1954–2018 年黄土高塬沟壑区南小河沟流域径流场数据集

邱子恒，闵惠娟 ，李红星，袁静，常瑞丽，张耀南

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

水土流失作为一个全球性生态环境问题，一直受到人们的关注。国内外研究者在土壤侵蚀机理、水土流失过程模拟及治理对策等方面都已经取得了很多成果[1-7]。而基于径流场的坡面径流场观测数据对坡地和小流域水土流失机理定量和模拟研究提供了重要数据支撑[8-12]。通过在气象特征、地形地貌、地表覆被、土壤类型等方面具有代表性的天然坡面上配置量水堰、径流池等功能性建筑，开展自然集流区径流量、土壤流失量及其他相关因子观测，从而实现对坡面水土流失规律定量研究的目的。虽然径流场方法是水土流失研究的传统手段，但是由于受布设条件及观测项目持续时间等多方面限制，质量良好、时间序列长的径流场观测数据仍然很稀缺[13]。

黄土高塬沟壑区生态环境脆弱，土壤侵蚀以水力和重力侵蚀为主，是我国水土流失最严重的地区之一[14-17]。为了探索该区域径流泥沙来源及水土流失规律并开展预测防治研究，黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站自1954 年在黄土高塬沟壑区典型流域南小河沟开展了水土流失径流场观测试验[15,18]。获取了不同微地形、不同坡度、不同土地覆盖类型和不同治理措施径流场的径流泥沙长期观测数据，并配套观测了土壤含水率数据。本数据集包含了南小河沟流域1954–2018 年间154个径流场观测的径流泥沙数据及土壤含水率观测数据，具有野外实地观测、观测周期长、区域代表性强的特点，能够为研究单因子及复合因子水土流失情况规律及不同治理措施的效益，为建立符合区域地区特点的水土流失模型提供长期系列观测数据，为水土流失综合治理规划提供科学数据依据。

1 数据采集和处理方法

1.1 径流场布设

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的一级支沟，位于东经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。流域内主要有塬、坡、沟三大地貌单元，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%，具有典型的黄土高塬沟壑区地貌特征。地质构造较为单一，地表基本为黄土覆盖，水土流失严重。

依据大流域套小流域、小流域套径流场、综合套单项的试验研究指导思想，在南小河沟流域及其内部小流域先后布设径流场和测站，进行径流泥沙观测。其中董庄沟（董）布设径流场24 个，杨家沟（杨）9 个，长青山（长）17 个、魏家山（魏）12 个、范家山14 个、马家集（马）5 个、下马山（下）12 个、羊崖队（羊）14 个、花果山（花）3 个、叶家坡（叶）7 个、张塔山2 个（张塔山位于长青山下方，二者在同一座山头）、李家台（李）1 个、北塬（北）12 个、南塬（南）2 个、银堂寺（银）2 个、主二沟1 个、瓜子沟（瓜）1 个和湫沟16 个，具体分布见图1，现场情况见图2。径流场命名有两种规则，优先使用的是试验因子首字母缩写加编号，如全1（全坡面）、标1（标准小区）、LD41（裸地）、HJ11（混交），其次是地名首字加编号，如董19。需要说明的是湫沟开展平行对比试验，故径流场编号第一位代表不同试验因子，第二位为平行观测场编号。根据试验目的径流场试验因子分为微地形因子、坡度因子、水土保持措施因子、土地利用因子4 类，具体因子设置见表1。土壤含水率取样点位于径流场的隔离带内，未对径流场地表造成破坏。径流场的设置及采样观测根据不同时期水土保持和试验研究工作的需要有所增减。

图1 南小河沟径流场分布图

图2.林地径流场（左）和不同坡度径流场（右）现场情况

表1 南小河沟流域径流场试验布设情况表

1.2 数据采集项目及处理方法

1.2.1 降雨观测

径流场雨量观测有条件的设专用雨量站，条件不具备的借用临近距离不超过100 m 的雨量站的资料，如长青山、魏家台、北源等均借用杨家沟雨量站资料。雨量观测仪器分两种，一是口径20 厘米的标准SM1 型雨量器，按两段制进行全年观测；其次是DSJ-2 型虹吸式自记雨量计，进行汛期观测。

1.2.2 径流监测

每个径流场配置汇流槽、导流管、分水箱、集流桶（池）等观测设施。汇流槽为集流设施，位于小区下沿（底端），垂直于径流流向，汇集径流和泥沙进入集流设备。导流管为汇流槽与集流设备或集流设备之间的连接管，以输导收集的径流和泥沙。分水箱一般容积较小，由镀锌铁皮或薄钢板制成圆柱体或长方体，并设若干分流孔，顶部加设盖板。集流桶（池）：用以收集导流管输导下来的全部径流量和泥沙，是集流设备的最末端，由桶体、及其进水孔和排水孔组成。集流桶可用镀锌铁皮或薄钢板制成，集流池用砖（石）砌成，底部装有排泄阀门（或孔口），顶部加设盖板。集流桶（池）要求水平放置，保证能够均匀测量水深，排水孔密封不漏水。

