1976-2018年黄土高塬沟壑区砚瓦川流域径流泥沙观测数据集

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Runoff and sediment yield observation dataset of Yanwachuan Watershed in Loess Plateau Gully Region during1976-2018

袁静，郜文旺，李红星，闵慧娟，张耀南，康建芳，赵彦博

Yuan Jing, Gao Wenwang, Li Hongxing, Huijuan Min, zhangyaonan, kangjianfang, Zhao Yanbo

DOI: 10.11922/ncdc.2020.0011.zh

： 2020 - 11 - 26

： 2020 - 12 - 24

170 0 0

摘要&关键词

摘要：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”）1975年在庆阳市宁县砚瓦川流域布设径流泥沙观测站，开展中尺度流域水土流失影响因子的长期定位观测。本数据集为该站1976-2018年径流泥沙观测数据，试验观测断面为大型抛物线型量水堰，观测方式为人工观测。数据集主要包括砚瓦川流域逐日流量数据、逐日平均含沙量数据、逐日平均输沙率数据、洪水水文要素摘录数据、逐次洪水测验成果数据。经整理、校核、复校和审核，形成径流泥沙整编数据。本数据集的建立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提供了基础资料，同时为黄土高原水土流失综合治理和水土流失模型体系建立提供了基础数据支撑。

关键词：高塬沟壑区、砚瓦川、径流、泥沙

Abstract & Keywords

Abstract: Xifeng water and soil conservation science experimental station of the Yellow River conservancy commission (hereinafter referred to as "xifeng station") set up a runoff and sediment observation station inYanwachuan Watershed, Ningxian county, Qingyang city, in 1975, to carry out long-term positioning observation on the impact factors of water and soil loss in mesoscal-scale river basin. This data set is the observation data of runoff and sediment of the station from 1976 to 2018. The experimental observation section is a large parabolic water weir, and the observation method is manual observation. The data set mainly includes the daily flow data, daily average sediment concentration data, daily average sediment transport rate data, the data extracted from the hydrological elements of flood, and the data of successive flood test results. After collating, checking, rechecking and auditing, the runoff and sediment consolidation data is formed. The establishment of this data set provides the basic data for exploring the law of soil and water loss and the benefit of water and soil conservation measures for water and soil conservation in large scale basins, and also provides the basic data support for the comprehensive management of soil and water loss and the establishment of soil and water loss model system on the loess plateau.

Keywords: Gully region of high plateau; Yanwachuan watershed; runoff; sediment

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376.69km²，其中测站以上控制面积333.78km²）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。本数据集为以上数据整编成果。

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 数据采集方法

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376.69km²，流域地貌主要有塬、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35km，流域形状系数0.3，沟道比降1.29﹪，平均沟壑密度2.17km/km²。砚瓦川径流泥沙观测站布设在砚瓦川流域下游刘家川，试验观测断面为大型抛物线型量水堰，堰槽上游为顺直平缓的河道，下游为跌水，径流站控制面积333.78km²。


	图2测站量水堰照片

图1 砚瓦川流域观测站点分布图	图3测站量水堰结构示意图

图4测站取样照片	图5沙样处理照片

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：由人工读取测量断面建筑物上的水尺（组）的水深并换算水位。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30min到1.0h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。

沙样：泥沙采样采用水边一点法取沙，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准，水沙峰不一致、含沙量变化剧烈时，测次适当增加。

1.2 数据预处理

（1）流量计算

式中，Q:流量，单位：m³/s; H:水深（水位），单位：m

（2）水样预处理

砚瓦川径流站悬移质泥沙全部采用置换法处理沙样。使用500ml比重瓶，用精度1/1000g天平，最小沙重不小于1.0g。

经对水样处理的记载、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：实测含沙量（kg/m³）； v：水样容积（cm³）； Ws：水样中干沙重（g）。

1.3 数据处理

（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2.7g/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1.25g/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

砚瓦川流域径流泥沙数据集主要包括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、2001-2011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

日月	一月	二月	三月	四月	五月	六月	七月	八月	九月	十月	十一月	十二月
日月	一月	二月	三月	四月	五月	六月	七月	八月	九月	十月	十一月	十二月
1	0.409	0.353	0.353	0.519	0.484	0.349	0.552	0.509	0.354	0.486	0.598	0.353
2	0.409	0.301	0.353	0.515	0.597	0.444	0.435	0.551	0.338	0.470	0.606	0.353
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
31	0.353		0.504		0.354		0.424	0.406		0.599		0.503
平均	0.367	0.334	0.496	0.585	0.482	0.641	0.693	0.469	0.564	0.563	0.496	0.438
最大	0.47	0.353	1.200	4.040	1.520	8.830	10.800	6.090	8.290	2.140	0.677	0.677
日期	14	1	25	15	25	23	18	6	18	24	1	12
最小	0.253	0.301	0.353	0.353	0.301	0.253	0.301	0.253	0.301	0.409	0.353	0.353
日期	18	2	1	3	21	5	2	27	2	6	25	1
年统计	最大流量：10.8 07月18日				最小流量：0.253 01月18日				平均流量： 0.513
年统计	径流量： 1616.302万m³				径流模数：1.537dm³／s.Km²				径流深度： 48.42mm
附注

