估算淤地坝泥沙量是基于淤地坝泥沙获取小流域侵蚀速率的基础,淤地坝泥沙量根据时间划分有次降雨泥沙量、年泥沙量和总泥沙量。其中,沉积旋回的发现为获取次降雨泥沙量和年泥沙量提供可能。泥沙沉积过程中,颗粒沉积分选效应使得较粗较大颗粒先沉积,较细较小颗粒后沉积,形成下部颜色浅上部颜色深的沉积层,即沉积旋回。一个完整的沉积旋回对应坝地运行期间一次完整的侵蚀产沙事件即对应一次完整的侵蚀降雨事件。

目前最常用的淤地坝泥沙量计算方法是库容曲线法。淤地坝库容曲线是基于坝控流域地形图利用AUTOCAD或ArcGIS软件综合计算得出。首先利用AUTOCAD或ArcGIS软件将地形图矢量化,得到流域等高线图,再利用AUTOCAD的LIST或AREA命令或者ArcGIS的3D ANALYST TOOL功能中的FUNCTIONAL SURFACE—SURFACE VOLUME命令计算出经过淤地坝相邻等高线间的面积从而得到淤地坝高程—累积面积曲线,最后将相邻等高线围成的几何体处理为圆台体,基于圆台体体积公式计算得到高程—累积库容曲线^[8-10]。安正锋^[8]在研究陕北府谷县黄家沟流域淤地坝泥沙来源时,基于1:10 000淤地坝地形图,利用ArcGIS建立淤地坝库容曲线。魏霞等^[9-10]以陕北子洲县小河沟流域淤地坝为研究对象,基于1:10 000淤地坝地形图,利用AUTOCAD建立淤地坝库容曲线。通过测量各沉积旋廻层厚度,结合各沉积旋回相对高程以及容重,即可计算出各沉积旋回层泥沙量,累加各旋回泥沙量得到总泥沙量。利用淤地坝泥沙沉积时间序列得到各次侵蚀降雨泥沙量和年泥沙量。

淤地坝沉积时间序列建立是淤地坝泥沙解译流域侵蚀信息研究的重要环节,基于泥沙的沉积特征,各次侵蚀降雨事件在淤地坝中基本都能形成相对应的沉积旋回,大量科学研究^[2,6,11-14]表明明显的二元组成结构使得沉积旋回极易区分,为进一步辨识对应的侵蚀降雨事件提供基础。特定的泥沙沉积旋回对应特定的侵蚀降雨事件。降雨作为土壤侵蚀主要驱动力,较大降雨事件对应较大产沙事件。基于此,结合淤地坝运行期间降雨资料,对比淤地坝各旋回泥沙量,可建立较为准确的淤地坝泥沙沉积时间序列。方法如下:首先,基于坝地运行期间流域降雨资料,筛选出所有侵蚀性降雨事件。接着,在淤地坝沉积旋回中,筛选出n个较大泥沙量的沉积旋回,一一比对侵蚀性降雨资料,基于“大雨对大沙”原则,获取该n个沉积旋回的沉积时间,依据该n个时间点将总沉积时间划分为(n+1)个时间段。最后,在各时间段内,以此类推,逐一划分比对,建立淤地坝沉积时间序列。魏霞等^[9]以陕北子洲县小河沟流域淤地坝泥沙为研究对象,首先筛选出沉积量较大的3个沉积旋回,基于“大雨对大沙”原则,根据侵蚀性降雨雨强、雨量以及降雨侵蚀力等降雨特征值,比对出坝地运行期间对应的较大3次侵蚀性降雨事件,接着利用3次降雨事件对应的时间节点将总沉积时间划分为4个阶段,在各个阶段中,逐个对比旋回泥沙量和侵蚀性降雨指标,同样基于“大雨对大沙”原则,以相同方法逐次区分,得到淤地坝泥沙沉积时间序列。Zhao等^[6]以陕北王茂沟流域埝堰沟淤地坝为研究对象,同样基于大雨对大沙原则,首先根据泥沙量大小筛选出5个沉积旋回,根据侵蚀性降雨雨量以及降雨侵蚀力两个降雨特征值,筛选出对应的5次侵蚀性降雨事件,基于5次侵蚀性降雨事件将淤地坝沉积时间划分为6个阶段,结合降雨资料,详细比对,得出淤地坝沉积时间序列。

