CN112485180B - 一种确定风蚀速率的集沙仪系统和确定风蚀速率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种确定风蚀速率的集沙仪系统和确定风蚀速率的方法，在线性扰动区域的两条边线上设置集沙仪，所设置的集沙仪中包括用于收集流入所述线性扰动区域的物质的集沙仪，以及用于收集流出所述线性扰动区域的物质的集沙仪。通过物质平衡理论可以根据集沙仪所收集物质的质量，对线性扰动区域的风蚀速率进行测量，能够准确得到风力侵蚀速率。

Description

一种确定风蚀速率的集沙仪系统和确定风蚀速率的方法
技术领域
本发明涉及风蚀速度测量技术领域，尤其是涉及一种确定风蚀速率的集沙仪系统和确定风蚀速率的方法。
背景技术
土壤侵蚀是重要的生态环境问题。生产建设项目水力侵蚀量可采用径流小区法实测或采用通用土壤流失方程(USLE、RUSLE)以及中国土壤流失方程(CSLE)等方法计算。然而，由于风速和风向的随机性，导致风力对土壤风蚀物的搬运方向具有极大的不确定性，造成风力侵蚀的边界难以确定，而水力侵蚀的边界可以根据由地形决定的流域范围确定。因此，风力侵蚀量的测算仍属于土壤侵蚀科学领域的难点问题，尚未形成公认的测量和计算方法，这影响了对生产建设项目线性扰动区域风力侵蚀量的准确测量。
目前，风力侵蚀的测算多采用地表变化测量法、模型估算法和集沙仪实测法等方法。地表变化测量法主要通过测量侵蚀/堆积厚度计算风蚀量。地表变化测量法所用的装置一般易于操作且造价低廉，适用于野外长期监测工作，但观测过程容易出现沉降或外力扰动，且方法本身精度较低，因而只适用于风蚀较为严重的区域，在风蚀较轻的区域其误差往往会超过测量值。风蚀模型都是基于特定的地域条件建立的，其推广应用仍需要验证或修正，此外模型参数较多，其精确取值存在一定的困难。可见，目前的风力侵蚀测算方法不能完全满足生产建设项目线性扰动区域风力侵蚀量的测算需求，无法准确得到风力侵蚀速率。
发明内容
本发明实施例提供一种确定风蚀速率的集沙仪系统和确定风蚀速率的方法，用以解决现有技术中风力侵蚀测算方法无法准确得到风力侵蚀速率的问题。
针对以上技术问题，本发明实施例提供一种确定风蚀速率的集沙仪系统，包括设置在线性扰动区域的至少一个集沙仪；所述线性扰动区域为相互平行的两条边线形成的一段区域；
处于上风状态的边线上设置的集沙仪，用于收集流入所述线性扰动区域的物质，得到流入量；
处于下风状态的边线上设置的集沙仪，用于收集流出所述线性扰动区域的物质，得到流出量；
其中，根据所述流入量和所述流出量确定所述线性扰动区域的风蚀速率；处于上风状态的边线为两条边线中沿着风向的方向首先到达的边线，处于下风状态的边线为两条边线中不是处于上风状态的另一边线。
可选地，以在所述两条边线中的任一边线作为初选边线，在所述初选边线作为第一边线，在所述第一边线上等间距地设置有集沙仪；
在所述两条边线中的第二另一边线上，以所述第一初选边线中的任一集沙仪所在位置为原点，确定自所述原点开始第一分解方向与第二另一边线的第一交点，以及自所述原点开始第二分解方向与另一第二边线的第二交点，在确定的第一交点和第二交点处设置集沙仪，两条边线上的集沙仪均按照数字编号从小到大的顺序依次排列；
其中，第一分解方向和第二分解方向为对盛行风向进行分解的两个互相垂直的方向；以初始边线上布设的任一集沙仪为起点，分别通过第一分解方向和第二分解方向连接另一边线上的集沙仪；当另一边线上的集沙仪编号较小时，连接初始边线相应集沙仪与该集沙仪的垂直风向定义为第一分解方向，当另一边线上的集沙仪编号较大时，连接初始边线相应集沙仪与该集沙仪的垂直风向定义为第二分解方向；盛行风向为以90度的风向变化所确定的风向；所述初始边线第一边线与所述第二边线另一边线长度相等。
可选地，当所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向在所述盛行风向的风向变化范围内时，还包括用于对所述线性扰动区域的风向和风速进行测试的仪器；
其中，设定所述线性扰动区域所在直线与所述第一分解方向的锐角夹角为θ，若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ，则处于上风状态的边线为所述第一边线；若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ，则处于上风状态的边线为所述第二边线。
第二方面，本发明的实施例提供了一种基于以上任一项所述的确定风蚀速率的集沙仪系统的确定风蚀速率的方法，包括：
在所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向不在盛行风向的风向变化范围内的情况下，处于上风状态的边线不随盛行风向与第一分解方向的夹角变化，设定处于上风状态的边线为第一边线，处于下风状态的边线为第二边线；
根据所述第一边线上设置的各集沙仪，确定流入所述线性扰动区域的物质的流入量Qon，根据第二边线上设置的各集沙仪，确定流出所述线性扰动区域的物质的流出量Qout；
根据公式
Figure GDA0003222056220000031
计算所述线性扰动区域的风力侵蚀或堆积速率A；
其中，N为在所述第一边线上设置的集沙仪的数量，L为在所述第一边线上设置的相邻集沙仪之间的间距；d为所述第一边线和所述第二边线之间的距离，即扰动区域的宽度；若A>0，表示所述线性扰动区域出现了风力侵蚀，若A<0，表示所述线性扰动区域出现了风力堆积。
