改進(jìn)的TENNANT模型在區(qū)域河道生態(tài)需水評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究

林樹剛

（遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110500）

改進(jìn)的TENNANT模型在區(qū)域河道生態(tài)需水評(píng)價(jià)中的應(yīng)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(jìn)的TENNANT模型對(duì)遼寧中部區(qū)域河道生態(tài)需水進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)的TENNANT模型，改進(jìn)的TENNANT模型在生態(tài)等級(jí)劃分時(shí)可綜合考慮最優(yōu)生態(tài)需水的上限和下限，且采用超頻計(jì)算原則，可避免極端事件對(duì)河流生態(tài)需水評(píng)價(jià)的影響，對(duì)區(qū)域生態(tài)需水評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理，符合河流實(shí)際生態(tài)情況。研究成果對(duì)于區(qū)域河道生態(tài)需水評(píng)價(jià)和生態(tài)需水承載能力分析具有參考價(jià)值。

傳統(tǒng)TENNANT模型；改進(jìn)TENNANT模型；河道生態(tài)需水評(píng)價(jià)；遼寧中部區(qū)域

當(dāng)今，隨著區(qū)域可用水資源量與供水之間矛盾的日益突出，區(qū)域河道內(nèi)的生態(tài)需水逐步被其他用水?dāng)D占，河道內(nèi)的生態(tài)用水不能得到滿足，河道內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展難以得到保證。在河道內(nèi)生態(tài)需水計(jì)算的基礎(chǔ)上，如何對(duì)區(qū)域河道生態(tài)需水進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，成為國內(nèi)許多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)問題，許多學(xué)者對(duì)河道生態(tài)需水計(jì)算進(jìn)行研究，并取得一定的研究成果［1-5］，但對(duì)河道生態(tài)需水評(píng)價(jià)研究還較少。傳統(tǒng)的TENNANT模型是應(yīng)用較為廣泛的一種河道生態(tài)需水評(píng)價(jià)方法［6-10］，但其采用平均流量來反映樣本總體的發(fā)展趨勢，不能避免極端對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的影響，存在一定的局限。為此，本文引入改進(jìn)的TENNANT模型對(duì)區(qū)域河道生態(tài)需水進(jìn)行評(píng)價(jià)，該模型引入超頻率的概念，屏蔽極端對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的影響，并在生態(tài)徑流劃分等級(jí)時(shí)可綜合考慮最優(yōu)生態(tài)需水的上限和下限，研究成果對(duì)于區(qū)域河道生態(tài)需水評(píng)價(jià)和生態(tài)需水承載能力分析具有參考價(jià)值。

1 改進(jìn)的TENNANT模型原理

改進(jìn)的TENNANT模型在傳統(tǒng)TENNANT模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用中位數(shù)的原理對(duì)傳統(tǒng)模型的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)，從而可以對(duì)河流多個(gè)屬性的生態(tài)需水進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)行河流生態(tài)需水年際變化和年內(nèi)分配，構(gòu)建了不同頻率下的超頻生態(tài)徑流計(jì)算方法，計(jì)算公式為：

式（1）中pij表示為第 j個(gè)年份數(shù)據(jù)組第i個(gè)月份超過某一頻率的百分比；

rij則表示為區(qū)域流量日尺度系列從大到小排序的序號(hào)；mi表示為第i個(gè)月份所占據(jù)的天數(shù)（i=1，2….12月）；nj表示為第j個(gè)年份數(shù)據(jù)組所占據(jù)的年份數(shù)（j=1，2，3分別對(duì)應(yīng)豐水年、枯水年以及平水年）。

傳統(tǒng)的TENNANT模型生態(tài)徑流方法將生態(tài)徑流劃分成10個(gè)等級(jí)，改進(jìn)的TENNANT模型將生態(tài)徑流最小值到最優(yōu)生態(tài)需水的上限范圍值之間劃分成10個(gè)生態(tài)等級(jí)，第6個(gè)等級(jí)下表示為最優(yōu)生態(tài)需水的下限范圍值，等級(jí)劃分的計(jì)算公式為：

式（2）中E0（ij）表示為第j個(gè)年份數(shù)據(jù)組第i個(gè)月份生態(tài)最優(yōu)值上限范圍值；Q50（ij）和Q90（ij）則分別表示為第j個(gè)年份數(shù)據(jù)組第i個(gè)月份中位數(shù)值50%和75%百分比下對(duì)應(yīng)的歷史流量數(shù)據(jù)點(diǎn)。

