CN114547919A - 一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境治理领域，特别是涉及一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统和方法，该系统包括数据采集模块、风蚀程度运算模块、防治方案匹配模块、防治方案模拟模块和方案生成模块；所述数据采集模块用于采集观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数；所述风蚀程度运算模块用于获得所述观测地的风蚀程度和风蚀特征；所述防治方案匹配模块用于获得所述观测地的多个参考风蚀防治措施；所述防治方案模拟模块用于模拟分析所述风蚀防治措施在所述观测地实施后的改善增益；所述方案生成模块用于通过所述改善增益获得最优风蚀防治方案。通过本系统和方法对开展水土保持监测、沙化土地的水土流失防治等都具有指导作用和实际效益。
Description
技术领域
本发明涉及环境治理领域，特别是涉及一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统和方法。
背景技术
土壤风蚀是一个全球性的环境问题，人类对于沙漠化（沙质荒漠化）的防治工作早在19世纪初就己开始。目前固沙技术主要有三类：工程固沙、生物固沙和化学固沙；在治理技术上，主要以提高土地第一性生产力而进行各种技术措施的集成和使用，如植树种草，改进耕作制度，进行优良品种选育等，而对土地的优化利用和合理布局，协调生态保护和经济发展的关系等方面缺乏深入的研究；但随着自然条件、社会经济条件的变化以及人类认识水平的不断提高，防沙治沙的策略研究和调整显得更加有必要。沙化土地现状变化了，导致土地沙化的主导因子变化了，人们的观念更新了，防沙治沙的策略就必须调整。
发明内容
本发明的目的在于提供一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统和方法，用于解决现有技术中的问题。一方面，本发明提供一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统，包括：数据采集模块、风蚀程度运算模块、防治方案匹配模块、防治方案模拟模块和方案生成模块；数据采集模块用于采集观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数；风蚀程度运算模块用于结合土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数，获得观测地的风蚀程度和风蚀特征；防治方案匹配模块用于依据观测地的风蚀程度和风蚀特征进行风蚀防治措施匹配，获得观测地的多个参考风蚀防治措施；防治方案模拟模块用于模拟分析风蚀防治措施在观测地实施后的改善增益；方案生成模块用于通过改善增益获得最优风蚀防治方案。沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统利用数据采集模块、风蚀程度运算模块、防治方案匹配模块、防治方案模拟模块和方案生成模块相互配合作用，最终生成了对目标地，即观测地，具有针对性的最优风蚀防治方案，沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统结构紧促，数据测量精准，合理且高效的模拟模块极大地提升了系统的综合性能，具有较高的实用价值。
可选地，还包括数据库，数据库包含不同风蚀程度和不同风蚀特征所对应的风蚀防治措施。更进一步可选地，数据库的数据来源多样，这样的数据库保证了通过数据库匹配获得的治理方案的多样及全面，提高了的沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统的可靠性。
另一方面，本发明还提供适用于系统的一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，包括如下步骤：获取观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数；利用土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数获得观测地的风蚀程度和风蚀特征；利用风蚀程度和风蚀特征匹配多个参考防治措施；通过对参考防治措施的模拟运算获得参考防治措施的改善增益；利用改善增益对参考防治措施进行评估及整合，从而获得最优防治方案。沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法通过数据采集模块采集观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数，各项参数传导至风蚀程度运算模块，风蚀程度运算模块分析计算土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数并获得观测地的风蚀程度和风蚀特征，防治方案匹配模块依据观测地的风蚀程度和风蚀特征匹配获得观测地的风蚀防治措施，风蚀防治措施输送至防治方案模拟模块并结合观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数分析风蚀防治措施得到观测地在风蚀防治措施下对观测地风速的影响、固沙增益、阻沙增益、对观测地环境温度的改善、对观测地环境湿度的改善和对观测地土壤的改善等方面的环境修复程度从而获得防治措施的改善增益，再利用方案生成模块依据防治方案模拟模块中防治措施的改善增益对防治措施进行优先程度排序，方案生成模块再依据优先程度生成最优防治方案。本发明的方法合理可靠，模拟过程精确快速全面，具有较高的实用性价值和参考意义。
