CN103542998B - 风沙测量装置以及利用该风沙测量装置的风沙测量方法 - Google Patents

Abstract

风沙测量装置以及利用该风沙测量装置的风沙测量方法。风沙测量装置（100）包括多个集沙腔（20），集沙腔（20）立设于沙床面（30）上并且上端具有开口（21），各开口（20）的中心在沙床面（30）上的垂向投影排列在一条直线（L-L）上，各集沙腔（20）的高度（H）不同，当使用风沙测量装置（100）时，各开口（21）平行于沙床面（30），各开口（21）沿风向的最大尺寸（DX）为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍。所述风沙测量方法利用上述风沙测量装置（100）来测量风沙跃移层中下降或上升的沙粒随高度的分布规律以及沙床面的侵蚀规律。

Description

风沙测量装置以及利用该风沙测量装置的风沙测量方法

技术领域

本发明涉及一种风沙测量装置，其能够测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律；本发明还涉及一种风沙测量方法，其利用上述风沙测量装置来测量风沙跃移层中下降或上升的沙粒随高度的分布规律；本发明还涉及另外一种风沙测量方法，其利用上述风沙测量装置来测量风沙侵蚀的分布规律，并且能够测量沙床面的考查区段的净侵蚀量。上述风沙测量装置以及风沙测量方法尤其适用于野外风沙观测或风洞实验。

背景技术

中国是世界上风沙危害最为严重的国家之一。为了有效防治风沙灾害，首先必须研究清楚风沙运动的基本规律。

风沙流中沙粒运动包括蠕移、跃移和悬移三种运动形式。其中，蠕移是沙粒在沙床面上滚动或滑动的运动形式，跃移是沙粒从沙床面起跳后，在重力作用下又降落到沙床面的运动形式，悬移是沙粒悬在空中随着空气一起流动的运动形式。这三种运动形式相互关联，它们之间存在着复杂的物质和能量交换，因此在风沙理论研究和风沙工程实践中必须兼顾这三种运动形式。但是风沙运动的复杂性又迫使研究者将这三种运动形式人为地割裂开来进行研究。其中，以跃移运动最为重要，这不仅在于跃移输沙通量占风沙的主体，而且还表现在悬移运动和蠕移运动都与跃移有关，尤其是表层蠕移沙粒的动量主要来自跃移沙粒的冲击，跃移沙粒的冲击是破坏沙地表面并造成风蚀的主要原因。

现有技术中，中国专利文献CN201514312U（专利文献1）公开了一种垂向输沙量收集器。在本申请说明书的附图中，图6是专利文献1中公开的垂向输沙量收集器的立体图，图7是垂向输沙量收集器的另一立体图，图8是图6中的垂向输沙量收集器的局部剖视图。如图6、图7和图8所示，所述垂向输沙量收集器包括盒体1、在盒体1前端设置的外壳2以及位于盒体1下部的底座4。外壳2为一个整体，通过卡扣3和底座4固定于盒体1的前端，外壳2开有进尘口。底座4可拆卸，用于固定外壳2和支撑盒体1。盒体1的上部的两侧设有两个圆形的出风口5。外壳2均匀分布有若干进尘口，盒体1内相应于每个进尘口位置对应一个盛沙盒6。盛沙盒6通过进尘口和卡槽7固定在盒体1内。使用时，将每个盛沙盒6都安装在盒体1内，将盒体1通过底座4固定在沙床面上，将外壳2的进尘口对准迎风向，沙尘可以进入盛沙盒6中，这样可以测量风沙流中在不同高度处运动的沙粒质量。

根据专利文献1的垂向输沙量收集器，收集在盛沙盒6中的沙粒既有在不同高度处下降的沙粒，也在有相应的高度处上升的沙粒，无法将这两种运动形态的沙粒区分开来。图9是示出专利文献1的垂向输沙量收集器的示意图，在图9中，将外壳2的各个进尘口示意性地表示为沿高度方向分布的多个沙粒入口50，各个沙粒入口50与相应的盛沙盒6（在图9中未示出）连接，进入各个沙粒入口50的沙粒将收集在盛沙盒6内。如图9所示，当风向垂直于沙粒入口50时，进入沙粒入口50的沙粒有上升的沙粒41，也有下降的沙粒42。因此，根据专利文献1的垂向输沙量收集器，不能够将上升的沙粒41与下降的沙粒42区分开来。

然而，想要研究清楚沙地表面的风蚀现象、阐明跃移沙粒碰撞过程及其碰撞概率，必须将风沙跃移层中在不同高度处下降的沙粒与上升的沙粒区分开。因此，准确测量风沙跃移层中不同高度处的下降沙粒的质量就成为风沙学界关注的焦点，但是目前还没有这方面的专门测量仪器以及专门的测量方法。

发明内容

发明要解决的问题

因此，本发明要解决的技术问题在于提供如下风沙测量装置，该风沙测量装置能够测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律。本发明还提供一种风沙测量方法，其利用上述风沙测量装置来测量风沙跃移层中下降或上升的沙粒随高度的分布规律。本发明另外提供一种风沙测量方法，其利用上述风沙测量装置来测量风沙侵蚀的分布规律，并且能够测量沙床面的考查区段的净侵蚀量。

