一种沙丘背风侧风沙强度测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于风沙强度监测技术领域，具体涉及一种沙丘背风侧风沙强度测量装置及其测量方法。

背景技术

沙物质的运动在一定程度上可以表达为在以风为主要动力条件下，近地表气流对沙粒侵蚀、搬运和沉积的过程，沙丘近地表气流是控制沙丘表面沙粒运动的主要因素。从沙丘形态-动力学和沉积学研究表明，区域内沙丘的形态结构、移动等与区域近地表气流、地形等特征有很大的关联。特别是沙丘之间的风沙活动，受到沙丘背风侧近地表的风速、风向等影响，风沙活动强度较为复杂。气流在沙丘的迎风坡加速，在沙丘顶部达到最大值，越过沙丘顶部之后，气流会在沙丘背风侧发生分离并形成分离涡，经过一定距离后气流才重新附着。此时，背风侧区域风速无论是在方向上还是在强度上都存在比较复杂的变化。而背风侧的风沙活动强度，是下风向另一沙丘的主要供给沙源，影响着沙丘的形态发育过程和移动速度等。所以，在空间位置上了解沙丘下风向的风沙活动强度，对理解沙丘发育过程和移动速度有着重要的意义。

目前关于沙丘背风侧近地表风沙强度的观测还是停留在常规的测量方法，例如旋转式集沙仪、BSNE集沙仪等设备测量。但是，气流在沙丘的迎风坡加速，在沙丘顶部达到最大值，越过沙丘顶部之后，气流会在沙丘背风侧发生分离并形成分离涡，经过一定距离后气流才重新附着。那么，相应的背风侧区域会被分成反向气流区域、气流重拾辐合区域和重新辐合气流区域。气流方向和强度上都会存在比较复杂的变化，那么风沙活动强度也随之发生变化。目前使用旋转集沙仪，在背风侧反向气流区集沙仪进沙口会出现摆动，影响测量精度；其次，集沙仪成本较为较高且有一定的体积，在沙丘背风侧空间上大面积设置会对沙丘背风侧的气流产生干扰，影响观测精度。所以，沙丘背风侧的空间上风沙活动强度观测目前的集沙仪方法，无法完成。

风蚀测钎，通过空间上布设测量风蚀厚度，计算风蚀量。但风蚀测钎往往需要同时测定土壤容重，且风蚀测钎仅代表一个小点上的风蚀厚度，换算到空间上有一定的代表性误差；更重要的是风蚀测钎，随着风蚀观测时间间隔的不同，风蚀测钎可能表现出风蚀或者风积，在观测期内可能发生风积后又风蚀，在测量时可能表现没有发生变化等，受观测时间间隔和频次影响较大。

因此，提出一种能在不受多种气流(涡流、反向流)等共同作用下，测量沙丘背风侧风沙强度的测量装置。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供一种沙丘背风侧风沙强度测量方法，通过草坪的设置，能有效留住风沙，配合堵塞组件防止沙流失，准确测定沙丘背风侧区域内风沙强度，对于揭示背风侧气流与沙丘形态区域气流之间的关系，研究背风侧土壤风蚀、沙物质的运动特征具有十分重要的意义。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种沙丘背风侧风沙强度测量装置，包括草坪，所述草坪包括多个间隔设置的小草坪，所述草坪水平固定铺设在两个沙丘之间，多个所述小草坪上均间隔设有多个漏水孔，多个所述漏水孔上均对应设置有防止沙流失的堵塞组件，多个所述小草坪的竖直上方设有用于获取图像信息的无人机。

有益效果：通过草坪的设置，能有效留住风沙，配合堵塞组件防止沙流失，准确测定沙丘背风侧区域内风沙强度，对于揭示背风侧气流与沙丘形态区域气流之间的关系，研究背风侧土壤风蚀、沙物质的运动特征具有十分重要的意义。

