1954–2018 年黄土高塬沟壑区南小河沟流域径流泥沙观测数据集

罗丽芳，张耀南，赵彦博*，敏玉芳，李红星，闫璐瑶

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

南小河沟流域地处甘肃省庆阳市西峰区境内的董志塬边缘地带，是泾河支流蒲河左岸一支沟，地理位置东经107°30′03″–107°37′26″，北纬35°40′51″–35°44′55″，流域面积38.93 km2，海拔高程1050–1423 m，相对高差373 m。地貌主要有塬、坡、沟三大单元，具有典型的黄土高塬沟壑区地貌特征。沟道发育，以主沟道为框架，支毛沟纵横交错，地形支离破碎，沟壑密度2.68 km/km2，沟道平均比降2.8%。流域内地质构造较为单一，地表基本为黄土覆盖。塬面和坡面表层为马兰黄土，土质疏松，透水性强、湿陷性大，垂直节理明显。表层马兰黄土下部依次为离石黄土、午城黄土、红粘土，其含粘量、容重及不透水性由上而下依次增大。流域内滑坡、崩塌、红土泻溜、泥石流等重力侵蚀主要分布于沟谷地段。

十八亩台径流站地处东经107°32′46″，北纬35°42′47″，始建于1954 年，位于南小河沟流域下游十八亩台坝泄水涵洞出口下部，是南小河沟流域的把口站，控制集水面积 32.78 km2，同时设有蒸发观测站和雨量站，如图1 所示。本数据集为1954–2018 年十八亩台站径流泥沙观测数据集，可用于研究该流域不同治理阶段径流泥沙产生规律，并为防治水土流失和进行流域综合治理提供科学数据和实践经验。

图1 十八亩台径流站位置图

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集方法

根据南小河沟流域水土流失特性和河段水流特性，十八亩台径流站测流断面采用巴歇尔量水槽，规格尺寸为喉道宽1.5 m，进水段坡1:5，出水段反坡6:1，喉道两侧平行墙与顺水流成0.375 坡度的底，槽身为1:3，钢筋混凝土结构，测流断面全部为人工断面，试验观测断面上部为土坝泄洪洞，示意图见图2。

图2 巴歇尔量水槽示意图

（1）径流站水位

巴歇尔量水槽在堰槽喉道中部设置水尺，以能控制观测中出现的最高洪水位，观测时读取水深，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，汛期时段5–9 月；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30 分钟到1 小时观测一次，要求能测得各次峰、谷和完整的水位变化过程。

（2）流量

按照《水文测验暂行规范》（量水堰测验部分）附表套用水位流量计算公式，由观测水位推算流量。

式中Q为流量，单位为m3/s；H：水深（水位），单位为m。

在资料整编时段内，十八亩台巴歇尔量水槽上游水力条件无变化，下游沟道洪水时有轻微淤积，经清淤处理，继续运用原水位流量公式测流。

（3）泥沙

黄土高塬沟壑区河道属典型的北方河流，河流水流湍急，断面含沙量分布比较均匀，用单位水样含沙量代替断面平均含沙量。采样在测桥作业，取沙采用中泓一点法取沙，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。一般在测流断面采取沙样，用横式采样器取样。

（4）悬移质泥沙

采用置换法处理沙样。使用500ml 或1000ml 的比重瓶，用精度1/1000g 天平，最小沙重不小于1.0g。

（5）含沙量

按下式计算实测含沙量：

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

1.2 数据处理

基于人工实测获得原始数据，依据原黄河水利委员会水土保持处1988 年编制的《水土保持径流泥沙测验及资料整编须知》（试行稿）进行整编。

（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；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（年日平均流量之和）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。

逐日平均流量表中，若连续多日出现同一观测现象，则第一次用规定的观测符号，以后的用重复符号表识。

（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：可选洪峰流量、洪水总量、含沙量、输沙量最大的峰；或孤立、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

本表记载了径流站观测的最大洪水，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。

2 数据样本描述

南小河沟流域径流泥沙观测数据集基本按照10 年跨度共组织数据集5 个，分别是1954–1980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，分别是逐日平均流量表、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，数据量共计9.33 MB。以下以2017 年部分数据为例介绍各数据样本。

（1）逐日平均流量表

逐日平均输沙率表数据样本中包括日平均含沙量（悬移质）、月平均含沙量（悬移质）、月最大（小）含沙量（悬移质）、月最大（小）含沙量（悬移质）、年平均流量、年平输沙率、年平均含沙量、年最大（小）断面平均含沙量年。详见表1。

表1 2017 年十八亩台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 2017 年十八亩台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 2017 年十八亩台测站逐日平均悬移质输沙率表

（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 2017 年十八亩台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 2017 年十八亩台径流站逐次洪水测验成果表 集水面积：32.78 km2

3 数据质量控制和评估

十八亩台径流站径流泥沙观测数据采用人工取样测量的方法。为确保数据质量，整编过程包括初步整编、部门复核和上级主管领导审核等步骤。对原始数据进行了系统的检查和鉴定，对出现错误和偏差的数据及时修正或重新采样，保证了数据的可靠性和真实性。

4 数据价值

十八亩台径流站作为南小河沟流域水土流失试验观测的重要组成部分，建站至今取得了丰富的观测资料。通过对径流及泥沙资料进行统计，可分析黄土高塬沟壑区产流、产沙的基本规律及其变化，明确水土流失防治措施效益，为水土保持规划和流域综合治理提供了科学数据和实践经验。

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观测及资料整编技术人员的大力支持和帮助，在此表示感谢。