【摘要】：集沙儀是定量監(jiān)測風(fēng)沙活動的重要技術(shù)手段,現(xiàn)階段適用范圍廣、集沙效率高的集沙儀仍以機械型集沙儀為主,但機械集沙儀不能對風(fēng)沙流進行連續(xù)動態(tài)觀測。本論文研制了一種自動連續(xù)稱重式集沙儀(Cyclone type Continuous-weigh Sand Trap,簡稱:CCST),將其應(yīng)用于在河北壩上沙地和農(nóng)田土壤的野外風(fēng)沙觀測試驗,同時使用BSNE集沙儀、新型隨風(fēng)式平口集沙儀(New Flat Opening Collector,簡稱:NFOC)對其性能進行驗證,并與Wenglor激光粒子計數(shù)器進行對比。研究結(jié)果如下:(1)自動連續(xù)稱重式集沙儀結(jié)構(gòu)包括支架、集沙單元、數(shù)據(jù)采集器和電源。這種集沙儀可以將多個集沙單元進行不同高度的梯度組合,能夠單點采集不同高度沙樣,可以根據(jù)風(fēng)向調(diào)整進沙口方向,降低觀測的誤差。自動化程度較高,集沙數(shù)據(jù)精度較高,能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)沙流的實時連續(xù)監(jiān)測。(2)自動連續(xù)稱重式集沙儀沙地試驗中,15 cm、30 cm和60 cm高度的累加集沙量滿足隨高度增加呈指數(shù)減少的規(guī)律,15 cm高度輸沙通量與風(fēng)速的關(guān)系滿足指數(shù)關(guān)系,由于脈動風(fēng)引起的震動造成的震動誤差,30 cm和60 cm輸沙通量與風(fēng)速的關(guān)系較差,0-60 cm高度的輸沙通量和新型隨風(fēng)式平口集沙儀觀測結(jié)果呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系(R~2=0.7447)。說明自動連續(xù)稱重式集沙儀能夠很好地捕捉高度在15 cm以下沙物質(zhì)的輸移信息,但隨集沙高度的增加風(fēng)速與輸沙通量的相關(guān)性變差,說明自動連續(xù)稱重式集沙儀能夠?qū)崿F(xiàn)野外一定高度內(nèi)風(fēng)沙活動的連續(xù)監(jiān)測。(3)自動連續(xù)稱重式集沙儀農(nóng)田土壤試驗中,5 cm、15 cm和40 cm高度累加集沙量同樣滿足隨高度增加累加沙量呈指數(shù)減少的規(guī)律,5 cm和15 cm高度輸沙通量與風(fēng)速的關(guān)系滿足指數(shù)關(guān)系,由于震動誤差的存在,40 cm輸沙通量與風(fēng)速的指數(shù)關(guān)系較弱,0-40 cm輸沙通量也與風(fēng)速變化一致,并且和BSNE集沙儀所測的輸沙通量呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系(R~2=0.8912)。表明自動連續(xù)稱重式集沙儀能夠很好地對農(nóng)田土壤風(fēng)沙流進行動態(tài)觀測。(4)自動連續(xù)稱重式集沙儀所測輸沙通量與Wenglor激光粒子計數(shù)器所測沙粒數(shù)進行了對比分析。Wenglor激光粒子計數(shù)器所測每分鐘通過沙粒數(shù)與風(fēng)速在三塊樣地上均具有顯著的相關(guān)性,其中在粒徑較粗河灘沙地上相關(guān)性最好。試驗還分析了三塊樣地上Wenglor激光粒子計數(shù)器所測每分鐘通過沙粒數(shù)與自動連續(xù)稱重式集沙儀所測輸沙通量的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)二者相關(guān)性顯著。綜上所述,自動連續(xù)稱重式集沙儀能夠很好地捕捉一定高度風(fēng)蝕物的輸移信息,野外應(yīng)用效果良好,適合野外高精度風(fēng)沙活動自動監(jiān)測,應(yīng)用前景廣,但在大風(fēng)條件下,仍不可避免地存在儀器抖動、增大數(shù)據(jù)誤差的問題,因此需要進一步改進結(jié)構(gòu)。Wenglor激光粒子計數(shù)器也是一種適用于野外風(fēng)沙觀測試驗的儀器,但需要解決鏡片易污染的問題。
【學(xué)位授予單位】：河北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P414
【圖文】：

