基于Tennant方法的河流生态基流应用现状及改进思路

黄 康， 李怀恩， 成 波， 田若谷

(西安理工大学 西北旱区生态水利工程国家重点实验室， 陕西 西安 710048)

1 研究背景

随着经济发展，人口不断增加，人类用水与生态系统功能之间的冲突已不可避免，并且变得更加显著，河流生态系统往往会随之不断退化[1-2]。天然河流中水文情势的典型季节性和年际丰枯流量模式的特征对河流生态系统的完整性和生物多样性至关重要[3]。因此，释放某百分比的生态流量，来维持或恢复天然状态下水生生态系统结构和功能的完整性是非常必要和现实的。目前，随着人们越来越认识到维持河流生态系统的重要性，生态流量不断受到重视。

目前，全世界已有200多种生态流量评估方法，它可以分为4类[4]，其中水文学方法约占总数的29.5%，由于该类方法只需要自然流动记录、数理统计和专家判断，无需昂贵的现场数据收集，基于广泛可用的河流或河段的流量数据就可以确定河流生态流量，具有快速、非资源密集、易于使用的优势，因而成为最受欢迎的方法。中国大多数河流具有长系列的水文数据，所以水文法普遍适用于国内河流生态基流评估及其他领域，其中Tennant方法是世界上计算环境流量最常用的方法之一，也是最适合中国国情的方法[5]。

本文选取全世界最普遍使用的Tennant法进行研究，针对该方法目前普遍存在的时空变化大、对流量的适宜性较弱、普适条件较差的3个关键问题，进而根据国内外学者公开发表的有关Tennant法的大量文献，就Tennant法的改进进行了系统的分析和综述，并在此基础上提出了改进Tennant法研究的发展趋势。

2 Tennant法

2.1 传统Tennant方法

Tennant法也叫蒙大拿法，由Tennant[6]于1976年提出。该方法借助美国地质调查局(USGS)提供的水文数据进行分析以及通过Tennant等人对蒙大拿州、怀俄明州和内布拉斯加州的100多个地区11条河流进行了详细的野外试验研究提出，其建立了水生栖息地适宜性与流量之间的关系，被用于确定保护美国中西部健康河流环境的最小流量。现普遍用Tennant法估算河道生态基流或生态需水量。

Tennant等基于观测的水深、河宽和流速等数据进行分析，研究表明大多数河流中的水生生境的状况与平均流量的相同部分非常相似，并总结了某些规律：(1)基于水生物不同的生活习性，分为鱼类产卵育幼期4-9月和一般用水期10月-次年3月。(2)将雨季和旱季的河流流量与鱼类栖息地质量联系起来，并量化为年均流量的百分比；引入10%作为最小瞬时流量，30%被推荐为基本流量，60%为最佳瞬时流量，并分别提供一般、优秀、最佳的栖息环境。(3)基于河流测站的观测数据，确定了年平均流量的各种百分比，进而提出了河流生态流量的标准，见表1[6]。

表1 河流栖息地状况和河道生态基流标准

Tennant法计算河流生态基流公式如下：

(1)

式中：W为河道的生态基流量，m3；Mi为全年第i个月的年均流量，m3；Ni为i月份对应的生态基流百分比，%。

2.2 Tennant法的特点

任何一种方法都有两面性，体现在其产生、发展和延伸的过程中，在参考或应用某种方法时应该对其进行合理性分析[7]。因此，就Tennant法的特点阐述其优点和不足之处。

2.2.1 优点 Tennant法根据观测资料建立起生态基流和栖息地状况之间的响应关系，使用简单且操作方便，无需野外测量工作，不局限于河流是否有水文站点的布设，仅仅使用历史流量资料就可以评估生态基流，适用于生态优先度不高或生态资料缺乏地区的河流。Tennant法容易将计算结果与流域规划相结合，作为河流生态管理的初始目标和战略性方针[8]，具有宏观的指导意义。同时，国内Tennant法适用于河流管理规划阶段的环境流量预评估[9-10]。生态基流值取决于给定的特征流量，以每月或每日水文记录为基础，流量特性相对容易确定日平均流量的时间序列是否可用，可作为检验其他计算方法的一种粗略方法或评价方法[11-12]。