可选地，还包括：在所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向在盛行风向的风向变化范围内的情况下，处于上风状态的边线随盛行风向与第一分解方向的夹角变化；设所述线性扰动区域所在直线与第一分解方向的锐角夹角为θ，若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ，则处于上风状态的边线为第一边线，处于下风状态的边线为第二边线；若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ，则处于上风状态的边线为所述第二边线，处于下风状态的边线为第一边线；
根据用于对所述线性扰动区域的风向和风速进行测试的仪器对盛行风向变化的测试结果，获取盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的过程中，由所述第一边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第一流入量Qinw，以及由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第一流出量Qoutw，并获取盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的过程中，由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第二流入量Qinn，以及由所述第一边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第二流出量Qoutn；
则根据公式
Figure GDA0003222056220000041
计算所述线性扰动区域的风力侵蚀或堆积速率A；若A>0，表示所述线性扰动区域出现了风力侵蚀，若A<0，表示所述线性扰动区域出现了风力堆积。
可选地，还包括：
设定集沙仪中每一集沙盒的进沙口宽度为ucm，设定x＝d/tanθ；设定y＝L-d/tanθ；
对所述第一边线上设置的任一集沙仪mk，对集沙仪mk中的各集沙盒内的物质称重，得到集沙仪mk收集的物质总量Qmk，根据公式
Figure GDA0003222056220000042
Figure GDA0003222056220000043
确定流入所述线性扰动区域的物质的流入量Qin；
对所述第二边线上设置的任一集沙仪nk,对集沙仪nk中的各集沙盒内的物质称重，得到集沙仪nk收集的物质总量
Figure GDA0003222056220000044
根据公式
Figure GDA0003222056220000045
Figure GDA0003222056220000046
确定流出所述线性扰动区域的物质的流出量Qout；
其中，
Figure GDA0003222056220000047
为所述第二边线上第一个集沙仪n1与第二个集沙仪n2之间的距离，
Figure GDA0003222056220000048
为所述第二边线上第二个集沙仪n2与第三个集沙仪n3之间的距离。
可选地，还包括：
根据用于对所述线性扰动区域的风向和风速进行测试的仪器对盛行风向变化的测试结果，获取在确定所述线性扰动区域的风蚀速率的过程中，盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的时长tw，以及盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的时长tn，t＝tw+tn；
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的过程中，所述第一边线上设置的任一集沙仪mk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure GDA0003222056220000049
乘以tw/t，为由集沙仪mk测量的流入所述线性扰动区域的物质Qmkw，根据公式
Figure GDA00032220562200000410
Figure GDA00032220562200000411
确定第一边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第一流入量Qinw；
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的过程中，所述第二边线上设置的任一集沙仪nk中的各集沙盒内收集的物质总重量Qnk乘以tw/t，为由集沙仪nk测量的流出所述线性扰动区域的物质
Figure GDA0003222056220000051
根据公式
Figure GDA0003222056220000052
Figure GDA0003222056220000053
确定由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第一流出量Qoutw；
其中，
Figure GDA0003222056220000054
为集沙仪m1和集沙仪m2之间的距离。
可选地，还包括：
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的过程中，所述第二边线上设置的任一集沙仪nk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure GDA0003222056220000055
乘以tn/t，为由集沙仪nk测量的流入所述线性扰动区域的物质
Figure GDA0003222056220000056
根据公式
Figure GDA0003222056220000057
确定由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第二流入量Qinn；
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的过程中，所述第一边线上设置的任一集沙仪mk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure GDA0003222056220000058
