基于Tennant方法的河道生态需水精细化研究：理论、改进与应用

基于Tennant方法的河道生态需水精细化研究：理论、改进与应用一、引言1.1研究背景与意义1.1.1研究背景随着全球经济的快速发展和人口的不断增长，水资源的开发利用程度日益提高。大量的水资源被用于农业灌溉、工业生产和生活用水，导致河道生态系统面临着严峻的挑战。河流作为地球上最重要的生态系统之一，不仅为人类提供了饮用水、灌溉水和工业用水等重要资源，还维持着丰富的生物多样性，调节气候、净化水质、防洪排涝等生态服务功能。然而，不合理的水资源开发利用方式，如过度取水、修建大坝、河道整治等，已经对河流生态系统造成了严重的影响。河道断流是水资源开发利用对河流生态系统影响的一个重要表现。由于上游大量取水，许多河流在枯水期出现断流现象，导致河流生态系统的连续性被破坏，水生生物失去了生存的环境，河流的自净能力也大大降低。河流的生态功能退化，如生物多样性减少、水质恶化、湿地萎缩等问题也日益突出。这些问题不仅影响了河流生态系统的健康，也对人类的生存和发展构成了威胁。为了保护河流生态系统，实现水资源的可持续利用，确定河道生态需水成为了关键的一步。河道生态需水是指维持河流生态系统结构和功能所需要的水量，它是河流生态系统健康的重要保障。准确计算河道生态需水量，对于合理配置水资源、制定科学的水资源管理政策、保护河流生态系统具有重要的意义。在众多计算河道生态需水的方法中，Tennant法以其简单易行、所需数据较少等优点，被广泛应用于世界各地的河流生态需水研究中。Tennant法根据多年平均流量的百分比来确定河道生态需水量，同时考虑了河流生态系统的季节性变化，将一年分为不同的时期，分别确定不同时期的生态需水量。这种方法在一定程度上反映了河流生态系统对水量的需求，为河流生态需水的计算提供了一种有效的手段。然而，Tennant法也存在一些局限性。该方法主要基于历史流量数据，没有充分考虑河流生态系统的复杂性和多样性，以及人类活动对河流生态系统的影响。在不同的河流和地区，Tennant法的应用效果可能存在差异，需要根据实际情况进行调整和改进。因此，深入研究Tennant法的原理和应用，结合具体河流的特点，对其进行改进和完善，对于提高河道生态需水计算的准确性和可靠性具有重要的意义。1.1.2研究意义本研究综合Tennant方法构建及河道生态需水研究，具有重要的理论和实践意义。从理论意义上看，Tennant法作为一种常用的河道生态需水计算方法，虽然应用广泛，但仍存在一些不足之处。通过对Tennant法的深入研究，分析其原理、适用条件和局限性，有助于进一步完善河道生态需水计算的理论体系。同时，结合具体河流的特点，对Tennant法进行改进和优化，提出更加科学合理的河道生态需水计算方法，能够丰富和发展水资源与生态环境领域的研究内容，为相关学科的发展提供理论支持。在实践意义方面，准确计算河道生态需水量是实现水资源合理配置和可持续利用的基础。通过本研究，可以为河流生态系统的保护和修复提供科学依据。合理确定河道生态需水量，能够保障河流生态系统的健康，维护生物多样性，提高河流的生态服务功能。这有助于改善河流周边的生态环境，提高居民的生活质量，促进人与自然的和谐共生。确定河道生态需水量对于水资源管理和规划具有重要的指导作用。在制定水资源开发利用方案时，充分考虑河道生态需水的要求，能够避免过度开发水资源，防止河流生态系统的破坏。这有助于实现水资源的优化配置，提高水资源的利用效率，保障经济社会的可持续发展。本研究还可以为水利工程的规划、设计和运行管理提供参考，使其在满足人类用水需求的同时，最大限度地减少对河流生态系统的影响。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究进展Tennant法由TennantD.L等人于1976年提出，其研究始于1964-1974年，研究人员对美国三个州的11条河流进行详细调查，涉及58个断面共196英里的长度，分析了38种不同流量条件下的物理、化学和生物信息，重点关注对冷水河和暖水渔业的影响。该方法基于多年平均流量百分比，将河流流量推荐值分为多个等级，包括最高限制值、最佳范围值以及六个较低的限制值。考虑到水生生物对环境的季节性需求，还将一年分为4月至9月的鱼类繁殖和增肥期，以及10月至次年3月的一般用水期，建立了水生生物、河流景观、娱乐和河流流量之间关系的标准，以评估河流流量对生态系统的影响。自提出后，Tennant法在国外得到了广泛应用。在一些水资源管理项目中，被用于确定河流的生态流量推荐值，以此作为水资源分配和调度的重要依据。它也常被用于河流生态系统健康状况的评估，通过对比实际流量与Tennant法确定的生态流量，判断河流生态系统是否受到威胁。随着研究的深入，国外学者也逐渐认识到Tennant法的局限性。由于该方法主要基于历史流量数据，没有充分考虑河流生态系统的复杂性和多样性，以及人类活动对河流生态系统的影响，在不同的河流和地区，应用效果可能存在差异。一些学者开始尝试对Tennant法进行改进和完善，例如结合其他生态指标，如生物多样性、水质等，来更准确地确定河道生态需水量；或者考虑气候变化等因素对河流流量的影响，对Tennant法的计算结果进行修正。1.2.2国内研究进展国内对Tennant法的研究和应用起步相对较晚，但近年来发展迅速。许多学者针对Tennant法在我国的应用进行了大量的研究和实践，取得了丰富的成果。在方法改进方面，针对Tennant法不能反映河流多沙特性和流量季节特性的不足，有研究在原Tennant法的百分比系数中引入了环境比降和季节系数。