道生態需水量進行計算，如圖1所示。

圖1 岫巖水文站以上區域及計算斷面分布

2.2 最小生態需水計算

大洋河干流各計算斷面最小生態需水量采用逐月最小流量均值進行計算，各斷面最小生態需水計算結果見表1，并對各斷面最小生態需水量年內分配過程進行分析，結果如圖2所示。

表1 大洋河干流各計算斷面最小生態需水計算結果

圖2 各斷面最小生態徑流年內分配過程

從計算結果可看出，各斷面最小生態需水量沿程逐步遞減，上游斷面生態需水量高于下游、中游斷面。大洋河干流豐水段主要集中在4—9月份，豐水段生態需水量要高于枯水段10月—次年3月的水量。河道內最小生態需水量主要和河道內的來水量相關度較大，這主要是因為其最小生態需水量主要基于逐月最小流量進行分析，逐月最小流量值越高其最小生態需水量越大，而逐月最小流量值越小其最小生態需水量越低。

2.3 最優生態需水計算

河道內最優生態需水量主要結合其逐月頻率進行計算，選取來水頻率為50%、70%進行河道最優需水量逐月計算，大洋河干流各計算斷面逐月最優生態需水計算結果見表2，其各計算斷面最優生態需水年內分配過程如圖3所示。

表2 大洋河干流各計算斷面最優生態需水計算結果

圖3 各斷面最優生態徑流年內分配過程

從計算結果可看出，最優生態需水量要高于河道內的最小生態需水量，各計算斷面最優生態需水量可滿足河道生態需水目標要求，和最小生態需水沿程變化具有一致性，大洋河干流最優生態需水從上游到下游逐步衰減變化。各斷面最優生態需水和大洋河干流流量均值年內分配具有一致性，受區域來水量年內分配影響大洋河干流7—8月最優生態需水量較大，而4—9月份最優生態需水量相對較低。

3 大洋河干流生態需水評價

分別采用改進前后TENNANT模型對大洋河干流最小和最優生態需水進行評價，評價結果見表3—4。

表4 大洋河干流各計算斷面最優生態需水評價結果

從評價結果可看出，對于最小生態需水而言，改進模型下各斷面生態環境狀況處于差—極差程度，而傳統模型下各斷面生態環境狀況總體處于中—較差程度。通過對大洋河干流生態環境狀況進行調查，當干流河道內水量為最小生態需水量時，大洋河干流基本處于斷流程度，河流生態環境狀況很難得到保障，河流生態環境將遭到一定程度的破壞。改進模型下各斷面生態評價結果比較符合大洋河干流實際情況，當河道內屬于最小生態需水，其河流生態環境處于差—極差的狀況。從干流各斷面最優生態需水評估結果可看出，在最優生態需水量下改進模型和傳統模型下大洋河干流生態環境將總體處于中—較好的狀況，改進模型下計算的最優生態需水將有效改善大洋河干流生態環境狀況，通過對比分析，在豐水期4—9月采用70%來水頻率進行生態需水，枯水期采用45%來水頻率進行生態需水可有效改善大洋河干流生態環境狀況。

4 結論

(1)在采用改進的TENNANT模型計算河流生態需水時，可分別以來水頻率50%、75%作為其生態需水上限和下限閾值。

(2)對于受人類活動影響較大河道生態需水計算時，建議采用水文部門調查水量或者還原水量作為生態需水計算數據。

(3)本文僅考慮水量對于河道生態環境影響，后續研究中還需要綜合考慮水質對河道生態環境影響，進行生態需水融合方法的研究。