黨小尼，郭嘉，康建芳，張耀南，郭銳

1.黃河水利委員會西峰水土保持科學(xué)試驗站，甘肅慶陽 745000

2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000

3.國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心，蘭州 730000

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

images/BZ_95_709_1893_1062_1971.pngimages/BZ_95_1086_1893_2222_1971.pngimages/BZ_95_709_1973_1062_2051.pngimages/BZ_95_1086_1973_2222_2051.pngimages/BZ_95_709_2053_1062_2131.pngimages/BZ_95_1086_2053_2222_2131.pngimages/BZ_95_709_2133_1062_2211.pngimages/BZ_95_1086_2133_2222_2211.pngimages/BZ_95_709_2213_1062_2291.pngimages/BZ_95_1086_2213_2222_2291.png″images/BZ_95_709_2294_1062_2372.pngimages/BZ_95_1086_2294_2222_2372.pngimages/BZ_95_709_2374_1062_2452.pngimages/BZ_95_1086_2374_2222_2452.pngimages/BZ_95_709_2454_1062_2688.pngimages/BZ_95_1086_2454_2222_2532.png）images/BZ_95_1086_2532_2222_2610.png）images/BZ_95_1086_2610_2222_2688.png）images/BZ_95_709_2690_1062_2768.pngimages/BZ_95_1086_2690_2222_2768.pngimages/BZ_95_709_2771_1062_3161.pngimages/BZ_95_1086_2771_2222_2849.pngimages/BZ_95_1086_2849_2222_2927.png,images/BZ_95_1086_2927_2222_3005.pngimages/BZ_95_1086_3005_2222_3083.pngimages/BZ_95_1086_3083_2222_3161.png

引 言

董莊溝流域位于甘肅省慶陽市西峰區(qū)后官寨鄉(xiāng)境內(nèi)，是南小河溝流域的一條小支溝，距慶陽市區(qū) 13 km，地理位置為東經(jīng) 107°32′28″，北緯 35°42′16″，集水（匯水）面積 1.12 km2。2004 年土地利用遙感調(diào)查結(jié)果顯示[1]，董莊溝流域旱耕地面積 17.38 hm2，林地面積 25.90 hm2，灌木林地面積5.86 hm2，天然草地面積46.14 hm2，難利用地面積19.72 hm2。流域內(nèi)海拔高度在1135-1350 m之間，相對高差215 m，溝壑密度1.69，溝道比降8.93%，具有黃土高塬溝壑區(qū)典型地形地貌特征，董莊溝流域與南小河溝流域另一條支溝楊家溝流域位置毗鄰，面積相近（楊家溝流域集水面積1.01 km2），地形和土壤等特征基本相似，是比較理想的對比觀測場所（兩溝基本情況和坡度組成見表1和表2）。為探求徑流泥沙來源規(guī)律以及防治措施的蓄水保土效益，尋找黃土高塬溝壑區(qū)的治理途徑，為水利水土保持工程設(shè)計服務(wù)，1954年起，黃河水利委員會西峰水土保持科學(xué)試驗站將楊家溝流域選定為治理溝，進行塬面修地埂1773 m，栽植道路林1.76萬株，修溝邊埂588 m，溝頭防護一處；山坡造林8.93 hm2，造林前修水平溝水平階26.4 km，坡耕地修地埂4643 m，修水平梯田2.9 hm2，人工牧草地1.3 hm2；谷坡及溝底，在溝床每隔20-30 m打一道柳谷坊，谷坊間營造楊柳林1.1萬株，谷坡造林331畝，修水平梯田6.1畝，種草92畝等治理活動。董莊溝流域未實施治理，保持其自然發(fā)展態(tài)勢，經(jīng)過半個多世紀，目前溝谷大部分區(qū)域自然植被良好，主要以蒿草為主，水土流失程度相應(yīng)降低。兩溝從1954年以來開展了長期的水土流失觀測，通過觀測得出對比數(shù)據(jù)。

表1 楊家溝流域和董莊溝流域基本數(shù)據(jù)

表2 楊家溝流域和董莊溝流域坡度組成數(shù)據(jù)