用于解决问题的方案

一种风沙测量装置，其用于测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布，其特征在于，所述风沙测量装置包括多个集沙腔，所述集沙腔立设于沙床面上并且上端具有开口，各所述开口的中心在沙床面上的垂向投影排列在一条直线上，各所述集沙腔的高度不同，当使用所述风沙测量装置时，各所述开口平行于沙床面，各所述开口沿风向的最大尺寸为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍。

在上述风沙测量装置中，各所述集沙腔的高度呈等差数列。

在上述风沙测量装置中，相邻的两个集沙腔之间的间隔为所述集沙腔沿排列方向的最大尺寸的1倍至2倍。

在上述风沙测量装置中，各所述集沙腔的开口的面积相同，所述集沙腔的开口的面积在2mm²至20mm²的范围。

在上述风沙测量装置中，各所述开口为矩形形状，当使用所述风沙测量装置时，所述矩形的长边垂直于风向，所述矩形的短边平行于风向。

在上述风沙测量装置中，所述集沙腔的在所述开口以下的部分的内部尺寸大于所述开口的尺寸，所述集沙腔呈现为自下而上渐缩的形状。

一种风沙测量方法，其利用上述风沙测量装置来测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律，所述风沙测量方法包括如下步骤：

i.布置所述风沙测量装置，保证所述集沙腔的开口与沙床面平行；

ii.保证风向平行于沙床面并且垂直于各所述开口的中心垂向投影所在的直线，将所述风沙测量装置置于风场内一定的时间；

iii.测量各所述集沙腔中收集的沙粒的质量，并计算收集到的沙粒的质量与各所述集沙腔的开口的面积的比值作为单位面积质量；

iv.汇总对应于各所述集沙腔的单位面积质量，拟合得到风沙跃移层中降落的沙粒随高度z的分布函数G（x₀，z），其中x₀是各所述开口的中心垂向投影所在的直线沿风向的位置坐标。

在上述风沙测量方法中，各所述集沙腔的开口的面积相同，在步骤iv中通过汇总各所述集沙腔中收集到的沙粒的质量来获得风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律。

一种风沙测量方法，其利用前述风沙测量装置来测量风沙跃移层中上升的沙粒随高度的分布规律，所述风沙测量方法包括如下步骤：

i.利用垂向输沙量收集器测量风沙跃移层沙粒随高度的分布规律，所述垂向输沙量收集器具有多个矩形的沙粒入口，布置所述垂向输沙量收集器，保证各所述沙粒入口垂直于沙床面；保证风向平行于沙床面并且垂直于各沙粒入口，将所述垂向输沙量收集器置于风场中一定的时间T，对各个沙粒入口赋予编号i，i=0,1,2,…N，其中N是沙粒入口的总数，沙粒入口的位置越高则编号越大，编号最小的沙粒入口贴近沙床面，测量进入各个所述沙粒入口中的沙粒的质量m_i，计算沙粒质量从沙床面至不同的沙粒入口的上侧边缘所在高度的累积值∑m_i，则得到N个不同的累积值∑_i，该N个不同的累积值∑_i对应于各沙粒入口的上侧边缘所在的不同高度z，汇总该N个不同的累积值∑_i，拟合得到累积函数∑（x₀，z），其中x₀是各所述沙粒入口沿风向的位置坐标，则

$\mathrm{\Σ}(x_0,z)=w{\∫}_0^{z}F(x_0,\mathrm{\λ})\mathrm{d\λ},$

其中，w为常数，w是各个所述沙粒入口的宽度，该宽度平行于沙床面；F（x₀，λ）是风沙跃移层中沙粒随高度λ的分布函数，其物理意义是：假设各沙粒入口的高度为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍，将进入各个沙粒入口的沙粒的质量除以相应的沙粒入口的面积，作为与相应的沙粒入口的中心位置所在高度λ处的单位面积质量；汇总计算得出的各个单位面积质量，拟合得到的分布函数F（x₀，λ）即为风沙跃移层中沙粒随高度λ的分布函数F（x₀，λ），

然后，通过累积函数∑（x₀，z）对z求导并除以宽度w，计算得到分布函数F（x₀，z）的函数形式，

ii.利用前述风沙测量装置测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律，测量方法如前面所述，其中所述风沙测量装置置于风场内的时间与步骤i中的时间T相等，最后得到风沙跃移层中下降的沙粒随高度z的分布函数G（x₀，z），其中各所述开口的中心垂向投影所在的直线沿风向的位置坐标x₀与步骤i中各所述沙粒入口沿风向的位置坐标x₀相同，

iii.计算得到风沙跃移层中上升的沙粒随高度z的分布函数R（x₀，z），其中R（x₀，z）=F（x₀，z）-G（x₀，z）。

一种风沙测量方法，其用于测量沙床面的侵蚀的分布规律，所述风沙测量方法包括如下步骤：

i.利用垂向输沙量收集器测量风沙跃移层沙粒随高度的分布规律，所述垂向输沙量收集器具有多个矩形的沙粒入口，布置所述垂向输沙量收集器，保证各所述沙粒入口垂直于沙床面；保证风向平行于沙床面并且垂直于各沙粒入口，将所述垂向输沙量收集器置于风场中一定的时间T，对各个沙粒入口赋予编号i，i=0,1,2,…N，其中N是沙粒入口的总数，沙粒入口的位置越高则编号越大，编号最小的沙粒入口贴近沙床面，测量进入各个所述沙粒入口中的沙粒的质量m_i，计算沙粒质量从沙床面至不同的沙粒入口的上侧边缘所在高度的累积值∑m_i，则得到N个不同的累积值∑_i，该N个不同的累积值∑_i对应于各沙粒入口的上侧边缘所在的不同高度z，汇总该N个不同的累积值∑_i，拟合得到累积函数∑（x₀，z），其中x₀是各所述沙粒入口沿风向的位置坐标，则

