基于Tennant法改進(jìn)的生態(tài)水位計(jì)算方法研究

吳 玲 玲，閆 中 月，阮 曉 紅

(南京大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院水科學(xué)系，江蘇 南京 210023)

河流生態(tài)系統(tǒng)是地表最富生產(chǎn)力和生物多樣性的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，具有極其強(qiáng)大的生態(tài)服務(wù)功能[1]?？茖W(xué)確定河流生態(tài)需水，合理配置水資源供給需求，維持河流系統(tǒng)水的自然循環(huán)，對維持河流生態(tài)系統(tǒng)健康具有重要的意義。生態(tài)需水是在特定時空下，滿足河流生態(tài)系統(tǒng)諸項(xiàng)功能所需水量的總稱[2-5]。目前，有關(guān)生態(tài)需水確定的方法超過200種[6-7]，歸納起來主要有水文學(xué)評價法(Tennant 法[8]、Texas 法[9]等)，水力學(xué)評價法(濕周法[10]，R-2 Cross法[11]等)，棲息地評價法(IFIM 法[12]、PHABSIM 法[13]等)及綜合法(BBM 法[14]、整體評價法[15]等)。其中，水文學(xué)法需要長序列的歷史水文數(shù)據(jù)，其他3類方法需要河湖水力參數(shù)及生物響應(yīng)的數(shù)據(jù)積累。

由于我國河流生態(tài)觀測工作起步較晚，相關(guān)資料積累不足，國內(nèi)學(xué)者主要采用水文學(xué)方法開展河流生態(tài)需水研究。其中，應(yīng)用最多的是Tennant 法[16-17]。Tennant 法是依據(jù)觀測資料而建立起來的流量和棲息地質(zhì)量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，取多年平均流量的不同百分?jǐn)?shù)作為河道不同棲息狀態(tài)下需水量推薦值[18-22]。由于其統(tǒng)計(jì)參數(shù)為流量，在無流量站點(diǎn)的河流中難以應(yīng)用。目前，我國水文監(jiān)測站網(wǎng)尚不完善，許多河流缺少流量站，但水位站的設(shè)置較為普遍。水位是反映水文情勢的重要指標(biāo)，與流量往往存在較為明顯的相關(guān)性[23-24]。在流量資料缺乏條件下，可建立水位與流量、流量與河道生態(tài)平衡和生物多樣性等的關(guān)系，即河流生態(tài)水位[25-26]?；春恿饔蚴俏覈湫偷幕鲄T乏、多閘壩流域，除干流外大多數(shù)水文站為水位測站[27-28]。

本文選擇淮河流域作為研究區(qū)域。首先，選取流域干支流具有長序列歷史流量資料的站點(diǎn)，計(jì)算Tennant法對應(yīng)棲息狀態(tài)下流量比值的保證率，進(jìn)行四分位數(shù)和方差分析，確定淮河流域河流系統(tǒng)不同棲息狀態(tài)下的水文保證率；然后，將確定的保證率用于計(jì)算淮河入海水道的生態(tài)水位，以期為缺乏流量資料的河流的生態(tài)需水研究提供一種理論計(jì)算方法。

1 基于Tennant法改進(jìn)的生態(tài)水位計(jì)算方法

Tennant法又稱蒙大拿法，是田納特( Tennant, D.L )于1976年提出的河流生態(tài)需水評估方法。該方法基于1964～1974年間對美國11 條河流實(shí)施的詳細(xì)野外調(diào)查實(shí)驗(yàn)，分析在不同地區(qū)、不同河流、不同斷面和不同流量狀態(tài)下，物理、化學(xué)和生物信息對冷水和暖水漁業(yè)的影響。進(jìn)一步將全年分為一般用水期與魚類產(chǎn)卵育幼期兩個時段，建立棲息地質(zhì)量與流量的關(guān)系(見表1)，基于此關(guān)系確定不同河流不同棲息等級下的生態(tài)流量[18-22]。

表1 Tennant法對棲息地質(zhì)量的描述Tab.1 Tennant method′s description to habitat quality

本研究在Tennant法的基礎(chǔ)上，根據(jù)流域內(nèi)長序列流量監(jiān)測站點(diǎn)資料擬合皮爾遜Ⅲ型累積頻率曲線，然后將各站點(diǎn)Tennant法不同棲息狀態(tài)的推薦流量代入曲線計(jì)算累積頻率，以此作為不同棲息狀態(tài)下的推薦保證率，應(yīng)用于流量資料缺乏型河流，取對應(yīng)保證率下水位作為生態(tài)水位。具體步驟如下。

