1954–2018 年黄土高塬沟壑区南小河沟流域径流泥沙观测数据集

2021-10-13罗丽芳张耀南赵彦博敏玉芳李红星闫璐瑶

中国科学数据(中英文网络版) 2021年3期

关键词：输沙含沙量水样

罗丽芳，张耀南，赵彦博*，敏玉芳，李红星，闫璐瑶

1.黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站，甘肃庆阳 745000

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

南小河沟流域地处甘肃省庆阳市西峰区境内的董志塬边缘地带，是泾河支流蒲河左岸一支沟，地理位置东经107°30′03″–107°37′26″，北纬35°40′51″–35°44′55″，流域面积38.93 km2，海拔高程1050–1423 m，相对高差373 m。地貌主要有塬、坡、沟三大单元，具有典型的黄土高塬沟壑区地貌特征。沟道发育，以主沟道为框架，支毛沟纵横交错，地形支离破碎，沟壑密度2.68 km/km2，沟道平均比降2.8%。流域内地质构造较为单一，地表基本为黄土覆盖。塬面和坡面表层为马兰黄土，土质疏松，透水性强、湿陷性大，垂直节理明显。表层马兰黄土下部依次为离石黄土、午城黄土、红粘土，其含粘量、容重及不透水性由上而下依次增大。流域内滑坡、崩塌、红土泻溜、泥石流等重力侵蚀主要分布于沟谷地段。

十八亩台径流站地处东经107°32′46″，北纬35°42′47″，始建于1954 年，位于南小河沟流域下游十八亩台坝泄水涵洞出口下部，是南小河沟流域的把口站，控制集水面积 32.78 km2，同时设有蒸发观测站和雨量站，如图1 所示。本数据集为1954–2018 年十八亩台站径流泥沙观测数据集，可用于研究该流域不同治理阶段径流泥沙产生规律，并为防治水土流失和进行流域综合治理提供科学数据和实践经验。

图1 十八亩台径流站位置图

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集方法

根据南小河沟流域水土流失特性和河段水流特性，十八亩台径流站测流断面采用巴歇尔量水槽，规格尺寸为喉道宽1.5 m，进水段坡1:5，出水段反坡6:1，喉道两侧平行墙与顺水流成0.375 坡度的底，槽身为1:3，钢筋混凝土结构，测流断面全部为人工断面，试验观测断面上部为土坝泄洪洞，示意图见图2。

图2 巴歇尔量水槽示意图

（1）径流站水位

巴歇尔量水槽在堰槽喉道中部设置水尺，以能控制观测中出现的最高洪水位，观测时读取水深，非汛期基流采用2 段制，即8 时、20 时各观测一次；汛期基流采用4 段制，即8 时、14 时、20 时、2 时各观测一次，汛期时段5–9 月；汛期、非汛期洪水观测相同，洪水期或者水位变化急剧时期，在控制起涨、峰顶、落平和其它水位涨落重要转折点水位的前提下，大致按水位变化均匀布设测次，峰顶附近不少于3 次，一般单峰不少于11 次，落平后30 分钟到1 小时观测一次，要求能测得各次峰、谷和完整的水位变化过程。

（2）流量

按照《水文测验暂行规范》（量水堰测验部分）附表套用水位流量计算公式，由观测水位推算流量。

式中Q为流量，单位为m3/s；H：水深（水位），单位为m。

在资料整编时段内，十八亩台巴歇尔量水槽上游水力条件无变化，下游沟道洪水时有轻微淤积，经清淤处理，继续运用原水位流量公式测流。

（3）泥沙

黄土高塬沟壑区河道属典型的北方河流，河流水流湍急，断面含沙量分布比较均匀，用单位水样含沙量代替断面平均含沙量。采样在测桥作业，取沙采用中泓一点法取沙，平常取沙次数与观测水位次数基本相同，洪水期取沙次数以能控制住含沙量变化过程为原则，水沙峰不一致、含沙量变化剧烈时，测次需适当增加。一般在测流断面采取沙样，用横式采样器取样。

（4）悬移质泥沙

采用置换法处理沙样。使用500ml 或1000ml 的比重瓶，用精度1/1000g 天平，最小沙重不小于1.0g。

（5）含沙量

按下式计算实测含沙量：

式中ρ为实测含沙量，单位为kg/m3；V为水样容积，单位为cm3；Ws为水样中干沙重，单位为g。

1.2 数据处理

基于人工实测获得原始数据，依据原黄河水利委员会水土保持处1988 年编制的《水土保持径流泥沙测验及资料整编须知》（试行稿）进行整编。

（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：全年日平均流量总数除以年总天数。

年径流量：由年总数（年日平均流量之和）乘以一日秒数而得。

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。

逐日平均流量表中，若连续多日出现同一观测现象，则第一次用规定的观测符号，以后的用重复符号表识。

（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，一日取一次水样者，即以此水样含沙量为日平均值；一日取几次水样者，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，即先算出日平均输沙率，而后用日平均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：由月平均输沙率除以月平均流量。

年平均含沙量：由年平均输沙率除以年平均流量。

（3）逐日平均悬移质输沙率表

日平均输沙率：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输沙率；若一日内部分时间河干、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，得出各次输沙率，再用面积包围法计算日平均输沙率。

月平均输沙率：该月逐日平均输沙率之和除以全月天数。

年平均输沙率：年逐日平均输沙率总数除以年总天数。

年输沙量：由年逐日平均输沙率总数乘以一日秒数而得。

年侵蚀模数：由年输沙量（t）除以集水面积（km²）。

（4）洪水水文要素摘录表

选较大暴雨洪水摘录其水位、流量、含沙量的全部过程。摘录洪水原则：可选洪峰流量、洪水总量、含沙量、输沙量最大的峰；或孤立、连续的洪峰；汛期开始后的第一个峰；较大的春汛、凌汛的峰；全年挑选4–6 次进行摘录。

（5）逐次洪水测验成果表

本表记载了径流站观测的最大洪水，所取次数根据洪水情况而定。一般洪水次数不少于4～6 次，且平水或枯水年份洪水次数较少时，根据实测次数摘录统计。

1）雨量：为对应于该次洪水的流域平均雨量，用算术平均法求得。

2）洪水历时：一次洪水从开始到结束时间的总数，为涨水历时与落水历时的总和；涨水历时：为一次洪水从开始到本次洪水主峰顶的时间；落水历时：为一次洪水从主峰顶到结束的时间。

3）洪水总量：包括基流在内。清水系由浑水扣除泥沙体积得出。泥沙比重为2.7 g/cm3。

4）洪水输沙量：洪水输沙量体积系由其重量除以表土比重得出，表土比重为1.25 g/cm3。

5）径流系数：系洪水总量与降水总量之比值。由于洪水总量包括基流在内，故有些洪水的径流系数偏大。

2 数据样本描述

南小河沟流域径流泥沙观测数据集基本按照10 年跨度共组织数据集5 个，分别是1954–1980年、1981–1990 年、1991–2000 年、2001–2010 年、2011–2018 年。每个数据集包括5 个数据文件，分别是逐日平均流量表、逐日平均含沙量表、逐日平均输沙率表、洪水水文要素摘录表、逐次洪水测验成果表，数据量共计9.33 MB。以下以2017 年部分数据为例介绍各数据样本。

（1）逐日平均流量表

逐日平均输沙率表数据样本中包括日平均含沙量（悬移质）、月平均含沙量（悬移质）、月最大（小）含沙量（悬移质）、月最大（小）含沙量（悬移质）、年平均流量、年平输沙率、年平均含沙量、年最大（小）断面平均含沙量年。详见表1。