上述优点使得Tennant法成为北美地区第二大普遍使用的生态基流评估方法和全世界应用最为广泛的水文方法，至少25个国家根据各种水文、地貌、生态或基于流域的标准，以修改形式应用了最初阐述的Tennant法[13]。

2.2.2 不足 Tennant法作为一种经验方法，在实际应用中具有局限性，现针对其普遍存在的时空变化大、流量适宜性较弱和普适条件较差的3个关键问题进行分析。

(1)时空变化大，Tennant法未考虑河流流量年内季节性变化和年际丰枯性变化。首先，Tennant法是基于年均流量百分比划分河流生态健康状况，未能全面考虑流量与水生生物之间关系受季节性变化的影响，其计算精确度不高，易受极端事件影响；同时，未考虑河流流量的年内分配，将全年划分为两个用水期，使得水生生物不适应于生态环境的要求。另外，淡化了河流流量年际变化的情况，没有区分丰、平、枯各年份的差异。

(2)流量适宜性较弱，生态基流百分比确定困难。应用Tennant法时过度简化处理了河流的真实情况，未能从河流流域特征和成因分布规律分析流量特性，河流生态健康状况与流量比例之间的关系受到不同地域、不同水生态环境和不同保护对象等影响因素较大，因此，需分析Tennant法中基流标准与实际河流情况的适宜度。

(3)普适条件较差，Tennant法作为经验公式，具有区域限制。Tennant法是通过研究11条低影响的天然河流而得出的经验方法，而不同地区的河流水情、开发利用程度和生态经济状况不一样。我国近年来的水资源开发利用率逐渐提高，人类活动对河流的影响也愈来愈严重，因此，通常需要对公式进行适应性分析和检验，一些学者对该方法在中国的应用提出质疑[14]。由于对自然流量模式适应程度较低，Tennant法也未被英国所采纳[15]。

3 改进Tennant法

在全球范围内，没有表明河流生态状况水平的数据集，也没有一个具有全球河流理想生态状况的数据集；缺乏生态水文数据使得难以确定全球不同淡水生态系统的最低环境流量阈值和临界点。全球河流生态系统面临的形势十分严峻，特别对于中国的北方河流，已迫在眉睫。因此改进Tennant法是非常有必要的。基于现状，查阅国内外相关文献，根据Tennant法的优缺点，总结为3点改进思路。

3.1 改进思路

从上述Tennant法的局限性出发，分析在不同河流的适宜性，主要考虑以下3点：

(1)生物种群在不同时段对流量适宜程度是不同的，当Tennant法在不同河流检验时，生态基流值是随季节丰枯性变化而改变的。因此，采用典型年的流量或月均流量代替多年平均流量，同时基于河流水生态系统的季节性特征和生物种群的活动周期对用水期进行修正划分，从而体现Tennant法的丰、平、枯水文特征。

(2)考虑河流断面的几何形态特征和季节性变化对流量的影响，分析同一水期的基流百分比在不同河流的差异性，从而确定出当地河流流量比例与生态健康程度的关系，并基于该地区的实际情况适当改进生态基流标准。

(3)生态基流标准的确定需考虑河流水生物自然的栖息地状况和河流的生物完整性，如觅食、繁殖、越冬等，另外也不能忽视河流输沙、景观旅游、保护特殊物种等功能。

基于以上3种改进思路，并根据特征流量、计算时段和百分比3个参数进行改进，从而总结出3种改进方法：年均值法、同期均值法、改进百分系数法。

3.2 年均值法

徐志侠等[16]曾评述Tennant方法，年平均流量的计算是基于自然条件下的流量数据，郭立丹等[7]称Tennant方法的年平均值比是以年平均流量的百分比作为Tennant方法的计算或评估标准。