$\mathrm{\Σ}(x_0,z)=w{\∫}_0^{z}F(x_0,\mathrm{\λ})\mathrm{d\λ},$

其中，w为常数，w是各个所述沙粒入口的宽度，该宽度平行于沙床面；F（x₀，λ）是风沙跃移层中沙粒随高度λ的分布函数，其物理意义是：假设各沙粒入口的高度为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍，将进入各个沙粒入口的沙粒的质量除以相应的沙粒入口的面积，作为与相应的沙粒入口的中心位置所在高度λ处的单位面积质量；汇总计算得出的各个单位面积质量，拟合得到的分布函数F（x₀，λ）即为风沙跃移层中沙粒随高度λ的分布函数F（x₀，λ），

然后，通过累积函数∑（x₀，z）对z求导并除以宽度w，计算得到分布函数F（x₀，z）的函数形式，

ii.令z趋近于0，计算得到分布函数F（x₀，z）的极限值F（x₀，0），

iii.改变各所述沙粒入口沿风向的位置坐标x，重复步骤i和ii，得到多个极限值F（x，0），利用该多个极限值F（x，0）拟合得到在沙床面处风沙跃移层沙粒随位置坐标x的分布函数F（x），

iv.利用前述风沙测量装置测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律，测量方法如前面所述，其中所述风沙测量装置置于风场内的时间与步骤i中的时间T相等，最后得到风沙跃移层中下降的沙粒随高度z的分布函数G（x₀，z），

v.令z趋近于0，计算得到分布函数G（x₀，z）的极限值G（x₀，0），

vi.改变各所述开口的中心垂向投影所在的直线沿风向的位置坐标x，重复步骤iv和v，得到多个极限值F（x，0），利用该多个极限值F（x，0）拟合得到在沙床面处风沙跃移层中降落的沙粒随位置坐标x的分布函数G（x），

vii.计算在沙床面处风沙跃移层中上升的沙粒随位置坐标x的分布函数R（x），计算方法如下：

R（x）=F（x）-G（x），

viii.计算在沙床面处侵蚀的沙粒随位置坐标x的分布函数H（x），计算方法如下：

H（x）=R（x）-G（x）=F（x）-2G（x）。

在上述风沙测量方法中，所述风沙测量方法还可以包括如下步骤：

ix.计算沙床面的考查区段的净侵蚀量Q，计算方法如下：

$Q=k{\∫}_{x_i}^{x_j}H\left(x\right)\mathrm{dx},$

其中，x_i是沙床面的考查区段沿风向的起点坐标，x_j是沙床面的考查区段沿风向的终点坐标；k=W·t/T，W是沙床面的考查区段的宽度，该宽度垂直于风向；t是发生侵蚀的实际时间。

发明的效果

根据本发明的风沙测量装置和风沙测量方法，能够准确测量出风沙跃移层中下降或上升的沙粒随高度的分布规律，与现有技术中的垂向输沙量收集器结合能够测量出沙床面风沙侵蚀的分布规律以及沙床面的考查区段的净侵蚀量。

附图说明

下面将结合附图详细地说明本发明的具体实施方式。其中，

图1是本发明的风沙测量装置的使用方法的示意图，其示出了如何利用本发明的风沙测量装置来测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律；

图2是示出根据本发明的单个集沙腔的立体图；

图3是图2中的集沙腔的沿着线A-A截取的剖视图；

图4是示出集沙腔收集到的沙粒的运动状态的示意图；

图5是示出根据本发明的另一实施方式的集沙腔；

图6是现有技术中的垂向输沙量收集器的立体图；

图7是图6中的垂向输沙量收集器的另一立体图；

图8是图6中的垂向输沙量收集器的局部剖视图。

图9是现有技术中的垂向输沙量收集器的使用方法的示意图。

图10是示出垂向沙粒入口与水平沙粒入口等效的原理图。

附图标记说明

100 风沙测量装置

20  集沙腔

21  开口

H  集沙腔的高度

S  相邻集沙腔之间的间隔

D  集沙腔沿排列方向的最大尺寸

DX 开口沿风向的尺寸

30  沙床面

41  上升的沙粒

42  下降的沙粒

50  沙粒入口

具体实施方式

如图1所示，根据本发明的风沙测量装置100包括多个集沙腔20（在本实施方式中为10个集沙腔），该多个集沙腔20立设在沙床面30上。图2示出根据本发明的单个集沙腔20，图3是图2的集沙腔20的沿着线A-A截取的剖视图。从图2和图3可以看出，根据本发明的集沙腔20的上端具有开口21，集沙腔20为有底的圆筒形状。为了有效的收集来自风沙跃移层中的沙粒，集沙腔20的开口21的面积优选地在在2mm²至20mm²的范围。这保证了来自风沙跃移层中的沙粒能够进入集沙腔20中，同时还能够保证进入集沙腔20中的沙粒的量是适量的，提高了实验的效率。如图1所示，各个开口20的中心在沙床面30上的垂向投影排列在一条直线L-L上。

