1954-2018年南小河沟流域董庄沟控制站径流泥沙观测数据集

党小尼，郭嘉，康建芳，张耀南，郭锐

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

数据库（集）基本信息简介

images/BZ_95_709_1893_1062_1971.pngimages/BZ_95_1086_1893_2222_1971.pngimages/BZ_95_709_1973_1062_2051.pngimages/BZ_95_1086_1973_2222_2051.pngimages/BZ_95_709_2053_1062_2131.pngimages/BZ_95_1086_2053_2222_2131.pngimages/BZ_95_709_2133_1062_2211.pngimages/BZ_95_1086_2133_2222_2211.pngimages/BZ_95_709_2213_1062_2291.pngimages/BZ_95_1086_2213_2222_2291.png″images/BZ_95_709_2294_1062_2372.pngimages/BZ_95_1086_2294_2222_2372.pngimages/BZ_95_709_2374_1062_2452.pngimages/BZ_95_1086_2374_2222_2452.pngimages/BZ_95_709_2454_1062_2688.pngimages/BZ_95_1086_2454_2222_2532.png）images/BZ_95_1086_2532_2222_2610.png）images/BZ_95_1086_2610_2222_2688.png）images/BZ_95_709_2690_1062_2768.pngimages/BZ_95_1086_2690_2222_2768.pngimages/BZ_95_709_2771_1062_3161.pngimages/BZ_95_1086_2771_2222_2849.pngimages/BZ_95_1086_2849_2222_2927.png,images/BZ_95_1086_2927_2222_3005.pngimages/BZ_95_1086_3005_2222_3083.pngimages/BZ_95_1086_3083_2222_3161.png

引 言

董庄沟流域位于甘肃省庆阳市西峰区后官寨乡境内，是南小河沟流域的一条小支沟，距庆阳市区 13 km，地理位置为东经 107°32′28″，北纬 35°42′16″，集水（汇水）面积 1.12 km2。2004 年土地利用遥感调查结果显示[1]，董庄沟流域旱耕地面积 17.38 hm2，林地面积 25.90 hm2，灌木林地面积5.86 hm2，天然草地面积46.14 hm2，难利用地面积19.72 hm2。流域内海拔高度在1135-1350 m之间，相对高差215 m，沟壑密度1.69，沟道比降8.93%，具有黄土高塬沟壑区典型地形地貌特征，董庄沟流域与南小河沟流域另一条支沟杨家沟流域位置毗邻，面积相近（杨家沟流域集水面积1.01 km2），地形和土壤等特征基本相似，是比较理想的对比观测场所（两沟基本情况和坡度组成见表1和表2）。为探求径流泥沙来源规律以及防治措施的蓄水保土效益，寻找黄土高塬沟壑区的治理途径，为水利水土保持工程设计服务，1954年起，黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站将杨家沟流域选定为治理沟，进行塬面修地埂1773 m，栽植道路林1.76万株，修沟边埂588 m，沟头防护一处；山坡造林8.93 hm2，造林前修水平沟水平阶26.4 km，坡耕地修地埂4643 m，修水平梯田2.9 hm2，人工牧草地1.3 hm2；谷坡及沟底，在沟床每隔20-30 m打一道柳谷坊，谷坊间营造杨柳林1.1万株，谷坡造林331亩，修水平梯田6.1亩，种草92亩等治理活动。董庄沟流域未实施治理，保持其自然发展态势，经过半个多世纪，目前沟谷大部分区域自然植被良好，主要以蒿草为主，水土流失程度相应降低。两沟从1954年以来开展了长期的水土流失观测，通过观测得出对比数据。

表1 杨家沟流域和董庄沟流域基本数据

表2 杨家沟流域和董庄沟流域坡度组成数据

本数据集为董庄沟流域1954-2018年降水、径流、泥沙观测数据。作为第一手观测数据，本数据集可用于建立未治理地区的水土流失模型，获得流域土壤侵蚀模数，径流模数等，其与杨家沟流域数据对比分析，具有评估水土保持措施效益等科学价值[2]。

1 数据采集和处理方法

董庄沟流域观测要素包括降水、径流和泥沙，观测设施布设在流域中下部沟道山坡位置。降水量观测设施有雨量桶和自记雨量计2种，径流泥沙观测设施有三角量水堰和薄壁三角量水堰各1个。采集处理流程见图1。

图1 数据采集处理流程图

1.1 数据采集方法

1.1.1 降水量

降水量观测仪器有口径为20 cm的SM1型普通雨量器和DSJ-2型虹吸式自记雨量计。SM1型采用8时、20时两段制进行全年观测，主要观测降水起止时间，统计降水量。当降水间歇时间大于15 min，间歇前后作为两次降水进行观测记载；当间歇时间小于15 min，则作为一次降水观测记载。如果一次降水跨过8时、20时应在8时、20时加测。DSJ-2型采用24段制进行汛期观测。在DSJ-2型虹吸式自记雨量计出现故障的情况下，用SM1普通雨量器观测资料进行补充。

