1954–2018 年黄土高塬沟壑区南小河沟流域杨家沟控制站径流泥沙观测数据集

焦念，康建芳，许小梅，赵彦博，张耀南

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

黄土高塬沟壑区，主要有塬、坡、沟三大地貌单元。沟道发育，以主沟道为框架，支毛沟纵横交错，地形支离破碎，水土流失严重。为了改善该区域的生态环境现状，不少学者专家通过研究相似流域治理模式下径流泥沙对比关系[1-4]，从而探索黄土高塬沟壑区水土流失治理模式，以为黄河流域生态环境保护和高质量发展提供科学依据。

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36.3 km²，海拔高程1050–1423 m，相对高差373 m。具有典型的黄土高塬沟壑区地貌特征，沟壑密度2.68 km/km²，沟道平均比降2.8%，水土流失严重。为了改善该流域水土流失现状、探索治理措施在该区防治效果，西峰站在流域内选取面积、走向都非常接近的两个支沟杨家沟和董庄沟分别作为治理沟和非治理沟开展了长期对比观测。其中杨家沟流域位于东经107°33′10″，北纬35°42′12″，面积1.01 km²，平均高程1158 m，地形主要以沟壑为主。主沟道长1.5 km，沟壑密度1.69 km/km²，沟道比降8.64%。侵蚀类型以重力、水力侵蚀为主。杨家沟1952 年开始治理，沟道下游修筑土谷坊和柳谷坊；沟道中上游和坡面以柳树、杨树、杏树、刺槐等乡土树种为主造林，整地方式以鱼鳞坑整地为主；塬面进行维护治理，整修了部分梯田。目前流域内植被覆盖率约65%，水土流失面积相对较小。

杨家沟小流域径流控制站始建于1954 年，以三角量水槽为主要观测设施，主要开展径流泥沙相关观测。本数据集包含杨家沟1954–2018 年降水量、径流量、泥沙量等数据，是研究水土流失规律和不同治理措施蓄水拦泥效益的重要数据，对黄河流域水沙变化研究和水土流失治理宏观决策提供重要观测依据。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集方法

杨家沟小流域控制站有三角量水槽一处（图1）。三角量水槽底角为120°，堰高2.1 m，上口宽6.3 m，土质引水槽10 m，混凝土三角量水槽总长10 m，其中进水段5 m，出水段5 m，边坡1:1.5，钢筋混凝土结构。流域内观测院中还布设有自记雨量计1 台，YDH-1M 型遥测终端机1 台，JDZ05-1 型翻斗式雨量计1 台、SM1 型雨量计1 台。主要开展降雨、径流泥沙等人工观测。

图1 杨家沟测站三角量水槽示意图

1.1.1 径流、泥沙、洪水

1）径流站水位

三角量水槽在堰槽中部设置水尺，以能控制观测中出现的最高洪水位，观测时人工读取水深。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6–9 月；汛期、非汛期洪水观测相同。

2）流量

杨家沟三角量水槽1955 年经黄河水利委员会（简称黄委会）泥沙所试验报告提供了水位流量率定及计算公式，由观测水位推算流量。水位流量率定及计算公式：

式中，Q为流量；H 为观测水位。

数据集时段内，杨家沟堰槽上游河槽与率定时比较没有发生淤积、冲刷和水力条件变化，继续运用率定水位流量公式测流。

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。杨家沟在测桥作业，取样采用中泓一点法，平常取样次数与观测水位次数基本相同，洪水期取样次数以能控制住含沙量变化过程为原则，径流泥沙峰值不一致、含沙量变化剧烈时，取样需适当增加。一般在测流断面取样时，用横式采样器取样。

杨家沟径流站采用置换法处理水样。置换法的具体步骤：①量水样容积；②称出比重瓶加浑水的总重量；③量出浑水温度；④根据不同温度瓶加清水的重量计算水样中的干沙重。处理过程中比重瓶使用500 ml，天平用精度1/1000 g，最小沙重不小于1.0 g。即可按下式计算干沙重：

式中，Ws为水样中的干沙重（g）；Wws为瓶加浑水重（g）；Ww为瓶加清水重（g）；K为置换系数，取1.59 进行计算。

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为实测含沙量（kg/m3）；V为水样容积（cm3）；Ws为水样中干沙重（g）。

1.1.2 降水量

按照雨量站布设实际和观测需要，普通雨量器降水量采用8 时、20 时两段制观测，观测降水起止时间，统计一次降水量。当降水过程中有间歇时，间歇时间大于15 min，间歇前后作为两次降水进行观测记载；若间歇时间小于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。自记雨量计按规范进行24 段制观测。

1.2 数据整编

通过上述人工实测获得原始数据，依据原黄委水保处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。

1.2.1 逐日降水量表

1）有降水之日，填记一日内各时段降水量的总和，降雪或降雹时，在降水量的右侧加注降水物符号。

2）月降水量，填本月各日降水量之总和。

1.2.2 降水量摘录表

1）对于控制全集水区降水的所有人工或自记雨量观测站，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应摘入。

