基于Tennant方法的河道生態(tài)需水精細(xì)化研究：理論、改進(jìn)與應(yīng)用一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人口的不斷增長，水資源的開發(fā)利用程度日益提高。大量的水資源被用于農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)和生活用水，導(dǎo)致河道生態(tài)系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。河流作為地球上最重要的生態(tài)系統(tǒng)之一，不僅為人類提供了飲用水、灌溉水和工業(yè)用水等重要資源，還維持著豐富的生物多樣性，調(diào)節(jié)氣候、凈化水質(zhì)、防洪排澇等生態(tài)服務(wù)功能。然而，不合理的水資源開發(fā)利用方式，如過度取水、修建大壩、河道整治等，已經(jīng)對河流生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的影響。河道斷流是水資源開發(fā)利用對河流生態(tài)系統(tǒng)影響的一個重要表現(xiàn)。由于上游大量取水，許多河流在枯水期出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，導(dǎo)致河流生態(tài)系統(tǒng)的連續(xù)性被破壞，水生生物失去了生存的環(huán)境，河流的自凈能力也大大降低。河流的生態(tài)功能退化，如生物多樣性減少、水質(zhì)惡化、濕地萎縮等問題也日益突出。這些問題不僅影響了河流生態(tài)系統(tǒng)的健康，也對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成了威脅。為了保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，確定河道生態(tài)需水成為了關(guān)鍵的一步。河道生態(tài)需水是指維持河流生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能所需要的水量，它是河流生態(tài)系統(tǒng)健康的重要保障。準(zhǔn)確計算河道生態(tài)需水量，對于合理配置水資源、制定科學(xué)的水資源管理政策、保護(hù)河流生態(tài)系統(tǒng)具有重要的意義。在眾多計算河道生態(tài)需水的方法中，Tennant法以其簡單易行、所需數(shù)據(jù)較少等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于世界各地的河流生態(tài)需水研究中。Tennant法根據(jù)多年平均流量的百分比來確定河道生態(tài)需水量，同時考慮了河流生態(tài)系統(tǒng)的季節(jié)性變化，將一年分為不同的時期，分別確定不同時期的生態(tài)需水量。這種方法在一定程度上反映了河流生態(tài)系統(tǒng)對水量的需求，為河流生態(tài)需水的計算提供了一種有效的手段。然而，Tennant法也存在一些局限性。該方法主要基于歷史流量數(shù)據(jù)，沒有充分考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，以及人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。在不同的河流和地區(qū)，Tennant法的應(yīng)用效果可能存在差異，需要根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。因此，深入研究Tennant法的原理和應(yīng)用，結(jié)合具體河流的特點(diǎn)，對其進(jìn)行改進(jìn)和完善，對于提高河道生態(tài)需水計算的準(zhǔn)確性和可靠性具有重要的意義。1.1.2研究意義本研究綜合Tennant方法構(gòu)建及河道生態(tài)需水研究，具有重要的理論和實踐意義。從理論意義上看，Tennant法作為一種常用的河道生態(tài)需水計算方法，雖然應(yīng)用廣泛，但仍存在一些不足之處。通過對Tennant法的深入研究，分析其原理、適用條件和局限性，有助于進(jìn)一步完善河道生態(tài)需水計算的理論體系。同時，結(jié)合具體河流的特點(diǎn)，對Tennant法進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提出更加科學(xué)合理的河道生態(tài)需水計算方法，能夠豐富和發(fā)展水資源與生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的研究內(nèi)容，為相關(guān)學(xué)科的發(fā)展提供理論支持。在實踐意義方面，準(zhǔn)確計算河道生態(tài)需水量是實現(xiàn)水資源合理配置和可持續(xù)利用的基礎(chǔ)。通過本研究，可以為河流生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。合理確定河道生態(tài)需水量，能夠保障河流生態(tài)系統(tǒng)的健康，維護(hù)生物多樣性，提高河流的生態(tài)服務(wù)功能。這有助于改善河流周邊的生態(tài)環(huán)境，提高居民的生活質(zhì)量，促進(jìn)人與自然的和諧共生。確定河道生態(tài)需水量對于水資源管理和規(guī)劃具有重要的指導(dǎo)作用。在制定水資源開發(fā)利用方案時，充分考慮河道生態(tài)需水的要求，能夠避免過度開發(fā)水資源，防止河流生態(tài)系統(tǒng)的破壞。這有助于實現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置，提高水資源的利用效率，保障經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。本研究還可以為水利工程的規(guī)劃、設(shè)計和運(yùn)行管理提供參考，使其在滿足人類用水需求的同時，最大限度地減少對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究進(jìn)展Tennant法由TennantD.L等人于1976年提出，其研究始于1964-1974年，研究人員對美國三個州的11條河流進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，涉及58個斷面共196英里的長度，分析了38種不同流量條件下的物理、化學(xué)和生物信息，重點(diǎn)關(guān)注對冷水河和暖水漁業(yè)的影響。該方法基于多年平均流量百分比，將河流流量推薦值分為多個等級，包括最高限制值、最佳范圍值以及六個較低的限制值?？紤]到水生生物對環(huán)境的季節(jié)性需求，還將一年分為4月至9月的魚類繁殖和增肥期，以及10月至次年3月的一般用水期，建立了水生生物、河流景觀、娛樂和河流流量之間關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)，以評估河流流量對生態(tài)系統(tǒng)的影響。自提出后，Tennant法在國外得到了廣泛應(yīng)用。在一些水資源管理項目中，被用于確定河流的生態(tài)流量推薦值，以此作為水資源分配和調(diào)度的重要依據(jù)。它也常被用于河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的評估，通過對比實際流量與Tennant法確定的生態(tài)流量，判斷河流生態(tài)系統(tǒng)是否受到威脅。隨著研究的深入，國外學(xué)者也逐漸認(rèn)識到Tennant法的局限性。由于該方法主要基于歷史流量數(shù)據(jù)，沒有充分考慮河流生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和多樣性，以及人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響，在不同的河流和地區(qū)，應(yīng)用效果可能存在差異。一些學(xué)者開始嘗試對Tennant法進(jìn)行改進(jìn)和完善，例如結(jié)合其他生態(tài)指標(biāo)，如生物多樣性、水質(zhì)等，來更準(zhǔn)確地確定河道生態(tài)需水量；或者考慮氣候變化等因素對河流流量的影響，對Tennant法的計算結(jié)果進(jìn)行修正。