可选地，获取观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数，包括如下步骤：通过对观测地的土壤进行取样分析获得土壤参数，土壤参数包括土壤的物理化学性质；通过气象测量装置获得观测地的气象参数，气象参数包括风速和风向；通过采集观测地植物样本进行分析获得植被参数，植被参数包括观测地的植物多样性特征；通过风蚀检测装置获得观测地的风蚀参数，风蚀参数包括风蚀强度、输沙量、大气降尘量和沙丘变化量；更进一步可选地，对观测地的土壤监测采用传统取样分析法，气象测量装置采用自动气象站，对观测地的植物样本分析采用线路踏查法，线路踏查法通过在观测地设置路线，在路线上采集植物标本并统计分析植物种类及数量，获得观测地的植物多样性特征土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数的数据采集方法成熟，装置简单易携带，有利于获得观测地清晰准确的数据，保证了数据的充分性和可靠性。
可选地，通过风蚀检测装置获得观测地的风蚀参数，风蚀参数包括风蚀强度、输沙量、大气降尘量和沙丘变化量，包括如下步骤：在观测地选取第一测量位置，在第一测量位置插钎，通过多次对钎的顶部到地面的距离进行测量，从而获得距离变化量，利用距离变化量结合测量间隔时间长度获得风蚀强度，更进一步可选地，钎为钢钎，钢钎纵向上标有刻度；在观测地选取第二测量位置，在第二测量位置安装集沙仪，利用集沙仪获得输沙量，输沙量分别为沙粒在第二测量位置处跃移、蠕移和悬移运动状态下的输沙量，更进一步可选地，在跃移、蠕移和悬移运动状态下的输沙量分别通过沙粒跃移集沙仪、沙粒蠕移集沙仪和沙粒悬移集沙仪获得；在观测地选取第三测量位置，将降尘缸静置在第三测量位置一段时间，根据降尘缸内沙粒数目和静置时间长度获得大气降尘量；在观测地选取目标沙丘，在目标沙丘上选取多个控制点，通过定期或不定期对测控点空间位置变化进行测定，从而获得目标沙丘的沙丘变化量。采集风蚀参数时分别通过沙粒跃移集沙仪、沙粒蠕移集沙仪和沙粒悬移集沙仪获得述在跃移、蠕移和悬移运动状态下的输沙量，使得系统在数据采集方面更加精准，这样使得在风蚀程度模拟模块中获取到更为精准观测地的风蚀程度和风蚀特征并在防治方案匹配模块中能更好匹配到参考措施，缩减了系统模拟运行时间。
可选地，利用土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数获得观测地的风蚀程度和风蚀特征，包括如下步骤：
风蚀强度的计算：利用钎的距离变化量与测量间隔时间长度的关系获得风蚀强度E，风蚀强度E满足如下公式：
其中，
表示间隔时间长度，
表示在观测地内布设的钎的总数，∆Li表示第i根
钎顶部到达地面的距离的变化量；
输沙量计算：获取集沙仪的结构参数，结构参数包括集沙仪的进风口宽度d、进风
口面积S、进风口数量n；在气象参数中筛选出测量时间段内，风速大于观测地平均风速的测
量时间
，并将风速进行不同方向分类；利用集沙仪测量的数据得到不同方向上的单位时
间内单位面积上的输沙量；以东南西北方向形成的XOY坐标系为基准，分别将输沙量分解至X轴方向和Y轴方向并求和获得X轴方向上的第一输沙量和Y轴方向上的第二输沙量，在XOY
坐标系中利用第一输沙量和第二输沙量进行合成，进而获得到合成输沙量的值和方向；将
设置于多个方向的集沙仪收集的值相加，获得总输沙量m；通过总输沙量m、进风口宽度d和
测量时间∆t之间的数量关系，获得输沙率q，输沙率q满足如下公式：
；利用输沙
率q结合集沙仪的结构参数，获得风沙输移量，风沙输移量包括：单位断面的输沙量W、单位
断面的风沙输移强度Q、单位体积气流中含沙量qt和不同高度上单位体积气流中的含沙量qi，风沙输移量包括如下公式：
其中
表示测量时间，Si表示集沙仪第i个进风口面积，Wi表示集沙仪中第i个集
沙袋中的沙粒重，n表示进风口数量，v表示观测高度内的平均风速，vi表示不同高度上的风
速；
大气降尘量计算：通过测量降尘缸中的尘土颗粒数目，并结合与降尘缸的几何参数和降尘时间的数量关系获得大气降尘量G，大气降尘量G满足如下公式：
其中，Ki表示每个降尘缸观测到的降尘量，
表示每个降尘缸的面积，
表示降
尘的时间；
沙丘变化量计算：通过对测控点空间位置变化进行测定,获得测控点的空间位置变化,从而得到沙丘变化量，沙丘变化量包括沙丘的移动速度D:
其中W为单位断面的输沙量，H为沙丘的相对高度，r为沙丘的沙的容重；更进一步可选地,目标沙丘分为流动沙丘、半流动半固定沙丘和固定沙丘。针对环境治理这类侧重于实际效益的方法，通过对沙丘的计算将观测地的分为流动沙丘、半流动沙丘和固定沙丘，这样的分类有利于在防治方案模拟模块进行参考防治措施匹配，同时针对不同类型的沙丘在实际防治过程有更多可以参考匹配的参考防治措施：流动沙丘中可采用蔓荆修复技术、湿地松修复技术、防风固沙林修复技术；半流动半固定沙丘中可采用植草修复技术、灌草结合修复技术；固定沙丘可采用封禁治理技术、发展用材林节约能源技术、发展经济林综合利用技术等；这样的运算设计可以增加参考防治措施的可执行性，有利于系统生成改善增益更高的综合最优防治方案。