（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

日月	一月	二月	三月	四月	五月	六月	七月	八月	九月	十月	十一月	十二月
日月	一月	二月	三月	四月	五月	六月	七月	八月	九月	十月	十一月	十二月
1	0	0	0	3.48	1.57	3.76	0.76	1.83	0	0	2.10	0
2	0	0	0	2.20	2.52	9.14	0.48	1.66	0	0	2.25	0
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
31	0		1.68		1.89		1.97	0.91		2.11		0
平均	0	0	8.53	13.58	5.64	24.99	32.61	14.03	17.20	7.21	1.14	0.35
最大	0	0	85.96	259.93	102.78	220.09	318.22	174.04	163.96	100.46	2.89	2.96
日期	1	1	24	15	25	7	19	6	18	24	8	12
最小	0	0	0.32	0.06	0.03	0.16	0.22	0.06	0.22	0.16	0.83	1.4
日期	1	1	4	17	21	10	1	28	22	16	14	13
年统计	平均流量： 0.513 m³／s				平均输沙率：6.24kg／s				平均含沙量： 12.16
年统计	最大断面平均含沙量：318.22 07月19日						最小断面平均含沙量：0.03 05月21日
附注	本表中的0代表有流量但是没有产沙

（3）逐日平均输沙率表

逐日平均输沙率表数据样本中包括日平均输沙率、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集水面积：333.78km² 单位：kg/s
日月	一月	二月	三月	四月	五月	六月	七月	八月	九月	十月	十一月	十二月
日月	一月	二月	三月	四月	五月	六月	七月	八月	九月	十月	十一月	十二月
1	0	0	0	1.803	0.758	1.312	0.422	0.933	0	0	1.253	0
2	0	0	0	1.132	1.501	4.059	0.211	0.916	0	0	1.366	0
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
31	0		0.846		0.669		0.838	0.370		1.267		0
平均	0	0	4.229	7.944	2.720	16.018	22.600	6.582	9.701	4.062	0.567	0.153
最大	0	0	20.313	184.575	29.281	258.131	332.804	121.383	240.784	44.978	1.366	1.139
日期	1	1	25	15	25	23	19	6	18	24	2	16
年统计	最大日平均输沙率：332.804 07月19日									平均输沙率： 6.24
年统计	输沙量：19.7万t						侵蚀模数： 589.578t／km²
附注	本表中的0代表有流量但是没有产沙

（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

日期				流量	含沙量	输沙率
月	日	时	分	（m³/s）	（kg/m³）	（kg/s）
1次
4	15	2	00	0.604	1.88	1.133
…	…	…	…	…	…	…
7次
9	18	8	00	0.535	2.10	1.123
…	…	…	…	…	…	…

（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

洪水编号	施测日期		雨情				洪水总量（m³）		洪水历时	洪水输沙量		流量（m³/s）		含沙量（kg/m³）		单位面积径流量（m³/km²）		径流系数（％）		单位面积冲刷量
	施测日期		雨量	历时		雨强	洪水总量（m³）		洪水历时	洪水输沙量		流量（m³/s）		含沙量（kg/m³）		单位面积径流量（m³/km²）		径流系数（％）		单位面积冲刷量
	月	日	mm	h	min	mm/h	浑水	清水	h:min	t	m³	最大	平均	最大	平均	浑水	清水	浑水	清水	t/km²	m³/km²
1	4	15--17	19.6	8	32	2.3	234538	228142	60:00	17270	13816	4.04	1.086	259.93	73.63	703	684	3.59	3.49	51.74	41.39
2	6	07--09	17.5	1	53	9.3	211461	206354	50:00	13790	11032	5.65	1.175	222.09	65.21	634	618	3.62	3.53	41.31	33.05
…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…	…
7	9	18--20	34.2	13	11	2.6	288255	280168	42:00	21834	17467	8.29	1.906	163.96	75.75	864	839	2.53	2.45	65.41	52.33
总计			217.5				1991060	1936523		147249	117799					5965	5802			441.16	352.92
最大			74.4			13	629846	609670		54476	43581	10.80	3.240	318.22	93.36	1887	1827	10.05	9.70	163.21	130.57

3 数据质量控制和评估

砚瓦川径流站径流泥沙数据的采集及预处理依照水利部颁布的《水土保持试验规范（SL419-2007）》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。

[1]

罗娅,杨胜天,刘晓燕,周秋文,董国涛.黄土高原次降雨径流产沙变化及其与雨强和植被盖度变化的相关性[J].干旱区研究,2015,32(04):698-709.

+ CSCD · Baidu Scholar

[2]

王占礼,靳雪艳,马春艳,谭贞学.黄土坡面降雨产流产沙过程及其响应关系研究[J].水土保持学报,2008(02):24-28.

+ CSCD · Baidu Scholar

[3]

姚文艺,冉大川,陈江南.黄河流域近期水沙变化及其趋势预测[J].水科学进展,2013,24(05):607-616.

+ CSCD · Baidu Scholar

[4]

罗娅,杨胜天,刘晓燕,周旭,金双彦,张亦弛,陈珂.孤山川流域1980s以来次降雨-产流-产沙变化[J].水土保持通报,2015,35(03):23-29.

+ CSCD · Baidu Scholar

[5]

姚文艺,焦鹏.黄河水沙变化及研究展望[J].中国水土保持,2016(09):55-63+93.

+ CSCD · Baidu Scholar

稿件与作者信息

袁静

Yuan Jing

317806317@qq.com

郜文旺

Gao Wenwang

李红星

Li Hongxing

闵慧娟

Huijuan Min

张耀南

zhangyaonan

康建芳

kangjianfang

赵彦博

Zhao Yanbo

水利部事业经常性项目:水土保持试验与示范（126201340005150007）

Ministry of water resources regular project: soil and water conservation test and demonstration (126201340005150007)

出版历史