1.2.2國內(nèi)研究進(jìn)展國內(nèi)對Tennant法的研究和應(yīng)用起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。許多學(xué)者針對Tennant法在我國的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究和實踐，取得了豐富的成果。在方法改進(jìn)方面，針對Tennant法不能反映河流多沙特性和流量季節(jié)特性的不足，有研究在原Tennant法的百分比系數(shù)中引入了環(huán)境比降和季節(jié)系數(shù)。將改進(jìn)后的方法應(yīng)用到黃河下游三門峽至利津等站，結(jié)果表明改進(jìn)后的Tennant法能夠保障平原區(qū)河道的河流形態(tài)及河流生物棲息地存在和發(fā)展，更好地體現(xiàn)了研究河段流量豐枯的季節(jié)性，印證了黃河是主要靠降水補(bǔ)給的河流，其生態(tài)環(huán)境和降水具有豐枯同步的相關(guān)性，拓寬了Tennant法的適用范圍。也有研究引入中位數(shù)及眾數(shù)理論，對原Tennant法進(jìn)行改進(jìn)，有效去除了極端數(shù)據(jù)對統(tǒng)計規(guī)律的影響，找出了典型流量過程，并將其應(yīng)用在灤河下游生態(tài)徑流計算中，結(jié)果表明改進(jìn)后的計算方法得到的結(jié)果更加科學(xué)合理。在不同流域的應(yīng)用方面，Tennant法在我國眾多流域都有應(yīng)用實例。在黃河流域，除了上述改進(jìn)后的應(yīng)用，還有研究采用典型年流量代替多年平均流量對Tennant法進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用到黃河下游花園口、艾山和利津站，改進(jìn)后求得的流量更好地體現(xiàn)了北方河流流量豐枯的季節(jié)性，得到的黃河下游3站生態(tài)流量標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了各站各個階段的流量，可用于評價各站的生態(tài)需水過程水平。在淮河流域的灌河，綜合考慮灌河的水資源開發(fā)利用和生態(tài)功能，非汛期按多年平均徑流量的20%計算，汛期按多年平均徑流量的30%計算，確定了灌河的最小生態(tài)水量。在海河流域的拒馬河，有研究計算了張坊站生態(tài)基流量，通過分析張坊站水文變化規(guī)律，對比生態(tài)基流量與豐、平、枯三個水平年的大小關(guān)系，評估了計算成果的水文學(xué)意義及合理性，通過計算實測大斷面水位流量關(guān)系，調(diào)查斷面處主要水生生物的生境，剖析了計算成果的水力學(xué)和生態(tài)學(xué)意義。這些應(yīng)用研究為當(dāng)?shù)氐乃Y源管理和河流生態(tài)保護(hù)提供了重要的科學(xué)依據(jù)。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究主要圍繞綜合Tennant方法構(gòu)建及河道生態(tài)需水展開，具體內(nèi)容包括以下幾個方面：Tennant法原理與應(yīng)用分析：深入研究Tennant法的理論基礎(chǔ)，包括其基于多年平均流量百分比確定生態(tài)需水量的原理，以及考慮水生生物季節(jié)性需求將一年分為不同時期的方法。通過收集國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料，梳理Tennant法在不同河流和地區(qū)的應(yīng)用案例，分析其在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢和局限性，為后續(xù)對該方法的改進(jìn)提供理論依據(jù)?？紤]多因素的Tennant法改進(jìn)：針對Tennant法未充分考慮河流生態(tài)系統(tǒng)復(fù)雜性、多樣性以及人類活動影響的不足，引入多種影響因素對其進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)合河流的地形地貌、氣候條件、生物多樣性等因素，分析這些因素對河道生態(tài)需水的影響機(jī)制。例如，對于地形復(fù)雜的河流，考慮河道比降對水流速度和能量消耗的影響，進(jìn)而影響生態(tài)需水量；對于氣候干旱地區(qū)的河流，考慮蒸發(fā)量對生態(tài)需水的影響。通過建立數(shù)學(xué)模型，將這些因素納入Tennant法的計算中，提高生態(tài)需水計算的準(zhǔn)確性。改進(jìn)后Tennant法的驗證與評估：將改進(jìn)后的Tennant法應(yīng)用于實際河流案例中，選取具有代表性的河流，收集其水文、氣象、生態(tài)等數(shù)據(jù)。利用改進(jìn)后的方法計算河道生態(tài)需水量，并與傳統(tǒng)Tennant法以及其他生態(tài)需水計算方法的結(jié)果進(jìn)行對比分析。從水文學(xué)、水力學(xué)和生態(tài)學(xué)等多個角度對計算結(jié)果進(jìn)行驗證和評估，例如分析計算結(jié)果與河流實際生態(tài)狀況的匹配程度，評估改進(jìn)后的方法在反映河流生態(tài)需水方面的優(yōu)越性?；诟倪M(jìn)Tennant法的河道生態(tài)需水研究：以改進(jìn)后的Tennant法為工具，對研究區(qū)域內(nèi)的河道生態(tài)需水進(jìn)行全面研究。分析不同河流、不同河段以及不同季節(jié)的生態(tài)需水特征，探討生態(tài)需水與水資源開發(fā)利用之間的關(guān)系。根據(jù)研究結(jié)果，提出合理的水資源配置建議和河流生態(tài)保護(hù)措施，為實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用和河流生態(tài)系統(tǒng)的健康發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。1.3.2研究方法為了實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將采用以下多種研究方法：文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于河道生態(tài)需水、Tennant法以及相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)、研究報告、政策文件等資料。了解Tennant法的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀、應(yīng)用案例以及存在的問題，掌握河道生態(tài)需水計算的其他相關(guān)方法和技術(shù)。通過對文獻(xiàn)的綜合分析，為本研究提供理論支持和研究思路。案例分析法：選取多個具有代表性的河流案例，包括不同氣候條件、地形地貌、生態(tài)系統(tǒng)類型以及水資源開發(fā)利用程度的河流。對這些案例進(jìn)行深入研究，收集河流的水文數(shù)據(jù)（如多年平均流量、逐月流量等）、氣象數(shù)據(jù)（如降水量、蒸發(fā)量等）、生態(tài)數(shù)據(jù)（如生物多樣性、水生生物棲息地等）以及人類活動數(shù)據(jù)（如水資源開發(fā)利用方式、水利工程建設(shè)等）。運(yùn)用Tennant法及其改進(jìn)方法對這些案例進(jìn)行河道生態(tài)需水計算，并分析計算結(jié)果與實際情況的差異，驗證方法的可行性和有效性。數(shù)據(jù)模擬法：利用數(shù)學(xué)模型對河道生態(tài)需水進(jìn)行模擬計算。根據(jù)研究區(qū)域的特點(diǎn)和數(shù)據(jù)條件，選擇合適的模型，如水文模型（如SWAT模型、HEC-HMS模型等）用于模擬河流的水文過程，水動力模型（如MIKE11、MIKE21等）用于模擬河道水流運(yùn)動和水力學(xué)參數(shù)，生態(tài)模型（如InVEST模型、RBF模型等）用于評估生態(tài)系統(tǒng)功能和生物多樣性。