本數(shù)據(jù)集為董莊溝流域1954-2018年降水、徑流、泥沙觀測數(shù)據(jù)。作為第一手觀測數(shù)據(jù)，本數(shù)據(jù)集可用于建立未治理地區(qū)的水土流失模型，獲得流域土壤侵蝕模數(shù)，徑流模數(shù)等，其與楊家溝流域數(shù)據(jù)對比分析，具有評估水土保持措施效益等科學(xué)價值[2]。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

董莊溝流域觀測要素包括降水、徑流和泥沙，觀測設(shè)施布設(shè)在流域中下部溝道山坡位置。降水量觀測設(shè)施有雨量桶和自記雨量計2種，徑流泥沙觀測設(shè)施有三角量水堰和薄壁三角量水堰各1個。采集處理流程見圖1。

圖1 數(shù)據(jù)采集處理流程圖

1.1 數(shù)據(jù)采集方法

1.1.1 降水量

降水量觀測儀器有口徑為20 cm的SM1型普通雨量器和DSJ-2型虹吸式自記雨量計。SM1型采用8時、20時兩段制進行全年觀測，主要觀測降水起止時間，統(tǒng)計降水量。當(dāng)降水間歇時間大于15 min，間歇前后作為兩次降水進行觀測記載；當(dāng)間歇時間小于15 min，則作為一次降水觀測記載。如果一次降水跨過8時、20時應(yīng)在8時、20時加測。DSJ-2型采用24段制進行汛期觀測。在DSJ-2型虹吸式自記雨量計出現(xiàn)故障的情況下，用SM1普通雨量器觀測資料進行補充。

1.1.2 徑流量

（1）水位觀測

三角量水堰在堰槽中部設(shè)置水尺（或投影到堰槽邊坡上），觀測時讀取水位。汛期、非汛期洪水觀測相同，洪水期或者水位變化急劇時期，在控制起漲、峰頂、落平和其他水位漲落重要轉(zhuǎn)折點水位的前提下，大致按水位變化均勻布設(shè)測次，峰頂附近不少于3次，一般單峰不少于11次，落平后30 min到1.0 h觀測一次，要求能測得各次峰、谷和完整的水位變化過程，洪水漲落水位小于30 cm時采用精度更高的薄壁三角量水堰（含于三角量水堰中）觀測。

（2）流量計算

根據(jù)1955年黃河水利科學(xué)研究院泥沙研究所提供的水位流量率定及計算公式（1），由觀測水位推算流量。

式中Q：流量，單位：m3/s；H：水深（水位），單位：m。

1.1.3 泥沙量

（1）泥沙觀測

泥沙取樣采用測橋處中泓一點法。洪水期取沙次數(shù)以能控制住含沙量變化過程為原則，水沙峰不一致、含沙量變化劇烈時，測次需適當(dāng)增加。一般在測流斷面使用橫式采樣器采集水樣。清水期間不取水樣；洪水漲落水位小于30 cm時，沙樣采用人工在堰后（薄壁三角量水堰）取樣方法。

水樣處理采用置換法，主要儀器為經(jīng)過率定的500 mL的比重瓶，精度1/1000 g的分析天平，最小沙重不小于1.0 g。

（2）含沙量計算

按以下公式（2）計算含沙量：

式中，ρ：實測含沙量，單位：kg/m3；V：水樣容積，單位：cm3；Ws：水樣中干沙重，單位：g。

1.2 數(shù)據(jù)處理

1.2.1 降水量

降水量原始數(shù)據(jù)由SM1型普通雨量器和DSJ-2型虹吸式自記雨量計兩種方式測得。SM1型普通雨量器觀測資料電子錄入后進行月年最大降水量統(tǒng)計和月年降水日數(shù)的統(tǒng)計，形成逐日降水量表；DSJ-2型虹吸式自記雨量計觀測數(shù)據(jù)如出現(xiàn)異常，需依據(jù)SM1型普通雨量器人工觀測雨量總量進行訂正，然后摘錄降雨起止時間和雨量，生成降水量摘錄表。最后依據(jù)不同時段，采用不同方法，挑選并記錄各時段最大降水量和其時段開始的日期，生成各時段最大降水量表。

