1976–2018 年黄土高塬沟壑区砚瓦川流域径流泥沙观测数据集

袁 静，郜文旺，李红星，闵惠娟，张耀南，康建芳

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

黄土高原是我国水土流失最严重的地区之一，也是水土保持重点治理区域，围绕不同流域降雨-产流–产沙变化及其关系，已开展了许多研究，但是大部分的流域水沙关系多围绕小流域和干流江河，对中尺度流域定量构建降水与径流输沙变化关系的研究还较少见[1-5]。

为此黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站（以下简称西峰站）为探索较大尺度流域的水土流失规律和水土保持措施蓄水拦沙效益，于1975 年选定了砚瓦川流域（流域面积376.69 km2，其中测站以上控制面积333.78 km2）为试验基地，开展中尺度流域水土流失规律与水土保持措施蓄水拦沙效益试验观测工作。通过观测测流断面的水位、含沙量，计算了1976–2018 年砚瓦川流域的流量、输沙量、洪水总量、洪水输沙量、单位面积径流量、径流系数、单位面积土壤侵蚀量、逐日平均流量、逐日平均含沙量、逐日平均悬移质输沙率等数据。本数据集是以上数据的整编成果。

这些长时序的径流泥沙资料为揭示不同时间尺度下流域产流产沙对典型降雨特征指标的响应关系提供了基础资料，同时是科学开展流域综合治理、准确预报水土流失、科学调控流域水土资源的基础和前提，也为黄土高原水土保持措施蓄水拦沙效益分析和建立黄土高原水土流失模型体系提供了基础数据支撑。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集区域

砚瓦川流域地处甘肃省庆阳市西峰区、宁县境内，位于东经107°37′32″–107°55′00″，北纬35°30′17″–35°44′14″，系泾河流域马莲河右岸支流，是典型的黄土高塬沟壑区，流域面积376.69 km2，流域地貌主要由塬、坡、沟三大地貌单元组成，分别占流域总面积的37.76%、19.94%、42.30%。集水区长度35 km，流域形状系数0.3，沟道比降1.29%，平均沟壑密度2.17 km/km2。砚瓦川径流泥沙观测站布设在砚瓦川流域下游刘家川（图1），试验观测断面为大型抛物线型量水堰，如图2、图3 所示，堰顶宽0.8 m，迎水坡面1:1.74，背水坡面1:1.3，抛物线堰高4.08 m 以上为1:1 坡，堰身为1:3 水泥砂浆敷面。堰槽上游为顺直平缓的河道，下游为跌水，径流泥沙观测站控制面积333.78 km2。

图1 砚瓦川流域观测站点分布图

图2 测站量水堰结构示意图

图3 测站量水堰照片

1.2 数据采集处理方法

砚瓦川流域径流泥沙观测站观测水位、含沙量2 项指标。各项观测数据采集方法如下：

水位：由人工读取堰上部左侧侧壁式水尺组，观测水尺编号、水尺读数后换算水深。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、非汛期基流水位观测方式相同，洪水期或者水位变化急剧期，在控制起涨、峰顶、落平和其他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 min 到1.0 h 观测一次，以能测得各次峰、谷和完整的水位变化过程为目标进行观测。

水样：泥沙采样采用水边一点法取样（图4），平常取样次数与观测水位次数基本相同，洪水期取样次数以能控制住含沙量变化过程为准，水沙峰不一致、含沙量变化剧烈时，测次适当增加。

图4 测站取样照片

1.2.1 数据预处理

（1）流量计算

式中，Q为流量，单位为m3/s；H为水深，单位为m。

本公式由1975 年黄委会泥沙所率定并在中试验报告中提供。

（2）水样预处理

砚瓦川径流站水样全部采用置换法处理（图5）。置换法的具体步骤：①量水样容积；②称出比重瓶加浑水的总重量；③量出浑水温度；④根据不同温度瓶加清水的重量计算水样中的干沙重。处理过程中比重瓶使用500 ml，天平精度1/1000 g，最小沙重不小于1.0 g。即可按下式计算实测含沙量：

