1985–2018 年黄土丘陵沟壑区第三副区罗玉沟流域径流泥沙观测数据集

2021-10-13王晨敏玉芳何爱东康建芳赵晓艳张耀南

中国科学数据(中英文网络版) 2021年3期

关键词：输沙含沙量泥沙

王晨，敏玉芳，何爱东，康建芳，赵晓艳，张耀南

1.黄河水利委员会天水水土保持科学试验站，甘肃天水 741000

2.中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000

3.国家冰川冻土沙漠科学数据中心，兰州 730000

引言

径流泥沙是反映水土流失趋势、水沙变化的重要基础指标[1]。从 1954 年开始，黄河水利委员会天水水土保持科学试验站在黄土丘陵沟壑区第三副区的罗玉沟小流域布设了径流控制站，开展径流、泥沙数据的试验观测[2]。

罗玉沟流域位于甘肃省天水市北郊，地理坐标介于东经105°30′–105°45′，北纬34°34′–34°40′，平均海拔为1492.1 m，是渭河一级支流耤河左岸的一条支沟。流域呈狭长形，沟系分布为羽状，总面积72.79 km2，主沟全长21.81 km，平均宽度3.37 km，全流域有大小支沟138 条，沟壑密度2.34 km/km2，水土流失面积47.87 km2，占流域总面积的66%。流域内有坡耕地1955.89 hm2，占总面积的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。流域内年平均降水量531.1 mm，降水在季节上分布不均，主要集中在汛期7–9月，约占年降水量的78%，且多以大雨、暴雨出现。沟道径流以地表径流为主，多为季节性洪沟，旱季无径流，雨季经常暴发山洪。多年平均径流模数30 700 m3/(km2•a)，多年平均侵蚀模数7500 t/km2[2-4]。罗玉沟流域于1983 年被黄河水利委员会列为试点小流域，被甘肃省列为重点综合治理小流域，1985 年开始按照“前后对比”和“大流域套小流域”的布设原则在流域内布设雨量观测点，流域下游出口处建立径流泥沙观测站（如图1 所示），全面观测水土流失变化[2]。

图1 罗玉沟流域径流站布设图

本数据集为罗玉沟流域1985–2018 年时段径流泥沙观数据。罗玉沟沟口径流站断面为自然断面，河道两岸均修建较高的河堤，形成较为规整的梯形断面，并有相应的护砌，测流断面相对稳定，采用浮标法测流等方法获取了水位、流速、含沙量3 个观测指标[5]。通过观测指标计算得到流量、径流量、径流模数、径流深、输沙量、侵蚀模数、单位面积径流量、单位面积冲刷量等数据。本数据资料在水土保持区划、小流域综合治理规划和治理措施配置、水保措施减水减沙效益分析、小流域径流泥沙规律研究等方面得到了广泛应用，并且在交通、城建、防汛等方面起到了很好的实用效果，同时这些资料还在农、林、牧、水等专业的教科书中被采用，具有很高的学术价值，作为水土保持研究的基础资料，为水保科研提供了有效的支撑[1,3-4,6-8]。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集方法

罗玉沟流域沟口径流泥沙观测站观测水位、流速、含沙量3 项指标。各项基础数据采集方法如下[5]：

水位：在罗玉沟小流域测验河段的基本断面上设有水尺，通过读水尺进行水深测量。非汛期长流水或汛期流量较小无法用水尺测水深时，采用人工测量水深。

流速：中小水时用秸秆作浮标进行测流，用测深杆或钢尺测量水深，用皮尺测量岸边距，浮标系数采用0.85，洪水时以捆状秸秆作浮标，采用中泓一点法[5]测流，水深根据洪水前后实测的大断面图，来确定洪水深和起点距，浮标系数采用0.65。投放浮标后，观测每个浮标流经上、下断面的运行历时。当水流很小无法用浮标法测流时，采用接流桶按体积法施测。径流站观测时间，根据水流的变化情况确定。常流水期流量变化不大时一般每天观测1–2 次，洪峰期视水情变化情况增加测次，一般每次洪水不少于5 次，遇到大洪水可适当增加测次，要求能测得各次洪峰、谷和完整的洪水过程。

含沙量：径流站取样与测流同步进行，取样次数与测流次数相同，洪峰前后加密测流5 至7 个点，提取的水样需要沉淀24 小时后，采用置换法处理水样（瓶加浑水称重的同时量取水温）。

1.2 数据处理公式

（1）流量计算

流量采用下式计算:

其中：Q—流量（m3/s）；V—流速（m/s）；F—过水断面面积（m2）。

式（1）中的流速按下式计算：

其中：K—浮标系数（取0.85 或0.65）；V虚—为用浮标法测得的水面虚流速，即：

式中：V虚—虚流速（m/s）；L—浮标上、下断面间距（m）；S—浮标流经上、下断面所用时间（s）。

（2）悬移质泥沙处理

采用置换法处理悬移质泥沙，使用通过检定的比重瓶容量为250 ml、500 ml、和1000ml，称重使用分度值为1/1000g 的天平。泥沙重量按下式计算：

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—同温度下瓶加清水重（g）。

（3）含沙量计算

含沙量是指单位体积浑水所含干沙的质量。按下式计算：

式中：ρ—实测含沙量（kg/m3）；V—水样体积（cm3）；Ws—泥沙重量（g）。

（4）悬移质输沙率

悬移质输沙率是指单位时间内通过某一河道断面悬移质的沙量。某时悬移质输沙率等于该时断面流量乘以断面含沙量。

1.3 数据成果介绍

以流域沟口径流泥沙观测站实测数据为基础，通过对基础数据处理计算得到罗玉沟沟口径流泥沙的流量、逐日平均流量、逐日平均含沙量、径流量、径流模数、径流深、输沙量、侵蚀模数、单位面积径流量、单位面积冲刷量等数据，并整编形成逐日平均流量表、逐日平均含沙量表、逐日平均悬移质输沙率表、实测流量成果表、洪水水文要素摘录表、逐次洪水测验成果表。

1.3.1 逐日平均流量表

日平均流量：平水时期，每日观测时距相等时，可用算术平均法计算；观测时距不等或部分时段河干时，采用面积包围法计算。洪水时期采用面积包围法计算。数据缺测时按直线内插得到插值。

月平均流量：该月逐日平均流量之和除以全月天数。

年平均流量：年总数除以年总天数。

年径流量：由年总数乘以一日秒数（86400）而得。

年径流模数：由年平均流量（m3/s）除以集水面积（km2）再乘以1000 得之。

径流深度：年径流量（m3）除以集水面积（km2）再除以1000。

1.3.2 逐日平均含沙量表

日平均含沙量：平水时期含沙量变化不大，一日取一次水样，即以此水样含沙量为日平均值；一日取几次水样时，取样时距相等，用算术平均法计算；一日内部分时间河干或洪水期，其日平均值采用流量加权法，即先算出日平均悬移质输沙率，而后用日平均悬移质输沙率除以日平均流量得出日平均含沙量值。

月平均含沙量：由月平均悬移质输沙率除以月平均流量。

1.3.3 逐日平均悬移质输沙率表

日平均悬移质输沙率：平水期含沙量变化不大，一日取一次水样者，即以此水样含沙量为日平均值，乘以日平均流量得日平均悬移质输沙率；一日取几次水样者，取样时距相等，用算术平均法计算日平均含沙量，再乘以日平均流量得日平均悬移质输沙率；若一日内部分时间河干或洪水时期流量变化较大，则应以各次断面含沙量乘以相应流量，得出各次悬移质输沙率，再用面积包围法计算日平均悬移质输沙率。

月平均悬移质输沙率：该月逐日平均悬移质输沙率之和除以全月天数。

年平均悬移质输沙率：年总数除以年总天数。

年输沙量：由年总数乘以一日秒数（86400）而得。

年侵蚀模数：由年输沙量（t）除以集水面积（km2）。

1.3.5 洪水水文要素摘录表

在原始记录及洪峰流量、输沙量计算表中摘录流量、含沙量、输沙率的全过程。摘录时选洪峰流量最大、总量最大、含沙量、输沙率最大的峰、孤立或连续的洪峰，汛期开始后的第一个峰，全年挑选5–7 次进行摘录，洪水次数较多或个别枯水年份挑选摘录次数视情况可适当增加或减少，根据实测情况摘录统计，部分含基流未计起涨历时的洪水的起涨时刻为该次洪水相邻基流的实测时刻，其流量和含沙量为该时刻相对应的实测值。

1.3.6 逐次洪水测验成果表

记载径流站观测的逐次较大洪水，与洪水水文要素摘录表挑选的次数对应。

雨情：包括雨量、历时和平均强度。雨量为流域平均雨量，即为对应于该次洪水的全部雨量；历时为该次洪水对应雨量的降水总历时（扣除间歇时间），用算术平均法计算平均历时；平均强度为雨量与总历时之比。

洪水总量：一次洪水的实测总量，包括基流在内。清水总量由浑水总量扣除泥沙体积得出。泥沙比重为2.67 g/cm3。

洪水历时：涨水、落水、合计以最高洪峰为分界。

洪水输沙量：一次洪水输沙的总量（t）；洪水输沙量体积（m3）由其重量除以表土比重1.5 g/cm3。

流量：“最大流量”为出现在峰顶的最大瞬时流量。平均流量按面积包围法计算。

含沙量：“最大含沙量”为该次洪水实测的断面最大含沙量。平均含沙量等于洪水平均悬移质输沙率除以洪水平均流量。

单位面积径流量：单位面积浑水（清水）径流量是由浑水量（清水量）除以流域面积而得。

径流系数（浑水、清水）：洪水总量（浑水、清水）与降水总量之比值。洪水总量包括基流在内。

单位面积冲刷量：洪水输沙量除以流域面积。

2 数据样本描述

罗玉沟流域径流泥沙数据集有6 个部分组成：（1）逐日平均流量表；（2）逐日平均含沙量表；（3）逐日平均悬移质输沙率表；（4）洪水水文要素摘录表；（5）实测流量成果表；6）逐次洪水测验成果表。样例见表1–6，数据格式为xlsx。

表1 2006 年罗玉沟流域沟口径流站逐日平均悬移质输沙率表

表2 2006 年罗玉沟流域沟口径流站逐日平均含沙量表单位：kg/m3

表3 2006 年罗玉沟流域沟口径流站逐日平均悬移质输沙率表

表4 2006 年罗玉沟流域沟口径流站洪水水文要素摘录表

表5 2006 年罗玉沟流域沟口径流站实测流量成果表

表6 2006 年罗玉沟流域沟口径流站逐次洪水测验成果表

3 数据质量控制和评估

依据《水土保持径流泥沙测验及资料整编须知》（黄河水利委员会水土保持处，1988 年）的要求，参考《水文资料整编规范》（SL247-2012）的规定[9]，对数据资料按照在站整编、整编、审查、复审的流程进行质量控制，达到了观测数据集中“一般错误的错误率不超过1/2000，最后一遍校对所发现错误的错误率应小于1/10000”的要求，确保了资料的准确可靠。观测成果数据质量控制流程见图2。