黄土高原水土保持 II 区论文(已发表) 版本 ZH2 Vol 6 (3) 2021
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1985–2018年黄土丘陵沟壑区第三副区罗玉沟流域径流泥沙观测数据集
A dataset of runoff and sediment observations from Luoyugou watershed in the third sub-region of Loess Hilly-Gully Region (1985–2018)
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: 2020 - 12 - 17
: 2021 - 09 - 23
: 2021 - 02 - 04
: 2021 - 09 - 30
324 7 1
摘要&关键词
摘要:径流泥沙是反映水土流失趋势、水沙变化的重要基础指标。黄河水利委员会天水水土保持科学试验站1954年在罗玉沟流域沟口布设径流泥沙观测站,本数据集为1985–2018年时段的罗玉沟口径流泥沙数据。该数据集是探索、研究黄土高原丘陵区第三副区水土流失规律的基础数据。依据测流断面的观测的水位、流速、含沙量3项指标,计算得到流量、径流量、径流模数、径流深、输沙量、侵蚀模数、单位面积径流量、单位面积冲刷量等数据,并经过对观测资料的整理、校对、复核、审查,整编形成包含实测流量、洪水水位要素摘录、逐次洪水测验、逐日平均流量、逐日平均含沙量及逐日平均悬移质输沙表的径流泥沙成果数据集。本数据集为黄土丘陵沟壑区第三副区减水减沙效益研究、黄土高原地区水土保持科研、区域农业生产发展、黄河治理开发及水土保持规划设计等,提供了科学可靠、长期连续的数据支持。
关键词:黄土高原;罗玉沟流域;径流;泥沙
Abstract & Keywords
Abstract: Runoff and sediment is an important basic index that reflects the trend of soil and water loss and the change of water and sediment. In 1954, Tianshui Experimental Station on Soil and Water Conservation, Yellow River Conservancy Commission of the Ministry of Water Resources set up a runoff and sediment observation station at the gully of Luoyugou watershed in Tianshui city. It can be used as the basic data for exploring and studying the law of soil and water loss in the hilly area of Loess Plateau. Water level, flow rate and sediment concentration were measured by professionals through natural sections. The data of flow, runoff, runoff modulus, runoff depth, sediment transport, erosion modulus, runoff per unit area, washing per unit area and so on were obtained through calculation. It provides scientific, reliable and long-term data support for the benefit study of water and sediment reduction in the third sub-region of the Loess Hilly-Gully Region, scientific research on water and soil conservation in the Loess Plateau region, regional agricultural production development, Yellow River control and development and water and soil conservation planning and design.
Keywords: Luoyugou watershed; Runoff; Sediment; Loess Plateau
数据库(集)基本信息简介
数据库(集)名称1985–2018年黄土丘陵沟壑区第三副区罗玉沟流域径流泥沙观测数据集
数据作者黄河水利委员会天水水土保持科学试验站
数据通信作者黄河水利委员会天水水土保持科学试验站(hwtsbgs@163.com)
数据时间范围1985–2018年
地理区域地理范围:东经105°30´–105°45´,北纬34°34´–34°40´。地理区域为甘肃省天水市罗玉沟流域
数据量9.39 MB
数据格式*.xlsx
数据服务系统网址http://dx.doi.org/10.12072/ncdc.HWTSZhan.db0009.2020(1985–1990)
http://dx.doi.org/10.12072/ncdc.HWTSZhan.db0022.2020(1991–2000)
http://dx.doi.org/10.12072/ncdc.HWTSZhan.db0025.2020(2001–2010)
http://dx.doi.org/10.12072/ncdc.HWTSZhan.db0019.2020(2011–2018)
基金项目国家科技基础条件平台(Y719H71006), 中国科学院信息化专项(XXH13506和 XXH13505-220)。
数据库(集)组成由于不同时期观测略有不同,按照10年跨度共组织数据集4个,分别是1985–1990年、1991–2000年、2001–2010年、2011–2018年。每个数据集包括6个数据文件,分别为:(1)实测流量成果表;(2)逐日平均流量表;(3)逐日平均含沙量表;(4)逐日平均悬移质输沙率;(5)洪水水文要素摘录表;(6)逐次洪水测验成果表。
Dataset Profile
TitleA dataset of runoff and sediment observations from Luoyugou watershed in the third sub-region of Loess Hilly-Gully Region (1985–2018)
Data corresponding authorTianshui Experimental Station on Soil and Water Conservation, Yellow River Conservancy Commission of the Ministry of Water Resources (hwtsbgs@163.com)
Data authorsTianshui Experimental Station on Soil and Water Conservation, Yellow River Conservancy Commission of the Ministry of Water Resources
Time range19852018
Geographical scopeGeographical scope: 105°30´–105°45´E, 34°34´–34°40´N; Specific area: Luoyugou watershed, Tianshui city, Gansu province.
