CN104677588A - 一种土壤风力侵蚀测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种土壤风力侵蚀测量方法，包括以下步骤：确定圆形测量区域，选取圆周上若干个测量点；沿着圆周方向于所述测量点两侧分别各布设一个开口朝向圆心和开口远离圆心的集沙装置，分别采集离开和进入测量区域的风蚀物；计算出进入和离开测量区域的输沙通量Qin和Qout，二者的差值为测量区域的单宽输沙率Q，将单宽输沙率Q代入下式：A＝Q×2πr÷πr2即可得到土壤风蚀量。本发明无需同一场风蚀事件中的风向保持稳定，且不需计算输沙量随长度的变化和定义非侵蚀性边界，增加了本发明的适用性，简化了计算方法，同时也提高了测量的准确性。本发明还公开了一种土壤风力侵蚀测量装置，该装置的准确性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力侵蚀监测技术领域，尤其涉及一种土壤风力侵蚀测量方法及装置。
背景技术
土壤侵蚀导致土地退化。科学测量是土壤侵蚀规律研究、水土保持措施规划和实施的重要依据。早在1882年，德国科学家Ewald Wollny发明了径流小区法用于定量测定水力侵蚀。1910年代，以D.Miller为代表的美国科学家开始应用并不断改进这一方法，使其成为水力侵蚀的标准测量方法，并在世界范围内得到广泛应用。相比之下，风力侵蚀的定量研究进展缓慢，其田间测量方法一直未能有效解决。
目前，野外风力侵蚀观测仪器已比较成熟，最为常见的两种集沙仪是S.J.Wilson和R.U.Cooke于1980年发明的MWAC(Modified Wilson and CookeCatcher)和D.W.Fryrear于1986年研制的BSNE(Big Spring Number Eight)。其中，BSNE尾端配置旋转轴，可随风向移动，使得集沙仪进沙口始终正对着风向。利用这一特性，J.E.Stout和D.W.Fryrear于上世纪90年代初提出了田间测量风蚀的圆形方法。该方法在一个圆形研究区的不同位置布设BSNE集沙仪，然后利用测定的风蚀通量与距离的关系推算该区的风蚀速率。这一方法随后被广泛应用于美国的主要风蚀区，用以验证和改进WEQ(Wind ErosionEquation)、RWEQ(Revised Wind Erosion Equation)、WEPS(Wind ErosionPrediction System)和WESS(Wind Erosion Stochastic Simulator)等风蚀模型。另一种常用的田间方法则分别测量研究区上风向和下风向的风蚀通量，认为二者的差值便是该区的风蚀量。此方法所采用的研究区多为方形，集沙仪如BSNE的位置由主导风向确定。
然而，这两种方法的应用都存在一定的前提条件。首先，研究区必须存在一个稳定的非侵蚀性边界，这在许多地区，特别是降雨量少、植被稀疏的地区往往无法满足。更为重要的一点是，风蚀过程中的风向需保持相对一致。这在现实情况下基本无法实现，因为大量观测结果表明风向无时不刻都在变化。
此外，还存在一些间接的风蚀测量方法，如W.S.Chepil在1960年通过小麦根系在风蚀前后的出露程度来估算风蚀量；J.M.Nield和G.F.S.wiggs采用激光扫描仪来分析风蚀前后地表的相对高程变化，进而确定土壤风蚀速率；严平和刘纪远通过对比侵蚀区和非侵蚀区的铯-137同位素土壤含量来预测土壤风蚀速率。但是这些方法往往无法区分土壤风蚀和水蚀，在风水侵蚀交错地带尤不适用。
因此，需要提供一种风力侵蚀的科学测量方法，该方法依据风沙流运动规律和质量守恒定律，理论上成立；方法上采用集沙仪测量，操作方便可行。侵蚀量的计算误差可以理论推导，误差可以控制，测量精度高。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种测量精度高的土壤风力侵蚀测量方法。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种测量精度高的土壤风力侵蚀测量装置。