然而，如图1所示，尽管各集沙腔20的开口21的面积是相同的，但是各集沙腔20的高度H是各不相同的。在本实施方式中，各集沙腔20的高度H呈等差数列。这样，能够对风沙跃移层进行适当的细分，从而方便测量在不同高度处下降的沙粒的质量，也方便后期对实验数据的处理。

如图1所示，当利用根据本发明的风沙测量装置100来测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布时，首先，需要布置风沙测量装置100，将集沙腔20立设在沙床面30上，保证各集沙腔20的开口21与沙床面30平行，同时保证各开口21的中心垂向投影排列在直线L-L上。在布置好风沙测量装置100以后，对风洞内通风，保证风向平行于沙床面30并且垂直于各开口21的中心垂向投影所在的直线L-L。此外，如图4所示，还要保证在通风时各开口21沿风向的最大尺寸DX为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍。在将风沙测量装置100置于风场内一定的时间之后，停止通风，此时各集沙腔20中均收集有沙粒，对收集在不同集沙腔20中的沙粒的质量进行测量并记录。最后，对测量的数据汇总，得到沙粒质量随高度而变化的曲线图。

下面，将说明根据上述步骤测得的沙粒质量随高度的变化规律即为风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律。如图4所示，只有在集沙腔20的高度处下降的沙粒42才能够进入集沙腔20中。由于各开口21沿风向的最大尺寸DX为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍，因此，在集沙腔20的高度处上升的沙粒41在上升一段时间之后再降落到开口21的高度处时，上升的沙粒41的水平行程将大于开口21沿风向的最大尺寸DX，在集沙腔20的高度处上升的沙粒41将不能够进入集沙腔20中。因此，集沙腔20中收集到的沙粒均为风沙跃移层中在集沙腔20的高度处下降的沙粒。所以，上述步骤中测得的沙粒质量随高度的变化规律即为风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律。

以上对根据本发明的优选实施方式进行了说明。但是，本发明不限于上述实施方式，在本发明的技术构思的基础上可以对上述实施方式进行各种变型。

例如，在上述实施方式中，集沙腔20的形状为有底的圆筒形状，但是这不应视为对本发明的限制。如图5所示，根据本发明的集沙腔20也可以形成为长方体的形状，此时，开口21为矩形形状，当使用所述风沙测量装置100时，开口21的长边垂直于风向，开口21的短边平行于风向，开口21的短边长度应为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍。当然，也可以将根据本发明的集沙腔20成形为六棱柱等其他任意合适的形状。

优选地，集沙腔20的在开口21以下的部分的内部尺寸大于开口21的尺寸，集沙腔20呈现为自下而上渐缩的形状。这种设置保证了进入集沙腔20中的沙粒不会被集沙腔20外部的气流卷出，因此保证了测量的精确度。

在上述实施方式中，根据本发明的风沙测量装置100设置了10个集沙腔。但是，这不应视为对本发明的限制，根据对实验精度的要求，可以设置20个、30个或更多个集沙腔。根据本发明的风沙测量装置100不受集沙腔的数量的限制。

在上述实施方式中，集沙腔20按照高度从小到大（或从大到小）的顺序依次排列，即，沿着各开口21的中心垂向投影所在的直线L-L，集沙腔20的高度H具有单调性。但是，这不应视为对本发明的限制，集沙腔20可以高度交替地排列。

在上述实施方式中，各集沙腔20的高度H呈等差数列。但是，这不应视为对本发明的限制，只要集沙腔20的高度H彼此不同，高度彼此最接近的两个集沙腔20之间的各高度差可以不同。例如，在风沙跃移层下降的沙粒随高度的分布曲线变化明显（剧烈）的高度位置，可以将各集沙腔20之间的高度差设定得小一些，这样数据采集得较为密集，从而有效地测量该区段的分布规律。

此外，根据本发明的风沙测量装置100对各集沙腔20之间的间距也没有限定，各集沙腔20可以沿着直线L-L均匀间隔开，也可以设置成各集沙腔20之间的间隔S不同。但是，要注意的是，如图1所示，相邻的两个集沙腔20之间的间隔S应为集沙腔20沿排列方向的最大尺寸D的1倍至2倍。这样，可以保证与风沙测量装置100不存在时相比，风沙测量装置100的存在不会使风场发生根本的变化，从而保证了测量的精确度。

在上述实施方式中，各集沙腔20的开口21的面积相同，在测量过程中通过汇总各集沙腔20中收集的沙粒的质量来获得风沙跃移层下降的沙粒随高度的分布规律。但是，这不应视为对本发明的限制。在其他实施方式中，各集沙腔20的开口21的面积可以不相等。当各集沙腔20的开口21的面积不相等时，在测量过程中，在测量各集沙腔20中收集的沙粒的质量时，需要计算收集到的沙粒的质量与各所述集沙腔20的开口21的面积的比值作为单位面积质量。最后，汇总对应于各集沙腔20的开口21的单位面积质量，从而得到风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律。