进一步，多个所述小草坪呈长方形，所述小草坪的四角处设有与螺钉配合固定的固定孔。

采用上述进一步方案的有益效果是：防止被风吹走，固定效果好，便于安装和拆卸。

进一步，所述堵塞组件包括封堵盖和孔扣，所述孔扣套设在所述漏水孔内，所述封堵盖盖设在所述孔扣上。

采用上述进一步方案的有益效果是：孔扣对草坪起到保护作用，封堵盖封堵孔口，防止风沙流失，影响测试数据的精准度。

进一步，所述封堵盖包括顶盖、封堵柱和弹性凸起，所述封堵柱的顶部固定连接所述顶盖，所述封堵柱的侧壁上环向间隔设置有用于卡接在所述孔扣内壁上的所述弹性凸起。

采用上述进一步方案的有益效果是：结构简单，固定效果好，防止从漏水孔流失。

进一步，所述孔扣包括管套、上环形板和下环形板，所述管套的顶部固定套设有上环形板，底部固定套设有下环形板，所述上环形板和所述下环形板的直径与所述漏水孔的内径相等。

采用上述进一步方案的有益效果是：结构简单，上环形板和所述下环形板的直径与所述漏水孔的内径相等，配合螺钉，固定效果好，对草坪起到保护作用。

进一步，两个所述沙丘之间的长度为L，前一个所述沙丘的高度为H，宽度为W，沙丘背风侧的风沙强度监测长宽范围为L×(W+4H)，其中沙丘落沙脚至下风向10H范围内，即反向气流区内，在所述反向气流区内的两个相邻的所述小草坪的水平距离和垂直距离均为H；在沙丘下风向10H-10.5H范围内，即背风侧的气流重拾辐合区内，在所述气流重拾辐合区内的两个相邻的所述小草坪的水平距离和垂直距离均为H/2，在沙丘下风向10.5H-L范围内，即沙丘背风侧的重新辐合气流区，在所述重新辐合气流区内的两个相邻的所述小草坪的水平距离和垂直距离均为H。

采用上述进一步方案的有益效果是：根据气流的分布分区域，不同区域的小草坪的设置间距不同，提高测试的精度。

一种用于使用所述沙丘背风侧风沙强度测量装置的测量方法，其测量方法包括以下步骤：

S1：在沙丘背风侧选择好观测点，在反向气流区、气流重拾辐合区和重新辐合气流区铺设好对应间距的小草坪，通过螺钉配合固定孔固定小草坪；

S2：记下初始时间，开始风沙强度测试，在前一个沙丘上检测风速和风向以及近地表沙粒撞击能量和粒子总数，每5分钟记录一次；

S3：去掉小草坪上的螺钉，盖好封堵盖，对每个小草坪编号，记录采样时间，收集对应小草坪的沙物质，按照小草坪编号记录装入对应编号的密封袋，计算空间ij位置上单位时间单位面积风沙活动强度Eij；

S4：取下封堵盖，再按步骤S1布置小草坪，进行再次采样。

有益效果是：操作方便，提高工作效率，提高风沙强度测量的精度，实用性强。

进一步，在步骤S3中，Eij＝Mij/(T·S)，其中Eij为空间ij位置上单位时间单位面积内的风沙活动量g/min·cm

采用上述进一步方案的有益效果是：计算方便，数据准确，工作效率高。

附图说明

图1为本发明的沙丘下风向风沙活动强度观测点位结构示意图；

图2为沙丘背风侧气流变化示意图；

图3为草坪的结构示意图；

图4为螺钉的结构示意图；

图5为漏水孔和固定孔的安装位置示意图；

图6为封堵盖的结构示意图；

图7为孔扣的结构示意图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1.草坪，11.小草坪，2.沙丘，3.漏水孔，4.固定孔，5.封堵盖，51.顶盖，52.封堵柱；53.弹性凸起，6.孔扣，61.套管，62.上环形板，63.下环形板，7.螺钉，8.监测点。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1-7所示，本实施例提供一种沙丘背风侧风沙强度测量装置，包括：草坪1，所述草坪1包括多个间隔设置的小草坪11，所述草坪1水平固定铺设在两个沙丘2之间，多个所述小草坪11上均间隔设有多个漏水孔3，人工小草坪11高度3-5cm，人工草坪11裁剪成100m×100m或者50cm×100cm大小。在草坪上设有12-15个漏水孔，漏水孔配有孔口，直径0.5cm，多个所述漏水孔3上均对应设置有防止沙流失的堵塞组件，多个所述小草坪11的竖直上方设有多个用于获取图像信息的无人机。

本申请提供一种沙丘背风侧风沙强度测量装置，通过草坪1的设置，能有效留住风沙，配合堵塞组件防止沙流失，准确测定沙丘背风侧区域内风沙强度，对于揭示背风侧气流与沙丘形态区域气流之间的关系，研究背风侧土壤风蚀、沙物质的运动特征具有十分重要的意义。

