基于改進TENNANT模型的大洋河干流生態(tài)需水評估

宋佳陽

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

近些年來，河道生態(tài)需水保障對于流域水生態(tài)恢復至關重要，由于區(qū)域用水矛盾日益緊張，河道內的生態(tài)需水很難得到有效保證，使得河流生態(tài)環(huán)境遭到不同程度的破壞。為提高河流生態(tài)環(huán)境保護力度，亟需對其河道內的生態(tài)需水量進行評估，確定不同來水期河道生態(tài)需水量，從而制定相對應的河道生態(tài)水量調節(jié)方案。近些年來，國內對于河道生態(tài)需水取得一定研究成果，這其中TENNANT模型應用較為廣泛，該模型以河道流量均值來評估生態(tài)需水量，可解決河流季節(jié)性來水對生態(tài)需水的影響。當前，一些研究成果表明，傳統(tǒng)TENNANT模型由于不能考慮生態(tài)需水過程變化，使得其生態(tài)需水評估量有所偏大，為此有學者針對傳統(tǒng)TENNANT模型生態(tài)需水評估的局限性，通過設定河流生態(tài)需水的上限和下限，對其河道生態(tài)徑流進行等級劃分，解決傳統(tǒng)TENNANT模型不能考慮河道生態(tài)需水過程變化的局限。為提高東北地區(qū)季節(jié)性河流生態(tài)需水評估的科學性，本文引入改進的TENNANT模型對大洋河干流生態(tài)需水進行評估，研究成果對于東北地區(qū)方季節(jié)性河流生態(tài)需水評估具有重要參考價值。

1 改進的TENNANT模型

在傳統(tǒng)TENNANT模型基礎上，改進TENNANT模型改進其生態(tài)徑流分類計算標準，綜合考慮生態(tài)需水年內和年際之間的變化，對其河道內不同來水頻率下的生態(tài)徑流進行計算：

(1)

式中，pij—第i個月份和第j個年份下超過某一頻率的徑流量占全年的百分比，%；rij—從大到小排序的區(qū)域日流量；mi、nj—超過某頻率徑流量維持的天數和年數。改進的TENNANT模型對河道生態(tài)徑流量等級劃分方程為：

(2)

式中，E0(ij)—第i個月份在第j個年份下最大生態(tài)徑流量，m3/s；Q50(ij)、Q90(ij)—第i個月份在第j個年份下50%、75%頻率下對應的流量歷史數據值，m3/s。為降低極端流量事件對生態(tài)需水評估的影響對其劃分等級進行計算：

(3)

各個年組以及月份的生態(tài)徑流在確定生態(tài)徑流劃分等級數量后，對不同等級按照中位數均值原理進行計算：

N=Average[MOD(nij)]

(4)

式中，N—改進模型生態(tài)徑流劃分等級數量。改進后模型生態(tài)徑流標準等級劃分方程為：

(5)

式中，Em—不同等級下生態(tài)需水評估量，m3；Q50、Q75—上限和下限生態(tài)需水閾值。

2 大洋河干流生態(tài)需水估算

2.1 研究區(qū)域概況

以大洋河干流岫巖水文站以上集水區(qū)域為研究區(qū)域，該區(qū)域為鞍山地區(qū)暴雨洪水易發(fā)區(qū)域，河道內豐水期水量較大，枯水期水量銳減，區(qū)域多年降水量均值在800～1000mm左右。大洋河干流由于無控制型大型水庫，因此河道內水量受人類活動影響程度相對較低，區(qū)域內需水主要滿足工業(yè)和生活需水。分別在岫巖水文站設置上、中、下3個斷面，通過對其斷面流量進行同步觀測，采用改進的TENNANT模型對其河道生態(tài)需水量進行計算，如圖1所示。

圖1 岫巖水文站以上區(qū)域及計算斷面分布

2.2 最小生態(tài)需水計算

大洋河干流各計算斷面最小生態(tài)需水量采用逐月最小流量均值進行計算，各斷面最小生態(tài)需水計算結果見表1，并對各斷面最小生態(tài)需水量年內分配過程進行分析，結果如圖2所示。