1.1.2 径流量

（1）水位观测

三角量水堰在堰槽中部设置水尺（或投影到堰槽边坡上），观测时读取水位。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，要求能测得各次峰、谷和完整的水位变化过程，洪水涨落水位小于30 cm时采用精度更高的薄壁三角量水堰（含于三角量水堰中）观测。

（2）流量计算

根据1955年黄河水利科学研究院泥沙研究所提供的水位流量率定及计算公式（1），由观测水位推算流量。

式中Q：流量，单位：m3/s；H：水深（水位），单位：m。

1.1.3 泥沙量

（1）泥沙观测

泥沙取样采用测桥处中泓一点法。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。一般在测流断面使用横式采样器采集水样。清水期间不取水样；洪水涨落水位小于30 cm时，沙样采用人工在堰后（薄壁三角量水堰）取样方法。

水样处理采用置换法，主要仪器为经过率定的500 mL的比重瓶，精度1/1000 g的分析天平，最小沙重不小于1.0 g。

（2）含沙量计算

按以下公式（2）计算含沙量：

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

1.2 数据处理

1.2.1 降水量

降水量原始数据由SM1型普通雨量器和DSJ-2型虹吸式自记雨量计两种方式测得。SM1型普通雨量器观测资料电子录入后进行月年最大降水量统计和月年降水日数的统计，形成逐日降水量表；DSJ-2型虹吸式自记雨量计观测数据如出现异常，需依据SM1型普通雨量器人工观测雨量总量进行订正，然后摘录降雨起止时间和雨量，生成降水量摘录表。最后依据不同时段，采用不同方法，挑选并记录各时段最大降水量和其时段开始的日期，生成各时段最大降水量表。

（1）逐日降水量表

①对于控制全集水区降水的所有SM1型普通雨量器人工或自记雨量观测站，均编制此表。

②有降水之日，填记一日内各时段降水量的总和。有降雪或降雹时，在降水量的右侧加注降水物符号。整编符号与降水符号并用时，整编符号记在降水符号之右。

③月降水量，填本月各日降水量之总和。全月未降水者，记为0。有跨月合并情况者，合并的量记入后月。前后月的月总数均不加扩号。

④月降水日数，全月无降水日者记为零。

⑤时段（d）最大降水量共分为1 d、3 d、7 d、15 d和30 d共5个时段，记录连续日期时段内的最大降水量，同时记录时段开始的对应日期。

（2）降水量摘录表

①对于控制全集水区降水的所有自记雨量观测站，均编制此表。

②编制逐日降水量表的，汛期内的降水全部摘录，非汛期的降水，凡是与洪水有关的降水也摘入。

③自记雨量站按自记纸上24段制进行摘录，总量可用虹吸总量及SM1型普通雨量器人工观测资料校正。

④降水期间有大于15 min的间歇时，前后分两次降水。

⑤相邻各时段的降水强度等于或小于2.5 mm/h者，可予合并，但不得跨过8时、20时。大于2.5 mm/h则按1h摘录并记录时段前后正点时分。

⑥对于产流暴雨应以等时段摘录为主，并照顾到降雨强度明显变化的转折点。雨强在0.2 mm/min以上者，摘录转折点，必要时摘出雨量累计曲线的转折点。

⑦对于自记记录，首先进行总量的订正后将误差分配给每次虹吸处。若无订正值，可按人工观测量进行订正，订正量大于5 mm的要进行研究。

（3）各时段最大降水量表（1）

1980年前，本表被编为各时段最大降水量表（三），间隔时段为（小时）0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、6.0、9.0、12.0、24.0。1980年后按照以下规则整编：

①有自记记录的雨量站，要求编制各时段最大降水量表（1）。

②各分钟段时最大降水量一律采用1 min或5 min滑动进行挑选，在数据整理时，应注意采用1 min或5 min滑动摘录。

③表中各时段最大降水量值，分别在全年的自记记录纸上连续滑动挑选。

④自记雨量计短时间发生故障，经邻站对照分析插补修正的资料，可参加统计。

⑤挑选出来的数据分记两行，上行为各时段最大降水量，下行为对应时段的开始日期，日期以零时为日分界线。

（4）各时段最大降水量表（2）

1980年之前，本表被编为各时段最大降水量表（四），间隔时段为（分钟）5、10、15、20、30、45、60、90、120。1980年后按照以下规则整编：

①无自记记录、观测资料不满足编制各时段最大降水量表（1）的雨量站，要求编制各时段最大降水量表（2）。

②表内各小时时段降水量，通过降水量摘录表或自记纸记录统计而得。

③凡作此项统计的人工观测站，均按观测时段或摘录时段滑动统计。当有合并摘录时，应按合并前资料滑动统计。

④按24段观测或次降水记录完整的雨量站全部整编此表，统计时段1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h，6个时段最大降水量，各时段最大降水量一律采用1 h滑动进行挑选。按两段制观测，次雨量记录不完整的，不作此项统计。