圖 2.1 研究區(qū)樣地地理位置圖驗地塊為翻耕農(nóng)田，該地塊西側(cè)、南側(cè)和東側(cè)均為天然細(xì)粒河灘沙地在季節(jié)性河流沿岸，試驗期間為干涸期，，地塊西側(cè)為人工灌草地（2001-2002 年退耕），北側(cè)為侵蝕風(fēng)向的不可蝕邊界。其中西側(cè)較細(xì)粒沙地的，東側(cè)較粗粒沙地的土壤粒徑主要集中在 0.5～0.85 m外觀測儀器稱重式集沙儀是河北師范大學(xué)自主研制的集沙儀，其結(jié)據(jù)采集器和電源，可以將多個集沙單元進行不同高度的不同高度沙樣，進沙口方向可調(diào)整，降低觀測的誤差，數(shù)據(jù)精度高，集沙效率較高的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)蝕事

圖 2.3 儀器布置圖（A.自動連續(xù)稱重式集沙儀；B.新型隨風(fēng)式平口集沙儀；C.梯度風(fēng)速儀；D. Wenglor 激光粒子計數(shù)器；E. BSNE 集沙儀）2.5 計算方法2.5.1 自動連續(xù)稱重式集沙儀輸沙通量計算方法不同采樣時間下，累加集沙量隨入口高度的增加呈指數(shù)下降。因此，計算連續(xù)稱重式集沙儀的輸沙通量可用q ( z ) =a exp(b z)（1）式中：q (z)是進沙口高度為 z 時的輸沙通量(g·cm-2·min-1)；z 是進沙口距離地面的高度(m)；a 和 b 是回歸系數(shù)[37]。當(dāng)土壤表面粗糙度較低時，利用這個指數(shù)模型，采用 3 個高度的集沙量就可以估算自動連續(xù)稱重式集沙儀的輸沙通量[38]。在 2016 年沙地和 2017 年農(nóng)田土壤的試驗中，觀測高度分別為 0～60 cm 和 0～40 cm，因此，二者每分鐘的輸沙通量計算公式如下：

103 自動連續(xù)稱重式集沙儀的研制3.1 自動連續(xù)稱重式集沙儀的設(shè)計與結(jié)構(gòu)自動連續(xù)稱重式集沙儀的結(jié)構(gòu)包括支架、集沙單元、數(shù)據(jù)采集器和電源（圖3.1、圖 3.2）。集沙單元包括封閉箱體、旋風(fēng)分離器。集沙時，風(fēng)沙流首先進入旋風(fēng)分離器內(nèi)[39]，旋風(fēng)分離器將風(fēng)沙流中的氣流和沙塵進行分離，被分離后的沙塵自然落入集沙盒內(nèi)，再由重量傳感器對集沙盒內(nèi)的沙塵進行測重，測重數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)采集器。因此，自動連續(xù)稱重式集沙儀具有自動化程度高，集沙數(shù)據(jù)精度高的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)蝕事件的實時連續(xù)監(jiān)測。自動連續(xù)稱重式集沙儀使用豎直支架，將多個集沙單元進行不同高度的梯度組合，能夠單點采集不同高度沙樣；集沙單元固定在支架的橫臂上，可以根據(jù)風(fēng)向調(diào)整進沙口方向，降低觀測的誤差。集沙單元外形可分為上下兩部分，上部為旋風(fēng)分離器，下部由集沙盒和重量傳感器組成。其中，集沙單元上部又由旋風(fēng)分離器筒體和漏斗形狀的殼體構(gòu)成，旋風(fēng)分離器筒體直徑和高度分別為 60 mm 和50 mm，筒體上設(shè)置長度為 20 mm 的矩形進沙口，矩形橫截面長寬分別為 20 mm和 12 mm，與 Basaran 在風(fēng)洞中驗證時的尺寸一致。風(fēng)沙流由進沙口進入，經(jīng)旋風(fēng)分離器分離作用后，沙塵進入高 70 mm、底座直徑 16 mm 的漏斗形狀的殼體自然落下，到達(dá)集沙單元下部，經(jīng)驗證，旋風(fēng)分離器出口處的氣流十分微弱[40]；集沙單元的下部是一個加蓋敞口菱形殼體（214 mm×88 mm×77 mm）

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本文編號：2747290