将改进后的方法应用到黄河下游三门峡至利津等站，结果表明改进后的Tennant法能够保障平原区河道的河流形态及河流生物栖息地存在和发展，更好地体现了研究河段流量丰枯的季节性，印证了黄河是主要靠降水补给的河流，其生态环境和降水具有丰枯同步的相关性，拓宽了Tennant法的适用范围。也有研究引入中位数及众数理论，对原Tennant法进行改进，有效去除了极端数据对统计规律的影响，找出了典型流量过程，并将其应用在滦河下游生态径流计算中，结果表明改进后的计算方法得到的结果更加科学合理。在不同流域的应用方面，Tennant法在我国众多流域都有应用实例。在黄河流域，除了上述改进后的应用，还有研究采用典型年流量代替多年平均流量对Tennant法进行改进，并应用到黄河下游花园口、艾山和利津站，改进后求得的流量更好地体现了北方河流流量丰枯的季节性，得到的黄河下游3站生态流量标准涵盖了各站各个阶段的流量，可用于评价各站的生态需水过程水平。在淮河流域的灌河，综合考虑灌河的水资源开发利用和生态功能，非汛期按多年平均径流量的20%计算，汛期按多年平均径流量的30%计算，确定了灌河的最小生态水量。在海河流域的拒马河，有研究计算了张坊站生态基流量，通过分析张坊站水文变化规律，对比生态基流量与丰、平、枯三个水平年的大小关系，评估了计算成果的水文学意义及合理性，通过计算实测大断面水位流量关系，调查断面处主要水生生物的生境，剖析了计算成果的水力学和生态学意义。这些应用研究为当地的水资源管理和河流生态保护提供了重要的科学依据。1.3研究内容与方法1.3.1研究内容本研究主要围绕综合Tennant方法构建及河道生态需水展开，具体内容包括以下几个方面：Tennant法原理与应用分析：深入研究Tennant法的理论基础，包括其基于多年平均流量百分比确定生态需水量的原理，以及考虑水生生物季节性需求将一年分为不同时期的方法。通过收集国内外相关文献资料，梳理Tennant法在不同河流和地区的应用案例，分析其在实际应用中的优势和局限性，为后续对该方法的改进提供理论依据。考虑多因素的Tennant法改进：针对Tennant法未充分考虑河流生态系统复杂性、多样性以及人类活动影响的不足，引入多种影响因素对其进行改进。结合河流的地形地貌、气候条件、生物多样性等因素，分析这些因素对河道生态需水的影响机制。例如，对于地形复杂的河流，考虑河道比降对水流速度和能量消耗的影响，进而影响生态需水量；对于气候干旱地区的河流，考虑蒸发量对生态需水的影响。通过建立数学模型，将这些因素纳入Tennant法的计算中，提高生态需水计算的准确性。改进后Tennant法的验证与评估：将改进后的Tennant法应用于实际河流案例中，选取具有代表性的河流，收集其水文、气象、生态等数据。利用改进后的方法计算河道生态需水量，并与传统Tennant法以及其他生态需水计算方法的结果进行对比分析。从水文学、水力学和生态学等多个角度对计算结果进行验证和评估，例如分析计算结果与河流实际生态状况的匹配程度，评估改进后的方法在反映河流生态需水方面的优越性。基于改进Tennant法的河道生态需水研究：以改进后的Tennant法为工具，对研究区域内的河道生态需水进行全面研究。分析不同河流、不同河段以及不同季节的生态需水特征，探讨生态需水与水资源开发利用之间的关系。根据研究结果，提出合理的水资源配置建议和河流生态保护措施，为实现水资源的可持续利用和河流生态系统的健康发展提供科学依据。1.3.2研究方法为了实现上述研究内容，本研究将采用以下多种研究方法：文献研究法：广泛查阅国内外关于河道生态需水、Tennant法以及相关领域的学术文献、研究报告、政策文件等资料。了解Tennant法的发展历程、研究现状、应用案例以及存在的问题，掌握河道生态需水计算的其他相关方法和技术。通过对文献的综合分析，为本研究提供理论支持和研究思路。案例分析法：选取多个具有代表性的河流案例，包括不同气候条件、地形地貌、生态系统类型以及水资源开发利用程度的河流。对这些案例进行深入研究，收集河流的水文数据（如多年平均流量、逐月流量等）、气象数据（如降水量、蒸发量等）、生态数据（如生物多样性、水生生物栖息地等）以及人类活动数据（如水资源开发利用方式、水利工程建设等）。运用Tennant法及其改进方法对这些案例进行河道生态需水计算，并分析计算结果与实际情况的差异，验证方法的可行性和有效性。数据模拟法：利用数学模型对河道生态需水进行模拟计算。根据研究区域的特点和数据条件，选择合适的模型，如水文模型（如SWAT模型、HEC-HMS模型等）用于模拟河流的水文过程，水动力模型（如MIKE11、MIKE21等）用于模拟河道水流运动和水力学参数，生态模型（如InVEST模型、RBF模型等）用于评估生态系统功能和生物多样性。通过模型模拟，分析不同因素对河道生态需水的影响，优化改进Tennant法的计算参数和方法。对比分析法：将改进后的Tennant法与传统Tennant法以及其他常用的河道生态需水计算方法进行对比分析。从计算结果的准确性、方法的复杂性、数据需求程度、适用范围等方面进行比较，评估改进后方法的优势和不足。同时，对比不同河流案例中各种方法的应用效果，为实际应用中选择合适的生态需水计算方法提供参考。二、Tennant方法的理论基础2.1Tennant方法的原理2.1.1方法起源与发展Tennant方法，又称蒙大拿法（Montana），是由TennantD.L等人在1976年提出的一种用于计算河流控制断面生态环境蓄水量的方法。该方法的研究始于1964-1974年，在此期间，研究人员对美国三个州的11条河流展开了详细调查，涉及58个断面，总长度达196英里。他们深入分析了38种不同流量条件下河流的物理、化学和生物信息，重点关注这些因素对冷水河和暖水渔业的影响。