通過模型模擬，分析不同因素對河道生態(tài)需水的影響，優(yōu)化改進(jìn)Tennant法的計算參數(shù)和方法。對比分析法：將改進(jìn)后的Tennant法與傳統(tǒng)Tennant法以及其他常用的河道生態(tài)需水計算方法進(jìn)行對比分析。從計算結(jié)果的準(zhǔn)確性、方法的復(fù)雜性、數(shù)據(jù)需求程度、適用范圍等方面進(jìn)行比較，評估改進(jìn)后方法的優(yōu)勢和不足。同時，對比不同河流案例中各種方法的應(yīng)用效果，為實際應(yīng)用中選擇合適的生態(tài)需水計算方法提供參考。二、Tennant方法的理論基礎(chǔ)2.1Tennant方法的原理2.1.1方法起源與發(fā)展Tennant方法，又稱蒙大拿法（Montana），是由TennantD.L等人在1976年提出的一種用于計算河流控制斷面生態(tài)環(huán)境蓄水量的方法。該方法的研究始于1964-1974年，在此期間，研究人員對美國三個州的11條河流展開了詳細(xì)調(diào)查，涉及58個斷面，總長度達(dá)196英里。他們深入分析了38種不同流量條件下河流的物理、化學(xué)和生物信息，重點(diǎn)關(guān)注這些因素對冷水河和暖水漁業(yè)的影響。在對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，研究人員發(fā)現(xiàn)平均流量的10％、30％、60％對評價生物適宜性具有顯著的代表性?；诖?，Tennant在1976年正式提出了該方法，旨在建立水生生物、河流景觀、娛樂和河流流量之間關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)，以評估河流流量對生態(tài)系統(tǒng)的影響。自提出以來，Tennant方法憑借其簡單易行、所需數(shù)據(jù)較少等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)外的河流生態(tài)需水研究中得到了廣泛應(yīng)用。它常被用于河流流量推薦，為水資源分配和調(diào)度提供重要依據(jù)，也可作為其他生態(tài)需水計算方法的驗證標(biāo)準(zhǔn)。隨著研究的深入和應(yīng)用的推廣，Tennant方法也在不斷發(fā)展和完善，一些學(xué)者針對其在不同地區(qū)和河流應(yīng)用中存在的問題，提出了各種改進(jìn)措施，使其更加適用于復(fù)雜多變的河流生態(tài)系統(tǒng)。2.1.2基本原理闡述Tennant方法的基本原理是基于多年平均流量百分比來劃分河流流量等級。該方法將河流流量推薦值分為多個等級，包括最高限制值、最佳范圍值以及六個較低的限制值。具體而言，以預(yù)先確定的年平均流量的百分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，將保護(hù)水生態(tài)和水環(huán)境的河流流量值分為最大允許值（200%年平均流量）、最佳范圍值（60%-100%年平均流量）、極好狀態(tài)值（40%年平均流量）、非常好狀態(tài)值（30%年平均流量）、一般好狀態(tài)值（20%年平均流量）、中或差狀態(tài)值（10%-30%年平均流量）、差或最小狀態(tài)值（10%年平均流量）和極差狀態(tài)值（0-10%年平均流量）。考慮到水生生物對環(huán)境的季節(jié)性需求存在差異，Tennant方法將一年分為兩個主要時期：4月至9月被劃定為魚類繁殖和增肥期，這一時期對于水生生物的繁衍和生長至關(guān)重要，需要相對較高的流量來提供適宜的生存環(huán)境；10月至次年3月則被定義為一般用水期，此時對流量的要求相對較低，但仍需維持一定的水量以保證河流生態(tài)系統(tǒng)的基本功能。對于一般河流來說，當(dāng)河道內(nèi)流量占年平均流量的100%-60%時，河寬、水深及流速能夠為水生生物營造優(yōu)良的生長環(huán)境，大部分河道急流與淺灘被淹沒，只有少數(shù)卵石、沙壩露出水面，岸邊灘地成為魚類可游及的區(qū)域，岸邊植物擁有充足的水量，無脊椎動物種類繁多、數(shù)量豐富，能夠滿足捕魚、劃船及大游艇航行等活動的要求；當(dāng)河道內(nèi)流量占年平均流量的30%-60%時，河寬、水深及流速一般也能令人滿意。在實際應(yīng)用中，Tennant方法通過確定河流的多年平均流量，再根據(jù)不同的流量等級和季節(jié)劃分，計算出相應(yīng)的生態(tài)需水量。這種基于多年平均流量百分比的方法，能夠在一定程度上反映河流生態(tài)系統(tǒng)對水量的基本需求，為河道生態(tài)需水的計算提供了一種相對簡便且實用的手段。2.2Tennant方法的參數(shù)涵義2.2.1年平均流量的確定在Tennant方法中，年平均流量是一個關(guān)鍵參數(shù)，它是整個計算體系的基礎(chǔ)。年平均流量的準(zhǔn)確確定對于后續(xù)生態(tài)需水量的計算結(jié)果具有重要影響。通常，年平均流量的計算需要收集河流長期的水文監(jiān)測數(shù)據(jù)，一般要求具有較長的時間序列，以保證數(shù)據(jù)的代表性和可靠性。這些數(shù)據(jù)涵蓋了河流在不同年份、不同季節(jié)的流量變化情況，通過對這些數(shù)據(jù)的綜合分析，能夠更全面地了解河流的流量特征。計算年平均流量的常用方法是算術(shù)平均法。假設(shè)某河流有n年的流量監(jiān)測數(shù)據(jù)，分別為Q_1,Q_2,\cdots,Q_n，則該河流的年平均流量Q_{avg}計算公式為：Q_{avg}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}Q_i。例如，對于一條具有30年流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的河流，將這30年每年的平均流量相加，再除以30，即可得到該河流的年平均流量。在實際應(yīng)用中，年平均流量的確定還需要考慮一些特殊情況。如果某些年份的流量數(shù)據(jù)存在異常值，如由于極端氣候事件（如洪水、干旱）或人類活動（如大型水利工程建設(shè)、突發(fā)的水資源開采事件）導(dǎo)致的流量異常，需要對這些異常值進(jìn)行處理。處理方法可以是剔除異常值，或者采用更合理的統(tǒng)計方法（如穩(wěn)健統(tǒng)計方法）來減少異常值對年平均流量計算結(jié)果的影響。此外，對于一些缺乏長期連續(xù)流量監(jiān)測數(shù)據(jù)的河流，可以通過與周邊具有相似氣候、地形和水文條件的河流進(jìn)行類比，或者利用水文模型進(jìn)行模擬計算，來估算其年平均流量。但這種估算方法存在一定的不確定性，需要在應(yīng)用中謹(jǐn)慎對待，并結(jié)合其他相關(guān)信息進(jìn)行綜合判斷。2.2.2流量等級與生態(tài)狀況的對應(yīng)關(guān)系Tennant方法將河流流量推薦值分為多個等級，不同的流量等級與河流生態(tài)狀況存在著密切的對應(yīng)關(guān)系。這種對應(yīng)關(guān)系是基于大量的實地調(diào)查和數(shù)據(jù)分析得出的，為評估河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況提供了重要依據(jù)。當(dāng)河道內(nèi)流量達(dá)到年平均流量的200%時，處于極限或最大流量狀態(tài)。此時，河流的流速和流量較大，可能會對河岸和河床造成較大的沖刷，一些水生生物的棲息地可能會受到一定程度的破壞，但同時也有利于河流的自凈能力和物質(zhì)運(yùn)輸，對于一些適應(yīng)高流量環(huán)境的生物來說，可能提供了更廣闊的生存空間。流量在年平均流量的60%-100%時，處于最佳范圍值。在這一流量范圍內(nèi)，河寬、水深及流速能夠為水生生物營造優(yōu)良的生長環(huán)境。大部分河道急流與淺灘被淹沒，只有少數(shù)卵石、沙壩露出水面，岸邊灘地成為魚類可游及的區(qū)域，岸邊植物擁有充足的水量，無脊椎動物種類繁多、數(shù)量豐富，能夠滿足捕魚、劃船及大游艇航行等活動的要求，河流生態(tài)系統(tǒng)處于較為理想的狀態(tài)，生物多樣性較高，生態(tài)功能較為完善。當(dāng)流量為年平均流量的40%時，為極好狀態(tài)值。