可选地，利用风蚀程度和风蚀特征匹配多个参考防治措施，包括如下步骤：整理观测地的风蚀程度和风蚀特征；在数据库中利用防治方案匹配模块，分别依据风蚀程度和风蚀特征为观测地匹配对应的多个参考防治措施。
可选地，通过对参考防治措施的模拟运算获得参考防治措施的改善增益，包括如下步骤：整理参考防治措施、观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数；通过对各项参数与参考防治措施进行拟合获得观测地的环境修复程度；利用环境修复程度获得参考防治措施的改善增益。
可选地，改善增益包括：参考防治措施对观测地风速的影响、参考防治措施的固沙增益、参考防治措施的阻沙增益、参考防治措施对观测地环境温度的改善增益、参考防治措施对观测地环境湿度的改善增益和参考防治措施对观测地的土壤改善增益。
可选地，利用改善增益对参考防治措施进行评估及整合，从而获得最优防治方案，包括如下步骤：整理并汇总各个参考防治措施的改善增益；利用改善增益获得参考防治措施的优先实施程度；利用优先实施程度生成最优防治方案。
为进一步说明本发明的发明内容及增益效果，在下述说明书中提供了具体的实施例对本发明进行更加详尽的诠释。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统的模块连接示意图；
图2为一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法步骤示意图；
图3为全方位沙粒跃移集沙仪；
图4为梯度集沙仪；
图5为沙粒蠕移集沙仪示意图；
图6为沙粒悬移集沙仪示意图；
元件标号说明：第一集沙柱31、底盘32、第二集沙柱41、集沙孔42、第一集沙盒43、集沙槽52、第二集沙盒51、支撑棒61、集尘盒62和风向标63。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
请参见图1，本发明的实施例提供了一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统，包括：数据采集模块1、风蚀程度运算模块2、防治方案匹配模块3、防治方案模拟模块4、方案生成模块5和数据库6。
具体地，数据采集模块1分别与风蚀程度运算模块2和防治方案模拟模块4相连接，风蚀程度运算模块2再与防治方案匹配模块3相连接，防治方案匹配模块3再与防治方案模拟模块4相连接，防治方案模拟模块4再与方案生成模块5相连接，同时数据库6分别与防治方案匹配模块3和防治方案模拟模块4相连接。
更进一步地，数据采集模块1用于采集观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数；风蚀程度运算模块2用于分析计算土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数并获得观测地的风蚀程度和风蚀特征；防治方案匹配模块3依据观测地的风蚀程度和风蚀特征匹配获得观测地的多个参考风蚀防治措施；防治方案模拟模块4用于分析风蚀防治措施在观测地实施后的改善增益；方案生成模块5用于通过改善增益获得最优风蚀防治方案；数据库6包含不同风蚀程度和不同风蚀特征所对应的风蚀防治措施。
综上，一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统利用数据采集模块、风蚀程度运算模块、防治方案匹配模块、防治方案模拟模块、方案生成模块及数据库六个模块相互配合作用，最终生成了对目标地即观测地具有针对性的最优风蚀防治方案，系统结构紧促，数据测量精准，合理且高效的模拟模块极大地提升了系统的综合性能，具有较高的实用价值。
请参见图2，本发明的又一个实施例还提供一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，方法适用于本发明任意实施例所涉及到的沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统，包括如下步骤：S01、获取观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数。
在又一个实施例中，获取观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数，包括：S11、通过对观测地的土壤进行取样分析获得土壤参数，土壤参数包括土壤的物理化学性质。具体地，通过对观测地的土壤进行取样分析获得土壤的物理化学性质时，包括：对土壤的容重测定具体可以通过先将环刀插入观测地进行土壤采集，环刀具体可以选择为圆筒，再烘干采集得到的土壤并测量出土壤的干土重，烘干操作的环境具体可以选择为105℃至110℃，烘干操作的时长具体可以设定为6至8小时，最后通环刀的容积和干土重获得单位容积的干土重量；
具体地，通过对观测地的土壤进行取样分析获得土壤的物理化学性质时，还包括：对土壤水分的测定具体可以选择通过将样品置入烘箱中烘干至恒重，再计算出土壤的含水量，烘箱具体可以选择将温度设置于105℃±2℃。
具体地，通过对观测地的土壤进行取样分析获得土壤的物理化学性质时，还包括：对土壤养分中的有机物测定具体可以选择为电热板加热-重铬酸钾容量法，其中，对于全氮的测定具体可以选择水杨酸比色法，对于全磷的测定具体可以选择采用硫酸－高氯酸消煮－钼锑抗比色法。
在又一个实施例中，获取观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数，还包括：S12、通过气象测量装置获得观测地的气象参数，气象参数包括风速和风向。