⑤挑选出来的各时段最大降水量，均应填记其时段开始的日期，日期以零时为日分界。

1.2.2 径流量

（1）洪水水文要素摘录表

洪水水文要素摘录输出结果为：时间、流量、含沙量、输沙率。摘录原则为：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。

（2）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：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。

（3）逐日平均流量表

日平均流量：平水时期，观测时距相等时用算术平均法计算；观测时距不等、部分时段河干或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：由年日平均流量总数乘以一日秒数得之。

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。

年径流深度：由年径流量（m3）除以集水面积（km2）再除以1000得之。

1.2.3 泥沙量

（1）逐日平均含沙量表

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。

（2）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之。

年侵蚀模数：由年输沙量（t）除以集水面积（km2）得之。

2 数据样本描述

2.1 降水量样本

降水数据主要包含逐日降水量表、降水量摘录表、各时段最大降水量表。其中雨量筒SM1观测数据时间序列为1954-1958年，2004-2018年，虹吸式自记雨量计DSJ-2数据时间序列为1964-1965年，2004-2018年。

（1）逐日降水量表数据字段包括日降水量、月（年）降水量、月（年）降水日数、月（年）最大日降水量、年降水量、一次最大降水量等（如表3）。

表3 1964年沟董庄沟流域雨量站逐日降水量表

（2）降水量摘录表数据字段包含降水时间（月、日），降雨起讫时间（采用24段制）与对应的实测降水量（单位mm）。

（3）各时段最大降水量表

各时段最大降水量表（1）包含字段为时段、最大降雨量、开始月日和站名（如表4）。

表4 各时段最大降水量表（1）

2.2 径流泥沙样本

洪水水文要素摘录表（序列为1954-1965，2005-2018年）数据字段为洪水日期（月日时分）、流量、含沙量、输沙率（如表5）；逐次洪水测验成果表（序列为1964-1965，2005-2018年）数据字段为洪水日期（月日）雨情（雨量、历时、平均雨强）、洪水总量、洪水历时、洪水输沙量、流量，含沙量，单位面积径流量，径流系数，单位面积土壤流失量（如表 6）；逐日流量表（序列为2004-2018年）数据字段为时间（月日）平均流量，年平均、最大和最小流量、年径流量、年径流模数、年径流深（如表7）；逐日平均含沙量表（序列为2005-2018年）字段为时间（月日）、日平均含沙量、月平均含沙量、月最大含沙量年平均含沙量和年最大最小含沙量（如表8）；逐日平均悬移质输沙率表（序列为2005-2018年）数据字段为日平均输沙率、月平均输沙率、月最大输沙率、年输沙量、年侵蚀模数、年平均输沙率和年内日最大输沙率（如表9）。

表5 洪水水文要素摘录表

表6 逐次洪水测验成果表

2 7 28-29 61.3 19:3 9 3.1 134.2 5 132.2 0 2:40 20:2 0 23:00 5.53 4.42 0.0076 6 0.0016 2 156 41.2 116.7 115.0 0.19 0.19 4.81…… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …总 计 331.7 4981 4951 80.8 5 64.6 8 4331.2 4305.2 70.30最 大 72.4 13.9 1908 1907 51.2 6 41.0 1 0.0523 5 0.0034 4 526 318 1659.1 1658.0 2.47 2.47 44.57

表7 2005年董庄沟流域测站径流逐日平均流量表

表8 2005年董庄沟流域径流站逐日含沙量表

表9 2005年董庄沟流域径流站平均输沙率表

3 数据质量控制和评估

董庄沟流域降水量、径流、泥沙资料的采集，均由经过培训的专业技术人员按照文中前述观测方法要求，现场采样、观测和记录数据，使用专业仪器，操作流程规范，并及时开展数据互校及观测资料初步整编，对异常数据进行分析并说明情况。最终按照水利水土保持行业数据处理整编统计技术规范要求，进行资料整编，程序为制表、初校（互校）、部门复核、上级分管领导审核。质量控制的制度和规范性文件主要有《水土流失规律试验观测管理办法和水土保持试验规范SL-239-87》[3]及《水土保持试验规程SL-419-2007（水土保持试验规范修改版）》[4]。

4 数据价值

本数据集在水土保持、气候气象等研究方面具有科学价值。首先可以作为降水-径流-泥沙关系分析研究的基础数据。杨家沟流域（治理沟）在黄土高塬水土保持治理方面具有推广应用价值，结合董庄沟流域（非治理）观测数据可以计算小流域综合措施水土保持效益，指导水土保持措施总体设计。此外，降水数据既可以单独进行降水趋势（多年时空变化规律）的分析，也可以依据科研或设计需要从中直接选取对应的时段降水进行统计分析，得出需要的降水量特征值。

致 谢

感谢黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站科研人员的贡献，感谢国家冰川冻土沙漠科学数据中心对黄河水利委员会西峰水土保持科学试验站工作的支持！