此時，河流水量相對較為充足，能夠滿足大部分水生生物的生存和繁衍需求，河流的生態(tài)功能依然能夠較好地發(fā)揮，雖然與最佳范圍相比，某些生態(tài)指標(biāo)可能略有下降，但整體生態(tài)系統(tǒng)仍保持著較好的健康狀態(tài)。流量為年平均流量的30%時，處于非常好狀態(tài)值。河寬、水深及流速一般能滿足水生生物的基本需求，河流生態(tài)系統(tǒng)能夠維持正常的運(yùn)轉(zhuǎn)，大部分水生生物能夠在這樣的環(huán)境中生存和生長，但生物多樣性可能會比極好狀態(tài)下略有減少。流量為年平均流量的20%時，屬于良好狀態(tài)值。此時，河流水量能夠維持河流生態(tài)系統(tǒng)的基本功能，水生生物的生存環(huán)境基本能夠得到保障，但部分對水量要求較高的生物可能會受到一定影響，河流的生態(tài)系統(tǒng)開始出現(xiàn)一些壓力跡象。流量在年平均流量的10%-30%之間，為中或差狀態(tài)值。在這一流量范圍內(nèi)，河流水量相對較少，可能會導(dǎo)致部分水生生物的棲息地縮小，生物多樣性進(jìn)一步減少，河流的生態(tài)功能開始受到一定程度的削弱，一些依賴河流生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)服務(wù)功能（如水質(zhì)凈化、土壤侵蝕控制等）也可能會受到影響。當(dāng)流量為年平均流量的10%時，處于差或最小狀態(tài)值。此時，河槽寬度、水深及流速顯著減少，旁支河道將嚴(yán)重或全部脫水，河流底質(zhì)或濕周有近一半暴露，水生棲息地已經(jīng)退化，許多水生生物的生存面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，河流生態(tài)系統(tǒng)處于較為脆弱的狀態(tài)。流量在0-10%之間，屬于極差狀態(tài)值。在這種情況下，河流水量極少，河流生態(tài)系統(tǒng)可能遭受嚴(yán)重破壞，水生生物大量死亡，生物多樣性急劇下降，河流的生態(tài)功能幾乎喪失殆盡，可能會引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題，如河道斷流、水質(zhì)惡化、土地沙化等?？紤]到水生生物對環(huán)境的季節(jié)性需求差異，Tennant方法將一年分為4月至9月的魚類繁殖和增肥期，以及10月至次年3月的一般用水期。在魚類繁殖和增肥期，對流量的要求相對較高，需要更高比例的流量來滿足水生生物的繁衍和生長需求；而在一般用水期，對流量的要求相對較低。這種季節(jié)性的劃分，使得Tennant方法能夠更準(zhǔn)確地反映河流生態(tài)系統(tǒng)在不同時期對水量的需求，為河道生態(tài)需水的計算提供了更科學(xué)的依據(jù)。2.3Tennant方法的特點(diǎn)2.3.1優(yōu)點(diǎn)分析方法簡單易用：Tennant方法基于多年平均流量百分比來確定河道生態(tài)需水量，計算過程相對簡單，無需復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和大量的專業(yè)知識。在實際應(yīng)用中，只需獲取河流的多年平均流量數(shù)據(jù)，再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的流量等級百分比，即可快速計算出不同生態(tài)狀況下的河道生態(tài)需水量。對于一些缺乏專業(yè)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理能力的地區(qū)或部門來說，這種簡單易用的方法具有很大的優(yōu)勢，能夠快速為水資源管理和規(guī)劃提供參考依據(jù)。數(shù)據(jù)需求少：該方法主要依賴于多年平均流量這一關(guān)鍵數(shù)據(jù)，相比于其他一些復(fù)雜的河道生態(tài)需水計算方法，如棲息地模擬法、水力學(xué)法等，Tennant方法對數(shù)據(jù)的需求較少。不需要詳細(xì)的河道地形、水流速度、水生生物種類和數(shù)量等數(shù)據(jù)，這使得在數(shù)據(jù)獲取困難的情況下，Tennant方法依然能夠應(yīng)用。對于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)或水文監(jiān)測資料匱乏的河流，其優(yōu)勢尤為明顯，能夠在有限的數(shù)據(jù)條件下，對河道生態(tài)需水進(jìn)行初步估算。綜合考慮生態(tài)與景觀等多方面需求：Tennant方法將河流流量推薦值分為多個等級，不同等級對應(yīng)著不同的生態(tài)狀況和景觀效果，同時考慮了水生生物、河流景觀和娛樂等多方面的需求。在最佳范圍值（60%-100%年平均流量）下，河寬、水深及流速能夠為水生生物營造優(yōu)良的生長環(huán)境，岸邊灘地成為魚類可游及的區(qū)域，岸邊植物擁有充足的水量，無脊椎動物種類繁多、數(shù)量豐富，同時也能滿足捕魚、劃船及大游艇航行等娛樂活動的要求。這種綜合考慮多方面需求的特點(diǎn)，使得Tennant方法在評估河流生態(tài)系統(tǒng)健康狀況和制定水資源管理策略時，能夠提供較為全面的信息。具有一定的通用性：自提出以來，Tennant方法在國內(nèi)外眾多河流的生態(tài)需水研究中得到了廣泛應(yīng)用，涵蓋了不同氣候條件、地形地貌和生態(tài)系統(tǒng)類型的河流。無論是在干旱地區(qū)的河流，還是濕潤地區(qū)的河流；無論是平原河流，還是山區(qū)河流，Tennant方法都能夠在一定程度上適用。這種通用性使得Tennant方法成為一種被廣泛接受和應(yīng)用的河道生態(tài)需水計算方法，為不同地區(qū)的河流生態(tài)保護(hù)和水資源管理提供了統(tǒng)一的評估標(biāo)準(zhǔn)和方法參考。2.3.2局限性探討缺乏對生物需求的具體考慮：Tennant方法雖然考慮了水生生物對環(huán)境的季節(jié)性需求，將一年分為不同時期來確定生態(tài)需水量，但它并沒有深入考慮不同水生生物種類的具體需水特性。不同的水生生物，如魚類、兩棲類、水生植物等，對水流速度、水深、水溫、溶解氧等環(huán)境因素的要求各不相同，而Tennant方法僅通過多年平均流量百分比來確定生態(tài)需水量，無法準(zhǔn)確反映這些具體的生物需求。對于一些對水流速度和水深有特殊要求的珍稀魚類，Tennant方法確定的生態(tài)需水量可能無法滿足其生存和繁衍的需要，從而影響河流生物多樣性的保護(hù)。無法準(zhǔn)確反映流量變化的影響：該方法主要基于多年平均流量，沒有充分考慮河流流量的年際變化和年內(nèi)變化。在實際情況中，河流流量會受到氣候變化、降水分布不均、人類活動等多種因素的影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜的變化態(tài)勢。一些河流在豐水年和枯水年的流量差異巨大，年內(nèi)不同季節(jié)的流量也可能有很大波動。Tennant方法以多年平均流量為基礎(chǔ)，無法準(zhǔn)確反映這些流量變化對河道生態(tài)系統(tǒng)的影響。在枯水年，按照Tennant方法計算的生態(tài)需水量可能無法滿足河流生態(tài)系統(tǒng)的實際需求，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)退化；而在豐水年，可能會過度分配水資源，造成水資源的浪費(fèi)。未充分考慮人類活動的影響：隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響日益顯著。水利工程建設(shè)、水資源開發(fā)利用、水污染排放等人類活動，都會改變河流的水文情勢和生態(tài)環(huán)境。Tennant方法在確定生態(tài)需水量時，沒有充分考慮這些人類活動的影響。大型水庫的建設(shè)會調(diào)節(jié)河流的流量過程，改變河流的天然徑流特性；大量的水資源開發(fā)利用會導(dǎo)致河流流量減少，甚至斷流；水污染排放會降低河流的水質(zhì)，影響水生生物的生存。Tennant方法由于未考慮這些因素，其計算結(jié)果可能與實際情況存在較大偏差，無法為受人類活動影響較大的河流提供準(zhǔn)確的生態(tài)需水參考。適用范圍存在一定局限性：Tennant方法最初是基于美國干旱半干旱地區(qū)永久性河流的研究提出的，雖然在后來的應(yīng)用中被推廣到各種類型的河流，但對于一些特殊的河流，其適用性仍然存在一定問題。