(1) 利用P-Ⅲ曲線將Tennant法不同棲息狀態(tài)下推薦流量比值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的保證率。

皮爾遜Ⅲ型(P-Ⅲ)累積頻率曲線分布函數(shù)如式(1)所示：

(1)

(2)

式中，F(xiàn)δ為不同棲息狀態(tài)下推薦的多年平均流量倍數(shù)的保證率，x為水文指標(biāo)，此處指流量，δ為不同棲息狀態(tài)下推薦的多年平均流量倍數(shù)，μ為多年平均流量，α、β為皮爾遜Ⅲ型分布的形狀尺度參數(shù)，α>0，β>0，a0為皮爾遜Ⅲ型分布的位置參數(shù)，Cv為離勢系數(shù)，Cs為偏態(tài)系數(shù)。

(2) 將多年月均水位Z按照從大到小的順序進(jìn)行排列,如式(3)，利用公式(4)進(jìn)行Pn值計(jì)算，然后將Pn與對應(yīng)的月均水位擬合成頻率曲線。

Z1>Z2>…Zi…>Zn

(3)

Pn=n/(N+1)×100%

(4)

式中，Pn為序列n所發(fā)生的頻率，n為序列號，N為總序列數(shù)。

(3) 根據(jù)步驟(1)Tennant法不同棲息狀態(tài)下推薦流量轉(zhuǎn)換的保證率和步驟(2)擬合的頻率曲線，計(jì)算不同棲息狀態(tài)保證率下所對應(yīng)的水位作為生態(tài)水位。

ZFδ=Z(Fδ)

(5)

式中，F(xiàn)δ指保證率，ZFδ指頻率分布上對應(yīng)某保證率的水位。

以淮河流域息縣水文站為例，具體計(jì)算過程為：根據(jù)長序列流量資料擬合P-Ⅲ曲線，計(jì)算Tennant法不同棲息狀態(tài)下推薦流量的保證率，取對應(yīng)保證率下水位為生態(tài)水位。圖1中標(biāo)識了200%推薦流量的保證率為11.9%，圖2中對應(yīng)保證率水位為34.89 m，即為此棲息狀態(tài)下生態(tài)水位。

圖1 息縣水文站流量頻率曲線Fig.1 Flow frequency curve at Xixian hydrology station

圖2 息縣水文站水位頻率曲線Fig.2 Water level frequency curve at Xixian hydrological station

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)資料

淮河流域面積為27萬km2，流域內(nèi)除干流外大多數(shù)水文站為水位測站[27-28]。因此，建立河流生態(tài)水位方法更具有普適性。本文選擇了淮河流域主要干支流上具有較長序列流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的19個水文站作為Tennant法棲息狀態(tài)下生態(tài)流量比值轉(zhuǎn)換保證率的參考站點(diǎn)，具體分布如圖3所示。

圖3 淮河流域主要水文站點(diǎn)分布示意Fig.3 Distribution of the main hydrological stations in Huaihe River Basin

Tab.2 The hydrological guarantee rates corresponding to the flow recommended by Tennant method in the main tributaries of the Huaihe River Basin %

2.2 不同棲息狀態(tài)水文保證率計(jì)算

基于淮河流域主要干支流上19個水文站點(diǎn)1956～2014年實(shí)測月均流量資料，利用P-Ⅲ曲線推求Tennant法不同棲息狀態(tài)下推薦流量水文保證率，計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，各站點(diǎn)流量分布均符合P-Ⅲ曲線，擬合度均在0.95以上，且多年平均流量比值保證率與比值呈冪指數(shù)遞減；不同站點(diǎn)同一棲息狀態(tài)下的流量比轉(zhuǎn)換后保證率存在差異，其中20%狀態(tài)下的差異最大為15.59%，200%狀態(tài)下的差異最小為6.51%。

2.3 河流不同棲息狀態(tài)下保證率確定

本文利用方差與四分位圖，進(jìn)一步分析不同推薦流量百分比下各站點(diǎn)的水文保證率，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，雖然不同推薦流量百分比下水文保證率四分位數(shù)區(qū)間存在一定差異，但方差均在5%之內(nèi)，且流量比值越大方差越小，說明流域內(nèi)各水文斷面轉(zhuǎn)換后的保證率分布相對集中。因此，本文選擇淮河流域19個流量站點(diǎn)轉(zhuǎn)換后的保證率均值，作為整個流域不同棲息狀態(tài)對應(yīng)的保證率，具體見表3。

圖4 淮河流域不同流量百分比下水文保證率箱型圖Fig.4 Hydrological guarantee rate box diagram at different flow rates in Huaihe River Basin

