黃 康, 李懷恩, 成 波, 田若谷
(西安理工大學(xué) 西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710048)
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人口不斷增加,人類(lèi)用水與生態(tài)系統(tǒng)功能之間的沖突已不可避免,并且變得更加顯著,河流生態(tài)系統(tǒng)往往會(huì)隨之不斷退化[1-2]。天然河流中水文情勢(shì)的典型季節(jié)性和年際豐枯流量模式的特征對(duì)河流生態(tài)系統(tǒng)的完整性和生物多樣性至關(guān)重要[3]。因此,釋放某百分比的生態(tài)流量,來(lái)維持或恢復(fù)天然狀態(tài)下水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的完整性是非常必要和現(xiàn)實(shí)的。目前,隨著人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到維持河流生態(tài)系統(tǒng)的重要性,生態(tài)流量不斷受到重視。
目前,全世界已有200多種生態(tài)流量評(píng)估方法,它可以分為4類(lèi)[4],其中水文學(xué)方法約占總數(shù)的29.5%,由于該類(lèi)方法只需要自然流動(dòng)記錄、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和專(zhuān)家判斷,無(wú)需昂貴的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集,基于廣泛可用的河流或河段的流量數(shù)據(jù)就可以確定河流生態(tài)流量,具有快速、非資源密集、易于使用的優(yōu)勢(shì),因而成為最受歡迎的方法。中國(guó)大多數(shù)河流具有長(zhǎng)系列的水文數(shù)據(jù),所以水文法普遍適用于國(guó)內(nèi)河流生態(tài)基流評(píng)估及其他領(lǐng)域,其中Tennant方法是世界上計(jì)算環(huán)境流量最常用的方法之一,也是最適合中國(guó)國(guó)情的方法[5]。
本文選取全世界最普遍使用的Tennant法進(jìn)行研究,針對(duì)該方法目前普遍存在的時(shí)空變化大、對(duì)流量的適宜性較弱、普適條件較差的3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題,進(jìn)而根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者公開(kāi)發(fā)表的有關(guān)Tennant法的大量文獻(xiàn),就Tennant法的改進(jìn)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和綜述,并在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)Tennant法研究的發(fā)展趨勢(shì)。
Tennant法也叫蒙大拿法,由Tennant[6]于1976年提出。該方法借助美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)提供的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及通過(guò)Tennant等人對(duì)蒙大拿州、懷俄明州和內(nèi)布拉斯加州的100多個(gè)地區(qū)11條河流進(jìn)行了詳細(xì)的野外試驗(yàn)研究提出,其建立了水生棲息地適宜性與流量之間的關(guān)系,被用于確定保護(hù)美國(guó)中西部健康河流環(huán)境的最小流量?,F(xiàn)普遍用Tennant法估算河道生態(tài)基流或生態(tài)需水量。
Tennant等基于觀測(cè)的水深、河寬和流速等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究表明大多數(shù)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(jié)了某些規(guī)律:(1)基于水生物不同的生活習(xí)性,分為魚(yú)類(lèi)產(chǎn)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(yú)類(lèi)棲息地質(zhì)量聯(lián)系起來(lái),并量化為年均流量的百分比;引入10%作為最小瞬時(shí)流量,30%被推薦為基本流量,60%為最佳瞬時(shí)流量,并分別提供一般、優(yōu)秀、最佳的棲息環(huán)境。(3)基于河流測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù),確定了年平均流量的各種百分比,進(jìn)而提出了河流生態(tài)流量的標(biāo)準(zhǔn),見(jiàn)表1[6]。
表1 河流棲息地狀況和河道生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)
Tennant法計(jì)算河流生態(tài)基流公式如下:
(1)
式中:W為河道的生態(tài)基流量,m3;Mi為全年第i個(gè)月的年均流量,m3;Ni為i月份對(duì)應(yīng)的生態(tài)基流百分比,%。
任何一種方法都有兩面性,體現(xiàn)在其產(chǎn)生、發(fā)展和延伸的過(guò)程中,在參考或應(yīng)用某種方法時(shí)應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行合理性分析[7]。因此,就Tennant法的特點(diǎn)闡述其優(yōu)點(diǎn)和不足之處。
2.2.1 優(yōu)點(diǎn) Tennant法根據(jù)觀測(cè)資料建立起生態(tài)基流和棲息地狀況之間的響應(yīng)關(guān)系,使用簡(jiǎn)單且操作方便,無(wú)需野外測(cè)量工作,不局限于河流是否有水文站點(diǎn)的布設(shè),僅僅使用歷史流量資料就可以評(píng)估生態(tài)基流,適用于生態(tài)優(yōu)先度不高或生態(tài)資料缺乏地區(qū)的河流。Tennant法容易將計(jì)算結(jié)果與流域規(guī)劃相結(jié)合,作為河流生態(tài)管理的初始目標(biāo)和戰(zhàn)略性方針[8],具有宏觀的指導(dǎo)意義。同時(shí),國(guó)內(nèi)Tennant法適用于河流管理規(guī)劃階段的環(huán)境流量預(yù)評(píng)估[9-10]。生態(tài)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(chǔ),流量特性相對(duì)容易確定日平均流量的時(shí)間序列是否可用,可作為檢驗(yàn)其他計(jì)算方法的一種粗略方法或評(píng)價(jià)方法[11-12]。
上述優(yōu)點(diǎn)使得Tennant法成為北美地區(qū)第二大普遍使用的生態(tài)基流評(píng)估方法和全世界應(yīng)用最為廣泛的水文方法,至少25個(gè)國(guó)家根據(jù)各種水文、地貌、生態(tài)或基于流域的標(biāo)準(zhǔn),以修改形式應(yīng)用了最初闡述的Tennant法[13]。
2.2.2 不足 Tennant法作為一種經(jīng)驗(yàn)方法,在實(shí)際應(yīng)用中具有局限性,現(xiàn)針對(duì)其普遍存在的時(shí)空變化大、流量適宜性較弱和普適條件較差的3個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析。
(1)時(shí)空變化大,Tennant法未考慮河流流量年內(nèi)季節(jié)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(tài)健康狀況,未能全面考慮流量與水生生物之間關(guān)系受季節(jié)性變化的影響,其計(jì)算精確度不高,易受極端事件影響;同時(shí),未考慮河流流量的年內(nèi)分配,將全年劃分為兩個(gè)用水期,使得水生生物不適應(yīng)于生態(tài)環(huán)境的要求。另外,淡化了河流流量年際變化的情況,沒(méi)有區(qū)分豐、平、枯各年份的差異。
(2)流量適宜性較弱,生態(tài)基流百分比確定困難。應(yīng)用Tennant法時(shí)過(guò)度簡(jiǎn)化處理了河流的真實(shí)情況,未能從河流流域特征和成因分布規(guī)律分析流量特性,河流生態(tài)健康狀況與流量比例之間的關(guān)系受到不同地域、不同水生態(tài)環(huán)境和不同保護(hù)對(duì)象等影響因素較大,因此,需分析Tennant法中基流標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際河流情況的適宜度。
(3)普適條件較差,Tennant法作為經(jīng)驗(yàn)公式,具有區(qū)域限制。Tennant法是通過(guò)研究11條低影響的天然河流而得出的經(jīng)驗(yàn)方法,而不同地區(qū)的河流水情、開(kāi)發(fā)利用程度和生態(tài)經(jīng)濟(jì)狀況不一樣。我國(guó)近年來(lái)的水資源開(kāi)發(fā)利用率逐漸提高,人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流的影響也愈來(lái)愈嚴(yán)重,因此,通常需要對(duì)公式進(jìn)行適應(yīng)性分析和檢驗(yàn),一些學(xué)者對(duì)該方法在中國(guó)的應(yīng)用提出質(zhì)疑[14]。由于對(duì)自然流量模式適應(yīng)程度較低,Tennant法也未被英國(guó)所采納[15]。
在全球范圍內(nèi),沒(méi)有表明河流生態(tài)狀況水平的數(shù)據(jù)集,也沒(méi)有一個(gè)具有全球河流理想生態(tài)狀況的數(shù)據(jù)集;缺乏生態(tài)水文數(shù)據(jù)使得難以確定全球不同淡水生態(tài)系統(tǒng)的最低環(huán)境流量閾值和臨界點(diǎn)。全球河流生態(tài)系統(tǒng)面臨的形勢(shì)十分嚴(yán)峻,特別對(duì)于中國(guó)的北方河流,已迫在眉睫。因此改進(jìn)Tennant法是非常有必要的?;诂F(xiàn)狀,查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),根據(jù)Tennant法的優(yōu)缺點(diǎn),總結(jié)為3點(diǎn)改進(jìn)思路。