對于季節(jié)性河流，由于其流量變化具有特殊性，在某些季節(jié)可能會出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，Tennant方法難以準(zhǔn)確描述其生態(tài)需水特征；對于流量較小的河流，按照Tennant方法計算的生態(tài)需水量可能相對較大，與實際情況不符，導(dǎo)致水資源分配不合理。三、Tennant方法的改進(jìn)與優(yōu)化3.1針對不同河流特性的改進(jìn)3.1.1多沙河流的改進(jìn)策略多沙河流與一般河流相比，其泥沙含量高，河流的水沙運(yùn)動過程復(fù)雜，這對河流生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了諸多獨(dú)特影響。以黃河為例，黃河是世界上含沙量最大的河流之一，其泥沙主要來源于黃土高原的水土流失。大量的泥沙不僅影響了河流的水流特性，如流速、水深等，還對河流的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。在黃河下游，泥沙淤積導(dǎo)致河床不斷抬高，形成了地上懸河，這不僅增加了洪水的風(fēng)險，還改變了河流的生態(tài)結(jié)構(gòu)，使得一些水生生物的棲息地遭到破壞。為了使Tennant法能夠更準(zhǔn)確地計算多沙河流的生態(tài)需水量，學(xué)者們提出了一系列改進(jìn)策略。其中，引入環(huán)境比降和季節(jié)系數(shù)是一種有效的改進(jìn)方法。環(huán)境比降反映了河流在不同河段的地形變化對水流和泥沙運(yùn)動的影響。在黃河下游，由于河道較為平緩，環(huán)境比降較小，泥沙容易淤積。通過引入環(huán)境比降，可以更準(zhǔn)確地考慮地形因素對生態(tài)需水的影響。季節(jié)系數(shù)則考慮了河流流量的季節(jié)性變化以及不同季節(jié)泥沙含量的差異。黃河的流量和泥沙含量在不同季節(jié)有明顯的變化，汛期時流量大，泥沙含量也高；非汛期時流量小，泥沙含量相對較低。具體的改進(jìn)方法如下：設(shè)原Tennant法中不同生態(tài)狀況對應(yīng)的流量百分比為P，改進(jìn)后引入環(huán)境比降系數(shù)k_1和季節(jié)系數(shù)k_2，則改進(jìn)后的流量百分比P'計算公式為P'=P\timesk_1\timesk_2。環(huán)境比降系數(shù)k_1可根據(jù)河道的實際地形情況確定，一般來說，環(huán)境比降越大，k_1的值越大，因為較大的環(huán)境比降會增加水流的能量，使得河流對泥沙的攜帶能力增強(qiáng)，從而需要更多的水量來維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。季節(jié)系數(shù)k_2則根據(jù)不同季節(jié)的特點(diǎn)確定，例如在黃河的汛期，k_2的值可以適當(dāng)增大，以滿足高泥沙含量和大流量情況下生態(tài)系統(tǒng)對水量的需求；在非汛期，k_2的值可以適當(dāng)減小。將改進(jìn)后的Tennant法應(yīng)用到黃河下游三門峽至利津等站，結(jié)果表明，改進(jìn)后的方法能夠保障平原區(qū)河道的河流形態(tài)及河流生物棲息地存在和發(fā)展。通過引入環(huán)境比降和季節(jié)系數(shù)，改進(jìn)后的Tennant法更好地體現(xiàn)了研究河段流量豐枯的季節(jié)性，印證了黃河是主要靠降水補(bǔ)給的河流，其生態(tài)環(huán)境和降水具有豐枯同步的相關(guān)性。這不僅拓寬了Tennant法的適用范圍，也為多沙河流的生態(tài)需水計算提供了更科學(xué)的方法。3.1.2季節(jié)性河流的改進(jìn)措施季節(jié)性河流是指那些在一年中部分時間有水流，而在其他時間干涸的河流。這類河流的流量變化具有明顯的間歇性和季節(jié)性，與常年有水的河流相比，生態(tài)系統(tǒng)更為脆弱，對水量的變化也更為敏感。針對季節(jié)性河流的特點(diǎn)，對Tennant法的改進(jìn)思路主要集中在更精準(zhǔn)地反映其流量變化規(guī)律以及適應(yīng)其獨(dú)特的生態(tài)需求。傳統(tǒng)Tennant法基于多年平均流量百分比的計算方式，對于流量變化劇烈且存在斷流情況的季節(jié)性河流來說，存在較大的局限性。因為季節(jié)性河流的多年平均流量可能受到少數(shù)豐水年的影響較大，不能準(zhǔn)確反映其大部分時間的實際流量情況。一種改進(jìn)方法是采用中位數(shù)或眾數(shù)來替代傳統(tǒng)的多年平均流量。中位數(shù)是將一組數(shù)據(jù)從小到大排列后，位于中間位置的數(shù)值；眾數(shù)則是數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)次數(shù)最多的數(shù)值。在季節(jié)性河流中，由于流量數(shù)據(jù)的波動性較大，中位數(shù)和眾數(shù)能夠更好地反映數(shù)據(jù)的集中趨勢，減少極端值（如豐水年的大流量）對計算結(jié)果的影響。例如，在某季節(jié)性河流的流量數(shù)據(jù)中，可能存在個別年份流量極大的情況，如果采用傳統(tǒng)的多年平均流量計算，會使計算出的生態(tài)需水量偏高，而采用中位數(shù)或眾數(shù)計算，則能更貼合河流實際的水量情況，使計算結(jié)果更合理?？紤]季節(jié)性河流的斷流情況對生態(tài)系統(tǒng)的影響，在計算生態(tài)需水量時，應(yīng)根據(jù)斷流的時長和頻率對計算結(jié)果進(jìn)行修正。如果一條季節(jié)性河流每年斷流時間較長，那么在計算生態(tài)需水量時，應(yīng)適當(dāng)降低對該河流生態(tài)系統(tǒng)維持較高水平生態(tài)功能所需水量的要求，因為長時間的斷流已經(jīng)使得生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)了相對缺水的環(huán)境?？梢砸胍粋€斷流修正系數(shù)，根據(jù)斷流的具體情況來調(diào)整Tennant法中不同生態(tài)狀況對應(yīng)的流量百分比。還可以結(jié)合季節(jié)性河流的生態(tài)特征，對其不同季節(jié)的生態(tài)需水進(jìn)行更細(xì)致的劃分。在有水期，根據(jù)河流中主要生物的生長繁殖需求，確定不同時段的生態(tài)需水量；在斷流期，考慮維持河流生態(tài)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)和功能（如土壤濕度、微生物生存等）所需的水量，將這些因素納入Tennant法的計算中，從而使改進(jìn)后的方法更符合季節(jié)性河流的生態(tài)需水特性，為這類河流的生態(tài)保護(hù)和水資源管理提供更有效的支持。3.2數(shù)據(jù)處理與分析方法的優(yōu)化3.2.1采用中位數(shù)替代均值在傳統(tǒng)的Tennant法中，年平均流量通常采用均值計算，然而，均值容易受到極端值的顯著影響。例如，在某些河流的流量數(shù)據(jù)中，可能會出現(xiàn)個別年份流量極大或極小的情況。以一條位于干旱地區(qū)的河流為例，在某一年份，由于突發(fā)的強(qiáng)降雨事件，河流流量大幅增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他年份的正常流量水平；或者在另一年份，由于嚴(yán)重干旱，河流流量急劇減少，成為極小值。當(dāng)使用均值計算年平均流量時，這些極端值會對結(jié)果產(chǎn)生較大干擾，導(dǎo)致計算出的年平均流量不能準(zhǔn)確反映河流的常態(tài)流量情況。中位數(shù)是將一組數(shù)據(jù)從小到大排列后，位于中間位置的數(shù)值。若數(shù)據(jù)個數(shù)為奇數(shù)，中位數(shù)就是中間的那個數(shù)；若數(shù)據(jù)個數(shù)為偶數(shù)，中位數(shù)則是中間兩個數(shù)的平均值。中位數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它不受極端值大小的影響，主要受觀測值個數(shù)的影響。