1954-2018年南小河溝流域董莊溝控制站徑流泥沙觀測數(shù)據(jù)集

黨小尼，郭嘉，康建芳，張耀南，郭銳

1.黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站，甘肅慶陽 745000

2.中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000

3.國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心，蘭州 730000

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

images/BZ_95_709_1893_1062_1971.pngimages/BZ_95_1086_1893_2222_1971.pngimages/BZ_95_709_1973_1062_2051.pngimages/BZ_95_1086_1973_2222_2051.pngimages/BZ_95_709_2053_1062_2131.pngimages/BZ_95_1086_2053_2222_2131.pngimages/BZ_95_709_2133_1062_2211.pngimages/BZ_95_1086_2133_2222_2211.pngimages/BZ_95_709_2213_1062_2291.pngimages/BZ_95_1086_2213_2222_2291.png″images/BZ_95_709_2294_1062_2372.pngimages/BZ_95_1086_2294_2222_2372.pngimages/BZ_95_709_2374_1062_2452.pngimages/BZ_95_1086_2374_2222_2452.pngimages/BZ_95_709_2454_1062_2688.pngimages/BZ_95_1086_2454_2222_2532.png）images/BZ_95_1086_2532_2222_2610.png）images/BZ_95_1086_2610_2222_2688.png）images/BZ_95_709_2690_1062_2768.pngimages/BZ_95_1086_2690_2222_2768.pngimages/BZ_95_709_2771_1062_3161.pngimages/BZ_95_1086_2771_2222_2849.pngimages/BZ_95_1086_2849_2222_2927.png,images/BZ_95_1086_2927_2222_3005.pngimages/BZ_95_1086_3005_2222_3083.pngimages/BZ_95_1086_3083_2222_3161.png

引 言

董莊溝流域位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)后官寨鄉(xiāng)境內(nèi)，是南小河溝流域的一條小支溝，距慶陽市區(qū) 13 km，地理位置為東經(jīng) 107°32′28″，北緯 35°42′16″，集水（匯水）面積 1.12 km2。2004 年土地利用遙感調(diào)查結(jié)果顯示[1]，董莊溝流域旱耕地面積 17.38 hm2，林地面積 25.90 hm2，灌木林地面積5.86 hm2，天然草地面積46.14 hm2，難利用地面積19.72 hm2。流域內(nèi)海拔高度在1135-1350 m之間，相對高差215 m，溝壑密度1.69，溝道比降8.93%，具有黃土高塬溝壑區(qū)典型地形地貌特征，董莊溝流域與南小河溝流域另一條支溝楊家溝流域位置毗鄰，面積相近（楊家溝流域集水面積1.01 km2），地形和土壤等特征基本相似，是比較理想的對比觀測場所（兩溝基本情況和坡度組成見表1和表2）。為探求徑流泥沙來源規(guī)律以及防治措施的蓄水保土效益，尋找黃土高塬溝壑區(qū)的治理途徑，為水利水土保持工程設(shè)計服務，1954年起，黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站將楊家溝流域選定為治理溝，進行塬面修地埂1773 m，栽植道路林1.76萬株，修溝邊埂588 m，溝頭防護一處；山坡造林8.93 hm2，造林前修水平溝水平階26.4 km，坡耕地修地埂4643 m，修水平梯田2.9 hm2，人工牧草地1.3 hm2；谷坡及溝底，在溝床每隔20-30 m打一道柳谷坊，谷坊間營造楊柳林1.1萬株，谷坡造林331畝，修水平梯田6.1畝，種草92畝等治理活動。董莊溝流域未實施治理，保持其自然發(fā)展態(tài)勢，經(jīng)過半個多世紀，目前溝谷大部分區(qū)域自然植被良好，主要以蒿草為主，水土流失程度相應降低。兩溝從1954年以來開展了長期的水土流失觀測，通過觀測得出對比數(shù)據(jù)。

表1 楊家溝流域和董莊溝流域基本數(shù)據(jù)

表2 楊家溝流域和董莊溝流域坡度組成數(shù)據(jù)