除较大泥沙量沉积旋回可以用作时间标志外,沉积泥沙核素活度峰值、流域历史时期特殊事件(泥沙中出现除草剂、重金属等标志物)等同样可以作为时间标志。土壤中的¹³⁷ Cs是核试验产物,来自吸附核素的粉尘大气沉降,从1954年首次在土壤中出现,到1963年达到历史峰值,随后下降,到1986年出现小峰值^[2,6]。淤地坝运行期较长,对应侵蚀性降雨场次繁多,仅仅依靠“大雨大沙”原则建立时间序列,过程繁杂无章,容易出现比对误差,基于此,相关科研人员^[2,6,15-16]引入核素年际变化中的明显峰值特征,建立泥沙沉积时间序列,降低比对误差。首先利用核素沉降历史特征获取¹³⁷Cs活度峰值旋回的沉积年份,再依据“大雨对大沙”原则一一比对,判定各旋回沉积时间。Zhao等^[6]通过分析坝地沉积旋回¹³⁷Cs活度变化,基于活度峰值旋回泥沙沉积于1963年,基于“大雨对大沙”原则,得到埝堰沟流域淤地坝沉积时间序列。

淤地坝沉积速率受流域自然和人为因素共同影响。自然和人为因素的改变直接影响淤地坝泥沙沉积速率。即,沉积速率变化特征能够反映流域植被覆盖、土地利用以及其他人类活动变化。Zhao等^[6]利用年泥沙量—年降雨量双累积曲线,通过分析淤地坝泥沙沉积速率的时间变化,发现流域土壤侵蚀速率呈现阶段变化特征,得出流域农业耕作、水保措施等人类活动的变化是形成泥沙沉积速率阶段性变化的主要原因。Wang等^[26]通过分析退耕前后淤地坝泥沙沉积速率变化,发现退耕还林引起的植被覆盖增加和农业活动减少显著降低流域土壤侵蚀速率。Zhao等^[7]利用地理信息技术,基于淤地坝沉积速率变化,结合流域相应时间土地利用及植被覆盖度的变化,分析驱动流域侵蚀速率变化的环境因素,并为进一步建立和验证流域土壤侵蚀模型提供数据支撑。随着淤地坝泥沙沉积量及沉积速率反演流域侵蚀环境变化的研究深入,人们开始利用淤地坝沉积泥沙量和沉积速率定量辨析自然和人为因素对土壤侵蚀的相对贡献率。赵恬茵^[21]基于淤地坝泥沙沉积速率阶段性特征,利用灰色关联方法,定量辨析出不同侵蚀阶段人类活动和自然因素对流域土壤侵蚀变化的相对贡献。一些研究^[6,27]基于淤地坝年泥沙量—年降雨量双累积曲线的斜率变化,估算出不同侵蚀阶段人类活动对土壤侵蚀变化的贡献。

流域产沙系统中,流域侵蚀物源区土壤特性直接影响淤地坝沉积泥沙特性。侵蚀区土壤特性与其下垫面环境如土地利用、植被、农业活动等显著相关。不同物源间差异显著和不显著的土壤属性(物理属性、化学属性以及生物属性等)在外力作用下经过剥离、搬运和沉积转变为沉积泥沙特性,通过分析泥沙中各理化因子以及生物因子随时间变化特征,在一定程度上解译流域环境信息。陈敬安等^[28]通过研究不同时间尺度下沉积物粒度变化发现,沉积物粒径大小能很好指示流域降雨环境。张风宝等^[24]发现淤地坝沉积泥沙有机质和全氮含量呈现阶段性变化特征,主要受政府土地承包制度及其引起的土地利用变化的影响。周玮莹等^[29]通过分析不同流域及流域出口淤地坝沉积泥沙有机碳、全氮和全磷的化学计量特征,反演流域侵蚀环境变化。张信宝等^[25]利用淤地坝沉积泥沙孢粉浓度和种类变化,得到流域植被类型演变特征。