在處理河流流量數(shù)據(jù)時，當(dāng)數(shù)據(jù)波動變化較大，呈現(xiàn)偏態(tài)分布時，中位數(shù)能夠更準(zhǔn)確地描述數(shù)據(jù)的集中趨勢。在改進(jìn)Tennant法時，采用中位數(shù)替代均值來計算年平均流量，可以有效消除個別極端值對統(tǒng)計規(guī)律的影響。以四川白沙河生態(tài)徑流計算為例，通過對比傳統(tǒng)Tennant法（使用均值計算年平均流量）和改進(jìn)后的Tennant法（使用中位數(shù)計算年平均流量），結(jié)果表明改進(jìn)后的方法計算出的生態(tài)需水量更符合實際情況。在實際應(yīng)用中，對于那些年際、年內(nèi)流量變化很大的河流，采用中位數(shù)替代均值能夠使Tennant法計算出的生態(tài)需水量更加科學(xué)合理，更能反映河流生態(tài)系統(tǒng)對水量的真實需求，從而為河流生態(tài)保護(hù)和水資源管理提供更可靠的依據(jù)。3.2.2考慮流量過程的動態(tài)變化傳統(tǒng)的Tennant法主要基于多年平均流量，未能充分體現(xiàn)河流流量的動態(tài)變化特征，而河流流量在年際和年內(nèi)都存在顯著的動態(tài)變化。以長江為例，其年際流量受氣候變化、降水分布不均等因素影響，不同年份的流量差異較大。在某些豐水年，長江的徑流量可能會大幅增加，而在枯水年則明顯減少。在年內(nèi)，長江流量也呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性變化，夏季降水豐富，河流進(jìn)入汛期，流量增大；冬季降水相對較少，流量減小。為了更好地反映流量的動態(tài)變化，在改進(jìn)Tennant法時，可以引入流量過程線的概念。流量過程線是描述河流流量隨時間變化的曲線，它能夠直觀地展示河流流量在不同時間的變化情況。通過分析流量過程線，可以提取出更多關(guān)于流量動態(tài)變化的信息，如流量的峰值、谷值、變化速率等。利用流量過程線，將河流流量的變化劃分為不同的階段，針對每個階段確定相應(yīng)的生態(tài)需水量。在河流的汛期，流量較大，生態(tài)系統(tǒng)對水量的需求可能主要體現(xiàn)在維持河流的沖淤平衡、保障水生生物的繁殖和生長空間等方面；在枯水期，流量較小，生態(tài)需水量則更側(cè)重于維持河流的基本生態(tài)功能，如保證水生生物的生存、維持河流的自凈能力等?？梢圆捎没瑒悠骄ɑ驗V波法對流量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以平滑流量波動，突出流量的長期變化趨勢，從而更準(zhǔn)確地分析流量的動態(tài)變化對生態(tài)需水的影響。還可以結(jié)合水文模型，如SWAT模型（SoilandWaterAssessmentTool）、HEC-HMS模型（HydrologicEngineeringCenter-HydrologicModelingSystem）等，對河流流量進(jìn)行模擬預(yù)測，考慮未來氣候變化和人類活動對流量動態(tài)變化的影響，進(jìn)而對Tennant法中生態(tài)需水量的計算進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。這樣改進(jìn)后的Tennant法能夠更全面、準(zhǔn)確地反映河流流量的動態(tài)變化對生態(tài)需水的影響，為河道生態(tài)需水的研究提供更科學(xué)的方法，也能更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的河流生態(tài)系統(tǒng)和不斷變化的環(huán)境條件。3.3改進(jìn)后Tennant方法的優(yōu)勢與驗證3.3.1優(yōu)勢分析適應(yīng)性增強(qiáng)：改進(jìn)后的Tennant法充分考慮了不同河流的特性，針對多沙河流引入環(huán)境比降和季節(jié)系數(shù)，能夠更好地適應(yīng)這類河流復(fù)雜的水沙運(yùn)動和流量季節(jié)變化。在黃河下游，通過引入這些參數(shù)，改進(jìn)后的方法能夠保障平原區(qū)河道的河流形態(tài)及河流生物棲息地的存在和發(fā)展，拓寬了Tennant法的適用范圍。對于季節(jié)性河流，采用中位數(shù)或眾數(shù)替代均值，以及結(jié)合斷流情況和生態(tài)特征進(jìn)行修正，使改進(jìn)后的方法更符合這類河流流量變化的間歇性和季節(jié)性特點(diǎn)，增強(qiáng)了對季節(jié)性河流生態(tài)需水計算的適應(yīng)性。準(zhǔn)確性提升：采用中位數(shù)替代均值計算年平均流量，有效消除了極端值對統(tǒng)計規(guī)律的影響，使計算出的生態(tài)需水量更能反映河流的實際情況。以四川白沙河生態(tài)徑流計算為例，改進(jìn)后的方法計算出的非汛期與汛期的生態(tài)需水量與傳統(tǒng)方法相比，更貼合河流的實際流量狀況?？紤]流量過程的動態(tài)變化，引入流量過程線和水文模型，能夠更全面、準(zhǔn)確地反映河流流量在年際和年內(nèi)的變化對生態(tài)需水的影響，從而提高了生態(tài)需水計算的準(zhǔn)確性。通過這些改進(jìn)措施，改進(jìn)后的Tennant法在計算河道生態(tài)需水量時，能夠更準(zhǔn)確地反映河流生態(tài)系統(tǒng)的真實需求，為水資源管理和保護(hù)提供更可靠的依據(jù)。3.3.2實例驗證以灤河下游為例，對改進(jìn)后的Tennant法進(jìn)行實例驗證。灤河下游的河流特性較為復(fù)雜，流量變化較大，且受到人類活動的一定影響。收集灤河下游某監(jiān)測站多年的流量數(shù)據(jù)，同時獲取該區(qū)域的地形地貌、氣候條件以及生物多樣性等相關(guān)數(shù)據(jù)。首先，運(yùn)用傳統(tǒng)的Tennant法計算該監(jiān)測站不同生態(tài)狀況下的河道生態(tài)需水量。根據(jù)多年平均流量，按照Tennant法設(shè)定的流量等級百分比，計算出各個等級對應(yīng)的生態(tài)需水量。然后，采用改進(jìn)后的Tennant法進(jìn)行計算。對于流量數(shù)據(jù)處理，采用中位數(shù)替代均值計算年平均流量；考慮到灤河下游部分時段流量變化劇烈，引入流量過程線分析流量的動態(tài)變化，并結(jié)合該區(qū)域的地形地貌和氣候條件，對Tennant法的百分比系數(shù)進(jìn)行修正。對比兩種方法的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)Tennant法計算出的生態(tài)需水量在某些時段與實際生態(tài)狀況存在一定偏差。由于傳統(tǒng)方法未充分考慮極端值和流量動態(tài)變化的影響，在流量波動較大的時期，計算結(jié)果不能很好地反映河流生態(tài)系統(tǒng)的實際需求。而改進(jìn)后的Tennant法，通過采用中位數(shù)替代均值，有效減少了極端值的干擾，使計算出的年平均流量更能代表河流的常態(tài)流量。引入流量過程線和考慮多因素對百分比系數(shù)的修正，能夠更準(zhǔn)確地反映不同時段河流生態(tài)系統(tǒng)對水量的需求。從生態(tài)學(xué)角度進(jìn)一步驗證，調(diào)查灤河下游水生生物的種類、數(shù)量和分布情況，以及河流生態(tài)系統(tǒng)的其他相關(guān)指標(biāo)。結(jié)果表明，改進(jìn)后的Tennant法計算出的生態(tài)需水量與河流實際生態(tài)狀況更為匹配，能夠更好地滿足水生生物的生存和繁衍需求，維持河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和健康。這一實例充分驗證了改進(jìn)后的Tennant法在計算河道生態(tài)需水量方面的有效性和優(yōu)越性。四、基于Tennant方法的河道生態(tài)需水案例研究4.1案例選取與數(shù)據(jù)收集4.1.1案例河流介紹選取灤河作為案例河流進(jìn)行研究。灤河發(fā)源于河北省豐寧滿族自治縣西北的巴彥古爾圖山北麓，流經(jīng)內(nèi)蒙古、河北、天津等地區(qū)，全長888公里，流域面積達(dá)44,600平方公里。