本數(shù)據(jù)集為董莊溝流域1954-2018年降水、徑流、泥沙觀測數(shù)據(jù)。作為第一手觀測數(shù)據(jù)，本數(shù)據(jù)集可用于建立未治理地區(qū)的水土流失模型，獲得流域土壤侵蝕模數(shù)，徑流模數(shù)等，其與楊家溝流域數(shù)據(jù)對比分析，具有評估水土保持措施效益等科學價值[2]。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

董莊溝流域觀測要素包括降水、徑流和泥沙，觀測設(shè)施布設(shè)在流域中下部溝道山坡位置。降水量觀測設(shè)施有雨量桶和自記雨量計2種，徑流泥沙觀測設(shè)施有三角量水堰和薄壁三角量水堰各1個。采集處理流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集處理流程圖

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

1.1.1 降水量

降水量觀測儀器有口徑為20 cm的SM1型普通雨量器和DSJ-2型虹吸式自記雨量計。SM1型采用8時、20時兩段制進行全年觀測，主要觀測降水起止時間，統(tǒng)計降水量。當降水間歇時間大于15 min，間歇前后作為兩次降水進行觀測記載；當間歇時間小于15 min，則作為一次降水觀測記載。如果一次降水跨過8時、20時應在8時、20時加測。DSJ-2型采用24段制進行汛期觀測。在DSJ-2型虹吸式自記雨量計出現(xiàn)故障的情況下，用SM1普通雨量器觀測資料進行補充。

1.1.2 徑流量

（1）水位觀測

三角量水堰在堰槽中部設(shè)置水尺（或投影到堰槽邊坡上），觀測時讀取水位。汛期、非汛期洪水觀測相同，洪水期或者水位變化急劇時期，在控制起漲、峰頂、落平和其他水位漲落重要轉(zhuǎn)折點水位的前提下，大致按水位變化均勻布設(shè)測次，峰頂附近不少于3次，一般單峰不少于11次，落平后30 min到1.0 h觀測一次，要求能測得各次峰、谷和完整的水位變化過程，洪水漲落水位小于30 cm時采用精度更高的薄壁三角量水堰（含于三角量水堰中）觀測。

（2）流量計算

根據(jù)1955年黃河水利科學研究院泥沙研究所提供的水位流量率定及計算公式（1），由觀測水位推算流量。

式中Q：流量，單位：m3/s；H：水深（水位），單位：m。

1.1.3 泥沙量

（1）泥沙觀測

泥沙取樣采用測橋處中泓一點法。洪水期取沙次數(shù)以能控制住含沙量變化過程為原則，水沙峰不一致、含沙量變化劇烈時，測次需適當增加。一般在測流斷面使用橫式采樣器采集水樣。清水期間不取水樣；洪水漲落水位小于30 cm時，沙樣采用人工在堰后（薄壁三角量水堰）取樣方法。

水樣處理采用置換法，主要儀器為經(jīng)過率定的500 mL的比重瓶，精度1/1000 g的分析天平，最小沙重不小于1.0 g。

（2）含沙量計算

按以下公式（2）計算含沙量：

式中，ρ：實測含沙量，單位：kg/m3；V：水樣容積，單位：cm3；Ws：水樣中干沙重，單位：g。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 降水量

降水量原始數(shù)據(jù)由SM1型普通雨量器和DSJ-2型虹吸式自記雨量計兩種方式測得。SM1型普通雨量器觀測資料電子錄入后進行月年最大降水量統(tǒng)計和月年降水日數(shù)的統(tǒng)計，形成逐日降水量表；DSJ-2型虹吸式自記雨量計觀測數(shù)據(jù)如出現(xiàn)異常，需依據(jù)SM1型普通雨量器人工觀測雨量總量進行訂正，然后摘錄降雨起止時間和雨量，生成降水量摘錄表。最后依據(jù)不同時段，采用不同方法，挑選并記錄各時段最大降水量和其時段開始的日期，生成各時段最大降水量表。