表1 大洋河干流各計算斷面最小生態(tài)需水計算結果

圖2 各斷面最小生態(tài)徑流年內分配過程

從計算結果可看出，各斷面最小生態(tài)需水量沿程逐步遞減，上游斷面生態(tài)需水量高于下游、中游斷面。大洋河干流豐水段主要集中在4—9月份，豐水段生態(tài)需水量要高于枯水段10月—次年3月的水量。河道內最小生態(tài)需水量主要和河道內的來水量相關度較大，這主要是因為其最小生態(tài)需水量主要基于逐月最小流量進行分析，逐月最小流量值越高其最小生態(tài)需水量越大，而逐月最小流量值越小其最小生態(tài)需水量越低。

2.3 最優(yōu)生態(tài)需水計算

河道內最優(yōu)生態(tài)需水量主要結合其逐月頻率進行計算，選取來水頻率為50%、70%進行河道最優(yōu)需水量逐月計算，大洋河干流各計算斷面逐月最優(yōu)生態(tài)需水計算結果見表2，其各計算斷面最優(yōu)生態(tài)需水年內分配過程如圖3所示。

表2 大洋河干流各計算斷面最優(yōu)生態(tài)需水計算結果

圖3 各斷面最優(yōu)生態(tài)徑流年內分配過程

從計算結果可看出，最優(yōu)生態(tài)需水量要高于河道內的最小生態(tài)需水量，各計算斷面最優(yōu)生態(tài)需水量可滿足河道生態(tài)需水目標要求，和最小生態(tài)需水沿程變化具有一致性，大洋河干流最優(yōu)生態(tài)需水從上游到下游逐步衰減變化。各斷面最優(yōu)生態(tài)需水和大洋河干流流量均值年內分配具有一致性，受區(qū)域來水量年內分配影響大洋河干流7—8月最優(yōu)生態(tài)需水量較大，而4—9月份最優(yōu)生態(tài)需水量相對較低。

3 大洋河干流生態(tài)需水評價

分別采用改進前后TENNANT模型對大洋河干流最小和最優(yōu)生態(tài)需水進行評價，評價結果見表3—4。

表4 大洋河干流各計算斷面最優(yōu)生態(tài)需水評價結果

從評價結果可看出，對于最小生態(tài)需水而言，改進模型下各斷面生態(tài)環(huán)境狀況處于差—極差程度，而傳統(tǒng)模型下各斷面生態(tài)環(huán)境狀況總體處于中—較差程度。通過對大洋河干流生態(tài)環(huán)境狀況進行調查，當干流河道內水量為最小生態(tài)需水量時，大洋河干流基本處于斷流程度，河流生態(tài)環(huán)境狀況很難得到保障，河流生態(tài)環(huán)境將遭到一定程度的破壞。改進模型下各斷面生態(tài)評價結果比較符合大洋河干流實際情況，當河道內屬于最小生態(tài)需水，其河流生態(tài)環(huán)境處于差—極差的狀況。從干流各斷面最優(yōu)生態(tài)需水評估結果可看出，在最優(yōu)生態(tài)需水量下改進模型和傳統(tǒng)模型下大洋河干流生態(tài)環(huán)境將總體處于中—較好的狀況，改進模型下計算的最優(yōu)生態(tài)需水將有效改善大洋河干流生態(tài)環(huán)境狀況，通過對比分析，在豐水期4—9月采用70%來水頻率進行生態(tài)需水，枯水期采用45%來水頻率進行生態(tài)需水可有效改善大洋河干流生態(tài)環(huán)境狀況。

4 結論

(1)在采用改進的TENNANT模型計算河流生態(tài)需水時，可分別以來水頻率50%、75%作為其生態(tài)需水上限和下限閾值。

(2)對于受人類活動影響較大河道生態(tài)需水計算時，建議采用水文部門調查水量或者還原水量作為生態(tài)需水計算數據。

(3)本文僅考慮水量對于河道生態(tài)環(huán)境影響，后續(xù)研究中還需要綜合考慮水質對河道生態(tài)環(huán)境影響，進行生態(tài)需水融合方法的研究。