具体地，在本实验中，通过气象测量装置获得观测地的气象参数时，气象测量装置具体可以选择为自动气象站，自动气象站可以同时测量风速，风向，空气温湿度，太阳总辐射，雨量及气压等多种参数，通过气象测量装置可以获得更加精准的气象参数。
在又一个实施例中，获取观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数，还包括：S13、通过采集观测地植物样本进行分析获得植被参数，植被参数包括观测地的植物多样性特征。
具体地，在本实施例中，通过采集观测地植物样本进行分析获得植被参数多样性特征时，具体可以选择线路踏查法，线路踏查法通过在观测地设置路线，在路线上采集植物标本并统计分析植物种类及数量，获得观测地的植物多样性特征。
更进一步地，在本实施例中，通过对观测地选取多出不同地貌特征的观察位置，在
不同观察位置处植物进行采集制标，通过标本识别确定植物种类以及植物数量统计，再将
观测地的植物特征与参照地区进行比较，利用两地的相似性来对观测地植物参数进行量化
描述，本实施例中利用鄱阳湖沙地植物与参照地区进行比较分析为例，利用综合系数和相
似性系数进行描述可以获得以下参数关系：
，其在r为相关系数，c为鄱
阳湖与参照地区的共有属，a为鄱阳湖沙地去系植物总属数，b为参照地区植物总属数；利用
植被参数测量方法结合地植物的属的组成特点和地理成分以及观测地植物科的组成特点
和地理成分等参数分析获得观测地植物多样性特征；
更进一步地，在本实施例中，通过数据统计的方法针对观测地的植被参数多样性
特征进行分析获得观测地生物多样性指数，包括：丰富度指数R：R=lnS，其中S为样本中物种
总数；物种多样性指数D/物种多样性指数H:
，
其中Pi为第i个物种的相对重要值，物种多样性指数D对物种均匀度较为敏感，物种多样性
指数H对物种丰富程度较为敏感；群落均匀度指数
:
。
在又一个实施例中，获取观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数，还包括：S14、通过风蚀检测装置获得观测地的风蚀参数，风蚀参数包括风蚀强度、输沙量、大气降尘量和沙丘变化量。
具体地，在本实施例中，通过风蚀检测装置获得观测地的风蚀参数，风蚀参数包括风蚀强度、输沙量、大气降尘量和沙丘变化量，包括如下步骤：在观测地选取第一测量位置，在第一测量位置插钎，通过多次对钎的顶部到地面的距离进行测量，从而获得距离变化量，利用距离变化量结合测量间隔时间长度获得风蚀强度；在观测地选取第二测量位置，在第二测量位置安装集沙仪，利用集沙仪获得输沙量，输沙量分别为沙粒在第二测量位置处跃移、蠕移和悬移运动状态下的输沙量；在观测地选取第三测量位置，将降尘缸静置在第三测量位置一段时间，根据降尘缸内沙粒数目和静置时间长度获得大气降尘量；在观测地选取目标沙丘，在目标沙丘上选取多个控制点，通过定期或不定期对测控点空间位置变化进行测定，从而获得目标沙丘的沙丘变化量；具体地，在本实施例汇总，在观测地选择的第一测量位置、第二测量位置、第三测量位置和控制点具体可以根据实际要求具体选择，可以选择相同位置也可以选择不同位置。
更进一步地，在本实施例中，利用集沙仪获得风沙输移时，集沙仪具体可以选择分为沙粒跃移集沙仪、沙粒蠕移集沙仪和沙粒悬移集沙仪。
具体地，在又一实施例中，沙粒跃移集沙仪可以具体选择为全方位沙粒跃移集沙仪或者梯度集沙仪；请参考图3，全方位沙粒跃移集沙仪包括底盘32和第一集沙柱31，第一集沙柱31为多孔结构，第一集沙柱31的上表面和侧面均为开口设计，开口设计是为了全方位收集和监测风沙量，全方位沙粒跃移集沙装置平稳放置于观测地的指定观测位置，全方位沙粒跃移集沙装置用于测量地面以上随风一起移动的直径在0.1-1毫米沿地表跳跃的沙粒量；请参考图4，梯度集沙仪包括第二集沙柱41、集沙孔42和第一集沙盒43，集沙孔42沿纵向排布在第二集沙柱41上，集沙孔42一侧用于捕捉沙粒，集沙孔42另一侧与第一集沙盒43连通，第一集沙盒43用于收集进入到集沙孔42中的沙粒量，梯度集沙仪用于测量地面以上随风一起移动直径为0.1-1毫米沿地表跳跃的在不同梯度下的沙粒量。
具体地，在又一实施例中，沙粒蠕移集沙仪可以具体选择为全方位沙粒蠕移集沙仪，请参考图5，全方位沙粒蠕移集沙仪包括集沙槽52、第二集沙盒51和顶盖，集沙槽52位于第二集沙盒51外侧，第二集沙盒51内部与集沙槽52连通，顶盖位于第二集沙盒51上部，顶盖用于封装第二集沙盒51上表面，全方位沙粒蠕移集沙仪具体可以选择为圆形全方位沙粒蠕移集沙仪，第二集沙盒51具体可以选择为扇形第二集沙盒51，集沙槽52具体可以选择为环形集沙槽52，将圆形全方位沙粒蠕移集沙仪埋入观测地并使上表面与空气接触，当沙粒进入环形集沙槽52进入与沙槽相连的各个扇形第二集沙盒51，全方位蠕移用于测量地面以上随风一起移动的直径在1-2mm的沿地表滚动的沙粒量。
具体地，在又一实施例中，沙粒悬移集沙仪可以具体选择为全方位水平悬移水平通量集沙仪，请参考图6，全方位水平悬移通量集沙仪包括支撑棒61、集尘盒62和风向标63，支撑棒61一端插入观测地，另一端与竖直立于空气中，集沙仪开口水平放置，集尘盒62与风向板成对固定在支撑架水平两侧，集尘盒62与风向板组能绕支撑棒61在水平面上旋转，支撑架上设置了多组集尘盒62和风向标63，全方位水平悬移水平通量集沙仪，用于收集地面上随风一起水平移动的直径为0.001-0.1mm的沿地表不同高度悬移的沙粒量。