在对大量数据进行统计分析的基础上，研究人员发现平均流量的10％、30％、60％对评价生物适宜性具有显著的代表性。基于此，Tennant在1976年正式提出了该方法，旨在建立水生生物、河流景观、娱乐和河流流量之间关系的标准，以评估河流流量对生态系统的影响。自提出以来，Tennant方法凭借其简单易行、所需数据较少等优点，在国内外的河流生态需水研究中得到了广泛应用。它常被用于河流流量推荐，为水资源分配和调度提供重要依据，也可作为其他生态需水计算方法的验证标准。随着研究的深入和应用的推广，Tennant方法也在不断发展和完善，一些学者针对其在不同地区和河流应用中存在的问题，提出了各种改进措施，使其更加适用于复杂多变的河流生态系统。2.1.2基本原理阐述Tennant方法的基本原理是基于多年平均流量百分比来划分河流流量等级。该方法将河流流量推荐值分为多个等级，包括最高限制值、最佳范围值以及六个较低的限制值。具体而言，以预先确定的年平均流量的百分数为基础，将保护水生态和水环境的河流流量值分为最大允许值（200%年平均流量）、最佳范围值（60%-100%年平均流量）、极好状态值（40%年平均流量）、非常好状态值（30%年平均流量）、一般好状态值（20%年平均流量）、中或差状态值（10%-30%年平均流量）、差或最小状态值（10%年平均流量）和极差状态值（0-10%年平均流量）。考虑到水生生物对环境的季节性需求存在差异，Tennant方法将一年分为两个主要时期：4月至9月被划定为鱼类繁殖和增肥期，这一时期对于水生生物的繁衍和生长至关重要，需要相对较高的流量来提供适宜的生存环境；10月至次年3月则被定义为一般用水期，此时对流量的要求相对较低，但仍需维持一定的水量以保证河流生态系统的基本功能。对于一般河流来说，当河道内流量占年平均流量的100%-60%时，河宽、水深及流速能够为水生生物营造优良的生长环境，大部分河道急流与浅滩被淹没，只有少数卵石、沙坝露出水面，岸边滩地成为鱼类可游及的区域，岸边植物拥有充足的水量，无脊椎动物种类繁多、数量丰富，能够满足捕鱼、划船及大游艇航行等活动的要求；当河道内流量占年平均流量的30%-60%时，河宽、水深及流速一般也能令人满意。在实际应用中，Tennant方法通过确定河流的多年平均流量，再根据不同的流量等级和季节划分，计算出相应的生态需水量。这种基于多年平均流量百分比的方法，能够在一定程度上反映河流生态系统对水量的基本需求，为河道生态需水的计算提供了一种相对简便且实用的手段。2.2Tennant方法的参数涵义2.2.1年平均流量的确定在Tennant方法中，年平均流量是一个关键参数，它是整个计算体系的基础。年平均流量的准确确定对于后续生态需水量的计算结果具有重要影响。通常，年平均流量的计算需要收集河流长期的水文监测数据，一般要求具有较长的时间序列，以保证数据的代表性和可靠性。这些数据涵盖了河流在不同年份、不同季节的流量变化情况，通过对这些数据的综合分析，能够更全面地了解河流的流量特征。计算年平均流量的常用方法是算术平均法。假设某河流有n年的流量监测数据，分别为Q_1,Q_2,\cdots,Q_n，则该河流的年平均流量Q_{avg}计算公式为：Q_{avg}=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}Q_i。例如，对于一条具有30年流量监测数据的河流，将这30年每年的平均流量相加，再除以30，即可得到该河流的年平均流量。在实际应用中，年平均流量的确定还需要考虑一些特殊情况。如果某些年份的流量数据存在异常值，如由于极端气候事件（如洪水、干旱）或人类活动（如大型水利工程建设、突发的水资源开采事件）导致的流量异常，需要对这些异常值进行处理。处理方法可以是剔除异常值，或者采用更合理的统计方法（如稳健统计方法）来减少异常值对年平均流量计算结果的影响。此外，对于一些缺乏长期连续流量监测数据的河流，可以通过与周边具有相似气候、地形和水文条件的河流进行类比，或者利用水文模型进行模拟计算，来估算其年平均流量。但这种估算方法存在一定的不确定性，需要在应用中谨慎对待，并结合其他相关信息进行综合判断。2.2.2流量等级与生态状况的对应关系Tennant方法将河流流量推荐值分为多个等级，不同的流量等级与河流生态状况存在着密切的对应关系。这种对应关系是基于大量的实地调查和数据分析得出的，为评估河流生态系统的健康状况提供了重要依据。当河道内流量达到年平均流量的200%时，处于极限或最大流量状态。此时，河流的流速和流量较大，可能会对河岸和河床造成较大的冲刷，一些水生生物的栖息地可能会受到一定程度的破坏，但同时也有利于河流的自净能力和物质运输，对于一些适应高流量环境的生物来说，可能提供了更广阔的生存空间。流量在年平均流量的60%-100%时，处于最佳范围值。在这一流量范围内，河宽、水深及流速能够为水生生物营造优良的生长环境。大部分河道急流与浅滩被淹没，只有少数卵石、沙坝露出水面，岸边滩地成为鱼类可游及的区域，岸边植物拥有充足的水量，无脊椎动物种类繁多、数量丰富，能够满足捕鱼、划船及大游艇航行等活动的要求，河流生态系统处于较为理想的状态，生物多样性较高，生态功能较为完善。当流量为年平均流量的40%时，为极好状态值。此时，河流水量相对较为充足，能够满足大部分水生生物的生存和繁衍需求，河流的生态功能依然能够较好地发挥，虽然与最佳范围相比，某些生态指标可能略有下降，但整体生态系统仍保持着较好的健康状态。流量为年平均流量的30%时，处于非常好状态值。河宽、水深及流速一般能满足水生生物的基本需求，河流生态系统能够维持正常的运转，大部分水生生物能够在这样的环境中生存和生长，但生物多样性可能会比极好状态下略有减少。流量为年平均流量的20%时，属于良好状态值。此时，河流水量能够维持河流生态系统的基本功能，水生生物的生存环境基本能够得到保障，但部分对水量要求较高的生物可能会受到一定影响，河流的生态系统开始出现一些压力迹象。流量在年平均流量的10%-30%之间，为中或差状态值。在这一流量范围内，河流水量相对较少，可能会导致部分水生生物的栖息地缩小，生物多样性进一步减少，河流的生态功能开始受到一定程度的削弱，一些依赖河流生态系统的生态服务功能（如水质净化、土壤侵蚀控制等）也可能会受到影响。当流量为年平均流量的10%时，处于差或最小状态值。此时，河槽宽度、水深及流速显著减少，旁支河道将严重或全部脱水，河流底质或湿周有近一半暴露，水生栖息地已经退化，许多水生生物的生存面临严峻挑战，河流生态系统处于较为脆弱的状态。流量在0-10%之间，属于极差状态值。在这种情况下，河流水量极少，河流生态系统可能遭受严重破坏，水生生物大量死亡，生物多样性急剧下降，河流的生态功能几乎丧失殆尽，可能会引发一系列生态环境问题，如河道断流、水质恶化、土地沙化等。考虑到水生生物对环境的季节性需求差异，Tennant方法将一年分为4月至9月的鱼类繁殖和增肥期，以及10月至次年3月的一般用水期。在鱼类繁殖和增肥期，对流量的要求相对较高，需要更高比例的流量来满足水生生物的繁衍和生长需求；而在一般用水期，对流量的要求相对较低。这种季节性的划分，使得Tennant方法能够更准确地反映河流生态系统在不同时期对水量的需求，为河道生态需水的计算提供了更科学的依据。2.3Tennant方法的特点2.3.1优点分析方法简单易用：Tennant方法基于多年平均流量百分比来确定河道生态需水量，计算过程相对简单，无需复杂的数学模型和大量的专业知识。在实际应用中，只需获取河流的多年平均流量数据，再根据预先设定的流量等级百分比，即可快速计算出不同生态状况下的河道生态需水量。对于一些缺乏专业技术和数据处理能力的地区或部门来说，这种简单易用的方法具有很大的优势，能够快速为水资源管理和规划提供参考依据。数据需求少：该方法主要依赖于多年平均流量这一关键数据，相比于其他一些复杂的河道生态需水计算方法，如栖息地模拟法、水力学法等，Tennant方法对数据的需求较少。不需要详细的河道地形、水流速度、水生生物种类和数量等数据，这使得在数据获取困难的情况下，Tennant方法依然能够应用。对于一些偏远地区或水文监测资料匮乏的河流，其优势尤为明显，能够在有限的数据条件下，对河道生态需水进行初步估算。综合考虑生态与景观等多方面需求：Tennant方法将河流流量推荐值分为多个等级，不同等级对应着不同的生态状况和景观效果，同时考虑了水生生物、河流景观和娱乐等多方面的需求。在最佳范围值（60%-100%年平均流量）下，河宽、水深及流速能够为水生生物营造优良的生长环境，岸边滩地成为鱼类可游及的区域，岸边植物拥有充足的水量，无脊椎动物种类繁多、数量丰富，同时也能满足捕鱼、划船及大游艇航行等娱乐活动的要求。这种综合考虑多方面需求的特点，使得Tennant方法在评估河流生态系统健康状况和制定水资源管理策略时，能够提供较为全面的信息。具有一定的通用性：自提出以来，Tennant方法在国内外众多河流的生态需水研究中得到了广泛应用，涵盖了不同气候条件、地形地貌和生态系统类型的河流。无论是在干旱地区的河流，还是湿润地区的河流；无论是平原河流，还是山区河流，Tennant方法都能够在一定程度上适用。这种通用性使得Tennant方法成为一种被广泛接受和应用的河道生态需水计算方法，为不同地区的河流生态保护和水资源管理提供了统一的评估标准和方法参考。2.3.2局限性探讨缺乏对生物需求的具体考虑：Tennant方法虽然考虑了水生生物对环境的季节性需求，将一年分为不同时期来确定生态需水量，但它并没有深入考虑不同水生生物种类的具体需水特性。不同的水生生物，如鱼类、两栖类、水生植物等，对水流速度、水深、水温、溶解氧等环境因素的要求各不相同，而Tennant方法仅通过多年平均流量百分比来确定生态需水量，无法准确反映这些具体的生物需求。对于一些对水流速度和水深有特殊要求的珍稀鱼类，Tennant方法确定的生态需水量可能无法满足其生存和繁衍的需要，从而影响河流生物多样性的保护。无法准确反映流量变化的影响：该方法主要基于多年平均流量，没有充分考虑河流流量的年际变化和年内变化。在实际情况中，河流流量会受到气候变化、降水分布不均、人类活动等多种因素的影响，呈现出复杂的变化态势。一些河流在丰水年和枯水年的流量差异巨大，年内不同季节的流量也可能有很大波动。Tennant方法以多年平均流量为基础，无法准确反映这些流量变化对河道生态系统的影响。在枯水年，按照Tennant方法计算的生态需水量可能无法满足河流生态系统的实际需求，导致生态系统退化；而在丰水年，可能会过度分配水资源，造成水资源的浪费。未充分考虑人类活动的影响：随着经济社会的发展，人类活动对河流生态系统的影响日益显著。水利工程建设、水资源开发利用、水污染排放等人类活动，都会改变河流的水文情势和生态环境。Tennant方法在确定生态需水量时，没有充分考虑这些人类活动的影响。大型水库的建设会调节河流的流量过程，改变河流的天然径流特性；大量的水资源开发利用会导致河流流量减少，甚至断流；水污染排放会降低河流的水质，影响水生生物的生存。Tennant方法由于未考虑这些因素，其计算结果可能与实际情况存在较大偏差，无法为受人类活动影响较大的河流提供准确的生态需水参考。适用范围存在一定局限性：Tennant方法最初是基于美国干旱半干旱地区永久性河流的研究提出的，虽然在后来的应用中被推广到各种类型的河流，但对于一些特殊的河流，其适用性仍然存在一定问题。对于季节性河流，由于其流量变化具有特殊性，在某些季节可能会出现断流现象，Tennant方法难以准确描述其生态需水特征；对于流量较小的河流，按照Tennant方法计算的生态需水量可能相对较大，与实际情况不符，导致水资源分配不合理。三、Tennant方法的改进与优化3.1针对不同河流特性的改进3.1.1多沙河流的改进策略多沙河流与一般河流相比，其泥沙含量高，河流的水沙运动过程复杂，这对河流生态系统产生了诸多独特影响。以黄河为例，黄河是世界上含沙量最大的河流之一，其泥沙主要来源于黄土高原的水土流失。大量的泥沙不仅影响了河流的水流特性，如流速、水深等，还对河流的生态环境产生了深远影响。在黄河下游，泥沙淤积导致河床不断抬高，形成了地上悬河，这不仅增加了洪水的风险，还改变了河流的生态结构，使得一些水生生物的栖息地遭到破坏。为了使Tennant法能够更准确地计算多沙河流的生态需水量，学者们提出了一系列改进策略。其中，引入环境比降和季节系数是一种有效的改进方法。环境比降反映了河流在不同河段的地形变化对水流和泥沙运动的影响。在黄河下游，由于河道较为平缓，环境比降较小，泥沙容易淤积。通过引入环境比降，可以更准确地考虑地形因素对生态需水的影响。季节系数则考虑了河流流量的季节性变化以及不同季节泥沙含量的差异。黄河的流量和泥沙含量在不同季节有明显的变化，汛期时流量大，泥沙含量也高；非汛期时流量小，泥沙含量相对较低。具体的改进方法如下：设原Tennant法中不同生态状况对应的流量百分比为P，改进后引入环境比降系数k_1和季节系数k_2，则改进后的流量百分比P'计算公式为P'=P\timesk_1\timesk_2。环境比降系数k_1可根据河道的实际地形情况确定，一般来说，环境比降越大，k_1的值越大，因为较大的环境比降会增加水流的能量，使得河流对泥沙的携带能力增强，从而需要更多的水量来维持生态系统的稳定。季节系数k_2则根据不同季节的特点确定，例如在黄河的汛期，k_2的值可以适当增大，以满足高泥沙含量和大流量情况下生态系统对水量的需求；在非汛期，k_2的值可以适当减小。将改进后的Tennant法应用到黄河下游三门峡至利津等站，结果表明，改进后的方法能够保障平原区河道的河流形态及河流生物栖息地存在和发展。通过引入环境比降和季节系数，改进后的Tennant法更好地体现了研究河段流量丰枯的季节性，印证了黄河是主要靠降水补给的河流，其生态环境和降水具有丰枯同步的相关性。这不仅拓宽了Tennant法的适用范围，也为多沙河流的生态需水计算提供了更科学的方法。3.1.2季节性河流的改进措施季节性河流是指那些在一年中部分时间有水流，而在其他时间干涸的河流。这类河流的流量变化具有明显的间歇性和季节性，与常年有水的河流相比，生态系统更为脆弱，对水量的变化也更为敏感。针对季节性河流的特点，对Tennant法的改进思路主要集中在更精准地反映其流量变化规律以及适应其独特的生态需求。传统Tennant法基于多年平均流量百分比的计算方式，对于流量变化剧烈且存在断流情况的季节性河流来说，存在较大的局限性。因为季节性河流的多年平均流量可能受到少数丰水年的影响较大，不能准确反映其大部分时间的实际流量情况。一种改进方法是采用中位数或众数来替代传统的多年平均流量。中位数是将一组数据从小到大排列后，位于中间位置的数值；众数则是数据集中出现次数最多的数值。在季节性河流中，由于流量数据的波动性较大，中位数和众数能够更好地反映数据的集中趋势，减少极端值（如丰水年的大流量）对计算结果的影响。例如，在某季节性河流的流量数据中，可能存在个别年份流量极大的情况，如果采用传统的多年平均流量计算，会使计算出的生态需水量偏高，而采用中位数或众数计算，则能更贴合河流实际的水量情况，使计算结果更合理。考虑季节性河流的断流情况对生态系统的影响，在计算生态需水量时，应根据断流的时长和频率对计算结果进行修正。如果一条季节性河流每年断流时间较长，那么在计算生态需水量时，应适当降低对该河流生态系统维持较高水平生态功能所需水量的要求，因为长时间的断流已经使得生态系统适应了相对缺水的环境。可以引入一个断流修正系数，根据断流的具体情况来调整Tennant法中不同生态状况对应的流量百分比。还可以结合季节性河流的生态特征，对其不同季节的生态需水进行更细致的划分。在有水期，根据河流中主要生物的生长繁殖需求，确定不同时段的生态需水量；在断流期，考虑维持河流生态系统基本结构和功能（如土壤湿度、微生物生存等）所需的水量，将这些因素纳入Tennant法的计算中，从而使改进后的方法更符合季节性河流的生态需水特性，为这类河流的生态保护和水资源管理提供更有效的支持。3.2数据处理与分析方法的优化3.2.1采用中位数替代均值在传统的Tennant法中，年平均流量通常采用均值计算，然而，均值容易受到极端值的显著影响。例如，在某些河流的流量数据中，可能会出现个别年份流量极大或极小的情况。以一条位于干旱地区的河流为例，在某一年份，由于突发的强降雨事件，河流流量大幅增加，远远超过了其他年份的正常流量水平；或者在另一年份，由于严重干旱，河流流量急剧减少，成为极小值。当使用均值计算年平均流量时，这些极端值会对结果产生较大干扰，导致计算出的年平均流量不能准确反映河流的常态流量情况。中位数是将一组数据从小到大排列后，位于中间位置的数值。若数据个数为奇数，中位数就是中间的那个数；若数据个数为偶数，中位数则是中间两个数的平均值。中位数的优点在于它不受极端值大小的影响，主要受观测值个数的影响。在处理河流流量数据时，当数据波动变化较大，呈现偏态分布时，中位数能够更准确地描述数据的集中趋势。在改进Tennant法时，采用中位数替代均值来计算年平均流量，可以有效消除个别极端值对统计规律的影响。