（1）逐日降水量表

①對于控制全集水區(qū)降水的所有SM1型普通雨量器人工或自記雨量觀測站，均編制此表。

②有降水之日，填記一日內(nèi)各時段降水量的總和。有降雪或降雹時，在降水量的右側(cè)加注降水物符號。整編符號與降水符號并用時，整編符號記在降水符號之右。

③月降水量，填本月各日降水量之總和。全月未降水者，記為0。有跨月合并情況者，合并的量記入后月。前后月的月總數(shù)均不加擴號。

④月降水日數(shù)，全月無降水日者記為零。

⑤時段（d）最大降水量共分為1 d、3 d、7 d、15 d和30 d共5個時段，記錄連續(xù)日期時段內(nèi)的最大降水量，同時記錄時段開始的對應(yīng)日期。

（2）降水量摘錄表

①對于控制全集水區(qū)降水的所有自記雨量觀測站，均編制此表。

②編制逐日降水量表的，汛期內(nèi)的降水全部摘錄，非汛期的降水，凡是與洪水有關(guān)的降水也摘入。

③自記雨量站按自記紙上24段制進行摘錄，總量可用虹吸總量及SM1型普通雨量器人工觀測資料校正。

④降水期間有大于15 min的間歇時，前后分兩次降水。

⑤相鄰各時段的降水強度等于或小于2.5 mm/h者，可予合并，但不得跨過8時、20時。大于2.5 mm/h則按1h摘錄并記錄時段前后正點時分。

⑥對于產(chǎn)流暴雨應(yīng)以等時段摘錄為主，并照顧到降雨強度明顯變化的轉(zhuǎn)折點。雨強在0.2 mm/min以上者，摘錄轉(zhuǎn)折點，必要時摘出雨量累計曲線的轉(zhuǎn)折點。

⑦對于自記記錄，首先進行總量的訂正后將誤差分配給每次虹吸處。若無訂正值，可按人工觀測量進行訂正，訂正量大于5 mm的要進行研究。

（3）各時段最大降水量表（1）

1980年前，本表被編為各時段最大降水量表（三），間隔時段為（小時）0.5、1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、6.0、9.0、12.0、24.0。1980年后按照以下規(guī)則整編：

①有自記記錄的雨量站，要求編制各時段最大降水量表（1）。

②各分鐘段時最大降水量一律采用1 min或5 min滑動進行挑選，在數(shù)據(jù)整理時，應(yīng)注意采用1 min或5 min滑動摘錄。

③表中各時段最大降水量值，分別在全年的自記記錄紙上連續(xù)滑動挑選。

④自記雨量計短時間發(fā)生故障，經(jīng)鄰站對照分析插補修正的資料，可參加統(tǒng)計。

⑤挑選出來的數(shù)據(jù)分記兩行，上行為各時段最大降水量，下行為對應(yīng)時段的開始日期，日期以零時為日分界線。

（4）各時段最大降水量表（2）

1980年之前，本表被編為各時段最大降水量表（四），間隔時段為（分鐘）5、10、15、20、30、45、60、90、120。1980年后按照以下規(guī)則整編：

①無自記記錄、觀測資料不滿足編制各時段最大降水量表（1）的雨量站，要求編制各時段最大降水量表（2）。

②表內(nèi)各小時時段降水量，通過降水量摘錄表或自記紙記錄統(tǒng)計而得。

③凡作此項統(tǒng)計的人工觀測站，均按觀測時段或摘錄時段滑動統(tǒng)計。當(dāng)有合并摘錄時，應(yīng)按合并前資料滑動統(tǒng)計。

④按24段觀測或次降水記錄完整的雨量站全部整編此表，統(tǒng)計時段1 h、2 h、3 h、6 h、12 h、24 h，6個時段最大降水量，各時段最大降水量一律采用1 h滑動進行挑選。按兩段制觀測，次雨量記錄不完整的，不作此項統(tǒng)計。

⑤挑選出來的各時段最大降水量，均應(yīng)填記其時段開始的日期，日期以零時為日分界。

1.2.2 徑流量

（1）洪水水文要素摘錄表

洪水水文要素摘錄輸出結(jié)果為：時間、流量、含沙量、輸沙率。摘錄原則為：選洪峰流量、洪水總量、含沙量、輸沙量最大的峰，或孤立或連續(xù)的洪峰，汛期開始后的第一個峰，較大的春汛，凌汛的峰，全年挑選4～6次進行摘錄。

