1987–2018 年黄土丘陵沟壑区第三副区罗玉沟流域径流场观测数据集

刘晓，张耀南，赵国辉*，苏广旭，蒋志简

1.黄河水利委员会天水水土保持科学试验站，甘肃天水 741000

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

黄土丘陵沟壑区第三副区是人口较密集的地区，由于土质疏松、坡陡沟深、植被稀疏、暴雨集中，也是水土流失严重的地区[1]。该地区的生态环境严重恶化，造成沟壑面积增加、农田破坏、滑坡、泥石流、洪水等潜在危害增加，严重阻碍了当地经济社会的可持续发展和生态环境建设。水土流失过程复杂多样，研究表明降雨是导致坡面土壤水蚀的主导因素，坡度、坡形，以及植被覆盖对水土流失的影响也极为显著[2]。因此，要全面揭示土壤的水蚀机理和规律，亟需大量的观测试验。径流场观测是研究坡面水土流失规律的主要手段，也是水土保持科学研究体系的重要组成部分。基于径流场的观测试验，对探索侵蚀规律、保持水土流失观测的长期性和连续性、实现水土保持措施配置对比试验等方面具有重要意义[3]。

黄河水利委员会天水水土保持科学试验站（以下简称“天水站”）自1943 年以来，先后在黄土丘陵沟壑区第三副区（简称“丘三区”）的大柳树沟、杏沟、罗玉沟等流域布设径流场开展水土流失多要素观测。为开展“多年生豆科牧草的水土保持效益试验研究”，1987 年在罗玉沟试验场布设了7 个径流场，连续观测了三年（1987–1989 年）。2006 年，为研究不同坡度、不同植被、不同措施条件下水土流失规律和水土保持效益，在罗玉沟试验场布设了17 个径流场，从2008 年开始观测并持续至今。本数据集整编汇集1987–1989 年和2008–2018 年罗玉沟流域径流场观测数据，以期为水土流失治理的关键措施、主要策略提供基础数据保障。

1 数据采集和处理方法

1.1 径流场布设

天水站选取丘三区在地形、坡向、土壤、土质、植被和土地利用情况具有代表性的罗玉沟流域作为试验观测流域，并将径流场集中布设在罗玉沟流域内的天水站罗玉沟试验场坡地上，海拔高程1479–1495 m，地理坐标为105°30'30″E–105°44'20″E,34°35'20″N–34°39'20″N。1987 年布设了7 个径流场，坡度均为15°，水平投影面积均为66.72 m2（4×16.68 m），均采用集流桶拦蓄次产流、产沙，人工观测产流量和产沙量。各径流场分别种植小冠花、红豆草、沙打旺、紫花苜蓿、红三叶、鹰咀紫云英等人工牧草，在农地对照径流场按当地农作物三年四熟的轮作制种植农作物，轮作顺序为洋芋—小麦—荞麦—玉米，耕作措施与当地农作物一致。2006 年布设的径流场按照不同坡度、不同措施修建，包括2 个裸地对照径流场，15 个不同坡度（5°、10°、15°、20°、25°）、不同措施因子（农地、林地、牧草地）径流场，水平投影面积均为100 m2（5×20 m），均采用集流池拦蓄次产流、产沙，人工观测产流量和产沙量。径流场基本信息详见表1。

表1 径流场基本信息统计表

1.2 观测指标

径流场主要观测指标包括降水量、径流量、泥沙量和土壤含水量。径流场观测分为两个并行的部分（图1），第一部分是对降雨径流的观测，采用钢尺多次测量水深，取平均值作为径流的度量。第二部分为泥沙观测，通过池中匀搅取样，通过置换法测量。土壤含水量标识水土流失特征的关键指标，也是径流场观测的重要内容。

图1 径流场观测流程

1.2.1 降水量

径流场降水量采用径流场布设的雨量站观测值，观测降水起讫时间和一次降水总量。

1.2.2 径流量

径流场待降水结束、径流终止后立即观测，只观测一次降水产生的径流总量（浑水），未观测径流、泥沙的起讫时间和过程。量水设备为集流池（桶），产流结束后，直接量测集流池（桶）水深，径流总量由事先率定的集流池（桶）的水位（水深）与容积关系推算得出。

1.2.3 泥沙量

先将径流池的泥水搅拌均匀后，再取泥沙水样。采用置换法处理泥沙水样，求得平均含沙量，泥沙总量由径流量乘以平均含沙量得出。

1.2.4 土壤含水量

在罗玉沟径流场进行土壤含水量观测，取样位置在径流场保护带内。按照0–10、10–20、20–40、40–60、60–80、80–100 cm 的深度，用环刀分层取样。土壤含水量观测频度为10 天一次，雨后加测。取样时每层上、下取样两个，用烘干法处理，平行观测土壤含水量，取其平均值为该土层土壤含水量。

