1985–2018 年黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)羅玉溝流域徑流泥沙觀測(cè)數(shù)據(jù)集

王晨，敏玉芳，何愛(ài)東，康建芳，趙曉艷，張耀南

1.黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站，甘肅天水 741000

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

3.國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心，蘭州 730000

引 言

徑流泥沙是反映水土流失趨勢(shì)、水沙變化的重要基礎(chǔ)指標(biāo)[1]。從 1954 年開(kāi)始，黃河水利委員會(huì)天水水土保持科學(xué)試驗(yàn)站在黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)的羅玉溝小流域布設(shè)了徑流控制站，開(kāi)展徑流、泥沙數(shù)據(jù)的試驗(yàn)觀測(cè)[2]。

羅玉溝流域位于甘肅省天水市北郊，地理坐標(biāo)介于東經(jīng)105°30′–105°45′，北緯34°34′–34°40′，平均海拔為1492.1 m，是渭河一級(jí)支流耤河左岸的一條支溝。流域呈狹長(zhǎng)形，溝系分布為羽狀，總面積72.79 km2，主溝全長(zhǎng)21.81 km，平均寬度3.37 km，全流域有大小支溝138 條，溝壑密度2.34 km/km2，水土流失面積47.87 km2，占流域總面積的66%。流域內(nèi)有坡耕地1955.89 hm2，占總面積的26.87%，其中15–25°的坡地585.98 hm2，占29.96%；大于25°的坡地 214.95 hm2，占10.99%；35°以上的坡地很少。流域內(nèi)年平均降水量531.1 mm，降水在季節(jié)上分布不均，主要集中在汛期7–9月，約占年降水量的78%，且多以大雨、暴雨出現(xiàn)。溝道徑流以地表徑流為主，多為季節(jié)性洪溝，旱季無(wú)徑流，雨季經(jīng)常暴發(fā)山洪。多年平均徑流模數(shù)30 700 m3/(km2?a)，多年平均侵蝕模數(shù)7500 t/km2[2-4]。羅玉溝流域于1983 年被黃河水利委員會(huì)列為試點(diǎn)小流域，被甘肅省列為重點(diǎn)綜合治理小流域，1985 年開(kāi)始按照“前后對(duì)比”和“大流域套小流域”的布設(shè)原則在流域內(nèi)布設(shè)雨量觀測(cè)點(diǎn)，流域下游出口處建立徑流泥沙觀測(cè)站（如圖1 所示），全面觀測(cè)水土流失變化[2]。

圖1 羅玉溝流域徑流站布設(shè)圖

本數(shù)據(jù)集為羅玉溝流域1985–2018 年時(shí)段徑流泥沙觀數(shù)據(jù)。羅玉溝溝口徑流站斷面為自然斷面，河道兩岸均修建較高的河堤，形成較為規(guī)整的梯形斷面，并有相應(yīng)的護(hù)砌，測(cè)流斷面相對(duì)穩(wěn)定，采用浮標(biāo)法測(cè)流等方法獲取了水位、流速、含沙量3 個(gè)觀測(cè)指標(biāo)[5]。通過(guò)觀測(cè)指標(biāo)計(jì)算得到流量、徑流量、徑流模數(shù)、徑流深、輸沙量、侵蝕模數(shù)、單位面積徑流量、單位面積沖刷量等數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)資料在水土保持區(qū)劃、小流域綜合治理規(guī)劃和治理措施配置、水保措施減水減沙效益分析、小流域徑流泥沙規(guī)律研究等方面得到了廣泛應(yīng)用，并且在交通、城建、防汛等方面起到了很好的實(shí)用效果，同時(shí)這些資料還在農(nóng)、林、牧、水等專業(yè)的教科書中被采用，具有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，作為水土保持研究的基礎(chǔ)資料，為水?？蒲刑峁┝擞行У闹蝃1,3-4,6-8]。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

羅玉溝流域溝口徑流泥沙觀測(cè)站觀測(cè)水位、流速、含沙量3 項(xiàng)指標(biāo)。各項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集方法如下[5]：

水位：在羅玉溝小流域測(cè)驗(yàn)河段的基本斷面上設(shè)有水尺，通過(guò)讀水尺進(jìn)行水深測(cè)量。非汛期長(zhǎng)流水或汛期流量較小無(wú)法用水尺測(cè)水深時(shí)，采用人工測(cè)量水深。

流速：中小水時(shí)用秸稈作浮標(biāo)進(jìn)行測(cè)流，用測(cè)深桿或鋼尺測(cè)量水深，用皮尺測(cè)量岸邊距，浮標(biāo)系數(shù)采用0.85，洪水時(shí)以捆狀秸稈作浮標(biāo)，采用中泓一點(diǎn)法[5]測(cè)流，水深根據(jù)洪水前后實(shí)測(cè)的大斷面圖，來(lái)確定洪水深和起點(diǎn)距，浮標(biāo)系數(shù)采用0.65。投放浮標(biāo)后，觀測(cè)每個(gè)浮標(biāo)流經(jīng)上、下斷面的運(yùn)行歷時(shí)。當(dāng)水流很小無(wú)法用浮標(biāo)法測(cè)流時(shí)，采用接流桶按體積法施測(cè)。徑流站觀測(cè)時(shí)間，根據(jù)水流的變化情況確定。常流水期流量變化不大時(shí)一般每天觀測(cè)1–2 次，洪峰期視水情變化情況增加測(cè)次，一般每次洪水不少于5 次，遇到大洪水可適當(dāng)增加測(cè)次，要求能測(cè)得各次洪峰、谷和完整的洪水過(guò)程。

含沙量：徑流站取樣與測(cè)流同步進(jìn)行，取樣次數(shù)與測(cè)流次數(shù)相同，洪峰前后加密測(cè)流5 至7 個(gè)點(diǎn)，提取的水樣需要沉淀24 小時(shí)后，采用置換法處理水樣（瓶加渾水稱重的同時(shí)量取水溫）。

1.2 數(shù)據(jù)處理公式

（1）流量計(jì)算

流量采用下式計(jì)算:

其中：Q—流量（m3/s）；V—流速（m/s）；F—過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）。

式（1）中的流速按下式計(jì)算：

其中：K—浮標(biāo)系數(shù)（取0.85 或0.65）；V虛—為用浮標(biāo)法測(cè)得的水面虛流速，即：

式中：V虛—虛流速（m/s）；L—浮標(biāo)上、下斷面間距（m）；S—浮標(biāo)流經(jīng)上、下斷面所用時(shí)間（s）。

（2）懸移質(zhì)泥沙處理

采用置換法處理懸移質(zhì)泥沙，使用通過(guò)檢定的比重瓶容量為250 ml、500 ml、和1000ml，稱重使用分度值為1/1000g 的天平。泥沙重量按下式計(jì)算：

式中：Ws—泥沙重量（g）；ρs—泥沙密度（g/cm3）；ρw—清水密度（g/cm3）；Wws—瓶加清水重（g）；Ww—同溫度下瓶加清水重（g）。

（3）含沙量計(jì)算

含沙量是指單位體積渾水所含干沙的質(zhì)量。按下式計(jì)算：

式中：ρ—實(shí)測(cè)含沙量（kg/m3）；V—水樣體積（cm3）；Ws—泥沙重量（g）。

（4）懸移質(zhì)輸沙率

懸移質(zhì)輸沙率是指單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一河道斷面懸移質(zhì)的沙量。某時(shí)懸移質(zhì)輸沙率等于該時(shí)斷面流量乘以斷面含沙量。

1.3 數(shù)據(jù)成果介紹

以流域溝口徑流泥沙觀測(cè)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到羅玉溝溝口徑流泥沙的流量、逐日平均流量、逐日平均含沙量、徑流量、徑流模數(shù)、徑流深、輸沙量、侵蝕模數(shù)、單位面積徑流量、單位面積沖刷量等數(shù)據(jù)，并整編形成逐日平均流量表、逐日平均含沙量表、逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表、實(shí)測(cè)流量成果表、洪水水文要素摘錄表、逐次洪水測(cè)驗(yàn)成果表。

1.3.1 逐日平均流量表

日平均流量：平水時(shí)期，每日觀測(cè)時(shí)距相等時(shí)，可用算術(shù)平均法計(jì)算；觀測(cè)時(shí)距不等或部分時(shí)段河干時(shí)，采用面積包圍法計(jì)算。洪水時(shí)期采用面積包圍法計(jì)算。數(shù)據(jù)缺測(cè)時(shí)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：年總數(shù)除以年總天數(shù)。

年徑流量：由年總數(shù)乘以一日秒數(shù)（86400）而得。

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。

徑流深度：年徑流量（m3）除以集水面積（km2）再除以1000。

1.3.2 逐日平均含沙量表

日平均含沙量：平水時(shí)期含沙量變化不大，一日取一次水樣，即以此水樣含沙量為日平均值；一日取幾次水樣時(shí)，取樣時(shí)距相等，用算術(shù)平均法計(jì)算；一日內(nèi)部分時(shí)間河干或洪水期，其日平均值采用流量加權(quán)法，即先算出日平均懸移質(zhì)輸沙率，而后用日平均懸移質(zhì)輸沙率除以日平均流量得出日平均含沙量值。

月平均含沙量：由月平均懸移質(zhì)輸沙率除以月平均流量。

1.3.3 逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表

日平均懸移質(zhì)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懸移質(zhì)輸沙率；一日取幾次水樣者，取樣時(shí)距相等，用算術(shù)平均法計(jì)算日平均含沙量，再乘以日平均流量得日平均懸移質(zhì)輸沙率；若一日內(nèi)部分時(shí)間河干或洪水時(shí)期流量變化較大，則應(yīng)以各次斷面含沙量乘以相應(yīng)流量，得出各次懸移質(zhì)輸沙率，再用面積包圍法計(jì)算日平均懸移質(zhì)輸沙率。

月平均懸移質(zhì)輸沙率：該月逐日平均懸移質(zhì)輸沙率之和除以全月天數(shù)。

年平均懸移質(zhì)輸沙率：年總數(shù)除以年總天數(shù)。

年輸沙量：由年總數(shù)乘以一日秒數(shù)（86400）而得。

年侵蝕模數(shù)：由年輸沙量（t）除以集水面積（km2）。

1.3.5 洪水水文要素摘錄表

在原始記錄及洪峰流量、輸沙量計(jì)算表中摘錄流量、含沙量、輸沙率的全過(guò)程。摘錄時(shí)選洪峰流量最大、總量最大、含沙量、輸沙率最大的峰、孤立或連續(xù)的洪峰，汛期開(kāi)始后的第一個(gè)峰，全年挑選5–7 次進(jìn)行摘錄，洪水次數(shù)較多或個(gè)別枯水年份挑選摘錄次數(shù)視情況可適當(dāng)增加或減少，根據(jù)實(shí)測(cè)情況摘錄統(tǒng)計(jì)，部分含基流未計(jì)起漲歷時(shí)的洪水的起漲時(shí)刻為該次洪水相鄰基流的實(shí)測(cè)時(shí)刻，其流量和含沙量為該時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值。

1.3.6 逐次洪水測(cè)驗(yàn)成果表

記載徑流站觀測(cè)的逐次較大洪水，與洪水水文要素摘錄表挑選的次數(shù)對(duì)應(yīng)。

雨情：包括雨量、歷時(shí)和平均強(qiáng)度。雨量為流域平均雨量，即為對(duì)應(yīng)于該次洪水的全部雨量；歷時(shí)為該次洪水對(duì)應(yīng)雨量的降水總歷時(shí)（扣除間歇時(shí)間），用算術(shù)平均法計(jì)算平均歷時(shí)；平均強(qiáng)度為雨量與總歷時(shí)之比。

洪水總量：一次洪水的實(shí)測(cè)總量，包括基流在內(nèi)。清水總量由渾水總量扣除泥沙體積得出。泥沙比重為2.67 g/cm3。

洪水歷時(shí)：漲水、落水、合計(jì)以最高洪峰為分界。

洪水輸沙量：一次洪水輸沙的總量（t）；洪水輸沙量體積（m3）由其重量除以表土比重1.5 g/cm3。

流量：“最大流量”為出現(xiàn)在峰頂?shù)淖畲笏矔r(shí)流量。平均流量按面積包圍法計(jì)算。

含沙量：“最大含沙量”為該次洪水實(shí)測(cè)的斷面最大含沙量。平均含沙量等于洪水平均懸移質(zhì)輸沙率除以洪水平均流量。

單位面積徑流量：?jiǎn)挝幻娣e渾水（清水）徑流量是由渾水量（清水量）除以流域面積而得。

徑流系數(shù)（渾水、清水）：洪水總量（渾水、清水）與降水總量之比值。洪水總量包括基流在內(nèi)。

單位面積沖刷量：洪水輸沙量除以流域面積。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

羅玉溝流域徑流泥沙數(shù)據(jù)集有6 個(gè)部分組成：（1）逐日平均流量表；（2）逐日平均含沙量表；（3）逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表；（4）洪水水文要素摘錄表；（5）實(shí)測(cè)流量成果表；6）逐次洪水測(cè)驗(yàn)成果表。樣例見(jiàn)表1–6，數(shù)據(jù)格式為xlsx。

表1 2006 年羅玉溝流域溝口徑流站逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表

表2 2006 年羅玉溝流域溝口徑流站逐日平均含沙量表 單位：kg/m3

表3 2006 年羅玉溝流域溝口徑流站逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表

表4 2006 年羅玉溝流域溝口徑流站洪水水文要素摘錄表

表5 2006 年羅玉溝流域溝口徑流站實(shí)測(cè)流量成果表

表6 2006 年羅玉溝流域溝口徑流站逐次洪水測(cè)驗(yàn)成果表

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

依據(jù)《水土保持徑流泥沙測(cè)驗(yàn)及資料整編須知》（黃河水利委員會(huì)水土保持處，1988 年）的要求，參考《水文資料整編規(guī)范》（SL247-2012）的規(guī)定[9]，對(duì)數(shù)據(jù)資料按照在站整編、整編、審查、復(fù)審的流程進(jìn)行質(zhì)量控制，達(dá)到了觀測(cè)數(shù)據(jù)集中“一般錯(cuò)誤的錯(cuò)誤率不超過(guò)1/2000，最后一遍校對(duì)所發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的錯(cuò)誤率應(yīng)小于1/10000”的要求，確保了資料的準(zhǔn)確可靠。觀測(cè)成果數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程見(jiàn)圖2。

圖2 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制流程

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集提供了1985–2018 年黃土丘陵區(qū)第三副區(qū)羅玉溝流域徑流泥沙觀測(cè)整編數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集通過(guò)國(guó)家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心和國(guó)家特殊環(huán)境、特殊功能觀測(cè)研究臺(tái)站共享服務(wù)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)下載服務(wù)。本數(shù)據(jù)集可以作為探索黃土丘陵溝壑區(qū)第三副區(qū)水土流失規(guī)律的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。