在一个可选的实施例中，一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，方法适用于本发明任意实施例所涉及到的沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统，还包括如下步骤：S02、利用土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数获得观测地的风蚀程度和风蚀特征。
其中，风蚀程度通过观测地的植被覆盖度、年风蚀厚度、侵蚀模数等指标来定义，指标参数可以选择参照环境影响相关法律法规，风蚀程度包括轻度侵蚀、中度侵蚀、强度侵蚀和极强度侵蚀；风蚀特征可以选择通过观测地对应的沙丘特征来定义，具体地，沙丘特征分为流动沙丘、半流动沙丘和固定沙丘。
在一个实施例中，利用土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数获得观测地的风蚀程度和风蚀特征，包括：S21、风蚀强度的计算。
具体地，在本实施例中，风蚀强度的计算包括如下步骤：通过插钎法获得风蚀强度，插钎法将使用刻有深度标识的长钎插入观测地，长钎具体可以选择为钢钎，通过在一段时间每隔一定时间对插钎顶部到地面的距离进行测量从而获得距离变化量，再利用距离变化量与测量间隔时间长度的关系获得风蚀强度E，风蚀强度E满足如下公式：
其中，
表示间隔时间长度，
表示在观测地内布设的钎的总数，∆Li表示第i根
钎顶部到达地面的距离的变化量。
在又一个实施例中，利用土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数获得观测地的风蚀程度和风蚀特征，还包括：S22、输沙量计算。
具体地，在本实施例中，输沙量计算包括：获取集沙仪的结构参数，结构参数包括
集沙仪的进风口宽度d、进风口面积S、进风口数量n；在气象参数中筛选出测量时间段内，风
速大于观测地平均风速的测量时间
，并将风速进行不同方向分类；利用集沙仪测量的数
据得到不同方向上的单位时间内单位面积上的输沙量；以东南西北方向形成的XOY坐标系
为基准，分别将输沙量分解至X轴方向和Y轴方向并求和获得X轴方向上的第一输沙量和Y轴
方向上的第二输沙量，在XOY坐标系中利用第一输沙量和第二输沙量进行合成，进而获得到
合成输沙量的值和方向；将设置于多个方向的集沙仪收集的值相加，获得总输沙量m；通过
总输沙量m、进风口宽度d和测量时间∆t之间的数量关系，获得输沙率q。
更进一步地，在本实施例中，通过总输沙量m、进风口宽度d和测量时间∆t之间的
数量关系，获得输沙率q，输沙率q满足如下公式：
；具体地，在又一个可选的实施
例中，可以利用输沙率q结合筛选出的风速参数进行输沙率与风速关系拟合，不同下点面表
达式有较大差异，此处以平坦流沙床面为例可得：
，其中v为两米高度10分钟
平均风速，k和c为拟合系数；
更进一步地，在又一实施例中，利用输沙率q结合集沙仪的结构参数，获得风沙输移量，风沙输移量包括：单位断面的输沙量W、单位断面的风沙输移强度Q、单位体积气流中含沙量qt和不同高度上单位体积气流中的含沙量qi，风沙输移量包括如下公式：
其中，
表示测量时间，Si表示集沙仪第i个进风口面积，Wi表示集沙仪中第i个
集沙袋中的沙粒重，n表示进风口数量，v表示观测高度内的平均风速，vi表示不同高度上的
风速。
在又一个实施例中，利用土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数获得观测地的风蚀程度和风蚀特征，还包括：S23、大气降尘量计算。
具体地，在本实施例中，通过测量降尘缸中的尘土颗粒数目，并结合与降尘缸的几何参数和降尘时间的数量关系获得大气降尘量G，大气降尘量G满足如下公式：
其中，Ki表示每个降尘缸观测到的降尘量，
表示每个降尘缸的面积，
表示降
尘的时间。
在又一个实施例中，利用土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数获得观测地的风蚀程度和风蚀特征，还包括：S24、沙丘变化量计算。
具体地，在本实施例中，通过对测控点空间位置变化进行测定,获得测控点的空间位置变化,从而得到沙丘变化量，沙丘变化量包括沙丘的移动速度D。
更进一步地，在本实施例中，可以通过对测控点空间位置变化进行测定,获得测控点的空间位置变化,从而得到沙丘变化量，沙丘变化量包括沙丘的移动速度D，移动速度D满足如下公式：
其中，W为单位断面的输沙量，H为沙丘的相对高度，r为沙丘的沙的容重。
在又一个可选的实施例中，一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，方法适用于本发明任意实施例所涉及到的沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统，还包括如下步骤：S03、利用风蚀程度和风蚀特征匹配对应的多个参考防治措施。
在一个实施例中，利用风蚀程度和风蚀特征匹配多个参考防治措施，包括如下步骤：S31、整理观测地的风蚀程度和风蚀特征；S32、在数据库中利用防治方案匹配模块，分别依据风蚀程度和风蚀特征为观测地匹配对应的多个参考防治措施。
具体地，在本实施例中，风蚀特征为流动沙丘的观测地具体可以选择采用蔓荆修复技术、湿地松修复技术、防风固沙林修复技术；风蚀特征为半流动半固定沙丘具体可以选择采用植草修复技术、灌草结合修复技术；风蚀特征为固定沙丘具体可以选择采用封禁治理技术、发展用材林节约能源技术、发展经济林综合利用技术。
在另一个可选的实施例中，一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，方法适用于本发明任意实施例所涉及到的沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统，还包括如下步骤：S04、通过对参考防治措施的模拟运算获得参考防治措施的改善增益。
在一个实施例中，通过对参考防治措施的模拟运算获得参考防治措施的改善增益，包括如下步骤：S41、整理参考防治措施、观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数；S42、通过对各项参数与参考防治措施进行拟合获得观测地的环境修复程度；S43、利用环境修复程度获得参考防治措施的改善增益。
具体地，在本实施案例中，其中环境修复程度是由观测地的气候、土壤、植被、风蚀等方面定义的，改善增益包括：对观测地风速的影响、固沙增益、阻沙增益、对观测地环境温度的改善、对观测地环境湿度的改善和对观测地土壤的改善等方面的改善。
在一个可选的实施例中，一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，方法适用于本发明任意实施例所涉及到的沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统，还包括如下步骤：S05、利用改善增益对参考防治措施进行评估及整合，从而获得最优防治方案。
在一个实施例中，利用改善增益对参考防治措施进行评估及整合，从而获得最优防治方案，包括如下步骤：S51、整理并汇总各个参考防治措施的改善增益；S52、利用改善增益获得参考防治措施的优先实施程度；S53、利用优先实施程度生成最优防治方案。
具体地，在本实施例中，优先实施程度是通过由参考防治措施的改善增益的大小来定义的，最优防治方案是通过具有较大改善增益的参考防治措施组合而成的。
更进一步，在又一实施例中，利用步骤S01-S05，通过数据采集模块1的采集装置和部件和信号录入模块，利用采集部件采集土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数，其中：对观测地的土壤监测可以选择为采用传统取样分析法；气象测量装置可以选择为自动气象站；对观测地的植物样本分析可以选择为线路踏查法，线路踏查法通过在观测地设置路线，在路线上采集植物标本并统计分析植物种类及数量，获得观测地的植物多样性特征；风蚀参数中输沙量可以选择集沙仪测量；风蚀参数中风蚀深可以选择插钎法测量；采集装置通过导线与信息录入模块连接，通过信号录入模块将土壤参数、气象参数、植被参数、风蚀参数等观测地的环境参数录入数据采集模块1；通过风蚀程度运算模块2对数据分类分析，获得观测地的风蚀程度和风蚀特征，观测地的风蚀程度和风蚀特征再传送至防治方案匹配模块3, 防治方案匹配模块3利用数据库6中数据并结合观测地的风蚀程度和风蚀特征匹配获得多个参考防治措施；将多个参考防治措施和土壤参数、气象参数、植被参数、风蚀参数等观测地环境参数导入防治方案模拟模块4, 防治方案模拟模块4通过各项参数与参考防治措施进行拟合获得观测地的环境修复程度，从而进一步整理并汇总各个参考防治措施的改善增益，其中改善增益包括：对观测地风速的影响、固沙增益、阻沙增益、对观测地环境温度的改善、对观测地环境湿度的改善和对观测地土壤的改善；再利用方案生成模块5获得参考防治措施的优先实施程度，从而利用优先实施程度生成最优防治方案。
综上：沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统和方法通过数据采集模块采集观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数，各项参数传导至风蚀程度运算模块，风蚀程度运算模块分析计算土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数并获得观测地的风蚀程度和风蚀特征，防治方案匹配模块依据观测地的风蚀程度和风蚀特征匹配获得观测地的风蚀防治措施，风蚀防治措施输送至防治方案模拟模块并结合观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数分析风蚀防治措施得到观测地在风蚀防治措施下对观测地风速的影响、固沙增益、阻沙增益、对观测地环境温度的改善、对观测地环境湿度的改善和对观测地土壤的改善等方面的环境修复程度从而获得防治措施的改善增益，再利用方案生成模块依据防治方案模拟模块中防治措施的改善增益对防治措施进行优先程度排序，方案生成模块再依据优先程度生成最优防治方案。
沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统和方法利用相对简明清晰的模块连接和逻辑运算，实现了在当下已有的防治风蚀灾害的成功案例和其他相关研究的基础下对风蚀程度的量化研究和对应防治措施的模拟优化，这为当下进行生态环境治理尤其是在风蚀灾害下的生态环境治理带来了更加直观便捷的措施参考，同时也提高了改善生态环境治理的科技支撑能力；同时沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统中数据采集模块针对土壤参数、气象参数和植被参数分别采用较为简单且成熟的采集方法， 保证了数据的充分性和可靠性，同时采集风蚀参数时分别通过沙粒跃移集沙仪、沙粒蠕移集沙仪和沙粒悬移集沙仪获得述在跃移、蠕移和悬移运动状态下的输沙量，使得系统在数据采集方面更加精准，这样使得在风蚀程度模拟模块中获取到更为精准观测地的风蚀程度和风蚀特征并在防治方案匹配模块中能更好匹配到参考措施，缩减了系统模拟运行时间。
由于这是针对环境治理且侧重于实际效益的沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统和方法，本系统通过对沙丘的计算将观测地的分为流动沙丘、半流动沙丘和固定沙丘，这样的分类有利于在防治方案模拟模块进行参考防治措施匹配，同时针对不同类型的沙丘在实际防治过程有更多可以参考匹配的参考防治措施：流动沙丘中可采用蔓荆修复技术、湿地松修复技术、防风固沙林修复技术；半流动半固定沙丘中可采用植草修复技术、灌草结合修复技术；固定沙丘可采用封禁治理技术、发展用材林节约能源技术、发展经济林综合利用技术等；这样的运算设计可以增加参考防治措施的可执行性，有利于系统生成改善增益更高的综合最优防治方案。
至此，已经对本主题的特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作可以按照不同的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序，以实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理可以是有利的。
本申请中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置、设备和介质类实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可，这里就不再一一赘述。
在本公开的各种实施方式中所使用的表述“第一”、“第二”、“第一”或“第二”可修饰各种部件而与顺序和/或重要性无关，但是这些表述不限制相应部件。以上表述仅配置为将元件与其它元件区分开的目的。例如，第一用户设备和第二用户设备表示不同的用户设备，虽然两者均是用户设备。例如，在不背离本公开的范围的前提下，第一元件可称作第二元件，类似地，第二元件可称作第一元件。
当一个元件(例如，第一元件)称为与另一元件(例如，第二元件)“(可操作地或可通信地)联接”或“(可操作地或可通信地)联接至”另一元件(例如，第二元件)或“连接至”另一元件(例如，第二元件)时，应理解为该一个元件直接连接至该另一元件或者该一个元件经由又一个元件(例如，第三元件)间接连接至该另一个元件。相反，可理解，当元件(例如，第一元件)称为“直接连接”或“直接联接”至另一元件(第二元件)时，则没有元件(例如，第三元件)插入在这两者之间。
以上描述仅为本申请的可选实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
以上仅为本申请的可选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统，其特征在于，包括：数据采集模块、风蚀程度运算模块、防治方案匹配模块、防治方案模拟模块和方案生成模块；
所述数据采集模块用于采集观测地的土壤参数、气象参数、植被参数和风蚀参数；
所述风蚀程度运算模块用于结合所述土壤参数、所述气象参数、所述植被参数和所述风蚀参数，获得所述观测地的风蚀程度和风蚀特征；
所述防治方案匹配模块用于依据所述观测地的所述风蚀程度和所述风蚀特征进行风蚀防治措施匹配，获得所述观测地的多个参考风蚀防治措施；
所述防治方案模拟模块用于模拟分析所述风蚀防治措施在所述观测地实施后的改善增益；
所述方案生成模块用于通过所述改善增益获得最优风蚀防治方案。
2.根据权利要求1所述的一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统，其特征在于，还包括数据库，所述数据库包含不同风蚀程度和不同风蚀特征所对应的风蚀防治措施。
3.一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，所述方法适用于权利要求2所述的一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟系统，其特征在于，包括如下步骤：
获取观测地的所述土壤参数、所述气象参数、所述植被参数和所述风蚀参数；
利用所述土壤参数、所述气象参数、所述植被参数和所述风蚀参数获得所述观测地的风蚀程度和风蚀特征；
利用所述风蚀程度和所述风蚀特征匹配多个参考防治措施；
通过对所述参考防治措施的模拟运算获得所述参考防治措施的改善增益；
利用所述改善增益对所述参考防治措施进行评估及整合，从而获得最优防治方案。
4.根据权利要求3所述的一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，其特征在于，所述获取观测地的所述土壤参数、所述气象参数、所述植被参数和所述风蚀参数，包括如下步骤：
通过对所述观测地的土壤进行取样分析获得所述土壤参数，所述土壤参数包括所述土壤的物理化学性质；
通过气象测量装置获得所述观测地的所述气象参数，所述气象参数包括风速和风向；
通过采集所述观测地植物样本进行分析获得所述植被参数，所述植被参数包括所述观测地的植物多样性特征；