Data volume9.39 MB
Data format*.xlsx
Data service system<http://dx.doi.org/10.12072/ncdc.HWTSZhan.db0009.2020> (1985–1990)
<http://dx.doi.org/10.12072/ncdc.HWTSZhan.db0022.2020> (1991–2000)
<http://dx.doi.org/10.12072/ncdc.HWTSZhan.db0025.2020> (2001–2010)
<http://dx.doi.org/10.12072/ncdc.HWTSZhan.db0019.2020> (2011–2018)
Sources of fundingService and Sharing Platform of National Observation Stations for Unique Environment and Distinct Feature Studies(Y719H71006); The 13th Five-year Informatization Plan of Chinese Academy of Sciences (XXH13506 and XXH13505-220).
Dataset compositionDue to slight differences in observations in different periods, four datasets were organized with a 10-year span, namely, 1985–1990, 1991–2000, 2001–2010, and 2011–2018. Each dataset includes 6 data files. They are as follows: (1) Measured flow result table; (2) Daily average flow table; (3) Daily average sediment concentration table; (4) Daily average suspended sediment transport rate; (5) Summary table of flood hydrological elements; (6) Results table of successive flood tests.
引 言
径流泥沙是反映水土流失趋势、水沙变化的重要基础指标[1]。从 1954年开始,黄河水利委员会天水水土保持科学试验站在黄土丘陵沟壑区第三副区的罗玉沟小流域布设了径流控制站,开展径流、泥沙数据的试验观测[2]
罗玉沟流域位于甘肃省天水市北郊,地理坐标介于东经105°30′–105°45′,北纬34°34′–34°40′,平均海拔为1492.1 m,是渭河一级支流耤河左岸的一条支沟。流域呈狭长形,沟系分布为羽状,总面积72.79 km2,主沟全长21.81 km,平均宽度3.37 km,全流域有大小支沟138条,沟壑密度2.34 km/km2,水土流失面积47.87 km2,占流域总面积的66%。流域内有坡耕地1955.89 hm2,占总面积的26.87%,其中15–25°的坡地585.98 hm2,占29.96%;大于25°的坡地 214.95 hm2,占10.99%;35°以上的坡地很少。流域内年平均降水量531.1 mm,降水在季节上分布不均,主要集中在汛期7–9月,约占年降水量的78%,且多以大雨、暴雨出现。沟道径流以地表径流为主,多为季节性洪沟,旱季无径流,雨季经常暴发山洪。多年平均径流模数30700 m3/(km2•a),多年平均侵蚀模数7500 t/km2[2-4]。罗玉沟流域于1983年被黄河水利委员会列为试点小流域,被甘肃省列为重点综合治理小流域,1985年开始按照“前后对比”和“大流域套小流域”的布设原则在流域内布设雨量观测点,流域下游出口处建立径流泥沙观测站(如图1所示),全面观测水土流失变化[2]


图1   罗玉沟流域径流站布设图
本数据集为罗玉沟流域1985–2018年时段径流泥沙观数据。罗玉沟沟口径流站断面为自然断面,河道两岸均修建较高的河堤,形成较为规整的梯形断面,并有相应的护砌,测流断面相对稳定,采用浮标法测流等方法获取了水位、流速、含沙量3个观测指标[5]。通过观测指标计算得到流量、径流量、径流模数、径流深、输沙量、侵蚀模数、单位面积径流量、单位面积冲刷量等数据。本数据资料在水土保持区划、小流域综合治理规划和治理措施配置、水保措施减水减沙效益分析、小流域径流泥沙规律研究等方面得到了广泛应用,并且在交通、城建、防汛等方面起到了很好的实用效果,同时这些资料还在农、林、牧、水等专业的教科书中被采用,具有很高的学术价值,作为水土保持研究的基础资料,为水保科研提供了有效的支撑[1,3-4,6-8]
1   数据采集和处理方法
1.1   数据采集方法
罗玉沟流域沟口径流泥沙观测站观测水位、流速、含沙量3项指标。各项基础数据采集方法如下[5]
水位:在罗玉沟小流域测验河段的基本断面上设有水尺,通过读水尺进行水深测量。非汛期长流水或汛期流量较小无法用水尺测水深时,采用人工测量水深。