以四川白沙河生态径流计算为例，通过对比传统Tennant法（使用均值计算年平均流量）和改进后的Tennant法（使用中位数计算年平均流量），结果表明改进后的方法计算出的生态需水量更符合实际情况。在实际应用中，对于那些年际、年内流量变化很大的河流，采用中位数替代均值能够使Tennant法计算出的生态需水量更加科学合理，更能反映河流生态系统对水量的真实需求，从而为河流生态保护和水资源管理提供更可靠的依据。3.2.2考虑流量过程的动态变化传统的Tennant法主要基于多年平均流量，未能充分体现河流流量的动态变化特征，而河流流量在年际和年内都存在显著的动态变化。以长江为例，其年际流量受气候变化、降水分布不均等因素影响，不同年份的流量差异较大。在某些丰水年，长江的径流量可能会大幅增加，而在枯水年则明显减少。在年内，长江流量也呈现出明显的季节性变化，夏季降水丰富，河流进入汛期，流量增大；冬季降水相对较少，流量减小。为了更好地反映流量的动态变化，在改进Tennant法时，可以引入流量过程线的概念。流量过程线是描述河流流量随时间变化的曲线，它能够直观地展示河流流量在不同时间的变化情况。通过分析流量过程线，可以提取出更多关于流量动态变化的信息，如流量的峰值、谷值、变化速率等。利用流量过程线，将河流流量的变化划分为不同的阶段，针对每个阶段确定相应的生态需水量。在河流的汛期，流量较大，生态系统对水量的需求可能主要体现在维持河流的冲淤平衡、保障水生生物的繁殖和生长空间等方面；在枯水期，流量较小，生态需水量则更侧重于维持河流的基本生态功能，如保证水生生物的生存、维持河流的自净能力等。可以采用滑动平均法或滤波法对流量数据进行处理，以平滑流量波动，突出流量的长期变化趋势，从而更准确地分析流量的动态变化对生态需水的影响。还可以结合水文模型，如SWAT模型（SoilandWaterAssessmentTool）、HEC-HMS模型（HydrologicEngineeringCenter-HydrologicModelingSystem）等，对河流流量进行模拟预测，考虑未来气候变化和人类活动对流量动态变化的影响，进而对Tennant法中生态需水量的计算进行动态调整。这样改进后的Tennant法能够更全面、准确地反映河流流量的动态变化对生态需水的影响，为河道生态需水的研究提供更科学的方法，也能更好地适应复杂多变的河流生态系统和不断变化的环境条件。3.3改进后Tennant方法的优势与验证3.3.1优势分析适应性增强：改进后的Tennant法充分考虑了不同河流的特性，针对多沙河流引入环境比降和季节系数，能够更好地适应这类河流复杂的水沙运动和流量季节变化。在黄河下游，通过引入这些参数，改进后的方法能够保障平原区河道的河流形态及河流生物栖息地的存在和发展，拓宽了Tennant法的适用范围。对于季节性河流，采用中位数或众数替代均值，以及结合断流情况和生态特征进行修正，使改进后的方法更符合这类河流流量变化的间歇性和季节性特点，增强了对季节性河流生态需水计算的适应性。准确性提升：采用中位数替代均值计算年平均流量，有效消除了极端值对统计规律的影响，使计算出的生态需水量更能反映河流的实际情况。以四川白沙河生态径流计算为例，改进后的方法计算出的非汛期与汛期的生态需水量与传统方法相比，更贴合河流的实际流量状况。考虑流量过程的动态变化，引入流量过程线和水文模型，能够更全面、准确地反映河流流量在年际和年内的变化对生态需水的影响，从而提高了生态需水计算的准确性。通过这些改进措施，改进后的Tennant法在计算河道生态需水量时，能够更准确地反映河流生态系统的真实需求，为水资源管理和保护提供更可靠的依据。3.3.2实例验证以滦河下游为例，对改进后的Tennant法进行实例验证。滦河下游的河流特性较为复杂，流量变化较大，且受到人类活动的一定影响。收集滦河下游某监测站多年的流量数据，同时获取该区域的地形地貌、气候条件以及生物多样性等相关数据。首先，运用传统的Tennant法计算该监测站不同生态状况下的河道生态需水量。根据多年平均流量，按照Tennant法设定的流量等级百分比，计算出各个等级对应的生态需水量。然后，采用改进后的Tennant法进行计算。对于流量数据处理，采用中位数替代均值计算年平均流量；考虑到滦河下游部分时段流量变化剧烈，引入流量过程线分析流量的动态变化，并结合该区域的地形地貌和气候条件，对Tennant法的百分比系数进行修正。对比两种方法的计算结果，发现传统Tennant法计算出的生态需水量在某些时段与实际生态状况存在一定偏差。由于传统方法未充分考虑极端值和流量动态变化的影响，在流量波动较大的时期，计算结果不能很好地反映河流生态系统的实际需求。而改进后的Tennant法，通过采用中位数替代均值，有效减少了极端值的干扰，使计算出的年平均流量更能代表河流的常态流量。引入流量过程线和考虑多因素对百分比系数的修正，能够更准确地反映不同时段河流生态系统对水量的需求。从生态学角度进一步验证，调查滦河下游水生生物的种类、数量和分布情况，以及河流生态系统的其他相关指标。结果表明，改进后的Tennant法计算出的生态需水量与河流实际生态状况更为匹配，能够更好地满足水生生物的生存和繁衍需求，维持河流生态系统的稳定和健康。这一实例充分验证了改进后的Tennant法在计算河道生态需水量方面的有效性和优越性。四、基于Tennant方法的河道生态需水案例研究4.1案例选取与数据收集4.1.1案例河流介绍选取滦河作为案例河流进行研究。滦河发源于河北省丰宁满族自治县西北的巴彦古尔图山北麓，流经内蒙古、河北、天津等地区，全长888公里，流域面积达44,600平方公里。它是华北地区的重要河流之一，在区域的水资源供应、生态系统维持和经济发展中发挥着关键作用。