乘以tn/t，为由集沙仪mk测量的流出所述线性扰动区域的物质
Figure GDA0003222056220000059
根据公式
Figure GDA00032220562200000510
Figure GDA00032220562200000511
确定所述第一边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第二流出量Qoutn。
本发明的实施例提供了一种确定风蚀速率的集沙仪系统和确定风蚀速率的方法，在线性扰动区域的两条边线上设置集沙仪，所设置的集沙仪中包括用于收集流入所述线性扰动区域的物质的集沙仪，以及用于收集流出所述线性扰动区域的物质的集沙仪。通过物质平衡理论可以根据集沙仪所收集物质的质量，对线性扰动区域的风蚀速率进行测量，能够准确得到风力侵蚀速率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的BSNE集沙仪的结构示意图；
图2是本发明另一实施例提供的线性扰动区域为NE-SW走向的集沙仪的布设方式示意图；
图3是本发明另一实施例提供的线性扰动区域为NW-SE走向的集沙仪的布设方式示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种确定风蚀速率的集沙仪系统，包括设置在线性扰动区域的至少一个集沙仪；所述线性扰动区域为相互平行的两条边线形成的一段区域；
处于上风状态的边线上设置的集沙仪，用于收集流入所述线性扰动区域的物质，得到流入量；
处于下风状态的边线上设置的集沙仪，用于收集流出所述线性扰动区域的物质，得到流出量；
其中，根据所述流入量和所述流出量确定所述线性扰动区域的风蚀速率；处于上风状态的边线为两条边线中沿着风向的方向首先到达的边线，处于下风状态的边线为两条边线中不是处于上风状态的另一边线。
线性扰动区域通常是根据生产建设项目确定的，例如，某一生产建设项目是建设一段公路，则选取公路中平直的一段，以公路的两条边界作为边线，得到线性扰动区域。线性生产建设项目是指公路、铁路、管道、输水、输电等呈线性分布的生产建设项目，往往具有线路长、跨度大、地貌类型复杂多变、水土流失时空分异明显等特征，造成比较严重的水土流失。线性生产建设项目地表扰动主要呈带状分布，宽度一般不超过100m，一般经过的地形地貌单元多，地质、土壤、植被、气候等往往有所差异，使用模型估算和地表变化测量等方法往往不能满足测量精度。
集沙仪可在不同风向条件下收集田间悬移颗粒。图1为本实施例提供的BSNE(BigSpring Number Eight)集沙仪的结构示意图，参见图1，一套BSNE集沙仪包括多个集沙盒。通常，每个集沙盒入口长5cm，宽2cm，集沙效率在90％左右。一般把集沙盒按照不同高度固定在固定杆上，并固定在能绕轴旋转的风向标上，形成可观测不同高度输沙通量的一套集沙仪。BSNE集沙仪具有制作简单、操作方便、进沙口能时刻指向侵蚀风向、可单点采集不同高度的沙样等特点，且可以用于较长时间的野外风沙观测。
本实施例根据物质平衡理论，一个确定区域的流失量(堆积量)等于流出(进入)该区域的风蚀物质量减去进入(流出)该区域的质量。由于风蚀没有确定的边界，许多风蚀研究仅针对单个监测点进行输沙率观测，而不是区域(地块)尺度的风沙平衡。本发明拟基于生产建设项目线性扰动特点，根据风沙流运动规律构建一个风蚀区域，并提供一个科学测量该区域风蚀量的方法。该方法理论上可行，技术上操作性强，测量精度较高，应用简便，可以准确测算生产建设项目线性扰动区域及类似区域的风蚀量。
本实施例提供了一种确定风蚀速率的集沙仪系统，在线性扰动区域的两条边线上设置集沙仪，所设置的集沙仪中包括用于收集流入所述线性扰动区域的物质的集沙仪，以及用于收集流出所述线性扰动区域的物质的集沙仪。通过物质平衡理论可以根据集沙仪所收集物质的质量，对线性扰动区域的风蚀速率进行测量，能够准确得到风力侵蚀速率。
进一步地，在上述实施例的基础上，在所述两条边线中的任一边线作为初选边线，在所述初选边线上等间距地设置有集沙仪；
在所述两条边线中的另一边线上，以所述初选边线中的任一集沙仪所在位置为原点，确定自所述原点开始第一分解方向与另一边线的第一交点，以及自所述原点开始第二分解方向与另一边线的第二交点，在确定的第一交点和第二交点处设置集沙仪，两条边线上的集沙仪均按照数字编号从小到大的顺序依次排列；
其中，第一分解方向和第二分解方向为对盛行风向进行分解的两个互相垂直的方向；以初始边线上布设的任一集沙仪为起点，分别通过第一分解方向和第二分解方向连接另一边线上的集沙仪；当另一边线上的集沙仪编号较小时，连接初始边线相应集沙仪与该集沙仪的垂直风向定义为第一分解方向，当另一边线上的集沙仪编号较大时，连接初始边线相应集沙仪与该集沙仪的垂直风向定义为第二分解方向；盛行风向为以90度的风向变化所确定的风向；所述初始边线与所述另一边线长度相等。
以盛行风向为西北风为例(通过测试，在西北地区西北风的起沙风速约为5ms-1。2m高度处大于5ms-1的西风和北风频率约占大于5ms-1总风向的80％，大于7.5ms-1的西风和北风频率达到了90％以上)，图2为本实施提供的线性扰动区域为NE-SW走向的集沙仪的布设方式示意图。参见图2，对盛行风向的第一分解方向和第二分解方向分别是正东方向和正南方向，第一边线中m1、m2…等点处各布设一个集沙仪，第二边线n1、n2…等点处也各布设一个集沙仪。
进一步地，在上述实施例的基础上，当所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向在所述盛行风向的风向变化范围内时，还包括用于对所述线性扰动区域的风向和风速进行测试的仪器；