流速:中小水时用秸秆作浮标进行测流,用测深杆或钢尺测量水深,用皮尺测量岸边距,浮标系数采用0.85,洪水时以捆状秸秆作浮标,采用中泓一点法[5]测流,水深根据洪水前后实测的大断面图,来确定洪水深和起点距,浮标系数采用0.65。投放浮标后,观测每个浮标流经上、下断面的运行历时。当水流很小无法用浮标法测流时,采用接流桶按体积法施测。径流站观测时间,根据水流的变化情况确定。常流水期流量变化不大时一般每天观测1–2次,洪峰期视水情变化情况增加测次,一般每次洪水不少于5次,遇到大洪水可适当增加测次,要求能测得各次洪峰、谷和完整的洪水过程。
含沙量:径流站取样与测流同步进行,取样次数与测流次数相同,洪峰前后加密测流5至7个点,提取的水样需要沉淀24小时后,采用置换法处理水样(瓶加浑水称重的同时量取水温)。
1.2   数据处理公式
(1)流量计算
流量采用下式计算:
Q =V*F (1)
其中:Q—流量(m3/s);V—流速(m/s);F—过水断面面积(m2)。
式(1)中的流速按下式计算:
V =K*V (2)
其中:K—浮标系数(取0.85或0.65);V —为用浮标法测得的水面虚流速,即:
V =L/S (3)
式中:V —虚流速(m/s);L—浮标上、下断面间距(m);S—浮标流经上、下断面所用时间(s)。
(2)悬移质泥沙处理
采用置换法处理悬移质泥沙,使用通过检定的比重瓶容量为250 ml、500 ml、和1000ml,称重使用分度值为1/1000g的天平。泥沙重量按下式计算:
\({W}_{s}=\frac{{\rho }_{s}}{{\rho }_{s}-{\rho }_{w}}\left({W}_{ws}-{W}_{w}\right)\) (4)
式中:\({W}_{s}\)—泥沙重量(g);\({\rho }_{s}\)—泥沙密度(g/cm3);\({\rho }_{w}\)—清水密度(g/cm3);\({W}_{ws}\)—瓶加清水重(g);\({W}_{w}\)—同温度下瓶加清水重(g)。
(3)含沙量计算
含沙量是指单位体积浑水所含干沙的质量。按下式计算:
\(\rho =\frac{{W}_{s}}{V}×1000\) (5)
式中:\(\rho \)—实测含沙量(kg/m3);V—水样体积(cm3);\({W}_{s}\)—泥沙重量(g)。
(4)悬移质输沙率
悬移质输沙率是指单位时间内通过某一河道断面悬移质的沙量。某时悬移质输沙率等于该时断面流量乘以断面含沙量。
1.3   数据成果介绍
以流域沟口径流泥沙观测站实测数据为基础,通过对基础数据处理计算得到罗玉沟沟口径流泥沙的流量、逐日平均流量、逐日平均含沙量、径流量、径流模数、径流深、输沙量、侵蚀模数、单位面积径流量、单位面积冲刷量等数据,并整编形成逐日平均流量表、逐日平均含沙量表、逐日平均悬移质输沙率表、实测流量成果表、洪水水文要素摘录表、逐次洪水测验成果表。
1.3.1   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:年总数除以年总天数。
年径流量:由年总数乘以一日秒数(86400)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。
1.3.2   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,即以此水样含沙量为日平均值;一日取几次水样时,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,即先算出日平均悬移质输沙率,而后用日平均悬移质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:由月平均悬移质输沙率除以月平均流量。
1.3.3   逐日平均悬移质输沙率表
日平均悬移质输沙率: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悬移质输沙率;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悬移质输沙率;若一日内部分时间河干或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,得出各次悬移质输沙率,再用面积包围法计算日平均悬移质输沙率。
月平均悬移质输沙率:该月逐日平均悬移质输沙率之和除以全月天数。
年平均悬移质输沙率:年总数除以年总天数。
年输沙量:由年总数乘以一日秒数(86400)而得。
年侵蚀模数:由年输沙量(t)除以集水面积(km2)。
1.3.5   洪水水文要素摘录表
在原始记录及洪峰流量、输沙量计算表中摘录流量、含沙量、输沙率的全过程。摘录时选洪峰流量最大、总量最大、含沙量、输沙率最大的峰、孤立或连续的洪峰,汛期开始后的第一个峰,全年挑选5–7次进行摘录,洪水次数较多或个别枯水年份挑选摘录次数视情况可适当增加或减少,根据实测情况摘录统计,部分含基流未计起涨历时的洪水的起涨时刻为该次洪水相邻基流的实测时刻,其流量和含沙量为该时刻相对应的实测值。
1.3.6   逐次洪水测验成果表
记载径流站观测的逐次较大洪水,与洪水水文要素摘录表挑选的次数对应。
雨情:包括雨量、历时和平均强度。雨量为流域平均雨量,即为对应于该次洪水的全部雨量;历时为该次洪水对应雨量的降水总历时(扣除间歇时间),用算术平均法计算平均历时;平均强度为雨量与总历时之比。
洪水总量:一次洪水的实测总量,包括基流在内。清水总量由浑水总量扣除泥沙体积得出。泥沙比重为2.67 g/cm3
洪水历时:涨水、落水、合计以最高洪峰为分界。
洪水输沙量:一次洪水输沙的总量(t);洪水输沙量体积(m3)由其重量除以表土比重1.5 g/cm3