改進(jìn)的TENNANT模型為避免極端事件對(duì)河流生態(tài)需水評(píng)價(jià)的影響，對(duì)生態(tài)徑流劃分等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的Q50進(jìn)行了改進(jìn)計(jì)算，等級(jí)劃分?jǐn)?shù)量的計(jì)算公式為：

在生態(tài)徑流劃分等級(jí)數(shù)量后，對(duì)各個(gè)年組以及月份的生態(tài)徑流分級(jí)數(shù)進(jìn)行定量化計(jì)算，結(jié)合 nij數(shù)據(jù)系列的中位數(shù)的具體計(jì)算原理，若方程計(jì)算返回得到不同等級(jí)的數(shù)量，則計(jì)算平均值，計(jì)算方程為：

式（4）中N表示為模型生態(tài)需水評(píng)價(jià)最后的生態(tài)等價(jià)劃分?jǐn)?shù)；Averag以及MOD則表示模型求解中數(shù)函數(shù)以及平均值的函數(shù)表達(dá)式。

結(jié)合傳統(tǒng)TENNANT模型生態(tài)徑流劃分等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，改進(jìn)的TENNANT模型生態(tài)徑流劃分等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)為：

式（5）中Em表示為第m個(gè)等級(jí)的生態(tài)需水量；Q50表示為生態(tài)最優(yōu)值的上限范圍值；Q75表示為生態(tài)最優(yōu)值的下限范圍值。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于遼寧中部區(qū)域，河流干流的總長度為25km，河流多年平均降水量達(dá)到750mm，區(qū)域內(nèi)用水主要為生活和農(nóng)業(yè)用水，生活用水所占比例為45%。為對(duì)區(qū)域內(nèi)主干流河道的生態(tài)需水進(jìn)行評(píng)價(jià)，在區(qū)域主干流河道上設(shè)置三個(gè)斷面（水文站附近），各斷面分布見圖1。斷面流量數(shù)據(jù)為水文站實(shí)測流量數(shù)據(jù)，結(jié)合流量數(shù)據(jù)，分別采用最小生態(tài)需水以及三頻率下的最優(yōu)生態(tài)需水方法分別計(jì)算區(qū)域內(nèi)主干河道的最小和最優(yōu)生態(tài)需水量，在此基礎(chǔ)上結(jié)合改進(jìn)的TENNANT模型對(duì)區(qū)域的生態(tài)需水進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 研究區(qū)域計(jì)算斷面分布圖

2.2 區(qū)域河道生態(tài)需水計(jì)算

2.2.1 最小生態(tài)需水計(jì)算

計(jì)算各斷面每月最小流量的均值，作為流域的最小生態(tài)需水量，計(jì)算結(jié)果見表1。三個(gè)斷面生態(tài)徑流過程，見圖1。

表1 研究區(qū)3個(gè)斷面最小生態(tài)徑流量及最小生態(tài)需水量

圖1 研究區(qū)域3個(gè)斷面的最小生態(tài)徑流過程

從表1可以看出3#斷面最小生態(tài)需水量最大，1#斷面最小生態(tài)需水量最小，這主要是因?yàn)?#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(tài)需水量大于 1#斷面的生態(tài)需水量。從圖 1中可以看出，4～9月份的最小生態(tài)需水量大于10～3月份的最小生態(tài)需水量，這主要是因?yàn)?～9月份來水量較大，河道生態(tài)需水量也相對(duì)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(tài)徑流量，因此在10～3月份其最小生態(tài)需水量最小。

2.2.2 最優(yōu)生態(tài)需水計(jì)算

采用逐月頻率計(jì)算區(qū)域河道最優(yōu)生態(tài)需水，本文采用對(duì)應(yīng)改進(jìn)的TENNANT模型中選取的頻率（50%以及75%），計(jì)算逐月頻率下河道最優(yōu)生態(tài)需水，此外結(jié)合區(qū)域3處斷面多年平均流量數(shù)據(jù)繪制區(qū)域多年平均徑流過程，詳見表2以及圖2。

表2 研究區(qū)域3個(gè)斷面最優(yōu)生態(tài)徑流量及最優(yōu)生態(tài)需水量

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

2.3 區(qū)域河道生態(tài)需水評(píng)價(jià)