通过风蚀检测装置获得所述观测地的风蚀参数，所述风蚀参数包括风蚀强度、输沙量、大气降尘量和沙丘变化量。
5.根据权利要求4所述的一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，其特征在于，所述通过风蚀检测装置获得所述观测地的风蚀参数，所述风蚀参数包括风蚀强度、输沙量、大气降尘量和沙丘变化量，包括如下步骤：
在所述观测地选取第一测量位置，在所述第一测量位置插钎，通过多次对所述钎的顶部到地面的距离进行测量，从而获得距离变化量，利用所述距离变化量结合测量间隔时间长度获得所述风蚀强度；
在所述观测地选取第二测量位置，在所述第二测量位置安装集沙仪，利用集沙仪获得所述输沙量，所述输沙量分别为沙粒在所述第二测量位置处跃移、蠕移和悬移运动状态下的输沙量；
在所述观测地选取第三测量位置，将降尘缸静置在所述第三测量位置一段时间，根据所述降尘缸内沙粒数目和静置时间长度获得所述大气降尘量；
在所述观测地选取目标沙丘，在所述目标沙丘上选取多个控制点，通过定期或不定期对测控点空间位置变化进行测定，从而获得所述目标沙丘的所述沙丘变化量。
6.根据权利要求5所述的一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，其特征在于，所述利用所述土壤参数、所述气象参数、所述植被参数和所述风蚀参数获得所述观测地的风蚀程度和风蚀特征，包括如下步骤：
所述风蚀强度的计算：
利用钎的距离变化量与测量间隔时间长度的关系获得风蚀强度E，所述风蚀强度E满足如下公式：
其中，
表示所述间隔时间长度，
表示在所述观测地内布设的钎的总数，∆Li表示第i
根钎顶部到达地面的距离的变化量；
所述输沙量计算：
获取所述集沙仪的结构参数，所述结构参数包括集沙仪的进风口宽度d、进风口面积S、进风口数量n；
在所述气象参数中筛选出测量时间段内，风速大于所述观测地平均风速的测量时间
，并将所述风速进行不同方向分类；
利用所述集沙仪测量的数据得到不同方向上的单位时间内单位面积上的输沙量；
以东南西北方向形成的XOY坐标系为基准，分别将所述输沙量分解至X轴方向和Y轴方向并求和获得X轴方向上的第一输沙量和Y轴方向上的第二输沙量，在所述XOY坐标系中利用所述第一输沙量和所述第二输沙量进行合成，进而获得到合成输沙量的值和方向；
将设置于多个方向的所述集沙仪收集的所述值相加，获得总输沙量m；
通过所述总输沙量m、所述进风口宽度d和所述测量时间
之间的数量关系，获得输沙
率q，所述输沙率q满足如下公式：
；
利用所述输沙率q结合所述集沙仪的结构参数，获得风沙输移量，所述风沙输移量包括：单位断面的输沙量W、单位断面的风沙输移强度Q、单位体积气流中含沙量qt和不同高度上单位体积气流中的含沙量qi，所述风沙输移量包括如下公式：
其中，
表示所述测量时间，Si表示所述集沙仪第i个所述进风口面积，Wi表示集沙仪
中第i个集沙袋中的沙粒重，n表示所述进风口数量，v表示观测高度内的平均风速，vi表示
不同高度上的风速；
所述大气降尘量计算：
通过测量所述降尘缸中的所述沙粒数目，并结合与所述降尘缸的几何参数和降尘时间的数量关系获得大气降尘量G，所述大气降尘量G满足如下公式：
其中，Ki表示第i个所述降尘缸观测到的降尘量，
表示每个降尘缸的面积，
表示降
尘的时间；
所述沙丘变化量计算：
通过对所述测控点空间位置变化进行测定,获得所述测控点的空间位置变化,从而得到沙丘变化量，所述沙丘变化量包括所述沙丘的移动速度D:
其中W为所述单位断面的输沙量，H为所述沙丘的相对高度，r为所述沙丘的沙的容重。
7.根据权利要求3所述的一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，其特征在于，所述利用所述风蚀程度和所述风蚀特征匹配多个参考防治措施，包括如下步骤：
整理所述观测地的风蚀程度和风蚀特征；
在所述数据库中利用所述防治方案匹配模块，分别依据所述风蚀程度和所述风蚀特征为所述观测地匹配对应的多个参考防治措施。
8.根据权利要求3所述的一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，其特征在于，所述通过对所述参考防治措施的模拟运算获得所述参考防治措施的改善增益，包括如下步骤：
整理所述参考防治措施、所述观测地的所述土壤参数、所述气象参数、所述植被参数和所述风蚀参数；
通过对各项参数与所述参考防治措施进行拟合获得所述观测地的环境修复程度；
利用所述环境修复程度获得所述参考防治措施的改善增益。
9.根据权利要求8所述的一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，其特征在于，所述改善增益包括：
所述参考防治措施对所述观测地风速的影响、所述参考防治措施的固沙增益、所述参考防治措施的阻沙增益、所述参考防治措施对所述观测地环境温度的改善增益、所述参考防治措施对所述观测地环境湿度的改善增益和所述参考防治措施对所述观测地的土壤改善增益。
10.根据权利要求3所述的一种沙山区风力侵蚀监测及防治模拟方法，其特征在于，所述利用所述改善增益对所述参考防治措施进行评估及整合，从而获得最优防治方案，包括如下步骤：
整理并汇总各个所述参考防治措施的改善增益；
利用所述改善增益获得所述参考防治措施的优先实施程度；
利用所述优先实施程度生成所述最优防治方案。
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