其中，设定所述线性扰动区域所在直线与所述第一分解方向的锐角夹角为θ，若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ，则处于上风状态的边线为所述第一边线；若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ，则处于上风状态的边线为所述第二边线。
以盛行风向为西北风为例，图3为本实施提供的线性扰动区域为NW-SE走向的集沙仪的布设方式示意图。参见图3，第一边线中m1、m2…等点处各布设一个集沙仪，第二边线n1、n2…等点处也各布设一个集沙仪。由于上风状态的边线会随着盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角变化，因此还需要设置用于对所述线性扰动区域的风向和风速进行测试的仪器(即风速仪)。该仪器能够对风向进行测试，还能够记录不同风向持续的时长。
在布设集沙仪的过程中，每个布设点均布设一套BSNE集沙仪，布设点的个数可根据现场情况确定。每套集沙仪的高度可根据实际情况设计，一般建议为1.5m-2m，每套集沙仪均可在不同高度安装集沙盒，具体的安装高度可根据实际情况确定，一般建议距离地表为5-10cm、15-20cm、30-35cm、45-50cm、75-80cm和145-150cm；由扰动面同一侧边线上位于两端的集沙仪向扰动面另一侧分别做垂直线，由两条垂直线与扰动面边线形成的矩形区域即为风蚀量测算区域；垂直线与扰动面边线交点与邻近集沙仪的距离x、y可通过计算得到，x和y的单位为m。
在完成对集沙仪的布设之后，本实施例提供了一种基于以上任一项所述的确定风蚀速率的集沙仪系统的确定风蚀速率的方法，包括：
在所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向不在盛行风向的风向变化范围内的情况下，处于上风状态的边线不随盛行风向与第一分解方向的夹角变化，设定处于上风状态的边线为第一边线，处于下风状态的边线为第二边线；
根据所述第一边线上设置的各集沙仪，确定流入所述线性扰动区域的物质的流入量Qin，根据第二边线上设置的各集沙仪，确定流出所述线性扰动区域的物质的流出量Qout；
根据公式
Figure GDA0003222056220000091
计算所述线性扰动区域的风力侵蚀或堆积速率A；
其中，N为在所述第一边线上设置的集沙仪的数量，L为在所述第一边线上设置的相邻集沙仪之间的间距；d为所述第一边线和所述第二边线之间的距离，即扰动区域的宽度；若A>0，表示所述线性扰动区域出现了风力侵蚀，若A<0，表示所述线性扰动区域出现了风力堆积。
进一步地，在上述实施例的基础上，还包括：
设定集沙仪中每一集沙盒的进沙口宽度为ucm，设定x＝d/tanθ；设定y＝L-d/tanθ；
对所述第一边线上设置的任一集沙仪mk，对集沙仪mk中的各集沙盒内的物质称重，得到集沙仪mk收集的物质总量
Figure GDA0003222056220000092
根据公式
Figure GDA0003222056220000093
Figure GDA0003222056220000094
确定流入所述线性扰动区域的物质的流入量Qin；
对所述第二边线上设置的任一集沙仪nk,对集沙仪nk中的各集沙盒内的物质称重，得到集沙仪nk收集的物质总量
Figure GDA0003222056220000095
根据公式
Figure GDA0003222056220000096
Figure GDA0003222056220000097
确定流出所述线性扰动区域的物质的流出量Qout；
其中，
Figure GDA0003222056220000101
为所述第二边线上第一个集沙仪n1与第二个集沙仪n2之间的距离，
Figure GDA0003222056220000102
为所述第二边线上第二个集沙仪n2与第三个集沙仪n3之间的距离。
具体地，假设u为2cm，即u＝2*(1/100)m，N＝5，参见图2，在所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向不在盛行风向的风向变化范围内的情况下(即盛行风向为西北风，线性扰动区域为图2中的NE-SW走向)，风蚀速率A的计算推导过程如下：
当盛行风向为西北风时，集沙仪m1、m2…..m5收集的是进入测量区域的风蚀物，而集沙仪n1、n2…..n11收集的是流出测量区域的风蚀物。考虑到次风蚀事件中风向随时变化，因此，对集沙仪m1而言，分别在西风风向上和北风风向上分别布设对应的集沙仪n1和n2，以涵盖次风蚀事件中风向的变化。由图可知，西风和北风风向上，m1、m2、m3、m4和m5中相邻集沙仪的距离均为L，西风风向上，n1、n3、n5、n7、n9和n11中相邻集沙仪的距离均为L，北风风向上，n2、n4、n6、n8和n110中相邻集沙仪的距离也均为L。
由几何关系，可解算出：
x＝d/tanθ
y＝L-d/tanθ
同样的，根据三角形关系可得到：
dm1n1＝d/sinθ
dn1n4＝dm1n1/cosθ＝L+dn1n2
可解算出：
dn1n2＝2d/sin 2θ-L
dn2n3＝2L-2d/sin 2θ
其中，dm1n1、dn1n4、dn1n2和dn2n3分别为相应两个集沙仪的直线距离，m。dn1n2与dn3n4、dn5n6、dn7n8和dn9n10的距离相等，dn2n3与dn4n5、dn6n7、dn8n9、和dn10n11的距离相等。
考虑到各集沙盒进沙口的宽度为2cm，则集沙仪m1、m2…..m5收集到的进入测量区域的风蚀物总质量，经单位换算后可用下式计算：
Figure GDA0003222056220000103
式中，Qin为进入测量区域的风蚀物总质量，g；Qm1、Qm5和Qmk分别为相应集沙仪总输沙量，g。
Figure GDA0003222056220000111