Tennant法依据鱼类的生活习性规律将水期划分为两个时段，这固然有其合理性，但许多学者会根据当地河流水文状况因地制宜进行适当修正。比如，Orth[17]分析了俄克拉荷马州24条河流的月度水文图，修正Tennant法7-12月的最小流量为平均流量的10%，1-6月为30%，对于初步流量评估非常有用。北卡罗来纳州针对开普菲尔河供水计划，修正Tennant法的用水期进行未来用水情景模拟[18]。赵然杭等[19]、董楠[20]、刘丹等[21]分别基于弥河流域、塔里木河流域和贾鲁河流域的水文、地理、生物习性等特征，修正Tennant法的水期，改进后的Tennant法更能反映流域的生态意义。吴玲玲等[22]为了弥补河流流量数据匮乏的不足，提出基于生态水位计算的修正Tennant法，确定淮河流域的生态需水量。另外，考虑到极端流量事件对年平均流量的影响，可取年均流量序列的众数或中位数替代年平均流量。如林树刚[23]基于超频原则，应用中位数原理对Tennant法进行改进。郑志宏等[24]为弥补平均值不能切实反映总体分布集中趋势的不足，引入中位数和众数理论，结果表明改进后的Tennant法计算结果更科学合理。

年均值法的改进是最为简易的Tennant改进方法，分析影响河道自然水文状况失真的可能性，进而修正了年均流量和用水期，来维持完整的生态系统功能，拓宽了方法的适用性。

然而，改进后的Tennant法仍存在3个主要的问题：(1)不能较好地反映天然径流流量季节性和逐月丰枯特性；(2)计算的生态基流不具有年际丰枯性变化；(3)百分比为不变的数值，使得年均值法的普适性较差。

3.3 同期均值法

年均值法是应用年均值比的思想，即以年均流量的百分比作为计算或评价标准，其缺点是：即使重新划分全年的水期、消除了极端事件的影响，其计算的结果也不能在某种程度上较好地反映生态基流的季节性特征。不同河流，甚至同一河流的不同河段，由于水文、地理、气候、人为影响程度等以及生物种群在不同生命时期对河道生态基流的需求差异，造成了河道生态基流年内分布的差异。因此，认为河道生态基流计算标准或评价方法应依据河流天然流量过程的本身特征来明确与量化水文指标，从而引入同期均值比指标[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为以多年条件下的同期平均流量百分比作为Tennant法计算或评价标准。

以上表明，在利用Tennan法评价或计算河流的某一径流过程时，应以多年同期平均流量为标准，不限于原先的分期，一般可根据水生生物的生活习性、水文、地理条件和河流生态保护目标等具体需求划分丰、平、枯水期或汛期和非汛期乃至逐月等，同期均值比相对而言有利于维持河流生态系统健康。但是，由于采用同期均值比思想的Tennant法其百分比仍为不变的数值，使得其普适性较差。

3.4 改进百分系数法

在国外，常用10%～30%的年均流量作为各月的生态基流，智利[13]、美国蒙大拿州[6]取10%年均流量，美国[13]取30%年均流量，葡萄牙[40]取2.5～5年均流量。在中国，环评函【2006】4号文件指出，一般河流的生态基流不应小于多年平均天然径流量的10%。前两种方法从水期划分、均值流量方面进行改进，生态基流标准是主观的和启发式的。无论低流量或高流量条件如何，这些标准都会降低所有流量的固定值，这可能会在低流量期间对河流环境造成严重损失。因此，考虑将固定的百分比修改为响应水文情势的流量，从而提高其适用范围。黄强等[41]考虑到Tennant法反映黄河流域泥沙特征和径流特性的缺陷，引入环境比降和季节系数，改进后更能适应季节性强、地形多变的河流。李舜等[42]、杜懿等[43]针对流域的生态特征，引入季节系数，改进后更能适应河流季节性变化。同时，为了满足鱼类等水生生物的生存繁衍需求，郑小康等[44]、杨裕恒等[45]、郑志宏等[46]以水生生物维持健康生态功能的临界点的平均流量和流速为依据，确定河流汛期、非汛期的分期百分数，使环境流量适应于相关生态系统功能的要求。另外，从考虑河流功能层面出发，田景环等[47]分别引入季节因子、输沙因子、环境因子，提高了该方法的实用性。为了进一步提高其适用范围，考虑将各月相同的百分比系数调整为随各月流量情势变化的流量。Li等[48-49]根据国内不同类型河流的流量波动和季节性影响，首先考虑到极端流量和不同水功能区生态目标的可转移性和空间变化的影响，引入了算术级数的概念；其次，考虑到月度和年度流量变化和年均分布不均匀、空间流量变化，提出一种生态基流标准随流量动态变化的方法，在不同河流生态系统中具有良好的月度和年际贫富差异和可转移性。