流量:“最大流量”为出现在峰顶的最大瞬时流量。平均流量按面积包围法计算。
含沙量:“最大含沙量”为该次洪水实测的断面最大含沙量。平均含沙量等于洪水平均悬移质输沙率除以洪水平均流量。
单位面积径流量:单位面积浑水(清水)径流量是由浑水量(清水量)除以流域面积而得。
径流系数(浑水、清水):洪水总量(浑水、清水)与降水总量之比值。洪水总量包括基流在内。
单位面积冲刷量:洪水输沙量除以流域面积。
2   数据样本描述
罗玉沟流域径流泥沙数据集有6个部分组成:(1)逐日平均流量表;(2)逐日平均含沙量表;(3)逐日平均悬移质输沙率表;(4)洪水水文要素摘录表;(5)实测流量成果表;6)逐次洪水测验成果表。样例见表1–6,数据格式为xlsx。
表1   2006年罗玉沟流域沟口径流站逐日平均悬移质输沙率表
集水面积:72.79 km2 单位:kg/s
月日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
100000000.00104.040.17800
2000000000.4600.19200
3000000000.2990.14100
40000218026.7010.60.13400
500000.0030001.561.170.098000
……………………………………………………………………
310000001451950000
平均0000.4868.610.040023.933.51.320.11300
最大0005.712181.2055772216.51.4400
日期3128312642122272683031
年统计最大日平均输沙率 722 8月27日平均输沙率 5.75
输沙量 18.18 104t侵蚀模数 2498 t/km2
附注
表2   2006年罗玉沟流域沟口径流站逐日平均含沙量表 单位:kg/m3
月日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连底冻连底冻河干河干河干河干河干0.42020.52.90连底冻连底冻
2"""""""河干5.843.81""
3""""""""4.253.53""
4""""256"143"44.73.15""
5""""1.07"河干21.512.02.53""
……………………………………………………………………
31"""""317186河干"""
平均连底冻连底冻连底冻59.3138.019.115714719.44.87连底冻连底冻
最大连底冻连底冻连底冻14835136.947545188.725.9连底冻连底冻
日期1112442131314811
最小连底冻连底冻连底冻2.672.093.011.282.060.861.60连底冻连底冻
日期11125107315121111
年统计平均流量 0.0949 m3/s平均输沙率 5.57 kg/s平均含沙量 58.70
最大断面平均含沙量 475 7月31日最小断面平均含沙量 0.86 9月12日
附注“"”表示同上
表3   2006年罗玉沟流域沟口径流站逐日平均悬移质输沙率表
集水面积:72.79 km2 单位:kg/s

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
100000000.00104.040.17800
2000000000.4600.19200
3000000000.2990.14100
40000218026.7010.60.13400
500000.0030001.561.170.098000
……………………………………………………………………
310000001451950000
平均0000.4868.610.040023.933.51.320.11300
最大0005.712181.2055772216.51.4400
日期3128312642122272683031
年统计最大日平均输沙率 722 8月27日平均输沙率 5.75
输沙量 18.18 104t侵蚀模数 2498 t/km2
附注
表4   2006年罗玉沟流域沟口径流站洪水水文要素摘录表
日 期流量(m3/s)含沙量(kg/m3)输沙率(kg/s)
时:分
540:50000
541:01.1443.649.7
541:202.94207609
541:306.332591640
541:506.533332170
542:06.103512140
542:304.643111440
544:03.713071140
546:00.62415496.1
表5   2006年罗玉沟流域沟口径流站实测流量成果表
施测号数施测时间起讫时分断面位置测验方法基本水尺水位(m)流量(m3/s)断面面积(m2)流速(m/s)水面宽(m)水深(m)水面比降(10-4)糙率附注
平均最大平均最大
142421:40–21:45浮标 (0.85) 30.2740.4050.680.912.000.200.29
242422:30–22:35浮标 (0.85) 30.2910.4340.670.882.200.200.28
342423:30–23:35浮标 (0.85) 30.2200.3400.650.862.000.170.26
44258:0–8:5浮标 (0.85) 30.02920.0950.310.421.200.080.11
542514:0–14:5浮标 (0.85) 30.01550.0560.280.361.000.060.08