综上，只要风沙测量装置100包括多个集沙腔20，集沙腔20立设于沙床面30上并且上端具有开口21，各开口20的中心在沙床面30上的垂向投影排列在一条直线L-L上，各集沙腔20的高度H不同，当使用风沙测量装置100时，各开口21平行于沙床面30，各开口21沿风向的最大尺寸DX为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍，则该风沙测量装置100即落入本发明的保护范围。根据本发明的风沙测量装置100和风沙测量方法，能够测量出风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律。

下面说明用于测量沙床面30的侵蚀分布规律的风沙测量方法。

首先，需要利用垂向输沙量收集器测量风沙跃移层沙粒随高度的分布规律。这里，垂向输沙量收集器为现有技术。首先说明风沙跃移层中沙粒随高度z的分布函数F（x₀，z）的物理意义。如图9所示，垂向输沙量收集器具有沿高度方向分布的多个矩形的沙粒入口50。当进行测量时，需要布置垂向输沙量收集器，保证各沙粒入口50垂直于沙床面30。之后进行通风，保证风向平行于沙床面30并且垂直于各沙粒入口50。将所述垂向输沙量收集器置于风场中一定的时间T后，测量进入各个沙粒入口50的沙粒的质量；假设各沙粒入口50的高度Δz为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍，将进入各个沙粒入口50的沙粒的质量除以相应的沙粒入口50的面积，作为与相应的沙粒入口50的中心位置所在高度z处的单位面积质量；汇总计算得出的各个单位面积质量，能够拟合得到风沙跃移层中沙粒随高度z的分布函数F（x₀，z）。这时，进入各个沙粒入口50的沙粒既有在相应高度处上升的沙粒41，也有在相应的高度处下降的沙粒42。

下面将说明一个重要的命题。图10是示出垂向沙粒入口50与水平沙粒入口50'等效的原理图。如图10所示，将垂向沙粒入口50沿着水平线O-O旋转90度，即得到水平沙粒入口50，其中水平线O-O通过垂向沙粒入口50的中心。由于垂向沙粒入口50的高度Δz仅为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍，因此，可以认为，在垂向沙粒入口50和水平沙粒入口50'的中心位置所在高度处，凡是通过垂向沙粒入口50的沙粒也必然通过水平沙粒入口50'。可以这样进行理解，因为垂向沙粒入口50和水平沙粒入口50'足够细，所以垂向沙粒入口50和水平沙粒入口50'均可以看作是平行于水平线O-O的直线。凡是通过垂向沙粒入口50和水平沙粒入口50'的沙粒都可以看成是通过了一条直线，必然导致通过垂向沙粒入口50的沙粒也一定会通过水平沙粒入口50'。

因此，在利用垂向输沙量收集器测量风沙跃移层沙粒随高度的分布规律的步骤中，与相应的沙粒入口50的中心位置所在高度处的单位面积质量也可以看作是与相应的水平沙粒入口50'的中心位置所在高度处的单位面积质量。这时，进入水平沙粒入口50'的沙粒既有在相应高度处上升的沙粒41，也有在相应的高度处下降的沙粒42。这样，就可以将通过yz平面的沙粒通量转换成通过xy平面的沙粒通量。

然而，上述测量风沙跃移层沙粒随高度的分布规律的方法仅为理想情况，在实际测量时往往不能够实现，这是因为各沙粒入口50的高度Δz大于沙粒平均粒径的3倍。因此，需要采取另外的方法计算风沙跃移层中沙粒随高度z的分布函数F（x₀，z），下面进行详细的说明。

对各个沙粒入口50赋予编号i，i=0,1,2,…N，其中N是沙粒入口50的总数，沙粒入口50的位置越高则编号越大，编号最小的沙粒入口50贴近沙床面30，测量进入各个沙粒入口50中的沙粒的质量m_i，计算沙粒质量从沙床面30至不同的沙粒入口50的上侧边缘所在高度的累积值∑m_i，则得到N个不同的累积值∑_i，该N个不同的累积值∑_i对应于各沙粒入口50的上侧边缘所在的不同高度z，汇总该N个不同的累积值∑_i，拟合得到累积函数∑（x₀，z），其中x₀是各沙粒入口50沿风向的位置坐标，则

$\mathrm{\Σ}(x_0,z)=w{\∫}_0^{z}F(x_0,\mathrm{\λ})\mathrm{d\λ},$

其中，w为常数，w是各个沙粒入口（50）的宽度，该宽度平行于沙床面（30），F（x₀，λ）是风沙跃移层中沙粒随高度λ的分布函数。

显然，累积函数∑（x₀，z）是一个变限积分函数。通过将累积函数∑（x₀，z）对z求导，所得到的导函数除以宽度w即为前面说明的分布函数F（x₀，z）。

此外，利用根据本发明的风沙测量装置100，可以将在不同的高度处上升的沙粒41与下降的沙粒42区分开。因此，将现有技术的垂向输沙量收集器与本发明的风沙测量装置100结合使用，能够测量风沙跃移层中上升的沙粒随高度z的分布规律。具体步骤如下。

i.利用垂向输沙量收集器测量风沙跃移层沙粒随高度的分布规律，对各个沙粒入口50赋予编号i，i=0,1,2,…N，其中N是沙粒入口50的总数，沙粒入口50的位置越高则编号越大，编号最小的沙粒入口50贴近沙床面30，测量进入各个所述沙粒入口50中的沙粒的质量m_i，计算沙粒质量从沙床面30至不同的沙粒入口50的上侧边缘所在高度的累积值∑m_i，则得到N个不同的累积值∑_i，该N个不同的累积值∑_i对应于各沙粒入口50的上侧边缘所在的不同高度z，汇总该N个不同的累积值∑_i，拟合得到累积函数∑（x₀，z），其中x₀是各所述沙粒入口50沿风向的位置坐标，则

$\mathrm{\Σ}(x_0,z)=w{\∫}_0^{z}F(x_0,\mathrm{\λ})\mathrm{d\λ},$

其中，w是各个所述沙粒入口50的宽度，然后，通过将累积函数∑（x₀，z）求z导并除以宽度w，计算得到分布函数F（x₀，z）的函数形式，

ii.利用根据本发明的风沙测量装置100测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律，测量方法如下：

①布置风沙测量装置100，保证各个集沙腔20的开口21与沙床面30平行；

②保证风向平行于沙床面30并且垂直于各开口21的中心垂向投影所在的直线L-L，将风沙测量装置100置于风场内一定的时间T，其中该时间T与步骤i中的时间T相等；

③测量各集沙腔20中收集到的沙粒的质量，并计算收集到的沙粒的质量与各集沙腔20的开口21的面积的比值作为单位面积质量；

④汇总对应于各集沙腔20的单位面积质量，拟合得到风沙跃移层中下降的沙粒随高度z的分布函数G（x₀，z），其中x₀是各开口21的中心垂向投影所在的直线L-L沿风向的位置坐标，最后得到风沙跃移层中下降的沙粒随高度z的分布函数G（x₀，z），其中各开口21的中心垂向投影所在的直线L-L沿风向的位置坐标x₀与步骤i中各沙粒入口50沿风向的位置坐标x₀相同，

iii.计算得到风沙跃移层中上升的沙粒随高度z的分布函数R（x₀，z），其中R（x₀，z）=F（x₀，z）-G（x₀，z）。

将现有技术的垂向输沙量收集器与本发明的风沙测量装置100结合使用，还能够测量沙床面30的侵蚀分布规律。具体步骤如下。

i.利用垂向输沙量收集器测量风沙跃移层沙粒随高度的分布规律，对各个沙粒入口50赋予编号i，i=0,1,2,…N，其中N是沙粒入口50的总数，沙粒入口50的位置越高则编号越大，编号最小的沙粒入口50贴近沙床面30，测量进入各个所述沙粒入口50中的沙粒的质量m_i，计算沙粒质量从沙床面30至不同的沙粒入口50的上侧边缘所在高度的累积值∑m_i，则得到N个不同的累积值∑_i，该N个不同的累积值∑_i对应于各沙粒入口50的上侧边缘所在的不同高度z，汇总该N个不同的累积值∑_i，拟合得到累积函数∑（x₀，z），其中x₀是各所述沙粒入口50沿风向的位置坐标，则

$\mathrm{\Σ}(x_0,z)=w{\∫}_0^{z}F(x_0,\mathrm{\λ})\mathrm{d\λ},$

其中，w是各个所述沙粒入口50的宽度，然后，通过将累积函数∑（x₀，z）求z导并除以宽度w，计算得到分布函数F（x₀，z）的函数形式，

ii.令z趋近于0，计算得到分布函数F（x₀，z）的极限值F（x₀，0），

iii.改变各沙粒入口50沿风向的位置坐标x，重复步骤i和ii，得到多个极限值F（x，0），利用该多个极限值F（x，0）拟合得到在沙床面30处风沙跃移层沙粒随位置坐标x的分布函数F（x），

iv.利用根据本发明的风沙测量装置100测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律，测量方法如下：

①布置风沙测量装置100，保证各个集沙腔20的开口21与沙床面30平行；

②保证风向平行于沙床面30并且垂直于各开口21的中心垂向投影所在的直线L-L，将风沙测量装置100置于风场内一定的时间T，其中该时间T与步骤i中的时间T相等；

③测量各集沙腔20中收集到的沙粒的质量，并计算收集到的沙粒的质量与各集沙腔20的开口21的面积的比值作为单位面积质量；

④汇总对应于各集沙腔20的单位面积质量，拟合得到风沙跃移层中下降的沙粒随高度z的分布函数G（x₀，z），其中x₀是各开口21的中心垂向投影所在的直线L-L沿风向的位置坐标，最后得到风沙跃移层中下降的沙粒随高度z的分布函数G（x₀，z），

v.令z趋近于0，计算得到分布函数G（x₀，z）的极限值G（x₀，0），

vi.改变各开口21的中心垂向投影所在的直线L-L沿风向的位置坐标x，重复步骤iv和v，得到多个极限值F（x，0），利用该多个极限值F（x，0）拟合得到在沙床面30处风沙跃移层中降落的沙粒随位置坐标x的分布函数G（x），

vii.计算在沙床面30处风沙跃移层中上升的沙粒随位置坐标x的分布函数R（x），计算方法如下：

R（x）=F（x）-G（x），

viii.计算在沙床面30处侵蚀的沙粒随位置坐标x的分布函数H（x），计算方法如下：

H（x）=R（x）-G（x）=F（x）-2G（x）。

根据上述步骤i至viii，即能够测量出沙床面30的侵蚀沿坐标轴x的分布规律。此外，还可以计算得出沙床面30的考查区段的净侵蚀量Q，计算方法如下。

$Q=k{\∫}_{x_i}^{x_j}H\left(x\right)\mathrm{dx},$

其中，x_i是沙床面30的考查区段沿风向的起点坐标，x_j是沙床面30的考查区段沿风向的终点坐标；k=W·t/T，W是沙床面30的考查区段的宽度，该宽度垂直于风向；t是发生侵蚀的实际时间。

显然，本领域技术人员在不脱离本发明的保护范围的情况下可以根据上述内容进行组合或变型，本发明专利的保护范围由权利要求书限定。

Claims (5)

1.一种风沙测量方法，其利用风沙测量装置(100)来测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律，所述风沙测量装置(100)包括多个集沙腔(20)，所述集沙腔(20)立设于沙床面(30)上并且上端具有开口(21)，各所述开口(21)的中心在沙床面(30)上的垂向投影排列在一条直线(L-L)上，各所述集沙腔(20)的高度(H)不同，当使用所述风沙测量装置(100)时，各所述开口(21)平行于沙床面(30)，各所述开口(21)沿风向的最大尺寸(DX)为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍， 

其特征在于，所述风沙测量方法包括如下步骤： 

i.布置所述风沙测量装置(100)，保证所述集沙腔(20)的开口(21)与沙床面(30)平行； 

ii.保证风向平行于沙床面(30)并且垂直于各所述开口(21)的中心垂向投影所在的直线(L-L)，将所述风沙测量装置(100)置于风场内一定的时间； 

iii.测量各所述集沙腔(20)中收集的沙粒的质量，并计算收集到的沙粒的质量与各所述集沙腔(20)的开口(21)的面积的比值作为单位面积质量； 

iv.汇总对应于各所述集沙腔(20)的单位面积质量，拟合得到风沙跃移层中下降的沙粒随高度z的分布函数G(x₀，z)，其中x₀是各所述开口(21)的中心垂向投影所在的直线(L-L)沿风向的位置坐标。 

2.根据权利要求1所述的风沙测量方法，其特征在于，各所述集沙腔(20)的开口(21)的面积相同，在步骤iv中通过汇总各所述集沙腔(20)中收集到的沙粒的质量来获得风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律。 

3.一种风沙测量方法，其利用风沙测量装置(100)来测量风沙跃移层中上升的沙粒随高度的分布规律，所述风沙测量装置(100)包括多个集沙 腔(20)，所述集沙腔(20)立设于沙床面(30)上并且上端具有开口(21)，各所述开口(21)的中心在沙床面(30)上的垂向投影排列在一条直线(L-L)上，各所述集沙腔(20)的高度(H)不同，当使用所述风沙测量装置(100)时，各所述开口(21)平行于沙床面(30)，各所述开口(21)沿风向的最大尺寸(DX)为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍， 

其特征在于，所述风沙测量方法包括如下步骤： 

i.利用垂向输沙量收集器测量风沙跃移层沙粒随高度的分布规律，所述垂向输沙量收集器具有多个矩形的沙粒入口(50)，布置所述垂向输沙量收集器，保证各所述沙粒入口(50)垂直于沙床面(30)；保证风向平行于沙床面(30)并且垂直于各沙粒入口(50)，将所述垂向输沙量收集器置于风场中一定的时间T，对各个沙粒入口(50)赋予编号i，i＝0,1,2,…N，其中N是沙粒入口(50)的总数，沙粒入口(50)的位置越高则编号越大，编号最小的沙粒入口(50)贴近沙床面(30)，测量进入各个所述沙粒入口(50)中的沙粒的质量m_i，计算沙粒质量从沙床面(30)至不同的沙粒入口(50)的上侧边缘所在高度的累积值∑m_i，则得到N个不同的累积值∑_i，该N个不同的累积值∑_i对应于各沙粒入口(50)的上侧边缘所在的不同高度z，汇总该N个不同的累积值∑_i，拟合得到累积函数∑(x₀，z)，其中x₀是各所述沙粒入口(50)沿风向的位置坐标，则 

其中，w为常数，w是各个所述沙粒入口(50)的宽度，该宽度平行于沙床面(30)；F(x₀，λ)是风沙跃移层中沙粒随高度λ的分布函数，其物理意义是：假设各沙粒入口(50)的高度为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍，将进入各个沙粒入口(50)的沙粒的质量除以相应的沙粒入口(50)的面积，作为与相应的沙粒入口(50)的中心位置所在高度λ处的单位面积质量；汇总计算得出的各个单位面积质量，拟合得到的分布函数F(x₀，λ)即为风沙跃 移层中沙粒随高度λ的分布函数F(x₀，λ)， 