在區(qū)域最小和最優(yōu)生態(tài)需水計(jì)算的基礎(chǔ)上，分別采用傳統(tǒng)TENNANT模型和改進(jìn)的TENNANT模型對(duì)研究區(qū)域河道最小生態(tài)需水量和最優(yōu)的生態(tài)需水量進(jìn)行評(píng)價(jià)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表3和表4。

表3 研究區(qū)三處斷面最小生態(tài)需水評(píng)價(jià)結(jié)果

表4 研究區(qū)三處斷面最優(yōu)生態(tài)需水評(píng)價(jià)結(jié)果

表3為分別采用傳統(tǒng)TENNANT模型和改進(jìn)的TENNANT模型評(píng)價(jià)研究區(qū)域河道三處斷面最小生態(tài)需水的評(píng)價(jià)結(jié)果，經(jīng)過傳統(tǒng)模型評(píng)價(jià)的三處斷面最小生態(tài)需水情況下，其河流將達(dá)到較差和中等的生態(tài)程度，而改進(jìn)模型評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)的三處斷面最小生態(tài)需水情況下其河流生態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果要差于傳統(tǒng)模型，這主要是在最小生態(tài)需水下，河流生態(tài)系統(tǒng)平衡很難得到保證，其中1#和3#斷面在最小生態(tài)需水情況下其主干河道將達(dá)到極差的情況，通過對(duì)區(qū)域歷史河流斷流情況進(jìn)行調(diào)查，1#和3#斷面在最小生態(tài)需水情況下，河流處于斷流的邊緣，河流生態(tài)系統(tǒng)將得到破壞，這和應(yīng)用改進(jìn)的TENNANT模型評(píng)價(jià)的結(jié)果相吻合。通過對(duì)比傳統(tǒng)TENNANT模型和改進(jìn)的傳統(tǒng)TENNANT模型對(duì)區(qū)域河道最小生態(tài)

圖3 研究區(qū)域三個(gè)斷面的最優(yōu)生態(tài)徑流過程

需水的結(jié)果可以看出，改進(jìn)的TENNANT模型對(duì)于區(qū)域最小生態(tài)需水評(píng)價(jià)和區(qū)域河道生態(tài)情況更為吻合，區(qū)域最小生態(tài)需水很難滿足區(qū)域河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定，應(yīng)在河道來水量較少的年份中，盡可能多的保證河道內(nèi)的水量與區(qū)域河道最小生態(tài)需水量。

表4為分別采用傳統(tǒng)TENNANT模型和改進(jìn)的TENNANT模型評(píng)價(jià)研究區(qū)域河道三處斷面最優(yōu)生態(tài)需水的評(píng)價(jià)結(jié)果，從兩種模型評(píng)價(jià)的結(jié)果可以看出，各斷面在最優(yōu)生態(tài)需水情況下，兩種模型評(píng)價(jià)的結(jié)果區(qū)域河道生態(tài)將達(dá)到中等到好的狀態(tài)，其中改進(jìn)模型在區(qū)域河道生態(tài)情況評(píng)價(jià)的結(jié)果要好于傳統(tǒng)的模型，這是因?yàn)楦倪M(jìn)的模型采用頻率為50%和75%的超頻方法評(píng)價(jià)生態(tài)需水情況，從而避免極端事件對(duì)河流生態(tài)需水評(píng)價(jià)的影響，評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理，通過對(duì)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的TENNANT模型評(píng)價(jià)的最優(yōu)生態(tài)需水情況與實(shí)際情況較為吻合。

3 結(jié)論

本文采用改進(jìn)的TENNANT模型對(duì)區(qū)域河道最小和最優(yōu)生態(tài)需水進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究取得以下結(jié)論：

（1）相比于傳統(tǒng)TENNANT模型，改進(jìn)的TENNANT模型在研究區(qū)域河道生態(tài)需水評(píng)價(jià)結(jié)果更為合理，區(qū)域最小生態(tài)需水很難滿足區(qū)域河道生態(tài)系統(tǒng)的健康，在枯水季節(jié)，應(yīng)增加區(qū)域內(nèi)的河道水量，從而能滿足區(qū)域河道生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定；

（2）由于采用超頻計(jì)算原則，改進(jìn)的 TENNANT模型可避免極端事件對(duì)河流生態(tài)需水評(píng)價(jià)的影響，對(duì)最優(yōu)生態(tài)需水評(píng)價(jià)的結(jié)果要好于傳統(tǒng)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。