從上述Tennant法的局限性出發(fā),分析在不同河流的適宜性,主要考慮以下3點(diǎn):
(1)生物種群在不同時(shí)段對(duì)流量適宜程度是不同的,當(dāng)Tennant法在不同河流檢驗(yàn)時(shí),生態(tài)基流值是隨季節(jié)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(shí)基于河流水生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性特征和生物種群的活動(dòng)周期對(duì)用水期進(jìn)行修正劃分,從而體現(xiàn)Tennant法的豐、平、枯水文特征。
(2)考慮河流斷面的幾何形態(tài)特征和季節(jié)性變化對(duì)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(dāng)?shù)睾恿髁髁勘壤c生態(tài)健康程度的關(guān)系,并基于該地區(qū)的實(shí)際情況適當(dāng)改進(jìn)生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)。
(3)生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)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(hù)特殊物種等功能。
基于以上3種改進(jìn)思路,并根據(jù)特征流量、計(jì)算時(shí)段和百分比3個(gè)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn),從而總結(jié)出3種改進(jìn)方法:年均值法、同期均值法、改進(jìn)百分系數(shù)法。
徐志俠等[16]曾評(píng)述Tennant方法,年平均流量的計(jì)算是基于自然條件下的流量數(shù)據(jù),郭立丹等[7]稱(chēng)Tennant方法的年平均值比是以年平均流量的百分比作為T(mén)ennant方法的計(jì)算或評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。
Tennant法依據(jù)魚(yú)類(lèi)的生活習(xí)性規(guī)律將水期劃分為兩個(gè)時(shí)段,這固然有其合理性,但許多學(xué)者會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)睾恿魉臓顩r因地制宜進(jìn)行適當(dāng)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(duì)于初步流量評(píng)估非常有用。北卡羅來(lái)納州針對(duì)開(kāi)普菲爾河供水計(jì)劃,修正Tennant法的用水期進(jìn)行未來(lái)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(xí)性等特征,修正Tennant法的水期,改進(jìn)后的Tennant法更能反映流域的生態(tài)意義。吳玲玲等[22]為了彌補(bǔ)河流流量數(shù)據(jù)匱乏的不足,提出基于生態(tài)水位計(jì)算的修正Tennant法,確定淮河流域的生態(tài)需水量。另外,考慮到極端流量事件對(duì)年平均流量的影響,可取年均流量序列的眾數(shù)或中位數(shù)替代年平均流量。如林樹(shù)剛[23]基于超頻原則,應(yīng)用中位數(shù)原理對(duì)Tennant法進(jìn)行改進(jìn)。鄭志宏等[24]為彌補(bǔ)平均值不能切實(shí)反映總體分布集中趨勢(shì)的不足,引入中位數(shù)和眾數(shù)理論,結(jié)果表明改進(jìn)后的Tennant法計(jì)算結(jié)果更科學(xué)合理。
年均值法的改進(jìn)是最為簡(jiǎn)易的Tennant改進(jìn)方法,分析影響河道自然水文狀況失真的可能性,進(jìn)而修正了年均流量和用水期,來(lái)維持完整的生態(tài)系統(tǒng)功能,拓寬了方法的適用性。
然而,改進(jìn)后的Tennant法仍存在3個(gè)主要的問(wèn)題:(1)不能較好地反映天然徑流流量季節(jié)性和逐月豐枯特性;(2)計(jì)算的生態(tài)基流不具有年際豐枯性變化;(3)百分比為不變的數(shù)值,使得年均值法的普適性較差。