（1）逐日降水量表

①對于控制全集水區(qū)降水的所有SM1型普通雨量器人工或自記雨量觀測站，均編制此表。

②有降水之日，填記一日內(nèi)各時段降水量的總和。有降雪或降雹時，在降水量的右側(cè)加注降水物符號。整編符號與降水符號并用時，整編符號記在降水符號之右。

③月降水量，填本月各日降水量之總和。全月未降水者，記為0。有跨月合并情況者，合并的量記入后月。前后月的月總數(shù)均不加擴號。

④月降水日數(shù)，全月無降水日者記為零。

⑤時段（d）最大降水量共分為1 d、3 d、7 d、15 d和30 d共5個時段，記錄連續(xù)日期時段內(nèi)的最大降水量，同時記錄時段開始的對應日期。

（2）降水量摘錄表

①對于控制全集水區(qū)降水的所有自記雨量觀測站，均編制此表。

②編制逐日降水量表的，汛期內(nèi)的降水全部摘錄，非汛期的降水，凡是與洪水有關(guān)的降水也摘入。

③自記雨量站按自記紙上24段制進行摘錄，總量可用虹吸總量及SM1型普通雨量器人工觀測資料校正。

④降水期間有大于15 min的間歇時，前后分兩次降水。

⑤相鄰各時段的降水強度等于或小于2.5 mm/h者，可予合并，但不得跨過8時、20時。大于2.5 mm/h則按1h摘錄并記錄時段前后正點時分。

⑥對于產(chǎn)流暴雨應以等時段摘錄為主，并照顧到降雨強度明顯變化的轉(zhuǎn)折點。雨強在0.2 mm/min以上者，摘錄轉(zhuǎn)折點，必要時摘出雨量累計曲線的轉(zhuǎn)折點。

⑦對于自記記錄，首先進行總量的訂正后將誤差分配給每次虹吸處。若無訂正值，可按人工觀測量進行訂正，訂正量大于5 mm的要進行研究。

（3）各時段最大降水量表（1）

1980年前，本表被編為各時段最大降水量表（三），間隔時段為（小時）0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、6.0、9.0、12.0、24.0。1980年后按照以下規(guī)則整編：

①有自記記錄的雨量站，要求編制各時段最大降水量表（1）。

②各分鐘段時最大降水量一律采用1 min或5 min滑動進行挑選，在數(shù)據(jù)整理時，應注意采用1 min或5 min滑動摘錄。

③表中各時段最大降水量值，分別在全年的自記記錄紙上連續(xù)滑動挑選。

④自記雨量計短時間發(fā)生故障，經(jīng)鄰站對照分析插補修正的資料，可參加統(tǒng)計。

⑤挑選出來的數(shù)據(jù)分記兩行，上行為各時段最大降水量，下行為對應時段的開始日期，日期以零時為日分界線。

（4）各時段最大降水量表（2）

1980年之前，本表被編為各時段最大降水量表（四），間隔時段為（分鐘）5、10、15、20、30、45、60、90、120。1980年后按照以下規(guī)則整編：

①無自記記錄、觀測資料不滿足編制各時段最大降水量表（1）的雨量站，要求編制各時段最大降水量表（2）。

②表內(nèi)各小時時段降水量，通過降水量摘錄表或自記紙記錄統(tǒng)計而得。

③凡作此項統(tǒng)計的人工觀測站，均按觀測時段或摘錄時段滑動統(tǒng)計。當有合并摘錄時，應按合并前資料滑動統(tǒng)計。

④按24段觀測或次降水記錄完整的雨量站全部整編此表，統(tǒng)計時段1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h，6個時段最大降水量，各時段最大降水量一律采用1 h滑動進行挑選。按兩段制觀測，次雨量記錄不完整的，不作此項統(tǒng)計。

⑤挑選出來的各時段最大降水量，均應填記其時段開始的日期，日期以零時為日分界。

1.2.2 徑流量

（1）洪水水文要素摘錄表

洪水水文要素摘錄輸出結(jié)果為：時間、流量、含沙量、輸沙率。摘錄原則為：選洪峰流量、洪水總量、含沙量、輸沙量最大的峰，或孤立或連續(xù)的洪峰，汛期開始后的第一個峰，較大的春汛，凌汛的峰，全年挑選4～6次進行摘錄。