简化后，即：
Figure GDA0003222056220000112
式中，Qout为进入测量区域的风蚀物总质量，g；Qn1、Qn11和Qnk分别为相应集沙仪总输沙量，g。
本计算公式基于图2设计的布设方式进行，如集沙仪的数量在实际布设中有所变化，则公式应做相应调整。
则测量区域风力侵蚀(堆积)速率为：
Figure GDA0003222056220000113
式中，A为测量区域的平均风力侵蚀(堆积)速率，gm-2(tkm-2)。当A为正值时，表示该区域发生了侵蚀，A为负值时，表示该区域发生了堆积。
进一步地，在上述各实施例的基础上，还包括：
在所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向在盛行风向的风向变化范围内的情况下，处于上风状态的边线随盛行风向与第一分解方向的夹角变化；设所述线性扰动区域所在直线与第一分解方向的锐角夹角为θ，若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ，则处于上风状态的边线为第一边线，处于下风状态的边线为第二边线；若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ，则处于上风状态的边线为所述第二边线，处于下风状态的边线为第一边线；
根据用于对所述线性扰动区域的风向和风速进行测试的仪器对盛行风向变化的测试结果，获取盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的过程中，由所述第一边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第一流入量Qinw，以及由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第一流出量Qoutw，并获取盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的过程中，由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第二流入量Qinn，以及由所述第一边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第二流出量Qoutn；
则根据公式
Figure GDA0003222056220000121
计算所述线性扰动区域的风力侵蚀或堆积速率A；若A>0，表示所述线性扰动区域出现了风力侵蚀，若A<0，表示所述线性扰动区域出现了风力堆积。
进一步地，在上述各实施例的基础上，还包括：
根据用于对所述线性扰动区域的风向和风速进行测试的仪器对盛行风向变化的测试结果，获取在确定所述线性扰动区域的风蚀速率的过程中，盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的时长tw，以及盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的时长tn，t＝tw+tn；
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的过程中，所述第一边线上设置的任一集沙仪mk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure GDA0003222056220000122
乘以tw/t，为由集沙仪mk测量的流入所述线性扰动区域的物质Qmkw，根据公式
Figure GDA0003222056220000123
Figure GDA0003222056220000124
确定第一边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第一流入量Qinw；
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的过程中，所述第二边线上设置的任一集沙仪nk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure GDA0003222056220000125
乘以tw/t，为由集沙仪nk测量的流出所述线性扰动区域的物质
Figure GDA0003222056220000126
根据公式
Figure GDA0003222056220000127
Figure GDA0003222056220000128
确定由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第一流出量Qoutw；
其中，
Figure GDA0003222056220000129
为集沙仪m1和集沙仪m2之间的距离。
进一步地，在上述各实施例的基础上，还包括：
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的过程中，所述第二边线上设置的任一集沙仪nk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure GDA00032220562200001210
乘以tn/t，为由集沙仪nk测量的流入所述线性扰动区域的物质
Figure GDA00032220562200001211
根据公式
Figure GDA00032220562200001212
确定由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第二流入量Qinn；
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的过程中，所述第一边线上设置的任一集沙仪mk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure GDA0003222056220000131