年均值法是應(yīng)用年均值比的思想,即以年均流量的百分比作為計(jì)算或評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),其缺點(diǎn)是:即使重新劃分全年的水期、消除了極端事件的影響,其計(jì)算的結(jié)果也不能在某種程度上較好地反映生態(tài)基流的季節(jié)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(shí)期對(duì)河道生態(tài)基流的需求差異,造成了河道生態(tài)基流年內(nèi)分布的差異。因此,認(rèn)為河道生態(tài)基流計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)或評(píng)價(jià)方法應(yīng)依據(jù)河流天然流量過(guò)程的本身特征來(lái)明確與量化水文指標(biāo),從而引入同期均值比指標(biāo)[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T(mén)ennant法計(jì)算或評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
以上表明,在利用Tennan法評(píng)價(jià)或計(jì)算河流的某一徑流過(guò)程時(shí),應(yīng)以多年同期平均流量為標(biāo)準(zhǔn),不限于原先的分期,一般可根據(jù)水生生物的生活習(xí)性、水文、地理?xiàng)l件和河流生態(tài)保護(hù)目標(biāo)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(duì)而言有利于維持河流生態(tài)系統(tǒng)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(shù)值,使得其普適性較差。
在國(guó)外,常用10%~30%的年均流量作為各月的生態(tài)基流,智利[13]、美國(guó)蒙大拿州[6]取10%年均流量,美國(guó)[13]取30%年均流量,葡萄牙[40]取2.5~5年均流量。在中國(guó),環(huán)評(píng)函【2006】4號(hào)文件指出,一般河流的生態(tài)基流不應(yīng)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(jìn)行改進(jìn),生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)是主觀的和啟發(fā)式的。無(wú)論低流量或高流量條件如何,這些標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)降低所有流量的固定值,這可能會(huì)在低流量期間對(duì)河流環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p失。因此,考慮將固定的百分比修改為響應(yīng)水文情勢(shì)的流量,從而提高其適用范圍。黃強(qiáng)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(huán)境比降和季節(jié)系數(shù),改進(jìn)后更能適應(yīng)季節(jié)性強(qiáng)、地形多變的河流。李舜等[42]、杜懿等[43]針對(duì)流域的生態(tài)特征,引入季節(jié)系數(shù),改進(jìn)后更能適應(yīng)河流季節(jié)性變化。同時(shí),為了滿足魚(yú)類(lèi)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(tài)功能的臨界點(diǎn)的平均流量和流速為依據(jù),確定河流汛期、非汛期的分期百分?jǐn)?shù),使環(huán)境流量適應(yīng)于相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)功能的要求。另外,從考慮河流功能層面出發(fā),田景環(huán)等[47]分別引入季節(jié)因子、輸沙因子、環(huán)境因子,提高了該方法的實(shí)用性。為了進(jìn)一步提高其適用范圍,考慮將各月相同的百分比系數(shù)調(diào)整為隨各月流量情勢(shì)變化的流量。Li等[48-49]根據(jù)國(guó)內(nèi)不同類(lèi)型河流的流量波動(dòng)和季節(jié)性影響,首先考慮到極端流量和不同水功能區(qū)生態(tài)目標(biāo)的可轉(zhuǎn)移性和空間變化的影響,引入了算術(shù)級(jí)數(shù)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(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)隨流量動(dòng)態(tài)變化的方法,在不同河流生態(tài)系統(tǒng)中具有良好的月度和年際貧富差異和可轉(zhuǎn)移性。
總結(jié)分析全球各大河流中對(duì)改進(jìn)Tennant法的應(yīng)用,并對(duì)3種改進(jìn)方法從方式、優(yōu)缺點(diǎn)方面進(jìn)行分析說(shuō)明,如表2和3所示。
表2 各大河流應(yīng)用改進(jìn)Tennant法情況
表3 3類(lèi)改進(jìn)Tennant法對(duì)比
Tennant方法的改進(jìn)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(wèn)題,使其維持河流流量與不同自然水文狀況下的適應(yīng)性。此外,在流量百分比的選取過(guò)程中也是具備了較強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性和主觀性。但總體來(lái)看,還存在以下幾個(gè)有待解決的問(wèn)題:
(1)使用典型年流量代替多年平均流量的改進(jìn)Tennant法,雖然選取了流量模數(shù)最接近于1.0的年份為典型年,但考慮河流本身來(lái)水的豐枯性,此方法的結(jié)果仍有待檢驗(yàn)。
(2)各月水情變化中的百分比系數(shù)難以確定,不同河流的形態(tài)參數(shù)、水文氣候不一,而形態(tài)相似性是其轉(zhuǎn)移到其他河流的關(guān)鍵,這對(duì)于任何環(huán)境流量建議都是至關(guān)重要的。
(3)目前,城市河流逐漸增多,人類(lèi)活動(dòng)影響嚴(yán)重的河流由于無(wú)法形成生物庇護(hù)所,沒(méi)有水生物種的棲息地需求的具體信息,適合天然河流計(jì)算的Tennant法將沒(méi)有生物學(xué)意義,從而不能提供最大的生態(tài)效益。
(4)生態(tài)基流不是一個(gè)固定值,而是有一個(gè)閾值范圍,低于或高于這個(gè)閾值,生態(tài)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生一些重大的變化;因此,圍繞環(huán)境可接受閾值的Tennant法需修正。
(5)在沒(méi)有明確閾值的情況下,確定生態(tài)基流就成為在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)偏好與對(duì)生態(tài)保護(hù)要求的科學(xué)理解之間建立妥協(xié)的問(wèn)題,而生態(tài)保護(hù)是可持續(xù)水資源利用的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。將兩者聯(lián)系起來(lái)是未來(lái)的挑戰(zhàn),尤其是在發(fā)展中國(guó)家。
國(guó)際上應(yīng)用Tennant法評(píng)估河道生態(tài)基流或生態(tài)需水量問(wèn)題迄今已有40多年時(shí)間,并已在不同水文情勢(shì)的大、中、小河流進(jìn)行了系統(tǒng)研究。為了拓寬其應(yīng)用范圍,針對(duì)不同區(qū)域的水文特征、需水類(lèi)型和保護(hù)功能等特點(diǎn),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(jìn)百分系數(shù)法,使調(diào)整后的流量符合該地區(qū)的實(shí)際情況。國(guó)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(guó)內(nèi)各大水系應(yīng)用修正的Tennant法,都是基于流域生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)采用3種改進(jìn)的方法。隨著水利工程,引水渠的興建和其他人類(lèi)活動(dòng)(如快速城市化)的不斷加劇,對(duì)流域內(nèi)水文過(guò)程的干擾越來(lái)越大,水文效應(yīng)將發(fā)生巨大變化,改進(jìn)Tennant法的研究勢(shì)在必行。從目前Tennant方法的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,以下研究方向是未來(lái)的挑戰(zhàn)。
(1)考慮到年均流量易受極端高流量的影響,使得最小生態(tài)基流與低流量的變化不一致,所以應(yīng)強(qiáng)化對(duì)具有調(diào)節(jié)流量河流的研究學(xué)習(xí),并將季節(jié)性河流的低流量指標(biāo)作為生態(tài)基流標(biāo)準(zhǔn)中百分系數(shù)的修正參數(shù)。
(2)強(qiáng)化對(duì)生態(tài)水文學(xué)的理論學(xué)習(xí),主要探究天然河道年內(nèi)各月流量的CV、CS、均值等衡量標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性,探索基流百分比與水生生物棲息地之間的響應(yīng)關(guān)系,并建立適應(yīng)曲線簇,以進(jìn)一步完善Tennant評(píng)估方法的空間移植性和完整性,構(gòu)建適應(yīng)性管理的標(biāo)準(zhǔn)。
(3)目前Tennant法的修正僅是對(duì)生物棲息地條件的研究,未來(lái)可考慮針對(duì)實(shí)際河流的生物信息和物理信息需求進(jìn)行改進(jìn),同時(shí)可將4類(lèi)環(huán)境流量評(píng)估法綜合考慮,以進(jìn)一步完善方法的適用性,將其聯(lián)系起來(lái)是未來(lái)的研究方向。
(4)生態(tài)基流的閾值是難以確定的,需將社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)聯(lián)系起來(lái),特別是在發(fā)展中國(guó)家,為水資源的開(kāi)發(fā)制定環(huán)境上可接受的限度方案則需要考慮到流量與河流生態(tài)系統(tǒng)之間的關(guān)系。