流量及相應(yīng)棲息地的定性描述一般用水期(10月～翌年3月)推薦流量(多年平均流量百分比)/%水文保證率/%魚類產(chǎn)卵育幼期(4～9月)推薦流量(多年平均流量百分比)/%水文保證率/%最大20012.820012.8最佳范圍60～10027.0～41.660～10027.0～41.6極好4054.76041.6非常好3065.45047.9好2077.14054.7中1090.23065.4差1090.21090.2極差0～1090.2～100.00～1090.2～100.0

2.4 應(yīng)用實(shí)例

淮河入海水道為束洪型河流，西起洪澤湖東側(cè)二河閘，東至扁擔(dān)港入黃海，總長162.3 km。入海水道除二河新閘、東沙港閘、海口閘為水文站外，其余站點(diǎn)均為水位站點(diǎn)。但是，由于二河新閘僅在行洪時開啟，因此各站缺少流量觀測資料。同時，由于入海水道修建于2003年，水文與水位站點(diǎn)大部分建立于2009年。其中，淮阜控制調(diào)度閘和東沙港閘水位站點(diǎn)資料較完整。本文選擇淮阜控制調(diào)度閘和東沙港閘站點(diǎn)水位資料，應(yīng)用基于Tennant法改進(jìn)的生態(tài)水位計(jì)算方法開展淮河入海水道生態(tài)需水研究。

淮阜控制調(diào)度閘日均水位時間序列為2006年1月1日～2015年12月31日，東沙港閘日均水位時間序列為2004年1月1日～2015年12月31日。鑒于2007年7月入海水道進(jìn)行了行洪，統(tǒng)計(jì)中未采用2007年7月數(shù)據(jù)?；春尤牒Ｋ乐饕导八恼军c(diǎn)分布情況如圖5所示。

圖5 淮河入海水道水系及水文站點(diǎn)分布情況Fig.5 Distribution of water systems and hydrological stations in sea-entering channel of Huaihe River

根據(jù)基于Tennant法推求的水文保證率，不同棲息狀態(tài)下淮河入海水道淮阜控制調(diào)度閘與東沙港閘的生態(tài)水位計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 淮阜控制調(diào)度閘與東沙港閘不同棲息狀態(tài)下生態(tài)水位Tab.4 The ecological water levels of Huaifu control floodgate and Dongshagang floodgate m

由表4可知，不同棲息狀態(tài)下淮阜控制調(diào)度閘(上游)生態(tài)水位均高于東沙港閘(下游)，魚類產(chǎn)卵育幼期生態(tài)水位高于或等于一般用水期，符合經(jīng)驗(yàn)事實(shí)。同時，淮阜控制調(diào)度閘生態(tài)水位最佳范圍為1.71～1.83 m、差為1.26 m；東沙港閘生態(tài)水位最佳范圍為1.60～1.72 m、差為1.08 m。為保證河道生態(tài)需求，建議入海水道淮阜控制調(diào)度閘和東沙港閘水位應(yīng)分別盡量保持在1.26～1.83，1.08～1.72 m之間。

3 結(jié) 語

(1) 本文基于Tennant法，提出了一種適用于流量資料缺乏型河流的生態(tài)需水計(jì)算方法。該方法將Tennant法中推薦流量占多年平均流量的百分比與水位保證率進(jìn)行關(guān)聯(lián)，計(jì)算不同保證率下水位作為不同棲息狀態(tài)的生態(tài)水位，并進(jìn)行空間差異性檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了流量資料缺乏型河流的生態(tài)需水計(jì)算。

(2) 以淮河流域?yàn)槔?，基于流域?nèi)19個水文站點(diǎn)長序列流量資料，利用P-Ⅲ曲線推求Tennant法推薦流量閾值相應(yīng)的水文保證率；進(jìn)行流域內(nèi)代表性站點(diǎn)不同棲息狀態(tài)所對應(yīng)的水文保證率空間差異性檢驗(yàn)，選取所有斷面保證率的均值作為淮河流域河流系統(tǒng)不同棲息狀態(tài)水位保證率。結(jié)果為棲息狀態(tài)為差與最佳的水文保證率分別為90.2%，27.0%～41.6%。

(3) 基于Tennant法改進(jìn)的生態(tài)水位計(jì)算方法，束洪型河道淮河入海水道淮阜控制調(diào)度閘和東沙港閘水位應(yīng)保持在1.26～1.83，1.08～1.72 m之間。該結(jié)果對束洪型河道生態(tài)需水保障具有重要意義。