（2）逐次洪水測驗成果表

本表記載了各徑流站觀測的最大洪水，各站所取次數(shù)根據(jù)洪水情況而定。一般洪水次數(shù)不少于4～6次，且平水或枯水年份洪水次數(shù)較少時，根據(jù)實測次數(shù)摘錄統(tǒng)計。

①雨量：為對應于該次洪水的流域平均雨量，用算術(shù)平均法求得。

②洪水歷時：一次洪水從開始到結(jié)束時間的總數(shù)，為漲水歷時與落水歷時的總和；漲水歷時：為一次洪水從開始到本次洪水主峰頂?shù)臅r間；落水歷時：為一次洪水從主峰頂?shù)浇Y(jié)束的時間。

③洪水總量：包括基流在內(nèi)。清水系由渾水扣除泥沙體積得出。泥沙比重為2.7 g/cm3。

④洪水輸沙量：洪水輸沙量體積系由其重量除以表土比重得出，表土比重為1.25 g/cm3。

⑤徑流系數(shù)：系洪水總量與降水總量之比值。由于洪水總量包括基流在內(nèi)，故有些洪水的徑流系數(shù)偏大。

（3）逐日平均流量表

日平均流量：平水時期，觀測時距相等時用算術(shù)平均法計算；觀測時距不等、部分時段河干或洪水時期采用面積包圍法計算。數(shù)據(jù)缺測時按直線內(nèi)插得到插值。

月平均流量：該月逐日平均流量之和除以全月天數(shù)。

年平均流量：全年日平均流量總數(shù)除以年總天數(shù)。

年徑流量：由年日平均流量總數(shù)乘以一日秒數(shù)得之。

年徑流模數(shù)：由年平均流量（m3/s）除以集水面積（km2）再乘以1000得之。

年徑流深度：由年徑流量（m3）除以集水面積（km2）再除以1000得之。

1.2.3 泥沙量

（1）逐日平均含沙量表

月平均含沙量：由月平均輸沙率除以月平均流量。

年平均含沙量：由年平均輸沙率除以年平均流量。

（2）逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表

日平均輸沙率：平水期含沙量變化不大，一日取一次水樣者，即以此水樣含沙量為日平均值，乘以日平均流量得日平均輸沙率；一日取幾次水樣者，取樣時距相等，用算術(shù)平均法計算日平均含沙量，再乘以日平均流量得日平均輸沙率；若一日內(nèi)部分時間河干、洪水時期，流量變化較大，則應以各次斷面含沙量乘以相應流量，得出各次輸沙率，再用面積包圍法計算日平均輸沙率。

月平均輸沙率：該月逐日平均輸沙率之和除以全月天數(shù)。

年平均輸沙率：年逐日平均輸沙率總數(shù)除以年總天數(shù)。

年輸沙量：由年逐日平均輸沙率總數(shù)乘以一日秒數(shù)而得之。

年侵蝕模數(shù)：由年輸沙量（t）除以集水面積（km2）得之。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 降水量樣本

降水數(shù)據(jù)主要包含逐日降水量表、降水量摘錄表、各時段最大降水量表。其中雨量筒SM1觀測數(shù)據(jù)時間序列為1954-1958年，2004-2018年，虹吸式自記雨量計DSJ-2數(shù)據(jù)時間序列為1964-1965年，2004-2018年。

（1）逐日降水量表數(shù)據(jù)字段包括日降水量、月（年）降水量、月（年）降水日數(shù)、月（年）最大日降水量、年降水量、一次最大降水量等（如表3）。