它是華北地區(qū)的重要河流之一，在區(qū)域的水資源供應(yīng)、生態(tài)系統(tǒng)維持和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。灤河流域的地形地貌復(fù)雜多樣，上游地區(qū)為山區(qū)，地勢起伏較大，河流落差明顯，水流湍急，河道狹窄且多彎道，這種地形造就了豐富的水能資源，同時也為眾多珍稀動植物提供了獨(dú)特的棲息地。中游地區(qū)地勢逐漸趨于平緩，河道變寬，水流速度減緩，泥沙開始淤積，形成了廣闊的沖積平原，這里是重要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)，灌溉用水量大。下游地區(qū)臨近渤海，受潮水影響，河道水位和流量存在一定的周期性變化。灤河的生態(tài)現(xiàn)狀面臨著諸多挑戰(zhàn)。由于流域內(nèi)人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，水資源開發(fā)利用程度不斷提高，導(dǎo)致河流生態(tài)需水受到擠壓。部分河段出現(xiàn)了河道斷流、生態(tài)功能退化等問題，水生生物棲息地遭到破壞，生物多樣性下降。隨著城市化和工業(yè)化進(jìn)程的加快，工業(yè)廢水和生活污水的排放使得灤河的水質(zhì)受到污染，進(jìn)一步威脅到河流生態(tài)系統(tǒng)的健康。這些問題不僅影響了灤河自身的生態(tài)平衡，也對周邊地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展產(chǎn)生了不利影響，因此對灤河河道生態(tài)需水進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實意義。4.1.2數(shù)據(jù)收集與整理為了準(zhǔn)確計算灤河的河道生態(tài)需水量，收集了多方面的數(shù)據(jù)，包括水文、氣象和生態(tài)數(shù)據(jù)。在水文數(shù)據(jù)方面，從灤河流域的多個水文監(jiān)測站獲取了多年的流量數(shù)據(jù)，時間跨度為1980年至2020年，這些數(shù)據(jù)涵蓋了灤河不同季節(jié)、不同年份的流量變化情況。還收集了水位、流速等相關(guān)水文數(shù)據(jù)，用于輔助分析河流的水動力特性。氣象數(shù)據(jù)的收集包括降水量、蒸發(fā)量、氣溫等信息。降水量數(shù)據(jù)對于了解灤河的水源補(bǔ)給情況至關(guān)重要，通過收集流域內(nèi)多個氣象站點(diǎn)的多年降水量數(shù)據(jù)，可以分析降水的時空分布規(guī)律，以及其對河流流量的影響。蒸發(fā)量數(shù)據(jù)則有助于評估河流的水量損失情況，在干旱季節(jié)，蒸發(fā)量的大小直接關(guān)系到河流的水量平衡。氣溫數(shù)據(jù)也對河流生態(tài)系統(tǒng)有一定影響，例如水溫會隨著氣溫的變化而改變，進(jìn)而影響水生生物的生存和繁衍。生態(tài)數(shù)據(jù)的收集主要包括灤河水生生物的種類、數(shù)量和分布情況，以及河流周邊的植被類型和覆蓋度等信息。水生生物是河流生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，了解它們的種類和數(shù)量變化，可以直觀反映河流生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。通過實地調(diào)查、采樣分析等方法，對灤河中的魚類、浮游生物、底棲生物等進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查，記錄了它們的種類、數(shù)量和分布區(qū)域。對河流周邊的植被進(jìn)行了調(diào)查，了解植被類型和覆蓋度，因為植被不僅可以起到保持水土、涵養(yǎng)水源的作用，還為許多生物提供了棲息地和食物來源。在數(shù)據(jù)整理過程中，首先對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了質(zhì)量檢查，剔除了明顯錯誤或異常的數(shù)據(jù)。對于水文數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的個別極端流量值，進(jìn)行了核實和分析，判斷其是否為真實的水文現(xiàn)象，如確為異常值，則采用合理的方法進(jìn)行修正或補(bǔ)充。對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，計算出多年平均降水量、蒸發(fā)量和氣溫等指標(biāo)，并繪制了降水量和蒸發(fā)量的年際和年內(nèi)變化曲線，以便直觀地了解氣象因素的變化規(guī)律。將生態(tài)數(shù)據(jù)按照不同的生物種類和植被類型進(jìn)行分類整理，建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。對水生生物的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，計算出不同生物種類的生物量和多樣性指數(shù)，以評估河流生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性水平。通過這些數(shù)據(jù)的收集和整理，為后續(xù)基于Tennant方法的河道生態(tài)需水計算和分析提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。4.2基于傳統(tǒng)Tennant方法的生態(tài)需水計算4.2.1計算過程與結(jié)果在對灤河進(jìn)行基于傳統(tǒng)Tennant方法的生態(tài)需水計算時，首先對收集到的1980年至2020年的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。利用算術(shù)平均法計算出灤河的年平均流量Q_{avg}。假設(shè)經(jīng)過計算，灤河的年平均流量Q_{avg}為150m^3/s。根據(jù)Tennant方法，將一年分為4月至9月的魚類繁殖和增肥期，以及10月至次年3月的一般用水期。對于不同的生態(tài)狀況，確定相應(yīng)的流量百分比。在魚類繁殖和增肥期：當(dāng)處于最佳范圍值時，流量為年平均流量的60%-100%，則對應(yīng)的流量范圍為0.6\times150=90m^3/s至1\times150=150m^3/s；當(dāng)處于極好狀態(tài)值時，流量為年平均流量的60%，即0.6\times150=90m^3/s；當(dāng)處于非常好狀態(tài)值時，流量為年平均流量的50%，即0.5\times150=75m^3/s；當(dāng)處于良好狀態(tài)值時，流量為年平均流量的40%，即0.4\times150=60m^3/s；當(dāng)處于中或差狀態(tài)值時，流量為年平均流量的30%，即0.3\times150=45m^3/s；當(dāng)處于差或最小狀態(tài)值時，流量為年平均流量的10%，即0.1\times150=15m^3/s。在10月至次年3月的一般用水期：處于最佳范圍值時，流量范圍同樣為90m^3/s至150m^3/s；處于極好狀態(tài)值時，流量為年平均流量的40%，即0.4\times150=60m^3/s；處于非常好狀態(tài)值時，流量為年平均流量的30%，即0.3\times150=45m^3/s；處于良好狀態(tài)值時，流量為年平均流量的20%，即0.2\times150=30m^3/s；處于中或差狀態(tài)值時，流量為年平均流量的10%，即0.1\times150=15m^3/s；處于差或最小狀態(tài)值時，流量為年平均流量的10%，即15m^3/s。將這些計算結(jié)果整理成表格形式，如下所示：生態(tài)狀況魚類繁殖和增肥期（4-9月）流量（m^3/s）一般用水期（10-3月）流量（m^3/s）最佳范圍值90-15090-150極好狀態(tài)值9060非常好狀態(tài)值7545良好狀態(tài)值6030中或差狀態(tài)值4515差或最小狀態(tài)值1515通過以上計算過程，得到了灤河在不同生態(tài)狀況和不同時期下的生態(tài)需水量計算結(jié)果，這些結(jié)果為后續(xù)分析灤河生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況以及制定相應(yīng)的水資源管理策略提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。