（2）逐次洪水測驗成果表

本表記載了各徑流站觀測的最大洪水，各站所取次數(shù)根據(jù)洪水情況而定。一般洪水次數(shù)不少于4～6次，且平水或枯水年份洪水次數(shù)較少時，根據(jù)實測次數(shù)摘錄統(tǒng)計。

①雨量：為對應(yīng)于該次洪水的流域平均雨量，用算術(shù)平均法求得。

②洪水歷時：一次洪水從開始到結(jié)束時間的總數(shù)，為漲水歷時與落水歷時的總和；漲水歷時：為一次洪水從開始到本次洪水主峰頂?shù)臅r間；落水歷時：為一次洪水從主峰頂?shù)浇Y(jié)束的時間。

③洪水總量：包括基流在內(nèi)。清水系由渾水扣除泥沙體積得出。泥沙比重為2.7 g/cm3。

④洪水輸沙量：洪水輸沙量體積系由其重量除以表土比重得出，表土比重為1.25 g/cm3。

⑤徑流系數(shù)：系洪水總量與降水總量之比值。由于洪水總量包括基流在內(nèi)，故有些洪水的徑流系數(shù)偏大。

（3）逐日平均流量表

日平均流量：平水時期，觀測時距相等時用算術(shù)平均法計算；觀測時距不等、部分時段河干或洪水時期采用面積包圍法計算。數(shù)據(jù)缺測時按直線內(nèi)插得到插值。

月平均流量：該月逐日平均流量之和除以全月天數(shù)。

年平均流量：全年日平均流量總數(shù)除以年總天數(shù)。

年徑流量：由年日平均流量總數(shù)乘以一日秒數(shù)得之。

年徑流模數(shù)：由年平均流量（m3/s）除以集水面積（km2）再乘以1000得之。

年徑流深度：由年徑流量（m3）除以集水面積（km2）再除以1000得之。

1.2.3 泥沙量

（1）逐日平均含沙量表

月平均含沙量：由月平均輸沙率除以月平均流量。

年平均含沙量：由年平均輸沙率除以年平均流量。

（2）逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表

日平均輸沙率：平水期含沙量變化不大，一日取一次水樣者，即以此水樣含沙量為日平均值，乘以日平均流量得日平均輸沙率；一日取幾次水樣者，取樣時距相等，用算術(shù)平均法計算日平均含沙量，再乘以日平均流量得日平均輸沙率；若一日內(nèi)部分時間河干、洪水時期，流量變化較大，則應(yīng)以各次斷面含沙量乘以相應(yīng)流量，得出各次輸沙率，再用面積包圍法計算日平均輸沙率。

月平均輸沙率：該月逐日平均輸沙率之和除以全月天數(shù)。

年平均輸沙率：年逐日平均輸沙率總數(shù)除以年總天數(shù)。

年輸沙量：由年逐日平均輸沙率總數(shù)乘以一日秒數(shù)而得之。

年侵蝕模數(shù)：由年輸沙量（t）除以集水面積（km2）得之。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 降水量樣本

降水?dāng)?shù)據(jù)主要包含逐日降水量表、降水量摘錄表、各時段最大降水量表。其中雨量筒SM1觀測數(shù)據(jù)時間序列為1954-1958年，2004-2018年，虹吸式自記雨量計DSJ-2數(shù)據(jù)時間序列為1964-1965年，2004-2018年。

（1）逐日降水量表數(shù)據(jù)字段包括日降水量、月（年）降水量、月（年）降水日數(shù)、月（年）最大日降水量、年降水量、一次最大降水量等（如表3）。