乘以tn/t，为由集沙仪mk测量的流出所述线性扰动区域的物质
Figure GDA0003222056220000132
根据公式
Figure GDA0003222056220000133
Figure GDA0003222056220000134
确定所述第一边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第二流出量Qoutn。
具体地，假设N＝5，参见图3，在所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向在盛行风向的风向变化范围内的情况下(即盛行风向为西北风，线性扰动区域为图3中的NW-SE走向)，风蚀速率A的计算推导过程如下：
参见图3，根据三角形关系，可解算得到：
x＝L-d tanθ
y＝L-d/tanθ
dm1m2＝2d/sin 2θ-L
dm2m3＝2L-2d/sin 2θ
其中，dm1m2和dm2m3分别为相应两个集沙仪的直线距离，m。dm1m2与dm3m4、dm5m6、dm7m8和dm9m10的距离相等，dm2m3与dm4m5、dm6m7和dm8m9的距离相等。
盛行风向为西北风这一情境下，当线性扰动区域呈NW-SE走向时，不同风向下风蚀物质进出测量区域的方向并不一致。具体而言，当风向在270°至270+θ°之间时，风蚀物质从线性扰动区域的西南方向进入，并从扰动区域的东北方向流出；当风向在270+θ°至360°之间时，风蚀物质从线性扰动区域的东北方向进入，并从扰动区域的西南方向流出。也就是说，在同一场风蚀事件中，风蚀物质的运移会随着风向的改变而改变，即每套集沙仪所搜集的风蚀物质均为流出或流入测量区域的风蚀物的混合样。
为解决这一问题，我们在测量区域内部或周边具有代表性的点位布设风速仪，实时观测风速与风向的变化。假设次风蚀事件大于起沙风速的风速总历时为th，然后根据风速仪实测数据，统计得到风向在270°至270+θ°之间的大于起沙风速的风速总历时为tw，风向在270+θ°至360°之间的大于起沙风速的风速总历时为tn，则对任一集沙盒，其收集到的风蚀物质qi可分解为qiw和qin两部分。
qiw＝qi tw/t
qin＝qi tn/t
式中，qiw指当风向为270°至270+θ°之间时某一集沙盒收集到的风蚀物质的质量，m；qin指当风向为270+θ°至360°之间时某一集沙盒收集到的风蚀物质的质量，m；qi为该集沙盒在次风蚀事件中实际收集到的风蚀物质的质量。然后根据各集沙盒解算得到的qiw和qin，运用幂函数或指数函数，分别拟合计算相应的该套集沙仪的Qw和Qn。
当风向为270°至270+θ°之间时，进入和流出测量区域的风蚀物总质量和可用下式计算：
Figure GDA0003222056220000141
Figure GDA0003222056220000142
式中，Qinw为当风向为270°至270+θ°之间时，进入测量区域的风蚀物总质量，g；Qm1w、Qm10w和Qmkw分别为相应集沙仪分解后进入测量区域的输沙量，g。Qoutw为当风向为270°至270+θ°之间时，流出测量区域的风蚀物总质量，g；Qn1w、Qn6w和Qnkw分别为相应集沙仪分解后流出测量区域的输沙量，g。
当风向为270+θ°至360之间时，进入和流出测量区域的风蚀物总质量和可用下式计算：
Figure GDA0003222056220000143
Figure GDA0003222056220000144
式中，Qim为当风向为270+θ°至360°之间时，进入测量区域的风蚀物总质量，g；Qn1n、Qn6n和Qnkn分别为相应集沙仪分解后进入测量区域的输沙量，g；Qoutn为当风向为270+θ°至360°之间时，流出测量区域的风蚀物总质量，g，Qm1n、Qm10n和Qmkn分别为相应集沙仪分解后流出测量区域的输沙量，g。
上述各计算公式基于图3设计的布设方式进行，如集沙仪的数量在实际布设中有所变化，则公式应做相应调整。
则测量区域的风力侵蚀(堆积)可按照下式计算：
Figure GDA0003222056220000151
式中，A为测量区域的平均风力侵蚀(堆积)速率，gm-2(tkm-2)。当A为正值时，表示该区域发生了侵蚀，A为负值时，表示该区域发生了堆积。
本实施例提供了一种确定风蚀速率的方法，在线性扰动区域的两条边线上设置集沙仪，所设置的集沙仪中包括用于收集流入所述线性扰动区域的物质的集沙仪，以及用于收集流出所述线性扰动区域的物质的集沙仪。通过物质平衡理论可以根据集沙仪所收集物质的质量，对线性扰动区域的风蚀速率进行测量，能够准确得到风力侵蚀速率。
以下对集沙仪布设与样品采集进行介绍：
集沙仪布设主要包括集沙仪安装和风速仪安装等两个环节。首先选择合适的生产建设项目线性扰动区域，在扰动区域两侧的边线上根据当地盛行风向确定集沙仪布设的位置，并根据扰动区域的实际情况合理确定两侧边线上相邻集沙仪的距离。在确定好的位置开挖一个深度约50cm，直径比固定杆底盘大10cm的圆柱形坑，用于埋设集沙仪。每组集沙仪由固定杆、底盘、集沙盒和盒托等四个部分组成。底盘上设计有与地脚螺栓相匹配的螺丝孔，固定杆的底部插入底盘中，固定杆长度一般为2.1-2.6m(根据集沙盒布设高度确定)，其中垂直埋入地下的部分约0.5m。每组集沙仪配3根纤绳，以增加集沙仪的稳定性。确定集沙盒的安装高度，将盒托固定在集沙仪的相应高度处应将集沙盒放置在盒托上。然后，选择扰动区域中心位置或周边具有代表性的区域，安装可测量并自动记录风速、风向数据的风速仪，风速传感器的高度建议设计为1m和2m，记录间隔建议为2分钟。以上环节完成后，即可开展对风蚀事件的观测
