改進的TENNANT模型在區域河道生態需水評價中的應用研究

林樹剛

（遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110500）

改進的TENNANT模型在區域河道生態需水評價中的應用研究

林樹剛

（遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110500）

本文引入改進的TENNANT模型對遼寧中部區域河道生態需水進行評價，研究結果表明：相比于傳統的TENNANT模型，改進的TENNANT模型在生態等級劃分時可綜合考慮最優生態需水的上限和下限，且采用超頻計算原則，可避免極端事件對河流生態需水評價的影響，對區域生態需水評價結果更為合理，符合河流實際生態情況。研究成果對于區域河道生態需水評價和生態需水承載能力分析具有參考價值。

傳統TENNANT模型；改進TENNANT模型；河道生態需水評價；遼寧中部區域

當今，隨著區域可用水資源量與供水之間矛盾的日益突出，區域河道內的生態需水逐步被其他用水擠占，河道內的生態用水不能得到滿足，河道內生態系統的健康發展難以得到保證。在河道內生態需水計算的基礎上，如何對區域河道生態需水進行有效評價，成為國內許多學者關注的熱點問題，許多學者對河道生態需水計算進行研究，并取得一定的研究成果［1-5］，但對河道生態需水評價研究還較少。傳統的TENNANT模型是應用較為廣泛的一種河道生態需水評價方法［6-10］，但其采用平均流量來反映樣本總體的發展趨勢，不能避免極端對統計數據的影響，存在一定的局限。為此，本文引入改進的TENNANT模型對區域河道生態需水進行評價，該模型引入超頻率的概念，屏蔽極端對統計數據的影響，并在生態徑流劃分等級時可綜合考慮最優生態需水的上限和下限，研究成果對于區域河道生態需水評價和生態需水承載能力分析具有參考價值。

1 改進的TENNANT模型原理

改進的TENNANT模型在傳統TENNANT模型基礎上，應用中位數的原理對傳統模型的分級標準進行改進，從而可以對河流多個屬性的生態需水進行評價，進行河流生態需水年際變化和年內分配，構建了不同頻率下的超頻生態徑流計算方法，計算公式為：

式（1）中pij表示為第 j個年份數據組第i個月份超過某一頻率的百分比；

rij則表示為區域流量日尺度系列從大到小排序的序號；mi表示為第i個月份所占據的天數（i=1，2….12月）；nj表示為第j個年份數據組所占據的年份數（j=1，2，3分別對應豐水年、枯水年以及平水年）。

傳統的TENNANT模型生態徑流方法將生態徑流劃分成10個等級，改進的TENNANT模型將生態徑流最小值到最優生態需水的上限范圍值之間劃分成10個生態等級，第6個等級下表示為最優生態需水的下限范圍值，等級劃分的計算公式為：

式（2）中E0（ij）表示為第j個年份數據組第i個月份生態最優值上限范圍值；Q50（ij）和Q90（ij）則分別表示為第j個年份數據組第i個月份中位數值50%和75%百分比下對應的歷史流量數據點。

改進的TENNANT模型為避免極端事件對河流生態需水評價的影響，對生態徑流劃分等級標準的Q50進行了改進計算，等級劃分數量的計算公式為：

在生態徑流劃分等級數量后，對各個年組以及月份的生態徑流分級數進行定量化計算，結合 nij數據系列的中位數的具體計算原理，若方程計算返回得到不同等級的數量，則計算平均值，計算方程為：

式（4）中N表示為模型生態需水評價最后的生態等價劃分數；Averag以及MOD則表示模型求解中數函數以及平均值的函數表達式。

結合傳統TENNANT模型生態徑流劃分等級的標準，改進的TENNANT模型生態徑流劃分等級的標準為：

式（5）中Em表示為第m個等級的生態需水量；Q50表示為生態最優值的上限范圍值；Q75表示為生態最優值的下限范圍值。

2 實例應用

2.1 研究區域概況

研究區域位于遼寧中部區域，河流干流的總長度為25km，河流多年平均降水量達到750mm，區域內用水主要為生活和農業用水，生活用水所占比例為45%。為對區域內主干流河道的生態需水進行評價，在區域主干流河道上設置三個斷面（水文站附近），各斷面分布見圖1。斷面流量數據為水文站實測流量數據，結合流量數據，分別采用最小生態需水以及三頻率下的最優生態需水方法分別計算區域內主干河道的最小和最優生態需水量，在此基礎上結合改進的TENNANT模型對區域的生態需水進行評價。