为解决上述第一个技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种土壤风力侵蚀测量方法，包括以下步骤：
根据当地地形确定圆形测量区域，选取圆周上若干个测量点；
以所述测量点为中心，沿着圆周方向于所述测量点两侧分别各布设一个集沙装置，其中一个集沙装置的开口朝向圆心，采集离开测量区域的风蚀物，另一个集沙装置的开口远离圆心，采集进入测量区域的风蚀物；
将每一个集沙装置采集的风蚀物分别烘干后称重，计算出进入测量区域的输沙通量Qin和离开测量区域的输沙通量Qout，二者的差值为测量区域的单宽输沙率Q，将单宽输沙率Q代入下式：A＝Q×2πr÷πr2即可得到土壤风蚀量，式中r为测量区域的半径。本发明的方法无需要求同一场风蚀事件中的风向保持稳定，且不需计算输沙量随长度的变化和定义非侵蚀性边界，增加了本发明的适用性，简化了计算方法，同时也提高了测量的准确性。
优选地，所述测量点为以圆心为中心点分别沿着正北(N)、正东(E)、正南(S)、正西(W)和东北(NE)、东南(SE)、西北(SW)和西南(SW)方向与圆周的交点。
优选地，所述测量区域的半径为56.42米。
优选地，采样时间为冬季和夏季各采集一次，春季和秋季每个月采集一次。
为解决上述第二个技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种土壤风力侵蚀测量装置，包括采沙盒、集沙盒、盒托和固定杆，所述采沙盒用于将采集到的风蚀物导入所述集沙盒中，所述盒托将所述采沙盒和集沙盒固定在所述固定杆上，所述固定杆设置在地面上，其上固设有至少一组进口朝向相同的所述采沙盒、集沙盒和盒托。
优选地，所述采沙盒为梯形中空结构，其顶面为排气网，底面为孔径3mm的过滤网，前端开口，后端封闭，所述采沙盒的侧壁下端设有卡槽；所述集沙盒为顶面开口的梯形中空盒状结构，其侧壁上端设有卡槽，所述采沙盒与集沙盒通过所述卡槽相互连接。
优选地，所述采沙盒顶面的排气网为360目孔径的不锈钢纱网。
优选地，所述固定杆上0-5mm、10-15mm、30-35mm、70-75mm和150-155mm处设有5组所述采沙盒、集沙盒和盒托。
优选地，所述采沙盒和集沙盒为不锈钢材料制成。
优选地，所述固定杆的底部还设有底盘，所述底盘上设有与地脚螺栓匹配的螺丝孔。
本发明的有益效果如下：
本发明将BSNE型集沙仪改进为固定方向，并在圆周上布设朝向不同风向的集沙仪，从而控制进入或流出研究区域的输沙量并根据物质平衡理论，得到土壤风蚀的侵蚀量或堆积量。本方法不再像Fryrear方法那样计算输沙量随长度的变化和定义非侵蚀性边界，增加了方法的适用性，同时也简化了计算方法。
本方法无须要求同一场风蚀事件中风向保持稳定，而这是Fryrear方法所必需要求的。实际监测表明同一场风蚀事件中风向会发生较大的变化。
简化了采样流程,不再要求以次风蚀事件为基础进行采样，而是可以根据研究需要确定采样间隔。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明中的测量装置的位置布置图。
图2示出本发明中的测量装置的结构示意图。
图3示出本发明中的测量装置的局部结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明测量土壤风力侵蚀的方法主要包括三个步骤：根据当地地形确定圆形测量区域，选取圆周上若干个测量点；以测量点为中心，沿着圆周方向于测量点两侧各0.5m处分别各布设一个集沙装置，其中一个集沙装置的开口朝向圆心，采集离开测量区域的风蚀物，另一个集沙装置的开口远离圆心，采集进入测量区域的风蚀物；将每一个集沙装置采集的风蚀物分别烘干后称重，计算出进入测量区域的输沙通量Qin和离开测量区域的输沙通量Qout，二者的差值为测量区域的单宽输沙率Q，将单宽输沙率Q代入下式：A＝Q×2πr÷πr2即可得到土壤风蚀量，式中r为测量区域的半径。