次风蚀事件后对每个集沙盒中的风蚀物质进行采集。采集时，应将固定在卡托上面的集沙盒卸下并带回室内无风环境，将集沙盘中的风蚀物质小心的扫入已经称好质量并做好标记的相应自封袋中，并再次进行称重，两次质量的差值即为该集沙盒所收集到的风蚀物质的质量。称重时宜采用万分之一天平。
表1为对某线性输气管道次风蚀事件风蚀量测算结果。测量所在区域属温带大陆性气候，冬春季节风力强劲而频繁，年均风速2-3ms-1，年均大风日数为20-30天，多集中于春季。该段管道呈NE-SW走向，扰动面宽度为30m，扰动面边线上同风向相邻集沙仪距离为10m，测量区域沿扰动面边线的总长度为50m。试验选择2018年春季开展，共对4场次风蚀事件进行了观测。通过表1可以看出测量区域次风蚀事件风蚀量介于81-109tkm-2之间。
表1线性输气管道次风蚀事件风蚀量测算结果
Figure GDA0003222056220000161
本申请提供的确定风蚀速率的集沙仪系统和确定风蚀速率的方法，基于物质平衡理论，布设简单，测量便捷，具有较高的准确性，能实现对线性扰动区域风力侵蚀量的准确测量，在风力侵蚀科学研究领域与生产建设项目水土流失监管方面均具有广泛而良好的应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种确定风蚀速率的集沙仪系统，其特征在于，包括设置在线性扰动区域的至少一个集沙仪；所述线性扰动区域为相互平行的两条边线形成的一段区域；
在所述两条边线中的任一边线作为初选边线，在所述初选边线上等间距地设置有集沙仪；
在所述两条边线中的另一边线上，以所述初选边线中的任一集沙仪所在位置为原点，确定自所述原点开始第一分解方向与另一边线的第一交点，以及自所述原点开始第二分解方向与另一边线的第二交点，在确定的第一交点和第二交点处设置集沙仪，两条边线上的集沙仪均按照数字编号从小到大的顺序依次排列；
其中，第一分解方向和第二分解方向为对盛行风向进行分解的两个互相垂直的方向；以初始边线上布设的任一集沙仪为起点，分别通过第一分解方向和第二分解方向连接另一边线上的集沙仪；当另一边线上的集沙仪编号较小时，连接初始边线相应集沙仪与该集沙仪的垂直风向定义为第一分解方向，当另一边线上的集沙仪编号较大时，连接初始边线相应集沙仪与该集沙仪的垂直风向定义为第二分解方向；盛行风向为以90度的风向变化所确定的风向；所述初始边线与所述另一边线长度相等；
处于上风状态的边线上设置的集沙仪，用于收集流入所述线性扰动区域的物质，得到流入量；
处于下风状态的边线上设置的集沙仪，用于收集流出所述线性扰动区域的物质，得到流出量；
其中，根据所述流入量和所述流出量确定所述线性扰动区域的风蚀速率；处于上风状态的边线为两条边线中沿着风向的方向首先到达的边线，处于下风状态的边线为两条边线中不是处于上风状态的另一边线。
2.根据权利要求1所述的确定风蚀速率的集沙仪系统，其特征在于，当所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向在所述盛行风向的风向变化范围内时，还包括用于对所述线性扰动区域的风向和风速进行测试的仪器；
其中，设定所述线性扰动区域所在直线与所述第一分解方向的锐角夹角为θ，若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ，则处于上风状态的边线为所述第一边线；若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ，则处于上风状态的边线为所述第二边线。
3.一种基于权利要求1或2所述的确定风蚀速率的集沙仪系统的确定风蚀速率的方法，其特征在于，包括：
在所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向不在盛行风向的风向变化范围内的情况下，处于上风状态的边线不随盛行风向与第一分解方向的夹角变化，设定处于上风状态的边线为第一边线，处于下风状态的边线为第二边线；
根据所述第一边线上设置的各集沙仪，确定流入所述线性扰动区域的物质的流入量Qin，根据第二边线上设置的各集沙仪，确定流出所述线性扰动区域的物质的流出量Qout；
根据公式
Figure FDA0003533130150000021
计算所述线性扰动区域的风力侵蚀或堆积速率A；
其中，N为在所述第一边线上设置的集沙仪的数量，L为在所述第一边线上设置的相邻集沙仪之间的间距；d为所述第一边线和所述第二边线之间的距离，即扰动区域的宽度；若A＞0，表示所述线性扰动区域出现了风力侵蚀，若A＜0，表示所述线性扰动区域出现了风力堆积。
4.根据权利要求3所述的确定风蚀速率的集沙仪系统的确定风蚀速率的方法，其特征在于，还包括：
在所述线性扰动区域的延伸方向或延伸反方向在盛行风向的风向变化范围内的情况下，处于上风状态的边线随盛行风向与第一分解方向的夹角变化；设所述线性扰动区域所在直线与第一分解方向的锐角夹角为θ，若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ，则处于上风状态的边线为第一边线，处于下风状态的边线为第二边线；若盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ，则处于上风状态的边线为所述第二边线，处于下风状态的边线为第一边线；
根据用于对所述线性扰动区域的风向和风速进行测试的仪器对盛行风向变化的测试结果，获取盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的过程中，由所述第一边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第一流入量Qinw，以及由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第一流出量Qoutw，并获取盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的过程中，由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第二流入量Qinn，以及由所述第一边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第二流出量Qoutn；