圖1 研究區域計算斷面分布圖

2.2 區域河道生態需水計算

2.2.1 最小生態需水計算

計算各斷面每月最小流量的均值，作為流域的最小生態需水量，計算結果見表1。三個斷面生態徑流過程，見圖1。

表1 研究區3個斷面最小生態徑流量及最小生態需水量

圖1 研究區域3個斷面的最小生態徑流過程

從表1可以看出3#斷面最小生態需水量最大，1#斷面最小生態需水量最小，這主要是因為3#斷面位于干流河道的下游，1#斷面位于干流河道的上游，因此3#斷面的生態需水量大于 1#斷面的生態需水量。從圖 1中可以看出，4～9月份的最小生態需水量大于10～3月份的最小生態需水量，這主要是因為4～9月份來水量較大，河道生態需水量也相對較大，而在10～3月份來水量較小，采用逐月最小流量作為最小生態徑流量，因此在10～3月份其最小生態需水量最小。

2.2.2 最優生態需水計算

采用逐月頻率計算區域河道最優生態需水，本文采用對應改進的TENNANT模型中選取的頻率（50%以及75%），計算逐月頻率下河道最優生態需水，此外結合區域3處斷面多年平均流量數據繪制區域多年平均徑流過程，詳見表2以及圖2。

表2 研究區域3個斷面最優生態徑流量及最優生態需水量

表2為采用對應改進的TENNANT模型選取的頻率計算的研究區域河道最優生態需水量，從表中可以看出，最優生態需水計算值都大于區域河道的最小生態需水量，最優生態需水是滿足區域河道達到中等或者最佳生態情況的需水量，而最小生態需水量為滿足區域河道最低生態系統所需要的水量，因此最優生態需水量要大于最小生態需水量。同最小生態需水一樣，最優生態需水量從上游到下游，逐步增加。圖 2為三個斷面最優生態徑流的過程，從圖中可以看出，三個斷面計算的最優生態徑流的過程和多年平均值較為相似，最優生態需水受區域來水量的分配影響較大。在 4～9月份來水量較大，其最優生態需水量也較大，而在10～3月份由于來水量較小，其最優生態需水量相對較小。

2.3 區域河道生態需水評價

在區域最小和最優生態需水計算的基礎上，分別采用傳統TENNANT模型和改進的TENNANT模型對研究區域河道最小生態需水量和最優的生態需水量進行評價計算，計算結果見表3和表4。

表3 研究區三處斷面最小生態需水評價結果

表4 研究區三處斷面最優生態需水評價結果

表3為分別采用傳統TENNANT模型和改進的TENNANT模型評價研究區域河道三處斷面最小生態需水的評價結果，經過傳統模型評價的三處斷面最小生態需水情況下，其河流將達到較差和中等的生態程度，而改進模型評價評價的三處斷面最小生態需水情況下其河流生態評價結果要差于傳統模型，這主要是在最小生態需水下，河流生態系統平衡很難得到保證，其中1#和3#斷面在最小生態需水情況下其主干河道將達到極差的情況，通過對區域歷史河流斷流情況進行調查，1#和3#斷面在最小生態需水情況下，河流處于斷流的邊緣，河流生態系統將得到破壞，這和應用改進的TENNANT模型評價的結果相吻合。通過對比傳統TENNANT模型和改進的傳統TENNANT模型對區域河道最小生態

圖3 研究區域三個斷面的最優生態徑流過程

需水的結果可以看出，改進的TENNANT模型對于區域最小生態需水評價和區域河道生態情況更為吻合，區域最小生態需水很難滿足區域河道生態系統的穩定，應在河道來水量較少的年份中，盡可能多的保證河道內的水量與區域河道最小生態需水量。

表4為分別采用傳統TENNANT模型和改進的TENNANT模型評價研究區域河道三處斷面最優生態需水的評價結果，從兩種模型評價的結果可以看出，各斷面在最優生態需水情況下，兩種模型評價的結果區域河道生態將達到中等到好的狀態，其中改進模型在區域河道生態情況評價的結果要好于傳統的模型，這是因為改進的模型采用頻率為50%和75%的超頻方法評價生態需水情況，從而避免極端事件對河流生態需水評價的影響，評價結果更為合理，通過對實地調查發現，改進的TENNANT模型評價的最優生態需水情況與實際情況較為吻合。

3 結論

本文采用改進的TENNANT模型對區域河道最小和最優生態需水進行評價，研究取得以下結論：

（1）相比于傳統TENNANT模型，改進的TENNANT模型在研究區域河道生態需水評價結果更為合理，區域最小生態需水很難滿足區域河道生態系統的健康，在枯水季節，應增加區域內的河道水量，從而能滿足區域河道生態系統的穩定；

（2）由于采用超頻計算原則，改進的 TENNANT模型可避免極端事件對河流生態需水評價的影響，對最優生態需水評價的結果要好于傳統TENNANT模型。

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X171

A

1672-2469（2017）02-0072-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.02.023

2016-07-16

林樹剛（1980年—），男，工程師。