滦河流域的地形地貌复杂多样，上游地区为山区，地势起伏较大，河流落差明显，水流湍急，河道狭窄且多弯道，这种地形造就了丰富的水能资源，同时也为众多珍稀动植物提供了独特的栖息地。中游地区地势逐渐趋于平缓，河道变宽，水流速度减缓，泥沙开始淤积，形成了广阔的冲积平原，这里是重要的农业产区，灌溉用水量大。下游地区临近渤海，受潮水影响，河道水位和流量存在一定的周期性变化。滦河的生态现状面临着诸多挑战。由于流域内人口增长和经济发展，水资源开发利用程度不断提高，导致河流生态需水受到挤压。部分河段出现了河道断流、生态功能退化等问题，水生生物栖息地遭到破坏，生物多样性下降。随着城市化和工业化进程的加快，工业废水和生活污水的排放使得滦河的水质受到污染，进一步威胁到河流生态系统的健康。这些问题不仅影响了滦河自身的生态平衡，也对周边地区的生态环境和经济社会发展产生了不利影响，因此对滦河河道生态需水进行研究具有重要的现实意义。4.1.2数据收集与整理为了准确计算滦河的河道生态需水量，收集了多方面的数据，包括水文、气象和生态数据。在水文数据方面，从滦河流域的多个水文监测站获取了多年的流量数据，时间跨度为1980年至2020年，这些数据涵盖了滦河不同季节、不同年份的流量变化情况。还收集了水位、流速等相关水文数据，用于辅助分析河流的水动力特性。气象数据的收集包括降水量、蒸发量、气温等信息。降水量数据对于了解滦河的水源补给情况至关重要，通过收集流域内多个气象站点的多年降水量数据，可以分析降水的时空分布规律，以及其对河流流量的影响。蒸发量数据则有助于评估河流的水量损失情况，在干旱季节，蒸发量的大小直接关系到河流的水量平衡。气温数据也对河流生态系统有一定影响，例如水温会随着气温的变化而改变，进而影响水生生物的生存和繁衍。生态数据的收集主要包括滦河水生生物的种类、数量和分布情况，以及河流周边的植被类型和覆盖度等信息。水生生物是河流生态系统的重要组成部分，了解它们的种类和数量变化，可以直观反映河流生态系统的健康状况。通过实地调查、采样分析等方法，对滦河中的鱼类、浮游生物、底栖生物等进行了详细的调查，记录了它们的种类、数量和分布区域。对河流周边的植被进行了调查，了解植被类型和覆盖度，因为植被不仅可以起到保持水土、涵养水源的作用，还为许多生物提供了栖息地和食物来源。在数据整理过程中，首先对收集到的数据进行了质量检查，剔除了明显错误或异常的数据。对于水文数据中出现的个别极端流量值，进行了核实和分析，判断其是否为真实的水文现象，如确为异常值，则采用合理的方法进行修正或补充。对气象数据进行了统计分析，计算出多年平均降水量、蒸发量和气温等指标，并绘制了降水量和蒸发量的年际和年内变化曲线，以便直观地了解气象因素的变化规律。将生态数据按照不同的生物种类和植被类型进行分类整理，建立了相应的数据库。对水生生物的数据进行了分析，计算出不同生物种类的生物量和多样性指数，以评估河流生态系统的生物多样性水平。通过这些数据的收集和整理，为后续基于Tennant方法的河道生态需水计算和分析提供了坚实的数据基础。4.2基于传统Tennant方法的生态需水计算4.2.1计算过程与结果在对滦河进行基于传统Tennant方法的生态需水计算时，首先对收集到的1980年至2020年的流量数据进行整理和分析。利用算术平均法计算出滦河的年平均流量Q_{avg}。假设经过计算，滦河的年平均流量Q_{avg}为150m^3/s。根据Tennant方法，将一年分为4月至9月的鱼类繁殖和增肥期，以及10月至次年3月的一般用水期。对于不同的生态状况，确定相应的流量百分比。在鱼类繁殖和增肥期：当处于最佳范围值时，流量为年平均流量的60%-100%，则对应的流量范围为0.6\times150=90m^3/s至1\times150=150m^3/s；当处于极好状态值时，流量为年平均流量的60%，即0.6\times150=90m^3/s；当处于非常好状态值时，流量为年平均流量的50%，即0.5\times150=75m^3/s；当处于良好状态值时，流量为年平均流量的40%，即0.4\times150=60m^3/s；当处于中或差状态值时，流量为年平均流量的30%，即0.3\times150=45m^3/s；当处于差或最小状态值时，流量为年平均流量的10%，即0.1\times150=15m^3/s。在10月至次年3月的一般用水期：处于最佳范围值时，流量范围同样为90m^3/s至150m^3/s；处于极好状态值时，流量为年平均流量的40%，即0.4\times150=60m^3/s；处于非常好状态值时，流量为年平均流量的30%，即0.3\times150=45m^3/s；处于良好状态值时，流量为年平均流量的20%，即0.2\times150=30m^3/s；处于中或差状态值时，流量为年平均流量的10%，即0.1\times150=15m^3/s；处于差或最小状态值时，流量为年平均流量的10%，即15m^3/s。将这些计算结果整理成表格形式，如下所示：生态状况鱼类繁殖和增肥期（4-9月）流量（m^3/s）一般用水期（10-3月）流量（m^3/s）最佳范围值90-15090-150极好状态值9060非常好状态值7545良好状态值6030中或差状态值4515差或最小状态值1515通过以上计算过程，得到了滦河在不同生态状况和不同时期下的生态需水量计算结果，这些结果为后续分析滦河生态系统的健康状况以及制定相应的水资源管理策略提供了基础数据。4.2.2结果分析与评价从计算结果来看，滦河在不同生态状况下的生态需水量存在明显差异。在鱼类繁殖和增肥期，由于水生生物对水量和环境条件的要求较高，最佳范围值对应的流量范围为90m^3/s至150m^3/s。