642520:0–20:5浮标 (0.85) 30.01290.0480.270.351.000.050.07
742618:0–18:5浮标 (0.85) 30.08600.1610.530.701.500.110.16
表6   2006年罗玉沟流域沟口径流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(h:min)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(%)单位面积土壤流失量
雨量(mm)历时(h:min)平均强度(mm/h)浑水清水涨水落水合计tm3最大平均最大平均浑水清水浑水清水t/km2m3/km2
15430.23:0010.173140660601:0018:1019:1018770125106.531.063512571005907.53.333.00257.9171.9
25441.611:303.679460779106:30117:30124:00410227351.720.17810351.6109210702.632.5756.3537.57
3748.02:303.215880150100:407:508:30230115343.410.519225145218.2206.22.732.5831.6121.07
3   数据质量控制和评估
依据《水土保持径流泥沙测验及资料整编须知》(黄河水利委员会水土保持处,1988年)的要求,参考《水文资料整编规范》(SL247-2012)的规定[9],对数据资料按照在站整编、整编、审查、复审的流程进行质量控制,达到了观测数据集中“一般错误的错误率不超过1/2000,最后一遍校对所发现错误的错误率应小于1/10000”的要求,确保了资料的准确可靠。观测成果数据质量控制流程见图2。


图2   数据质量控制流程
4   数据使用方法和建议
本数据集提供了1985–2018年黄土丘陵区第三副区罗玉沟流域径流泥沙观测整编数据,数据集通过国家冰川冻土沙漠科学数据中心和国家特殊环境、特殊功能观测研究台站共享服务平台提供数据下载服务。本数据集可以作为探索黄土丘陵沟壑区第三副区水土流失规律的基础数据。
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数据引用格式
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黄河水利委员会天水水土保持科学试验站. 2001–2010年黄土丘陵沟壑区第三副区罗玉沟流域径流泥沙观测数据集. 国家冰川冻土沙漠科学数据中心(www.ncdc.ac.cn), 2020. DOI: 10.12072/ncdc.HWTSZhan.db0025.2020.
黄河水利委员会天水水土保持科学试验站. 2011–2018年黄土丘陵沟壑区第三副区罗玉沟流域径流泥沙观测数据集. 国家冰川冻土沙漠科学数据中心(www.ncdc.ac.cn), 2020. DOI: 10.12072/ncdc.HWTSZhan.db0019.2020.
稿件与作者信息
论文引用格式
王晨, 敏玉芳, 何爱东,等. 1985–2018年黄土丘陵沟壑区第三副区罗玉沟流域径流泥沙观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2021, 6(3). (2021-09-30). DOI: 10.11922/ncdc.2020.0015.zh.
王晨
Wang Chen
数据整理,论文撰写。
王晨(1988—),男,甘肃省天水市人,学士,助理工程师,从事水土保持工作。
敏玉芳
Min Yufang
论文修改和数据共享。
myf@lzb.ac.cn
敏玉芳(1983—),女,甘肃省临潭县人,硕士研究生,工程师,从事数据处理,共享分析工作。
何爱东
He Aidong
数据校对。
何爱东(1976—),男,甘肃省天水市人,学士,助理工程师,从事水土保持工作。
康建芳
Kang Jianfang
数据管理与分析。
康建芳(1981—),女,甘肃省秦安县人,硕士,工程师,研究方向为寒旱区大数据应用。
赵晓艳
Zhao Xiaoyan
数据校对。
赵晓艳(1994—),女,陕西省渭南市,学士,助理工程师,从事水土保持工作。
张耀南
Zhang Yaonan
数据质量控制理论方法研究。
张耀南(1969—),男,甘肃省天水市秦安县人,博士,研究员,从事地学e-science及数据工程学研究。
国家科技基础条件平台(Y719H71006), 中国科学院信息化专项(XXH13506和 XXH13505-220)。
Service and Sharing Platform of National Observation Stations for Unique Environment and Distinct Feature Studies(Y719H71006); The 13th Five-year Informatization Plan of Chinese Academy of Sciences (XXH13506 and XXH13505-220).
出版历史
II区出版时间:2021年9月30日 ( 版本ZH2
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中国科学数据
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