表3 1964年溝董莊溝流域雨量站逐日降水量表

（2）降水量摘錄表數(shù)據(jù)字段包含降水時間（月、日），降雨起訖時間（采用24段制）與對應的實測降水量（單位mm）。

（3）各時段最大降水量表

各時段最大降水量表（1）包含字段為時段、最大降雨量、開始月日和站名（如表4）。

表4 各時段最大降水量表（1）

2.2 徑流泥沙樣本

洪水水文要素摘錄表（序列為1954-1965，2005-2018年）數(shù)據(jù)字段為洪水日期（月日時分）、流量、含沙量、輸沙率（如表5）；逐次洪水測驗成果表（序列為1964-1965，2005-2018年）數(shù)據(jù)字段為洪水日期（月日）雨情（雨量、歷時、平均雨強）、洪水總量、洪水歷時、洪水輸沙量、流量，含沙量，單位面積徑流量，徑流系數(shù)，單位面積土壤流失量（如表 6）；逐日流量表（序列為2004-2018年）數(shù)據(jù)字段為時間（月日）平均流量，年平均、最大和最小流量、年徑流量、年徑流模數(shù)、年徑流深（如表7）；逐日平均含沙量表（序列為2005-2018年）字段為時間（月日）、日平均含沙量、月平均含沙量、月最大含沙量年平均含沙量和年最大最小含沙量（如表8）；逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表（序列為2005-2018年）數(shù)據(jù)字段為日平均輸沙率、月平均輸沙率、月最大輸沙率、年輸沙量、年侵蝕模數(shù)、年平均輸沙率和年內(nèi)日最大輸沙率（如表9）。

表5 洪水水文要素摘錄表

表6 逐次洪水測驗成果表

2 7 28-29 61.3 19:3 9 3.1 134.2 5 132.2 0 2:40 20:2 0 23:00 5.53 4.42 0.0076 6 0.0016 2 156 41.2 116.7 115.0 0.19 0.19 4.81…… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …總 計 331.7 4981 4951 80.8 5 64.6 8 4331.2 4305.2 70.30最 大 72.4 13.9 1908 1907 51.2 6 41.0 1 0.0523 5 0.0034 4 526 318 1659.1 1658.0 2.47 2.47 44.57

表7 2005年董莊溝流域測站徑流逐日平均流量表

表8 2005年董莊溝流域徑流站逐日含沙量表

表9 2005年董莊溝流域徑流站平均輸沙率表

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

董莊溝流域降水量、徑流、泥沙資料的采集，均由經(jīng)過培訓的專業(yè)技術(shù)人員按照文中前述觀測方法要求，現(xiàn)場采樣、觀測和記錄數(shù)據(jù)，使用專業(yè)儀器，操作流程規(guī)范，并及時開展數(shù)據(jù)互校及觀測資料初步整編，對異常數(shù)據(jù)進行分析并說明情況。最終按照水利水土保持行業(yè)數(shù)據(jù)處理整編統(tǒng)計技術(shù)規(guī)范要求，進行資料整編，程序為制表、初校（互校）、部門復核、上級分管領(lǐng)導審核。質(zhì)量控制的制度和規(guī)范性文件主要有《水土流失規(guī)律試驗觀測管理辦法和水土保持試驗規(guī)范SL-239-87》[3]及《水土保持試驗規(guī)程SL-419-2007（水土保持試驗規(guī)范修改版）》[4]。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)集在水土保持、氣候氣象等研究方面具有科學價值。首先可以作為降水-徑流-泥沙關(guān)系分析研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。楊家溝流域（治理溝）在黃土高塬水土保持治理方面具有推廣應用價值，結(jié)合董莊溝流域（非治理）觀測數(shù)據(jù)可以計算小流域綜合措施水土保持效益，指導水土保持措施總體設(shè)計。此外，降水數(shù)據(jù)既可以單獨進行降水趨勢（多年時空變化規(guī)律）的分析，也可以依據(jù)科研或設(shè)計需要從中直接選取對應的時段降水進行統(tǒng)計分析，得出需要的降水量特征值。

致 謝

感謝黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站科研人員的貢獻，感謝國家冰川凍土沙漠科學數(shù)據(jù)中心對黃河水利委員會西峰水土保持科學試驗站工作的支持！