如图1所示，在实际测量中，一般选取较为平坦的圆形区域作为测量对象，圆形区域半径需根据当地地形确定，一般为56.42米左右。确定测量区域后，以圆心为中心点，分别沿着正北(N)、正东(E)、正南(S)、正西(W)和东北(NE)、东南(SE)、西北(SW)和西南(SW)方向，确定圆周与八个方向的交点，也可以根据实际需要增加或减少测量点或改变布设位置。以每个交点为中心，沿着圆周方向于距离交点两侧各0.5m处分别各布设一组集沙测量装置，即整个圆周上共布设8组集沙测量装置，其中南—北方向布设2组，东—西方向布设2组，东北—西南方向布设2组，东南—西北方向布设2组。以南北方向为例，经过圆心画一条南北方向的直线，该直线与圆周有两个交点，在每个交点处，于直线两侧分别布设一组集沙测量装置，每组集沙测量装置开口朝向完全相反，一组集沙测量装置的开口朝向圆心，其收集到的风蚀物视为离开研究区域的风蚀物；另一组集沙测量装置的开口远离圆心，其收集到的风蚀物视为进入研究区域的风蚀物，两个交点位于直线同一侧的两组集沙仪开口朝向相同。其余3个方向集沙仪的布设方式与此类似。
这样，在每个交点上，均有一组集沙测量装置观测进入研究区域内的输沙量，一组集沙测量装置观测流出研究区域内的输沙量。以正北方向为例，圆心正北方向有两个集沙测量装置，开口朝向圆心的集沙测量装置的命名为Nout，其收集的为S方向的风力输送的即将离开研究区的风蚀物；开口背离圆心的集沙测量装置的命名为Nin，其收集的为N方向的风力输送的即将进入研究区的风蚀物；其余类似。因此可以根据物质平衡原理，计算出研究区域内净风蚀量或净堆积量。这种布设方式考虑到了所有风向的风沙运动，而且采样时间也相对较为灵活，不必在每次风蚀事件结束后就必须采样。
采样时间安排根据当地多年平均风力状况确定，可以根据实际需要调整采样周期。我国北方春季和秋季风力较大，而夏季和冬季风力相对较弱。因此，建议的采样安排为冬季和夏季各采集一次风蚀样品，春季和秋季每个月各采集一次风蚀样品。春季于4月15日、5月15日和6月15日采样；夏季于9月15日采样；秋季于10月15日、11月15日和12月15日各采样一次；冬季于3月15日采样。每次采样后，风沙样品带回实验室，烘干处理后，采用万分之一天平称重。
将每次采样后将不同高度集沙盒中的风蚀物质处理后称重，计算不同高度的输沙通量。输沙通量是根据集沙盒中风蚀物质的质量除以集沙口的面积而得到的。对于每次风蚀采样而言，均得到16组集沙测量装置5个高度上的输沙通量。其中，8组集沙测量装置收集的是进入研究区的输沙通量，8组集沙测量装置收集的是流出研究区的输沙通量。分别将进入和流出研究区的输沙通量进行平均，即得到进入和流出测量区域的总输沙通量。我们分别采用幂函数和指数函数两种函数形式进行分析，确定适用于本研究区的输沙量垂直分布模式。某一高度的输沙率通常采用对输沙通量曲线积分进行得到。对进入测量区的输沙通量Qin和离开测量区的输沙通量Qout，分别按照幂函数和指数函数两种输沙通量曲线从0至2米高度进行积分得到进入和离开研究区的单宽输沙量Qin和Qout，二者差值即为研究区的单宽输沙率Q。需要指出的是集沙测量装置的布置个数及采沙盒的安装高度可根据实际情况进行调整。
运用每次采样得到的测量区单宽输沙量乘以测量区域的边长(即测量区域圆周的周长)，即得到每次采样过程整个研究区的风力侵蚀或沉积的总质量，再除以圆形研究区域的面积，即可得到相应的土壤风蚀量或堆积量：
A＝Q×2πr÷πr2
式中，A为土壤风蚀量或堆积量，Q为研究区净单宽输沙量，r为测量区域半径。
图2示出了本发明一种土壤风力侵蚀测量装置，包括固定杆1、采沙盒2、集沙盒3和盒托4，固定杆1的底端设有圆形底盘11，底盘11设有连接地脚螺栓的螺丝孔。