然后，通过累积函数∑(x₀，z)对z求导并除以宽度w，计算得到分布函数F(x₀，z)的函数形式， 

ii.利用上述风沙测量装置(100)采用根据权利要求1所述的风沙测量方法测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律，其中所述风沙测量装置(100)置于风场内的时间与步骤i中的时间T相等，最后得到风沙跃移层中下降的沙粒随高度z的分布函数G(x₀，z)，其中各所述开口(21)的中心垂向投影所在的直线(L-L)沿风向的位置坐标x₀与步骤i中各所述沙粒入口(50)沿风向的位置坐标x₀相同， 

iii.计算得到风沙跃移层中上升的沙粒随高度z的分布函数R(x₀，z)，其中R(x₀，z)＝F(x₀，z)-G(x₀，z)。 

4.一种风沙测量方法，其采用风沙测量装置(100)测量沙床面(30)的侵蚀的分布规律，所述风沙测量装置(100)包括多个集沙腔(20)，所述集沙腔(20)立设于沙床面(30)上并且上端具有开口(21)，各所述开口(21)的中心在沙床面(30)上的垂向投影排列在一条直线(L-L)上，各所述集沙腔(20)的高度(H)不同，当使用所述风沙测量装置(100)时，各所述开口(21)平行于沙床面(30)，各所述开口(21)沿风向的最大尺寸(DX)为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍， 

其特征在于，所述风沙测量方法包括如下步骤： 

i.利用垂向输沙量收集器测量风沙跃移层沙粒随高度的分布规律，所述垂向输沙量收集器具有多个矩形的沙粒入口(50)，布置所述垂向输沙量收集器，保证各所述沙粒入口(50)垂直于沙床面(30)；保证风向平行于沙床面(30)并且垂直于各沙粒入口(50)，将所述垂向输沙量收集器置于风场中一定的时间T，对各个沙粒入口(50)赋予编号i，i＝0,1,2,…N，其中N是沙粒入口(50)的总数，沙粒入口(50)的位置越高则编号越大，编号最 小的沙粒入口(50)贴近沙床面(30)，测量进入各个所述沙粒入口(50)中的沙粒的质量m_i，计算沙粒质量从沙床面(30)至不同的沙粒入口(50)的上侧边缘所在高度的累积值∑m_i，则得到N个不同的累积值∑_i，该N个不同的累积值∑_i对应于各沙粒入口(50)的上侧边缘所在的不同高度z，汇总该N个不同的累积值∑_i，拟合得到累积函数∑(x₀，z)，其中x₀是各所述沙粒入口(50)沿风向的位置坐标，则 

其中，w为常数，w是各个所述沙粒入口(50)的宽度，该宽度平行于沙床面(30)；F(x₀，λ)是风沙跃移层中沙粒随高度λ的分布函数，其物理意义是：假设各沙粒入口(50)的高度为沙粒平均粒径的1.5倍至3倍，将进入各个沙粒入口(50)的沙粒的质量除以相应的沙粒入口(50)的面积，作为与相应的沙粒入口(50)的中心位置所在高度λ处的单位面积质量；汇总计算得出的各个单位面积质量，拟合得到的分布函数F(x₀，λ)即为风沙跃移层中沙粒随高度λ的分布函数F(x₀，λ)， 

然后，通过累积函数∑(x₀，z)对z求导并除以宽度w，计算得到分布函数F(x₀，z)的函数形式， 

ii.令z趋近于0，计算得到分布函数F(x₀，z)的极限值F(x₀，0)， 

iii.改变各所述沙粒入口(50)沿风向的位置坐标x，重复步骤i和ii，得到多个极限值F(x，0)，利用该多个极限值F(x，0)拟合得到在沙床面(30)处风沙跃移层沙粒随位置坐标x的分布函数F(x)， 

iv.利用上述风沙测量装置(100)采用根据权利要求1所述的风沙测量方法测量风沙跃移层中下降的沙粒随高度的分布规律，其中所述风沙测量装置(100)置于风场内的时间与步骤i中的时间T相等，最后得到风沙跃移层中下降的沙粒随高度z的分布函数G(x₀，z)， 

v.令z趋近于0，计算得到分布函数G(x₀，z)的极限值G(x₀，0)， 

vi.改变各所述开口(21)的中心垂向投影所在的直线(L-L)沿风向的位置坐标x，重复步骤iv和v，得到多个极限值F(x，0)，利用该多个极限值F(x，0)拟合得到在沙床面(30)处风沙跃移层中降落的沙粒随位置坐标x的分布函数G(x)， 

vii.计算在沙床面(30)处风沙跃移层中上升的沙粒随位置坐标x的分布函数R(x)，计算方法如下： 

R(x)＝F(x)-G(x)， 

viii.计算在沙床面(30)处侵蚀的沙粒随位置坐标x的分布函数H(x)，计算方法如下： 

H(x)＝R(x)-G(x)＝F(x)-2G(x)。 

5.根据权利要求4所述的风沙测量方法，其特征在于，所述风沙测量方法还包括如下步骤： 

ix.计算沙床面(30)的考查区段的净侵蚀量Q，计算方法如下： 

其中，x_i是沙床面(30)的考查区段沿风向的起点坐标，x_j是沙床面(30)的考查区段沿风向的终点坐标；k＝W·t/T，W是沙床面(30)考查区段的宽度，该宽度垂直于风向；t是发生侵蚀的实际时间。