Tennant法在河流生態基流計算中的適用性探討
——以福建省東南沿海地區為例

朱 敏 翔，楊 柳，楊 超，牟 鑫 亮，李 晨，岳 東 霞

(1.蘭州大學 資源環境學院，甘肅 蘭州 730000; 2.北京師范大學 地理科學學部，北京 100875)

河流作為生態系統不可缺少的組成部分，在維持全球物質與能量運輸、調節地球氣候、支撐生態平衡方面發揮著重要的作用。然而，隨著人類對水資源過度的開發利用，河流生態環境問題日益突出，水資源的利用與生態環境的保護之間形成了巨大的矛盾[1]。為了調節兩者之間的矛盾，人們提出了生態基流的概念[2-4]。目前，國際上并沒有對生態基流形成統一的定義。1978年，Nienhuis首次在河道最小生態流量的計算中加入了魚類、水電、航運等的需水量[5]。1988年，Gleick提出了基本生態需水的概念[2]，他認為基本生態需水的計算既要考慮生物多樣性和生態系統的完整性，又要考慮氣候、季節變化等影響因素。國內的研究中對生態基流概念的認識也存在著不同[6-8]。王西琴[8]等從水環境角度提出，河道最小環境需水量是指維持最基本的河流功能正常所必須的最小水量。孟慧穎[9]從生態系統角度提出，生態基流是指維持河流基本形態和基本生態功能、保證水生態系統基本功能正常運轉、保證不斷流、避免河道中的水生生物受到不可恢復性的破壞的最小流量。

生態基流的計算方法可分為四大類：水文學法、水力學法、生境模擬法和整體法[9-10]。其中水文學法主要是基于天然流量，通過確定比率來計算生態基流量，該方法因計算方便、操作簡單，在流量較大且水文資料序列較長的河流使用率較高。水文學法主要包括Tennant法、最枯月平均流量多年平均值法、90%保證率最枯月平均流量法、年型劃分法等。其中, Tennant法無需現場測定，且不要求流量序列長期完整，故在生態資料缺乏的地區得到廣泛的使用[9-11]。我國學者將Tennant法引入國內,先后在海河流域[6，12]、黃河流域[13-14]、長江流域[15-16]等國內主要水資源開發流域開展了生態基流研究，并對該方法的區域適用性開展了初步研究。但目前的研究集中在河流的氣候因素及人為干擾因素影響下Tennant法的適用性[17]。若將該方法應用于長時間序列天然河道的流量變化研究，則需開展進一步的適用性研究。

福建省東南沿海地區位于中國東南部，在加快海峽西岸經濟區建設、加強閩臺經濟文化交流中發揮著重要的作用。因此，區內水資源合理利用及生態環境的研究受到了廣大學者的關注。本文通過對比分析福建省東南沿海地區河流的多年徑流變化與Tennant法計算獲得的生態基流量，探討了Tennant法的在該區域的適用性，并針對Tennant法使用長序列基礎水文指標來確定多年平均流量百分數的原理，將計算結果與區域河流實際水文數據相比較，分析影響Tennant法計算結果的原因，以期為東南沿海地區水資源的合理利用、開發和流域的綜合管理提供科學依據。

1 研究區概況

福建省東南沿海地區屬亞熱帶海洋季風氣候，日照充足，雨量充沛，水資源豐富。區域內的降水集中在4～9月，包括3～6月份的鋒面雨和7～10月份的臺風雨。區域內河網密布，水系眾多，流域地形以山地丘陵為主，河流主要包括九龍江、晉江、木蘭溪、東溪等(見圖1)，屬于東南沿海諸河。其年徑流空間分布與年降雨量的分布大體相似，徑流量年內分配受季節性降水制約，有明顯的豐枯變化。

圖1 福建省東南沿海地區主要河流和水文站分布

2 研究方法與數據來源

2.1 Tennant法

1964～1974年，Tennant[18]等通過對3 145 km河段的58個斷面的寬度、深度和流速等河流流量物理參數進行多次測量，于1976年提出了Tennant法。該方法認為，對于大部分水生生物，河流多年平均流量的10%是維持其短期生存棲息地的最小流量；30%是維持其一般活動的良好生存條件的基本流量；達到60%可為其在生長初期和大多數活動提供極好的棲息環境。而在北半球，一般地區的10月至翌年3月為枯水期，河道流量需要滿足一般的用水；4～9月為豐水期，是大部分魚類產卵育幼階段，河道流量需要滿足魚類的繁衍和生存?；诖?，Tennant法推薦枯水期10月至翌年3月的生態基流取多年平均流量的10%,豐水期4～9月的生態基流取多年平均流量的30%。

Tennant法利用多年平均流量的比例將保護魚類、野生動物、娛樂和相關環境資源與河流流量聯系了起來(見表1)，宏觀上對河流生態保護的基本需水量管理具有指導價值。

表1 保護魚類、野生動物、娛樂和相關環境資源的河流流量狀況

2.2 數據來源

本研究針對福建省東南沿海地區的河流生態基流計算的需求，系統收集了區域內各水文站的多年徑流實測數據。

九龍江北溪選擇浦南水文站的數據作為數據來源，該站控制流域面積8 490 km2，約占北溪流域面積的88.1%，是北溪下游的控制站。九龍江西溪流域選擇鄭店水文站的數據作為數據來源，該站位于九龍江西溪干流，控制流域面積3 419 km2，約占整個西溪流域的86.8%，為西溪主要控制站。晉江流域選擇石礱水文站的數據作為數據來源，該站位于晉江干流，距晉江出?？趦H24.8 km，控制流域面積5 060 km2，是晉江下游的控制性水文站。木蘭溪流域選擇瀨溪水文站作為數據來源站，該站是木蘭溪干流上主要水文站，控制流域面積1 070 km2。東溪選擇詔安水文站作為數據來源站，該站位于下游詔安城關，控制流域面積955 km2，約占東溪全流域面積的83.2%，是東溪流域的主要控制站。

3 結果與分析

3.1 Tennant法的應用及適應性分析

本研究利用浦南站1950～2016年(67 a)、鄭店站1951～2016年(66 a)、石礱站1951～2016年(66 a)、瀨溪站1951～2016年(66 a)、詔安站1962～2016年(55 a)的徑流資料，得到各站多年平均流量數據，使用Tennant法計算的結果見表2。

表2 各河流Tennant法生態基流計算結果

3.2 生態基流量適應性分析

河道內天然流量必須滿足生態基流量，才能保證河道的基本生態功能。因此，我們統計了各河流代表站反映河道流量年內及年際變化的多年月平均流量和多年最小月平均流量(多年各月平均流量數據中的最小值)兩個特征值(見表3)。由表3可知，最小月平均流量只占多年月平均流量的6%～45%，說明各河流年內及年際變幅較大。

將各水文站各月多年月平均流量和最小月平均流量與Tennant法計算的生態基流量對比(圖2)，可以看出，各水文站各月多年平均流量值都在生態基流量值之上，說明各河流各月多年平均流量皆能滿足使用Tennant法計算的生態基流量。在自然狀態下，河流生態系統已經安全度過多年各月平均流量中最小值的時期，河流沒有發生斷流，水生生物沒有受到不可恢復性的破壞，可將多年各月平均流量最小值作為該月的最小生態徑流量[19-21]。因此，將最小月平均流量與Tennant法估算的生態基流量相比較(見圖3)，可以看出在浦南站多年實測數據中2個月出現最小月平均流量小于生態基流的情況；鄭店站多年數據則說明九龍江西溪在3～5月，均出現了無法滿足生態基流的情況；石礱站所在的晉江干流，因受上游山美水庫(大型)的水量調配，各月均能滿足生態基流；由瀨溪站的多年數據可知，木蘭溪有9個月都出現了小于生態基流的情況；詔安站多年數據則說明東溪干流在1～5月和9，10，12月均出現不能滿足生態基流的情況。由此可說明，Tennant法計算得出的流域生態基流量不能應用于徑流量年際變化較大的河流。

4 影響Tennant法計算的因素

4.1 計算原理

Tennant法是針對統計結果分別建立斷面流速、主槽水深以及水面寬度與多年平均流量百分數的關系，對關系圖中各線斜率進行分析，得到斷面流速、主槽水深以及水面寬度的變化速率突變時所對應的多年平均流量百分數，結合魚類對棲息地的流量、河流物質組成等的要求進行驗證的方法。

福建省東南沿海各河流均為獨立入海的河流，受采砂影響從1990年開始河道斷面逐年下切，近幾年由于禁止采砂，河床趨于穩定。因各河流的河道形狀及特性基本一致，本研究僅以九龍江北溪的浦南水文站實測水道斷面為例，通過分析其實測斷面的水面寬、深度和流速數據，探究Tennant法不適用性的原因。

4.2 河道斷面變化及研究斷面選取

浦南水文站位于九龍江北溪下游，河段屬沙質河床。受采砂影響，從1990年開始河道斷面逐年下切，近幾年由于河道禁止采砂，河床趨于穩定。浦南水文站1990,2000,2010,2016年實測斷面如圖4所示。由圖4可以發現，斷面主槽寬度總體較為穩定，其中1990年最大，為337.6 m；2010年最小，為328.7 m，變化量僅為8.9 m。河道斷面變化主要表現為河床的下切和過水面積增加，過水面積由1990年的1 367.1 m2增大到2016年的1 852.28 m2。由于近幾年河道禁止采砂，河床趨于穩定，所以選擇2016年浦南水文站的實測斷面，作為本次Tennant法適用性研究斷面。

表3 各河流代表站月徑流量年際變化統計

圖2 各月多年平均流量與Tennant法估算的生態基流量關系

圖3 最小月平均流量與Tennant法估算的生態基流量關系

圖4 浦南水文站歷年實測斷面

4.3 影響因素

通過分析浦南水文站斷面實測流速與多年平均流量百分比的關系(圖5)可以看出，隨著斷面流量的增大，流速呈增大的趨勢，但曲線較為平滑，變化速率無突變。多年平均流量的10%所對應的斷面流速為0.03 m/s ,并沒有達到魚類的感應流速0.2 m/s以及Tennant所推薦的魚類最小流速0.23 m/s。

通過建立浦南水文站斷面主槽水深與多年平均流量百分比的關系(圖6)，可以看出，總體上，主槽水深隨流量變化幅度較小，主槽水深變化量為1.06 m。結合圖3可知，主槽河床下切明顯，多年平均流量的10%所對應的斷面主槽水深達到了4.71 m，遠大于Tennant所推薦的魚類最小水深0.3 m。

圖5 浦南水文站斷面實測流速與多年平均流量百分比關系

圖6 浦南水文站斷面主槽水深與多年平均流量百分比關系

通過建立浦南水文站斷面主槽水面寬度與多年平均流量百分比曲線的關系(圖7)，結合圖3可以得出，斷面主槽形狀呈U型，水面寬隨流量變化不大，曲線有一處變化速率轉折點，但并不明顯，總體上水面寬度與多年平均流量百分比曲線斜率趨于平緩。多年平均流量值的10%所對應的水面寬為194.5 m，多年平均流量所對應的水面寬為198.5 m，兩者比值(水面寬率)為97%，遠大于Tennant所推薦的生態基流所對應的水面寬率60%。

圖7 浦南水文站斷面水面寬度與多年平均流量百分比關系

綜上可知，Tennant法中將多年平均流量的10%作為河道健康的關鍵點或下限，不適用于福建省東南沿海河流中河床坡降較小、過水面積較大的下游河段。

5 結論與建議

利用福建省東南沿海主要河流各水文站的多年流量數據，使用Tennant法計算求得各河流的生態基流量。經分析，各河流的生態基流量均小于逐月平均流量，但由于福建省東南沿海各河流的徑流量年內及年際變幅較大，最小月平均流量只占多年月平均流量的6%～45%，從而造成各河流均出現多個最小月平均流量比Tennant法求得的生態基流量小的情況?？梢?，Tennant法只有豐、枯兩個分期的生態基流量，不適應于徑流量年內及年際變幅較大的福建省東南沿海各河流。

福建省東南沿海各河流均為獨立入海的河流，受河床刷深和回水頂托的影響，各河流下游河段具有河道坡降小、水流平緩、水面較寬、水深較深的特點。根據2016年浦南水文站實測數據，建立斷面流速、主槽水深以及水面寬度與多年平均流量百分比的關系曲線，對圖中各關系線斜率進行分析，發現無明顯的速率突變。通過對10%多年平均流量所對應斷面流速、主槽水深以及水面寬度進行分析可知，Tennant法中將多年平均流量的10%作為河道健康的關鍵點或下限，不適用于河床坡降較小，過水面積較大的東南沿海河流。

福建省東南沿海各河流徑流受臺風影響明顯，年內徑流量分配不均，總體上可分為洪水期(5～9月)和非洪水期(10月至翌年4月)，計算時應調整Tennant法的豐水期和枯水期的時間分段。此外，各河流具有水面寬、水深深、水流緩的特點，應適當調整Tennant法中的百分數，使計算所得的生態基流量更符合區域魚類、野生動物和相關環境資源的保護。