则根据公式
Figure FDA0003533130150000022
计算所述线性扰动区域的风力侵蚀或堆积速率A；若A＞0，表示所述线性扰动区域出现了风力侵蚀，若A＜0，表示所述线性扰动区域出现了风力堆积。
5.根据权利要求3所述的确定风蚀速率的集沙仪系统的确定风蚀速率的方法，其特征在于，还包括：
设定集沙仪中每一集沙盒的进沙口宽度为ucm，设定x＝d/tanθ；设定y＝L-d/tanθ；
对所述第一边线上设置的任一集沙仪mk，对集沙仪mk中的各集沙盒内的物质称重，得到集沙仪mk收集的物质总量
Figure FDA0003533130150000031
根据公式
Figure FDA0003533130150000032
Figure FDA0003533130150000033
确定流入所述线性扰动区域的物质的流入量Qin；
对所述第二边线上设置的任一集沙仪nk,对集沙仪nk中的各集沙盒内的物质称重，得到集沙仪nk收集的物质总量
Figure FDA0003533130150000034
根据公式
Figure FDA0003533130150000035
Figure FDA0003533130150000036
确定流出所述线性扰动区域的物质的流出量Qout；
其中，
Figure FDA0003533130150000037
为所述第二边线上第一个集沙仪n1与第二个集沙仪n2之间的距离，
Figure FDA0003533130150000038
为所述第二边线上第二个集沙仪n2与第三个集沙仪n3之间的距离。
6.根据权利要求4所述的确定风蚀速率的集沙仪系统的确定风蚀速率的方法，其特征在于，还包括：
根据用于对所述线性扰动区域的风向和风速进行测试的仪器对盛行风向变化的测试结果，获取在确定所述线性扰动区域的风蚀速率的过程中，盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的时长tw，以及盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的时长tn，t＝tw+tn；
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的过程中，所述第一边线上设置的任一集沙仪mk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure FDA0003533130150000039
乘以tw/t，为由集沙仪mk测量的流入所述线性扰动区域的物质Qmkw，根据公式
Figure FDA00035331301500000310
Figure FDA00035331301500000311
确定第一边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第一流入量Qinw；
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角小于或等于θ的过程中，所述第二边线上设置的任一集沙仪nk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure FDA00035331301500000312
乘以tw/t，为由集沙仪nk测量的流出所述线性扰动区域的物质
Figure FDA00035331301500000313
根据公式
Figure FDA00035331301500000314
Figure FDA00035331301500000315
确定由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第一流出量Qoutw；
其中，
Figure FDA00035331301500000316
为集沙仪m1和集沙仪m2之间的距离。
7.根据权利要求6所述的确定风蚀速率的集沙仪系统的确定风蚀速率的方法，其特征在于，还包括：
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的过程中，所述第二边线上设置的任一集沙仪nk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure FDA0003533130150000041
乘以tn/t，为由集沙仪nk测量的流入所述线性扰动区域的物质
Figure FDA0003533130150000042
根据公式
Figure FDA0003533130150000043
确定由所述第二边线上设置的各集沙仪收集的流入所述线性扰动区域的物质的第二流入量Qinn；
在盛行风向与所述第一分解方向之间的夹角大于θ的过程中，所述第一边线上设置的任一集沙仪mk中的各集沙盒内收集的物质总重量
Figure FDA0003533130150000044
乘以tn/t，为由集沙仪mk测量的流出所述线性扰动区域的物质
Figure FDA0003533130150000045
根据公式
Figure FDA0003533130150000046
Figure FDA0003533130150000047
确定所述第一边线上设置的各集沙仪收集的流出所述线性扰动区域的物质的第二流出量Qoutn。
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