当经过一次能够产生径流的降水后，小区内产生径流，径流经汇流槽汇集后流经导流管。若有分水箱，则先流入分水箱中，待分水箱集满后流入集流桶（池）内；若无分水箱，则直接流入集流桶（池），如图3 测量现场所示。产流结束后，人工测量集流桶（池）水深，根据事先确定的水位-容积曲线推求径流总量。量水设备有分水箱时，要用分水系数和分水量推求径流总量。当分流一次时，径流总量=分水量×分水系数+分水容积；当分流数次时，可依次从最后的分水量逐级推求，即径流总量=分水量×分水系数1×分水系数2×…×分水系数3+分水容积。

图3 集流池水深测量现场

1.2.3 泥沙监测

在降水结束、径流终止后立即观测，首先将集流槽中泥、水扫入集流桶（池）中，然后搅拌均匀，在箱（池）中采取柱状水样2–3 个（总量在1000–3000 cm3），混合后从中取出500–1000 cm3水样，作为本次冲刷标准样。若有分流箱时，应分别取样，各自计算。

全部采用置换法（比重瓶法）测定，方法与径流站沙样处理方法一致。

1.2.4 土壤含水率观测

径流场土壤含水率观测时间为1954–2018 年，其中1966–1976 年、1988 年无观测数据。观测间隔一般是10 天，即每月1 日、11 日、21 日取样，在发生径流的径流场，必须加测雨后的土壤含水率。取样地段位于径流场保护带内，用土钻（或者洛阳铲）按代表深度分层取样。不同年份不同径流场的取样深度基本一致，为0–10 cm、10–20 cm、20–40 cm、40–60 cm、60–80 cm、80–100 cm 共6 层，每层取样两个或一个，进行平行观测，取均值为该层土壤含水率。

1.3 数据编制说明

1.3.1 径流场逐次径流泥沙测验成果表

降水次序、降水起讫时间、历时（净历时）、全次（降水量）从径流场专用或借用的雨量站降雨资料中摘录。

径流期降雨观测：径流过程的测记。

降水强度：全次（降水量）/历时。

最大强度：从洪水过程中的几次降水中最大的雨量/该次历时。

径流：历时（min）指径流开始、结束期间的时间。

浑水深=径流量/径流场面积。

清水深=清水径流量/径流场面积。

径流系数：每年逐次径流深与该次总降雨量的比值。

含沙量：单位体积水体所含泥沙的量。

冲刷量：含沙量单位换算。

雨前土壤含水量：距离本次产流最近时间观测的土壤含水量。

被覆度：产流后加测一次植被覆盖度。

1.3.2 径流场土壤含水率实测成果表

场号：取样的径流场编号。

测次：全年进行编号。

取样时间：土样取样时间，从原始观测记录中摘录。

测点土壤含水率：土壤含水率测定采用重差法获取，土样在烘干前后分别称重。计算方法为（土壤湿重−干重）/土壤干重。

垂线土壤平均含水率：各层测点土壤含水率的算术平均值。

两测次间降水量：两次土壤含水率测取之间的降水总量。

2 数据样本描述

本数据集主要包括径流场基本情况表、1954–2018 年逐次径流泥沙测验成果统计表及土壤含水率实测成果表，共有3 个文件，共计数据量15.9 MB。以2016 年湫沟径流场为例，给出该年部分数据作为示例，详见表2–4。

表2 径流场基本情况表

表3 2016 年湫沟径流场LD11 径流小区逐次径流泥沙测验成果统计表

表4 2016 年湫沟径流场LD11 径流小区土壤含水率实测成果表

3 数据质量控制和评估

本数据集全部来源于径流场人工观测，测量人员严格按照测量要求，在规定时段内规范使用测量器具进行原始数据的取得。原始数据均为人工纸质记录，数据收集完成后，多次人工检查数据的有效性。随后录入电子数据，并检验数据是否符合由以往资料得到的水文规律，从而确保数据的准确性和可靠性。对于由于特殊情况所造成的数据缺测、可疑、不全，使用专门的缺测符号“—”，可疑符号“※”以及不全符号“()”进行记录，保证径流场原始数据的真实可信。

4 数据价值和使用方法

本数据集具有观测周期长，区域代表性强的特点。与短期试验相比，长期观测是对自然状况或者长期实验处理过程的多年连续观测，能反映环境演变过程或人类活动的长期影响，需要大量的人力物力投入，因此，高质量的长期野外观测数据尤为宝贵[2]。此外，国内在流域产沙量估算方面做了一些工作，但现有研究成果主要集中在黄土丘陵沟壑区，对黄土高塬沟壑区坡面土壤侵蚀的研究不多，且大多机理与模型研究缺少对土壤初始含水量的考虑。所以本数据集可为黄土高塬沟壑区水土流失规律研究、土壤侵蚀预测模型构建、水土保持措施配置提供科学、可靠和长期连续的观测数据。

致 谢

（6）在保持油井正常生产的情况下，继续摸索稠油井出砂、排砂规律，制定和优化工作制度，为今后的工作方向打下基础。

感谢本站野外观测技术人员在数据观测收集时付出的辛勤劳动，同时感谢本站其他相关人员对数据资料的整理汇编。