如图3所示，采沙盒2为梯形中空的结构，其顶面是孔径为360目的不锈钢纱网，底面是孔径为3mm的过滤网，采沙盒2较小的一端开口为采集风蚀物的进口，采沙盒2的侧壁的下端设置有与集沙盒3卡接的卡槽。集沙盒3为梯形中空的结构，顶面开口，其侧壁的上端设有与采沙盒2上的卡槽卡接的卡槽。携沙风通过采沙盒1的前端进口进入其内部后速度降低，沙粒透过过滤网沉积到集沙盒3中，气流则透过采沙盒2顶面的不锈钢纱网排出，大于过滤网的杂物留在采沙盒2内，从而完成一次风蚀过程的采集。每一个测量装置上设有5个采沙盒2和集沙盒3，分别通过盒托4固定在固定杆1的0-5cm、10-15cm、30-35cm、70-75cm和150-155cm高度上，可以根据实际需要调整组数及高度。盒托4通过2个螺丝固定在固定杆1的相应高度上，并将采沙盒2和集沙盒3通过螺丝固定在盒托4上。采沙盒2和集沙盒3均为不锈钢板制成。每根固定杆1上的采沙盒2的进口朝向同一方向。固定杆1的长度一般为2-2.5m，垂直埋入地下的部分长0.5m左右，可根据现场布设情况进行调整。每根固定杆1配纤绳3根且纤绳与固定杆1连接处位于最高的采沙盒2以上15cm处，三根纤绳互成120°角，纤绳与地面间的交角为45°。
本文中所采用的描述方位的词语“上”，“下”，“左”，“右”，“前”，“后”等均是为了说明的方面基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中，这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种土壤风力侵蚀测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据当地地形确定圆形测量区域，选取圆周上若干个测量点；
以所述测量点为中心，沿着圆周方向于所述测量点两侧分别各布设一个集沙装置，其中一个集沙装置的开口朝向圆心，采集离开测量区域的风蚀物，另一个集沙装置的开口远离圆心，采集进入测量区域的风蚀物；
将每一个集沙装置采集的风蚀物分别烘干后称重，计算出进入测量区域的输沙通量Qin和离开测量区域的输沙通量Qout，二者的差值为测量区域的单宽输沙率Q，将单宽输沙率Q代入下式：A＝Q×2πr÷πr2即可得到土壤风蚀量，式中r为测量区域的半径。
2.根据权利要求1所述的一种土壤风力侵蚀测量方法，其特征在于：所述测量点为以圆心为中心点分别沿着正北(N)、正东(E)、正南(S)、正西(W)和东北(NE)、东南(SE)、西北(SW)和西南(SW)方向与圆周的交点。
3.根据权利要求1所述的一种土壤风力侵蚀测量方法，其特征在于：所述测量区域的面积为1公顷，相应的半径为56.42米。
4.根据权利要求1所述的一种土壤风力侵蚀测量方法，其特征在于：采样时间为冬季和夏季各采集一次，春季和秋季每个月采集一次。
5.一种用于实现权利要求1所述土壤风力侵蚀测量方法的装置，其特征在于：包括采沙盒、集沙盒、盒托和固定杆，所述采沙盒用于将采集到的风蚀物导入所述集沙盒中，所述盒托将所述采沙盒和集沙盒固定在所述固定杆上，所述固定杆设置在地面上，其上固设有至少一组进口朝向相同的所述采沙盒、集沙盒和盒托。
6.根据权利要求5所述的土壤风力侵蚀测量装置，其特征在于：所述采沙盒为梯形中空结构，其顶面为排气网，底面为孔径3mm的过滤网，前端开口，后端封闭，所述采沙盒的侧壁下端设有卡槽；所述集沙盒为顶面开口的梯形中空盒状结构，其侧壁上端设有卡槽，所述采沙盒与集沙盒通过所述卡槽相互连接。
7.根据权利要求5所述的土壤风力侵蚀测量装置，其特征在于：所述采沙盒顶面的排气网为360目孔径的不锈钢纱网。
8.根据权利要求5所述的土壤风力侵蚀测量装置，其特征在于：所述固定杆上0-5mm、10-15mm、30-35mm、70-75mm和150-155mm处设有5组所述采沙盒、集沙盒和盒托。
9.根据权利要求5所述的土壤风力侵蚀测量装置，其特征在于：所述采沙盒和集沙盒为不锈钢材料制成。
10.根据权利要求5所述的土壤风力侵蚀测量装置，其特征在于：所述固定杆的底部还设有底盘，所述底盘上设有与地脚螺栓匹配的螺丝孔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |