沙尘垂直分布的输沙量的测算方法

技术领域

本发明涉及沙尘监测技术领域，尤其涉及一种沙尘垂直分布的输沙量的测算方法。

背景技术

风力侵蚀是我国乃至全球范围内重要的生态环境问题，研究风沙流输移规律对于认识风蚀规律、促进相关学科发展和指导风力侵蚀预防和治理等工作均具有重要的意义。

诸多研究认为风沙流挟带的沙粒物质随着高度的增加而减少。为定量研究输沙量与高度的定量关系，诸多学者设计了不同的采样器。如Bagnold设计了用于观测地表蠕移和跃移的仪器，随后Stout等人又设计了一种复杂但更可靠的蠕移和跃移集沙仪。Fryrear等人设计一种收集悬移颗粒的集沙仪BSNE(Big Spring Number Eight)，其设计思想是在不同高度采用集沙盒收集风蚀物质，根据不同高度收集到的风沙重量得到输沙量与高度的关系。

目前的研究证实输沙量与高度呈现幂函数或指数关系，且距离地表越近，输沙量最大。根据幂函数或指数函数的自身性质，当高度趋近于0时，拟合得到的输沙量趋近于无穷大，从而造成近地表输沙量的计算值明显高于实际值，从而导致监测的输沙量或风蚀速率都产生一定的误差。

目前已授权的涉及集沙仪的专利较多，但部分专利主要针对集沙仪的结构进行优化设计，未涉及风蚀物质的计算。而部分授权专利，如CN104677588B，虽涉及输沙量垂直分布的计算，但并未明确指出输沙量曲线的积分范围；如CN109541724B，从0米高度进行积分，但未明确0米高度时输沙量趋近于无穷大时如何处理。虽部分授权专利注意到0米高度时输沙量趋近于无穷大这一问题，如CN 106768821B和CN 106813892B，将积分高度的下限从0cm处调整到了1cm，这一算法规避了地表高度为0时积分无穷大的问题，但却忽略了近地表蠕移和移动的风蚀物质，有可能低估风蚀量。

在实际监测中，任一集沙盒收集的均为一定范围高度的风沙物质，而非某一高度线的风沙物质。如BSNE集沙盒的高度为5cm，假设安装在15-20cm高度，则其收集的是15-20cm高度的风沙物质。而目前的测量方式一般是基于实测风沙物质的重量计算得到单位高度的输沙量，并视为集沙盒中间高度(如17.5cm)的输沙量，参与输沙量垂直分布的测量中。考虑到输沙量呈现非线性的幂函数或指数函数关系，这一方式仍会造成一定的误差。

总之，目前输沙量垂直分布的测算方法仍存在一定的误差，不能满足准确确定风沙流输移规律的要求，与风力侵蚀研究不断深入的形势不相适应。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种沙尘垂直分布的输沙量的测算方法。

本发明实施例提供的一种沙尘垂直分布的输沙量的测算方法，包括：

确定集沙区域进行输沙量测量的待测高度，根据所述待测高度划分区段，并获取各区段的区段编号；

根据各区段的区段编号和预存的输沙量模型确定对应于所述待测高度的总输沙量；

其中，所述输沙量模型包含区段编号与输沙量的关系式，用于将区段编号作为输入，输出对应于区段编号的输沙量。

进一步地，所述根据各区段的区段编号和预存的输沙量模型确定对应于所述待测高度的总输沙量，包括：

将各区段的区段编号输入到所述输沙量模型中，根据区段编号和输沙量的关系式，计算获得对应于各区段编号的输沙量；

根据各区段编号的输沙量进行求和计算，获得对应于所述待测高度的总输沙量。

进一步地，所述方法还包括所述输沙量模型的建立步骤，包括：

构建区段编号与输沙量的初始关系式；

获取第一数目的测算区段对应的集沙盒中集沙的实际输沙量；

根据第一数目的测算区段的区段编号和对应的实际输沙量，采用拟合方式确定所述初始关系式中的配置参数；

根据所述配置参数和初始关系式确定区段编号与输沙量的关系式，得到输沙量模型。

进一步地，所述初始关系式包括：

n

n

进一步地，所述根据所述待测高度划分区段，并获取各区段的区段编号，包括：

以集沙盒的进沙口高度为区段的区段高度对待测高度划分多个测段；

从高度方向上由下到上对每个区段按序配置区段编号。

本发明实施例提供的沙尘垂直分布的输沙量的测算方法，通过对集沙区域的待测高度进行区段划分和建立包含有区段编号与输沙量的关系式的输沙量模型，能够使区段的顺序编号参与到从集沙盒的输沙量计算中，避免高度趋近于0时，拟合得到的输沙量过大，从而提高现有方法对输沙量的预测精准度。

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为本发明沙尘垂直分布的输沙量的测算方法实施例流程图；

图2为本发明集沙仪的结构示意图；

图3为本发明实例一中测算方法与现有测算方法、实测方法在4个区段的结果比对图；

图4为本发明实例二中测算方法与现有测算方法、实测方法在4个区段的结果比对图；

图5为本发明实例三中测算方法与现有测算方法、实测方法在4个区段的结果比对图；

图6为本发明实例四中测算方法与现有测算方法、实测方法在4个区段的结果比对图；

图7为本发明实例五中测算方法与现有测算方法在总输沙量的结果比对图。

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作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。

图1示出了本发明一实施例提供的一种沙尘垂直分布的输沙量的测算方法的流程示意图，参见图1，该方法包括：

S11、确定集沙区域进行输沙量测量的待测高度，根据待测高度划分区段，并获取各区段的区段编号；

S12、根据各区段的区段编号和预存的输沙量模型确定对应于待测高度的总输沙量；

其中，输沙量模型包含区段编号与输沙量的关系式，用于将区段编号作为输入，输出对应于区段编号的输沙量。

针对步骤S11和步骤S12，需要说明的是，在本发明实施例中，在风沙侵蚀研究中，需要对不同区域进行输沙量的测量。在每个区域进行输沙量的测量均按照上述步骤S11和步骤S12执行。

由于研究证实输沙量与高度呈现幂函数或指数关系，距离地表越近，输沙量最大。为此，对风沙侵蚀研究，可设定一定的待测高度，该待测高度属于低空区域的高度。如测量2m高度内的输沙量。

基于上述的描述，在本实施例中，借助与高度相关建立的输沙量模型对待测高度内的输沙量进行测量。该输沙量模型以划分的高度区段的顺序编号为模型输入的计算数值，输出对应于各高度区段的输沙量。为此，该输沙量模型为包含有区段编号与输沙量的关系式的运算模型。

在测量过程中，需确定集沙区域进行输沙量测量的待测高度，然后根据待测高度划分区段，并获取各区段的区段编号。该区段的划分方式为：以集沙盒的进沙口高度为区段的区段高度，对待测高度划分多个区段，并从高度方向上由下到上对每个区段按序配置区段编号。

以BSNE集沙仪为例，其集沙盒的进沙口高度为5cm，则待测高度为2m的各区段为0-5cm、5-10cm、10-15cm，……，195-200cm，对应的区段编号为1、2、3、……、40。

将根据各区段的区段编号输入到预存的输沙量模型中，可计算得到各区段对应的输沙量，然后再根据各区段对应的输沙量确定对应于待测高度的总输沙量。

在本实施例中，由于参与到输沙量计算中的数据是区段的顺序编号(从1开始)，相较于参与到输沙量计算中的高度值，能够避免高度趋近于0时，拟合得到的输沙量过大的测量结果出现。

本发明实施例提供的沙尘垂直分布的输沙量的测算方法，通过对集沙区域的待测高度进行区段划分和建立包含有区段编号与输沙量的关系式的输沙量模型，能够使区段的顺序编号参与到从集沙盒的输沙量计算中，避免高度趋近于0时，拟合得到的输沙量过大，从而提高现有方法对输沙量的预测精准度。

在上述实施例方法的进一步实施例中，主要是对根据各区段的区段编号和预存的输沙量模型确定对应于所述待测高度的总输沙量的处理过程进行解释说明，包括：

将各区段的区段编号输入到所述输沙量模型中，根据区段编号和输沙量的关系式，计算获得对应于各区段编号的输沙量；

根据各区段编号的输沙量进行求和计算，获得对应于所述待测高度的总输沙量。

对此，需要说明的是，将根据各区段的区段编号输入到预存的输沙量模型中，依据区段编号和输沙量的关系式计算得到各区段对应的输沙量，然后再根据各区段对应的输沙量进行求和计算，确定对应于待测高度的总输沙量。

在上述实施例方法的进一步实施例中，主要是对输沙量模型的建立过程进行解释说明，具体如下：

构建区段编号与输沙量的初始关系式；

获取第一数目的测算区段对应的集沙盒中集沙的实际输沙量；

根据第一数目的测算区段的区段编号和对应的实际输沙量，采用拟合方式确定初始关系式中的配置参数；

根据配置参数和初始关系式确定区段编号与输沙量的关系式，得到输沙量模型。

在本实施例中，首先构建区段编号与输沙量的初始关系式，在该初始关系式中除包含有区段编号和输沙量的变量，还包括一些配置参数。为此，若想最终确定区段编号和输沙量的关系式，需要确定配置参数的具体数值。

在本实施例中，以BSNE集沙仪为例，如图2所示，其垂直杆体1为2m，集沙盒2的进沙口高度为5cm，基于区段的设计思想，分别在5-10cm、15-20cm、30-35cm、45-50cm、75-80cm和145-150cm等测量区段上设置集沙盒。在集沙一段时间后，获取这些区段对应的集沙盒中集沙的实际输沙量。

然后根据这些测算区段的区段编号和对应的实际输沙量，采用拟合方式确定初始关系式中的配置参数。

配置参数确定后，可将配置参数置于初始关系式中，从而确定区段编号与输沙量的关系式。由于区段编号与输沙量的关系式以模型方式参与到计算机的数据的处理过程中，为此，确定区段编号与输沙量的关系式后，则相当于得到输沙量模型。

在上述实施例方法的进一步实施例中，主要是对区段编号与输沙量的关系式的建立形式进行解释说明，具体如下：

初始关系式包括：

n

n

需要说明的是，参见上述的关系式建立过程的描述，可以确定配置参数α和β。

在本实施例中，输沙量与区段编号呈现幂函数或指数关系。而现行的输沙量与区段编号的关系也呈现幂函数或指数关系。

下面具体陈述本实施例方法与现行方法在测量输沙量的准确性的比对，具体如下：

在现行方法中，对不同高度的输沙量，建立输沙量与高度的函数关系，函数形式仍为指数函数或幂函数形式：

m

m

由于上述函数形式为依据集沙盒的安装高度而建立，但集沙盒的安装高度较随意，可自由设置高度值。例如可将集沙盒安装在15-20cm。也可将集沙盒安装在23-28cm。但通常情况下，由于集沙盒本身具有进沙口高度，为此，在不同高度安装集沙盒可按集沙盒的进沙口高度执行。

此种情况下，在输沙量的计算过程中，是按照高度范围的平均值进行计算。例如集沙盒安装在15-20cm处时，因为传统算法一般按高度进行积分计算，只需将实际测量的高度区间的输沙量转化为某一具体高度的输沙量(实际输沙量除以区间高度)，一般转化后的具体高度为高度区间的中间数值即17.5cm。但由于输沙量垂直分布并非线性分布方式，这样的取值方式，在整体的计算过程中，产生的输沙量的值较实际采集值易产生较大误差。

另外，当采集2m测量高度的总输沙量时，单纯的将按高度区间的中间数值计算得到的输沙量求和计算，也会产生更大的采集误差。为此，可要对函数进行积分化，以求取0-2m(即h

获得的积分公式如下：

或，

p为h

而本实施例方法实际上是建立的区别编号和输沙量的关系式，使区段的顺序编号参与到从集沙盒的输沙量计算中，避免安装高度值参与到计算中，还可避免高度趋近于0时，拟合得到的输沙量过大。

下面以表1和表2说明本实施例和现有方法中输沙量的比对。

表1是采用本实施例方法获得的各区段的输沙量的表格。

表2是采用现有方法获得的各安装高度的输沙量的表格。

从上述表1和表2中数值的比对来看，本实施例提及的算法得到的计算值与实测值较为接近，二者之间误差较小，而现有算法得到的计算值与实测值差别较大，误差相对较大，尤其是在0-5cm这一高度，现有算法的误差非常大。

为了客观的观看到本方案与传统方案在输沙量的测算上的区别差异，下面以图3-图6示出四个实例下4个区段的比对图。从图3-图6中可以看出，本方案对输沙量的区段测算曲线更接近于实测曲线，传统测算曲线更偏离实测曲线。

基于上述的数据，生成图7所示的曲线图，从上述数据和图7来看，本实施例方法对总输沙量的获取总值是现有方法对总输沙量的获取总值的56-76％。由此可知，现有方法对总输沙量的数值估算较高。

本发明实施例提供的沙尘垂直分布的输沙量的测算方法，通过对集沙区域的待测高度进行区段划分和建立包含有区段编号与输沙量的幂函数或指数函数关系式的输沙量模型，能够使区段的顺序编号参与到从集沙盒的输沙量计算中，安装高度值参与到计算中，还可避免高度趋近于0时，拟合得到的输沙量过大，从而提高现有方法对输沙量的预测精准度。

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。