图5 水样处理照片

式中，Ws为水样中的干沙重（g）；Wws为瓶加浑水重（g）；Ww为瓶加清水重（g）；K为置换系数，取1.59 进行计算。

（3）实测含沙量计算

经对水样的处理记载、计算进行检查、校核之后，即可按下式计算实测含沙量：

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

1.2.2 数据处理与整编

（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，即将当日0–24 h 内流量过程线所包围的面积，除以一日流量求得；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。

（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：选洪峰流量、洪水总量、含沙量、输沙量最大的峰，或孤立或连续的洪峰，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

本表记载了各径流站观测的最大洪水，各站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：洪水总量与降水总量之比。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

本数据集主要包括1976–2018 年逐日平均流量表、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，按照10 年跨度共组织数据集5 个，分别是1976–1980 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。数据量共计8.5 MB。以下以2016 年部分数据为例介绍各数据样本。

（1）逐日平均流量表

逐日平均流量表数据样本中包括日平均流量、月平均流量、月最大（小）流量、月最大（小）流量日、年最大（小）流量和日期、年平均流量、年径流量、年径流模数、年径流深。详见表1。

表1 2016 年砚瓦川测站逐日平均流量表 单位：m3/s

（2）逐日平均含沙量表

逐日平均含沙量表数据样本中包括日平均含沙量、月平均含沙量、月最大（小）含沙量、月最大（小）含沙量日、年平均流量、年平均输沙率、年平均含沙量、年最大（小）断面平均含沙量和日期。详见表2。

表2 2016 年砚瓦川测站逐日平均含沙量表 单位:kg/m3

（3）逐日平均输沙率表

逐日平均输沙率表数据样本包括日平均输沙率、月平均输沙率、月最大（小）输沙率、月最大（小）输沙率日、年最大日平均输沙率和日期、年输沙量、年平均输沙率、年侵蚀模数。详见表3。

表3 2016 年砚瓦川测站逐日平均输沙率表

（4）洪水水文要素摘录表

洪水水文要素摘录表数据样本中包括洪水次数、洪水发生的时间（X 月X 日X 时X 分）、洪水流量、洪水含沙量、洪水输沙率。详见表4。

表4 2016 年砚瓦川径流站洪水水文要素摘录表

（5）逐次洪水测验成果表

逐次洪水测验成果表数据样本中包括洪水施测次数（X 月X 日）、雨情（雨量、历时、雨强）、洪水总量、洪水历时、洪水流量、洪水含沙量、单位面积径流量、径流系数、单位面积冲刷量。详见表5。

表5 2016 年砚瓦川测站逐次洪水测验成果表

3 数据质量控制和评估

本数据集的采集及预处理按水利部颁布的《水土保持试验规范（SL419-2007）》[6]及西峰站制定的《水土保持径流泥沙测验及资料整编须知》、《水土流失规律试验观测管理办法》（黄西技[2017]2 号）的要求进行整编。数据在采样及处理阶段均按照文中所述的方法进行，处理完成后填写原始记录（两份，备查）。原始数据必须经过初步整编，部门复校、上级主管领导审核等步骤，完成数据的可靠性、一致性及合理性检查，以确保数据的质量。

4 数据价值

砚瓦川流域的径流泥沙观测数据具有流域典型性强，观测时间跨度长的特点，适用于探索较大尺度流域的水土流失规律和水土保持措施蓄水拦沙效益。黄土高原地区作为我国水土保持重点治理区域，砚瓦川流域长达40 年的径流泥沙资料为探索其水土流失规律，明确中尺度流域长时序径流、输沙特征对降水的响应及内在机制提供了基础资料，是科学开展流域综合治理、准确预报水土流失、科学调控流域水土资源的基础和前提。为研究流域水土保持措施配置、不同治理措施的减水减沙效益以及对黄河水沙变化的影响提供科学、可靠和长期连续的观测数据。进而为国家宏观决策、区域农业生产发展、黄河治理开发以及水土保持规划设计提供依据。

致 谢

本数据集的获取得到黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站全体观测人员和整编人员的大力支持和帮助，在此表示感谢。