表3 1964年溝董莊溝流域雨量站逐日降水量表

（2）降水量摘錄表數(shù)據(jù)字段包含降水時間（月、日），降雨起訖時間（采用24段制）與對應(yīng)的實測降水量（單位mm）。

（3）各時段最大降水量表

各時段最大降水量表（1）包含字段為時段、最大降雨量、開始月日和站名（如表4）。

表4 各時段最大降水量表（1）

2.2 徑流泥沙樣本

洪水水文要素摘錄表（序列為1954-1965，2005-2018年）數(shù)據(jù)字段為洪水日期（月日時分）、流量、含沙量、輸沙率（如表5）；逐次洪水測驗成果表（序列為1964-1965，2005-2018年）數(shù)據(jù)字段為洪水日期（月日）雨情（雨量、歷時、平均雨強）、洪水總量、洪水歷時、洪水輸沙量、流量，含沙量，單位面積徑流量，徑流系數(shù)，單位面積土壤流失量（如表 6）；逐日流量表（序列為2004-2018年）數(shù)據(jù)字段為時間（月日）平均流量，年平均、最大和最小流量、年徑流量、年徑流模數(shù)、年徑流深（如表7）；逐日平均含沙量表（序列為2005-2018年）字段為時間（月日）、日平均含沙量、月平均含沙量、月最大含沙量年平均含沙量和年最大最小含沙量（如表8）；逐日平均懸移質(zhì)輸沙率表（序列為2005-2018年）數(shù)據(jù)字段為日平均輸沙率、月平均輸沙率、月最大輸沙率、年輸沙量、年侵蝕模數(shù)、年平均輸沙率和年內(nèi)日最大輸沙率（如表9）。

表5 洪水水文要素摘錄表

表6 逐次洪水測驗成果表

2 7 28-29 61.3 19:3 9 3.1 134.2 5 132.2 0 2:40 20:2 0 23:00 5.53 4.42 0.0076 6 0.0016 2 156 41.2 116.7 115.0 0.19 0.19 4.81…… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …總 計 331.7 4981 4951 80.8 5 64.6 8 4331.2 4305.2 70.30最 大 72.4 13.9 1908 1907 51.2 6 41.0 1 0.0523 5 0.0034 4 526 318 1659.1 1658.0 2.47 2.47 44.57

表7 2005年董莊溝流域測站徑流逐日平均流量表

表8 2005年董莊溝流域徑流站逐日含沙量表

表9 2005年董莊溝流域徑流站平均輸沙率表

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

董莊溝流域降水量、徑流、泥沙資料的采集，均由經(jīng)過培訓(xùn)的專業(yè)技術(shù)人員按照文中前述觀測方法要求，現(xiàn)場采樣、觀測和記錄數(shù)據(jù)，使用專業(yè)儀器，操作流程規(guī)范，并及時開展數(shù)據(jù)互校及觀測資料初步整編，對異常數(shù)據(jù)進行分析并說明情況。最終按照水利水土保持行業(yè)數(shù)據(jù)處理整編統(tǒng)計技術(shù)規(guī)范要求，進行資料整編，程序為制表、初校（互校）、部門復(fù)核、上級分管領(lǐng)導(dǎo)審核。質(zhì)量控制的制度和規(guī)范性文件主要有《水土流失規(guī)律試驗觀測管理辦法和水土保持試驗規(guī)范SL-239-87》[3]及《水土保持試驗規(guī)程SL-419-2007（水土保持試驗規(guī)范修改版）》[4]。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)集在水土保持、氣候氣象等研究方面具有科學(xué)價值。首先可以作為降水-徑流-泥沙關(guān)系分析研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。楊家溝流域（治理溝）在黃土高塬水土保持治理方面具有推廣應(yīng)用價值，結(jié)合董莊溝流域（非治理）觀測數(shù)據(jù)可以計算小流域綜合措施水土保持效益，指導(dǎo)水土保持措施總體設(shè)計。此外，降水?dāng)?shù)據(jù)既可以單獨進行降水趨勢（多年時空變化規(guī)律）的分析，也可以依據(jù)科研或設(shè)計需要從中直接選取對應(yīng)的時段降水進行統(tǒng)計分析，得出需要的降水量特征值。

致 謝

感謝黃河水利委員會西峰水土保持科學(xué)試驗站科研人員的貢獻，感謝國家冰川凍土沙漠科學(xué)數(shù)據(jù)中心對黃河水利委員會西峰水土保持科學(xué)試驗站工作的支持！