4.2.2結(jié)果分析與評價從計算結(jié)果來看，灤河在不同生態(tài)狀況下的生態(tài)需水量存在明顯差異。在魚類繁殖和增肥期，由于水生生物對水量和環(huán)境條件的要求較高，最佳范圍值對應(yīng)的流量范圍為90m^3/s至150m^3/s。在此流量范圍內(nèi)，能夠為水生生物營造優(yōu)良的生長環(huán)境，大部分河道急流與淺灘被淹沒，岸邊灘地成為魚類可游及的區(qū)域，岸邊植物擁有充足的水量，無脊椎動物種類繁多、數(shù)量豐富，有利于水生生物的繁衍和生長，也能滿足一些娛樂活動的需求。當(dāng)流量處于極好狀態(tài)值（90m^3/s）時，雖然仍能滿足大部分水生生物的生存和繁衍需求，但與最佳范圍相比，某些生態(tài)指標(biāo)可能會略有下降，如生物多樣性可能會稍有減少。隨著流量進(jìn)一步降低，到非常好狀態(tài)值（75m^3/s）、良好狀態(tài)值（60m^3/s）以及中或差狀態(tài)值（45m^3/s）時，河流水量逐漸減少，水生生物的生存環(huán)境逐漸受到影響，生物多樣性可能會進(jìn)一步降低，部分對水量要求較高的生物可能會受到較大影響，河流的生態(tài)功能也會逐漸受到削弱。當(dāng)流量處于差或最小狀態(tài)值（15m^3/s）時，河槽寬度、水深及流速顯著減少，旁支河道可能嚴(yán)重或全部脫水，河流底質(zhì)或濕周有近一半暴露，水生棲息地已經(jīng)退化，許多水生生物的生存面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，河流生態(tài)系統(tǒng)處于較為脆弱的狀態(tài)。在一般用水期，雖然對流量的要求相對較低，但最佳范圍值對應(yīng)的流量范圍依然為90m^3/s至150m^3/s，這表明即使在非魚類繁殖和增肥期，維持較高的流量對于保持河流生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和健康仍然具有重要意義。隨著流量等級的降低，生態(tài)系統(tǒng)受到的影響與魚類繁殖和增肥期類似，只是程度可能相對較輕。從灤河的實際情況來看，近年來由于水資源開發(fā)利用程度不斷提高，部分時段的實際流量可能低于中或差狀態(tài)值對應(yīng)的流量。這可能導(dǎo)致灤河部分河段的水生生物棲息地遭到破壞，生物多樣性下降，河流的生態(tài)功能退化。一些魚類的產(chǎn)卵場和育肥場可能因水量不足而受到影響，導(dǎo)致魚類種群數(shù)量減少；河流的自凈能力也可能因水量減少而降低，使得水質(zhì)惡化的風(fēng)險增加。傳統(tǒng)Tennant方法在計算灤河生態(tài)需水量時，雖然能夠提供一個相對簡單且直觀的評估標(biāo)準(zhǔn)，但也存在一定的局限性。該方法主要基于多年平均流量，沒有充分考慮灤河流量的年際變化和年內(nèi)變化，以及人類活動對河流生態(tài)系統(tǒng)的影響。在實際應(yīng)用中，需要結(jié)合其他方法和更多的生態(tài)指標(biāo)，對計算結(jié)果進(jìn)行綜合分析和驗證，以更準(zhǔn)確地評估灤河的生態(tài)需水狀況，為灤河的生態(tài)保護(hù)和水資源管理提供更科學(xué)的依據(jù)。4.3基于改進(jìn)Tennant方法的生態(tài)需水計算4.3.1改進(jìn)方法的應(yīng)用在灤河案例中，應(yīng)用改進(jìn)后的Tennant方法計算生態(tài)需水量。首先，針對灤河部分時段流量變化劇烈，年際、年內(nèi)流量波動大的特點(diǎn)，采用中位數(shù)替代均值來計算年平均流量。將收集到的1980-2020年的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行從小到大排序，由于數(shù)據(jù)個數(shù)為41個，為奇數(shù)，所以中位數(shù)為第21個數(shù)據(jù)。假設(shè)經(jīng)過計算得到的中位數(shù)流量值為140m^3/s，以此作為改進(jìn)后Tennant法計算的基礎(chǔ)流量。考慮灤河流量的動態(tài)變化，引入流量過程線分析其年內(nèi)變化特征。通過對流量過程線的分析，發(fā)現(xiàn)灤河在每年的6-8月為汛期，流量較大；12月至次年2月為枯水期，流量較小。根據(jù)這一特征，對不同時期的生態(tài)需水量計算進(jìn)行調(diào)整。在汛期（6-8月），考慮到此時水生生物的繁殖和生長需求，以及河流的沖淤平衡等因素，適當(dāng)提高生態(tài)需水量的計算比例。例如，將最佳范圍值對應(yīng)的流量百分比調(diào)整為年中位數(shù)流量的70%-120%，則對應(yīng)的流量范圍為0.7\times140=98m^3/s至1.2\times140=168m^3/s；極好狀態(tài)值調(diào)整為年中位數(shù)流量的60%，即0.6\times140=84m^3/s；非常好狀態(tài)值調(diào)整為年中位數(shù)流量的50%，即0.5\times140=70m^3/s。在枯水期（12月至次年2月），由于流量較小，生態(tài)系統(tǒng)對水量的需求相對較低，但仍需維持一定的水量以保證基本生態(tài)功能。將最佳范圍值對應(yīng)的流量百分比調(diào)整為年中位數(shù)流量的50%-80%，則對應(yīng)的流量范圍為0.5\times140=70m^3/s至0.8\times140=112m^3/s；極好狀態(tài)值調(diào)整為年中位數(shù)流量的40%，即0.4\times140=56m^3/s；非常好狀態(tài)值調(diào)整為年中位數(shù)流量的30%，即0.3\times140=42m^3/s。對于其他月份，根據(jù)流量過程線的變化情況，以及灤河的生態(tài)特征，確定相應(yīng)的流量百分比。在4-5月和9-11月，生態(tài)需水量的計算比例介于汛期和枯水期之間，通過合理調(diào)整百分比系數(shù)，使計算結(jié)果更符合灤河在這些時段的生態(tài)需水實際情況。將改進(jìn)后的Tennant方法應(yīng)用于灤河生態(tài)需水計算，考慮了灤河流量變化的實際特點(diǎn)，能夠更準(zhǔn)確地反映不同時段灤河生態(tài)系統(tǒng)對水量的需求，為灤河的生態(tài)保護(hù)和水資源管理提供更科學(xué)的依據(jù)。4.3.2結(jié)果對比與討論對比基于傳統(tǒng)Tennant方法和改進(jìn)Tennant方法的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者存在明顯差異。在傳統(tǒng)Tennant方法中，以多年平均流量150m^3/s為基礎(chǔ)計算生態(tài)需水量，而改進(jìn)后的方法采用中位數(shù)流量140m^3/s作為計算基礎(chǔ)，這一變化直接影響了各生態(tài)狀況下流量的計算結(jié)果。在魚類繁殖和增肥期（4-9月），傳統(tǒng)Tennant方法計算的最佳范圍值流量為90m^3/s至150m^3/s，而改進(jìn)后的方法計算的最佳范圍值流量在汛期（6-8月）為98m^3/s至168m^3/s，在4-5月和9月為根據(jù)調(diào)整后的百分比計算得到的不同值，整體上與傳統(tǒng)方法有所不同。這是因為改進(jìn)后的方法考慮了流量的動態(tài)變化，在汛期適當(dāng)提高了生態(tài)需水量的計算比例，更符合水生生物在這一時期的生長和繁殖需求。在一般用水期（10月至次年3月），傳統(tǒng)Tennant方法計算的最佳范圍值流量為90m^3/s至150m^3/s，改進(jìn)后的方法在枯水期（12月至次年2月）計算的最佳范圍值流量為70m^3/s至112m^3/s，同樣由于考慮了流量的季節(jié)性變化和生態(tài)系統(tǒng)在枯水期的實際需求，改進(jìn)后的結(jié)果相對傳統(tǒng)方法有所降低。改進(jìn)后的Tennant方法具有顯著優(yōu)勢。它采用中位數(shù)替代均值，有效消除了極端值對計算結(jié)果的影響，使計算出的年平均流量更能代表河流的常