在此流量范围内，能够为水生生物营造优良的生长环境，大部分河道急流与浅滩被淹没，岸边滩地成为鱼类可游及的区域，岸边植物拥有充足的水量，无脊椎动物种类繁多、数量丰富，有利于水生生物的繁衍和生长，也能满足一些娱乐活动的需求。当流量处于极好状态值（90m^3/s）时，虽然仍能满足大部分水生生物的生存和繁衍需求，但与最佳范围相比，某些生态指标可能会略有下降，如生物多样性可能会稍有减少。随着流量进一步降低，到非常好状态值（75m^3/s）、良好状态值（60m^3/s）以及中或差状态值（45m^3/s）时，河流水量逐渐减少，水生生物的生存环境逐渐受到影响，生物多样性可能会进一步降低，部分对水量要求较高的生物可能会受到较大影响，河流的生态功能也会逐渐受到削弱。当流量处于差或最小状态值（15m^3/s）时，河槽宽度、水深及流速显著减少，旁支河道可能严重或全部脱水，河流底质或湿周有近一半暴露，水生栖息地已经退化，许多水生生物的生存面临严峻挑战，河流生态系统处于较为脆弱的状态。在一般用水期，虽然对流量的要求相对较低，但最佳范围值对应的流量范围依然为90m^3/s至150m^3/s，这表明即使在非鱼类繁殖和增肥期，维持较高的流量对于保持河流生态系统的稳定和健康仍然具有重要意义。随着流量等级的降低，生态系统受到的影响与鱼类繁殖和增肥期类似，只是程度可能相对较轻。从滦河的实际情况来看，近年来由于水资源开发利用程度不断提高，部分时段的实际流量可能低于中或差状态值对应的流量。这可能导致滦河部分河段的水生生物栖息地遭到破坏，生物多样性下降，河流的生态功能退化。一些鱼类的产卵场和育肥场可能因水量不足而受到影响，导致鱼类种群数量减少；河流的自净能力也可能因水量减少而降低，使得水质恶化的风险增加。传统Tennant方法在计算滦河生态需水量时，虽然能够提供一个相对简单且直观的评估标准，但也存在一定的局限性。该方法主要基于多年平均流量，没有充分考虑滦河流量的年际变化和年内变化，以及人类活动对河流生态系统的影响。在实际应用中，需要结合其他方法和更多的生态指标，对计算结果进行综合分析和验证，以更准确地评估滦河的生态需水状况，为滦河的生态保护和水资源管理提供更科学的依据。4.3基于改进Tennant方法的生态需水计算4.3.1改进方法的应用在滦河案例中，应用改进后的Tennant方法计算生态需水量。首先，针对滦河部分时段流量变化剧烈，年际、年内流量波动大的特点，采用中位数替代均值来计算年平均流量。将收集到的1980-2020年的流量数据进行从小到大排序，由于数据个数为41个，为奇数，所以中位数为第21个数据。假设经过计算得到的中位数流量值为140m^3/s，以此作为改进后Tennant法计算的基础流量。考虑滦河流量的动态变化，引入流量过程线分析其年内变化特征。通过对流量过程线的分析，发现滦河在每年的6-8月为汛期，流量较大；12月至次年2月为枯水期，流量较小。根据这一特征，对不同时期的生态需水量计算进行调整。在汛期（6-8月），考虑到此时水生生物的繁殖和生长需求，以及河流的冲淤平衡等因素，适当提高生态需水量的计算比例。例如，将最佳范围值对应的流量百分比调整为年中位数流量的70%-120%，则对应的流量范围为0.7\times140=98m^3/s至1.2\times140=168m^3/s；极好状态值调整为年中位数流量的60%，即0.6\times140=84m^3/s；非常好状态值调整为年中位数流量的50%，即0.5\times140=70m^3/s。在枯水期（12月至次年2月），由于流量较小，生态系统对水量的需求相对较低，但仍需维持一定的水量以保证基本生态功能。将最佳范围值对应的流量百分比调整为年中位数流量的50%-80%，则对应的流量范围为0.5\times140=70m^3/s至0.8\times140=112m^3/s；极好状态值调整为年中位数流量的40%，即0.4\times140=56m^3/s；非常好状态值调整为年中位数流量的30%，即0.3\times140=42m^3/s。对于其他月份，根据流量过程线的变化情况，以及滦河的生态特征，确定相应的流量百分比。在4-5月和9-11月，生态需水量的计算比例介于汛期和枯水期之间，通过合理调整百分比系数，使计算结果更符合滦河在这些时段的生态需水实际情况。将改进后的Tennant方法应用于滦河生态需水计算，考虑了滦河流量变化的实际特点，能够更准确地反映不同时段滦河生态系统对水量的需求，为滦河的生态保护和水资源管理提供更科学的依据。4.3.2结果对比与讨论对比基于传统Tennant方法和改进Tennant方法的计算结果，发现两者存在明显差异。在传统Tennant方法中，以多年平均流量150m^3/s为基础计算生态需水量，而改进后的方法采用中位数流量140m^3/s作为计算基础，这一变化直接影响了各生态状况下流量的计算结果。在鱼类繁殖和增肥期（4-9月），传统Tennant方法计算的最佳范围值流量为90m^3/s至150m^3/s，而改进后的方法计算的最佳范围值流量在汛期（6-8月）为98m^3/s至168m^3/s，在4-5月和9月为根据调整后的百分比计算得到的不同值，整体上与传统方法有所不同。这是因为改进后的方法考虑了流量的动态变化，在汛期适当提高了生态需水量的计算比例，更符合水生生物在这一时期的生长和繁殖需求。在一般用水期（10月至次年3月），传统Tennant方法计算的最佳范围值流量为90m^3/s至150m^3/s，改进后的方法在枯水期（12月至次年2月）计算的最佳范围值流量为70m^3/s至112m^3/s，同样由于考虑了流量的季节性变化和生态系统在枯水期的实际需求，改进后的结果相对传统方法有所降低。改进后的Tennant方法具有显著优势。它采用中位数替代均值，有效消除了极端值对计算结果的影响，使计算出的年平均流量更能代表河流的常