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人工观测资料校正。无自记的人工观测站，均按实测资料摘入，雾、露、霜有量的亦应摘录。

4）降水期间有大于15 min 的间歇时，前后分两次降水，每小时大于2.5 mm 应摘时段前后正点时分。

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。

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。

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 的要进行复核。

1.2.3 各时段最大降水量表（1）

1）有自记记录的雨量站，按照规范要求编制各时段最大降水量表（1）。

2）各分钟时段最大降水量一律采用1 min 或5 min 滑动进行挑选。

3）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。

1.2.4 各时段最大降水量表（2）

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，按照规范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）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，一次雨量记录不完整或只记日量的站，不作此项统计。

4）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。

1.2.5 逐日平均流量表

1）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。

2）月平均流量：该月逐日平均流量之和除以全月天数。

3）年平均流量：全年日平均流量总数除以年总天数。

4）年径流量：由年总数乘以一日秒数而得。

5）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。

6）径流深度：年径流量（m3）除以集水面积（km²）再除以1000。

7）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。

1.2.6 逐日平均含沙量表

1）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。

2）月平均含沙量：由月平均输沙率除以月平均流量。

3）年平均含沙量：由年平均输沙率除以年平均流量。

1.2.7 逐日平均悬移质输沙率表

1）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。

2）月平均输沙率：该月逐日平均输沙率之和除以全月天数。

3）年平均输沙率：年逐日平均输沙率总数除以年总天数。

4）年输沙量：由年逐日平均输沙率总数乘以一日秒数而得。

5）年侵蚀模数：由年输沙量（t）除以集水面积（km²）。

1.2.8 洪水水文要素摘录表

杨家沟采取洪水过程全摘录。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。

1.2.9 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。

2 数据样本描述

杨家沟小流域数据集主要包括1954–2018 年逐日降水量、降水量摘录表、各时段最大降雨量表（1）、各时段最大降雨量表（2）、逐日平均流量、逐日平均含沙量、逐日平均悬移质输沙率表、洪水水文要素摘录表、逐次洪水测验成果表。以下以2016 年数据为例介绍各数据样本。

（1）逐日降水量表

逐日降水量表数据样本中包括日降水量、月降水量、月降水日数、月最大日降水量、年降水量、年降水日数和降水时段、年最大降水量，详见表1。

表1 2016 年杨家沟测站逐日降水量表

（2）降水量摘录表

降水量摘录表数据样本中包括降水的日期（月、日）、降水的起止时间（时、分）、实测降水量，详见表2。

表2 2016 年杨家沟测站降水量摘录表

（3）各时段最大降雨量表（1）

各时段最大降雨量表（1）数据样本中包括降水时段（min）、最大降水量、开始降水的日期（X月X 日），详见表3。

表3 2016 年杨家沟测站各时段最大降水量表（1）

（4）各时段最大降雨量表（2）

各时段最大降雨量表（2）数据样本中包括降水时段（h）、最大降水量、开始降水的日期（月、日），详见表4。

表4 2016 年杨家沟测站各时段最大降水量表（2）

（5）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5。

表5 2016 年杨家沟径流站洪水水文要素摘录表

（6）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6。

表6 2016 年杨家沟测站逐日平均流量表 集水面积：1.01km2，流量：m3/s

（7）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（月、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7。

表7 2016 年杨家沟测站逐次洪水测验成果表 集水面积：1.01 km2

（8）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8。

表8 2016 年杨家沟测站逐日平均含沙量表

（9）逐日平均悬移质输沙率表

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9。

表9 2016 年杨家沟测站逐日平均悬移质输沙率表

3 数据质量控制和评估

1954–2018 年黄土高塬沟壑区南小河沟流域杨家沟（治理）观测数据采用人工观测，依据原黄委水保处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）和水利电力部水利司主编的《水文测验手册 第三册（资料整编和审查）》[5]进行合理性及一致性检查分析；数据录入过程中经过初校、复校、审核三级人工校核，以确保数据真实准确。

4 数据价值

杨家沟观测数据对推动小流域治理起到关键数据支撑作用。作为治理沟，利用杨家沟长时序径流观测数据，分析流域主要降雨特征，确定不同时间段流域产流产沙对典型降雨特征指标的响应关系，揭示不同降雨和植物措施条件下流域产流产沙特征；识别流域降雨和植物措施对不同时间段水沙变化的贡献及作用机制，为黄土高塬沟壑区的的水沙变化研究提供科学依据，同时为当地水土保持生态建设提供有益支撑。

自2007 年起，杨家沟径流观测站被列入全国水土流失动态监测站网，为水利部、甘肃省、黄委提供基础观测数据，为编制中国水土保持公报、甘肃省水土保持公报提供基础观测数据。

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。