总结分析全球各大河流中对改进Tennant法的应用，并对3种改进方法从方式、优缺点方面进行分析说明，如表2和3所示。

表2 各大河流应用改进Tennant法情况

表3 3类改进Tennant法对比

4 存在问题

Tennant方法的改进最大限度拓宽了不同河流需水的使用范围，一定程度上解决了普适性的问题，使其维持河流流量与不同自然水文状况下的适应性。此外，在流量百分比的选取过程中也是具备了较强的经验性和主观性。但总体来看，还存在以下几个有待解决的问题：

(1)使用典型年流量代替多年平均流量的改进Tennant法，虽然选取了流量模数最接近于1.0的年份为典型年，但考虑河流本身来水的丰枯性，此方法的结果仍有待检验。

(2)各月水情变化中的百分比系数难以确定，不同河流的形态参数、水文气候不一，而形态相似性是其转移到其他河流的关键，这对于任何环境流量建议都是至关重要的。

(3)目前，城市河流逐渐增多，人类活动影响严重的河流由于无法形成生物庇护所，没有水生物种的栖息地需求的具体信息，适合天然河流计算的Tennant法将没有生物学意义，从而不能提供最大的生态效益。

(4)生态基流不是一个固定值，而是有一个阈值范围，低于或高于这个阈值，生态系统就会发生一些重大的变化；因此，围绕环境可接受阈值的Tennant法需修正。

(5)在没有明确阈值的情况下，确定生态基流就成为在社会和经济偏好与对生态保护要求的科学理解之间建立妥协的问题，而生态保护是可持续水资源利用的一个关键组成部分。将两者联系起来是未来的挑战，尤其是在发展中国家。

5 结论与展望

国际上应用Tennant法评估河道生态基流或生态需水量问题迄今已有40多年时间，并已在不同水文情势的大、中、小河流进行了系统研究。为了拓宽其应用范围，针对不同区域的水文特征、需水类型和保护功能等特点，围绕水生生物用水期的划分以及流量百分比的选取提出了年均值法、同期均值法和改进百分系数法，使调整后的流量符合该地区的实际情况。国外主要是基于月平均流量替代年平均流量或是两者比值，多采用Tessmann法，国内各大水系应用修正的Tennant法，都是基于流域生态环境特点采用3种改进的方法。随着水利工程，引水渠的兴建和其他人类活动(如快速城市化)的不断加剧，对流域内水文过程的干扰越来越大，水文效应将发生巨大变化，改进Tennant法的研究势在必行。从目前Tennant方法的发展趋势来看，以下研究方向是未来的挑战。

(1)考虑到年均流量易受极端高流量的影响，使得最小生态基流与低流量的变化不一致，所以应强化对具有调节流量河流的研究学习，并将季节性河流的低流量指标作为生态基流标准中百分系数的修正参数。

(2)强化对生态水文学的理论学习，主要探究天然河道年内各月流量的CV、CS、均值等衡量标准的相关性，探索基流百分比与水生生物栖息地之间的响应关系，并建立适应曲线簇，以进一步完善Tennant评估方法的空间移植性和完整性，构建适应性管理的标准。

(3)目前Tennant法的修正仅是对生物栖息地条件的研究，未来可考虑针对实际河流的生物信息和物理信息需求进行改进，同时可将4类环境流量评估法综合考虑，以进一步完善方法的适用性，将其联系起来是未来的研究方向。

(4)生态基流的阈值是难以确定的，需将社会经济的发展与生态系统的保护联系起来，特别是在发展中国家，为水资源的开发制定环境上可接受的限度方案则需要考虑到流量与河流生态系统之间的关系。