1.3 数据处理

（1）降水量：降水次序、降水起讫时间、历时（净历时）、全次降水量从径流小区设置的雨量站观测记录上摘录。

（2）含沙量：采用置换法处理悬移质泥沙，使用通过鉴定的比重瓶容积为500 ml 或1000 ml，使用分度值为1/1000 g 的天平称重，泥沙重量计算公式如下：

式中：Ws为泥沙重量（g），ρs为泥沙密度（g/cm3），ρw为清水密度（g/cm3），Wws为瓶加浑水重（g），Ww为同温度下瓶加清水重（g）。

含沙量是指单位体积浑水所含干沙的质量，计算公式如下：

式中，ρ为实测含沙量(kg/m3)，V为水样容积(cm3)。

（3）小区泥沙总量：一次降雨产流后的小区泥沙总量按下式计算：

式中：W为小区泥沙总量（kg），M0为浑水体积(m3)。

（4）冲刷量：

式中，e为冲刷量(t/km2)，dM为浑水深(mm)。

（5）浑水深：

式中，R为径流量(m3)，A为小区面积(m2)。

（6）清水深：

式中，dC为清水深(mm)，γ为泥沙比重(kg/m3)。

（7）浑水径流系数：

式中：RC为浑水径流系数(%)，P为全次降雨量(mm)。

（8）清水径流系数RCC(%)：

（9）土壤含水量观测主要包括测点土壤含水量和垂线平均土壤含水量。测点土壤含水量计算方法如下：

式中，ω为土壤含水量(%)，mi为i类型样品重量。在同一土层上、下同时取两个土样，平行测得两个测点土壤含水量，算术平均后作为该层土壤的含水量。各层土壤含水量按厚度加权平均后得到垂线平均土壤含水量。

2 数据样本描述

本数据集收录了天水站1987–1989 年和2008–2018 年罗玉沟径流场观测数据成果。主要包括径流场基本情况表、径流场逐次径流泥沙测验成果统计表和土壤含水量成果统计表。数据样本详见表2、表3 和表4。

表2 径流场基本情况表样例

表3 罗玉沟试验场径流场逐次径流泥沙测验成果统计表样例

表4 土壤含水量实测成果样例

2.1 径流场基本情况表解析

径流场基本情况表主要包括径流场详细情况、管护情况、测验具体情况等内容。具体内容见表2，其中：

（1）编号：径流场编号（文本格式）。

（2）位置：径流场所在位置（文本格式）。

（3）土质：耕作层土壤。

（4）坡向：径流场的坡向（文本格式）。

（5）坡度：径流场的坡度（一位小数）。

（6）坡长：径流场顺坡向的长度（一位小数）。

（7）宽度：径流场上、下边长度（一位小数）。

（8）作物名称、播种前翻耕深度、整地方法、播种方法、播种量、播种日期、株行距、施

肥种类、施肥量、中耕方法次数及时间、收割次数及时间、作物产量：由原始观测记录中摘录（文本格式）。

（9）土壤有机质含量、土壤团粒结构含量：由原始观测记录中摘录（文本格式）。

（10）测验设备：集流池（桶）（文本格式）。

（11）开始观测年月：指第一次降水产生径流并开始观测的时间（文本格式）。

（12）径流期降雨量、径流量未观测。

2.2 径流场逐次径流泥沙测验成果统计表解析

径流场逐次径流泥沙测验成果表主要包括降雨、径流、泥沙等数据以及土壤含水率、被覆度等情况。具体详见表3，其中：

（1）全次降雨量：一位小数。

（2）全次降雨平均强度：2 位小数。

（3）清水、浑水径流深：4 位有效数字，3 位小数。

（4）清水、浑水径流系数：3 位有效数字，2 位小数。

（5）含沙量：2 位小数。

（6）冲刷量：2 位小数。

2.3 土壤含水量成果统计表解析

土壤含水量成果统计表主要记录同一取样日期不同取样深度的含水量，具体详见表4，其中：

（1）取样地段编号：取样的径流场编号（文本格式）。

（2）取样时间：从原始观测记录中摘录（文本格式）。

（3）测点土壤含水量、垂线平均土壤含水量：根据原始观测记录计算得出（一位小数）。

3 数据质量控制和评估

径流场观测过程严格按照《水土保持试验规程》（SL419-2007）的规定执行[4]，观测数据按照《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）[5]，严格执行在站整编、整编、审查、复审全流程，每个环节均对数据进行合理性检查。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。

4 数据使用方法和建议

本数据集提供了1987–2018 年黄土丘陵沟壑区第三副区罗玉沟流域径流场观测数据，以及径流场布设基本情况，可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。本数据集通过国家冰川冻土沙漠科学数据中心(http://www.ncdc.ac.cn)提供全部数据下载服务。为方便使用，我们提供了数据集的xlsx 格式资料，用户可以直接使用Microsoft Excel 程序浏览。

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