实施例2

如图1-7所示，本实施例提供一种沙丘背风侧风沙强度测量装置，包括：草坪1，所述草坪1包括多个间隔设置的小草坪11，所述草坪1水平固定铺设在两个沙丘2之间，多个所述小草坪11上均间隔设有多个漏水孔3，人工小草坪11高度3-5cm，人工草坪11裁剪成100m×100m或者50cm×100cm大小。在草坪上设有12-15个漏水孔，漏水孔配有孔口，直径0.5cm，多个所述漏水孔3上均对应设置有防止沙流失的堵塞组件，多个所述小草坪11的竖直上方设有多个用于获取图像信息的无人机。

本申请提供一种沙丘背风侧风沙强度测量装置，通过草坪1的设置，能有效留住风沙，配合堵塞组件防止沙流失，准确测定沙丘背风侧区域内风沙强度，对于揭示背风侧气流与沙丘形态区域气流之间的关系，研究背风侧土壤风蚀、沙物质的运动特征具有十分重要的意义。

优选地，本实施例中，多个所述小草坪11呈长方形，所述小草坪11的四角处设有与固定孔4，通过螺钉7固定在地面上，防止被风吹走，固定效果好，便于安装和拆卸。

优选地，本实施例中，所述封堵盖5包括顶盖51、封堵柱52和弹性凸起53，所述封堵柱52的顶部固定连接所述顶盖51，所述封堵柱52的侧壁上环向间隔设置有用于卡接在所述孔扣6内壁上的所述弹性凸起53，结构简单，固定效果好，防止从漏水孔流失。

优选地，本实施例中，所述孔扣6包括管套61、上环形板62和下环形板63，所述管套61的顶部固定套设有上环形板62，底部固定套设有下环形板63，所述上环形板62和所述下环形板63的直径与所述漏水孔3的内径相等，结构简单，上环形板62和所述下环形板63的直径与所述漏水孔3的内径相等，配合螺钉7，固定效果好，对草坪起到保护作用。

实施例3

如图1-7所示，本实施例提供一种沙丘背风侧风沙强度测量装置，包括：草坪1，所述草坪1包括多个间隔设置的小草坪11，所述草坪1水平固定铺设在两个沙丘2之间，多个所述小草坪11上均间隔设有多个漏水孔3，人工小草坪11高度3-5cm，人工草坪11裁剪成100m×100m或者50cm×100cm大小。在草坪上设有12-15个漏水孔，漏水孔配有孔口，直径0.5cm，多个所述漏水孔3上均对应设置有防止沙流失的堵塞组件，多个所述小草坪11的竖直上方设有多个用于获取图像信息的无人机。

本申请提供一种沙丘背风侧风沙强度测量装置，通过草坪1的设置，能有效留住风沙，配合堵塞组件防止沙流失，准确测定沙丘背风侧区域内风沙强度，对于揭示背风侧气流与沙丘形态区域气流之间的关系，研究背风侧土壤风蚀、沙物质的运动特征具有十分重要的意义。

优选地，本实施例中，多个所述小草坪11呈长方形，所述小草坪11的四角处设有与固定孔4，通过螺钉7固定在地面上，防止被风吹走，固定效果好，便于安装和拆卸。

优选地，本实施例中，所述堵塞组件包括封堵盖5和孔扣6，所述孔扣6套设在所述漏水孔3内，所述封堵盖5盖设在所述孔扣6上，孔扣6对草坪1起到保护作用，封堵盖5封堵孔口，防止风沙流失，影响测试数据的精准度。

优选地，本实施例中，所述封堵盖5包括顶盖51、封堵柱52和弹性凸起53，所述封堵柱52的顶部固定连接所述顶盖51，所述封堵柱52的侧壁上环向间隔设置有用于卡接在所述孔扣6内壁上的所述弹性凸起53，结构简单，固定效果好，防止从漏水孔流失。

优选地，本实施例中，所述孔扣6包括管套61、上环形板62和下环形板63，所述管套61的顶部固定套设有上环形板62，底部固定套设有下环形板63，所述上环形板62和所述下环形板63的直径与所述漏水孔3的内径相等，结构简单，上环形板62和所述下环形板63的直径与所述漏水孔3的内径相等，配合螺钉7，固定效果好，对草坪起到保护作用。

优选地，本实施例中，两个所述沙丘2之间的长度为L，前一个所述沙丘2的高度为H，宽度为W，沙丘背风侧的风沙强度监测长宽范围为L×W+4H，其中沙丘落沙脚至下风向10H范围内，即反向气流区内，在所述反向气流区内的两个相邻的所述小草坪11的水平距离和垂直距离均为H；在沙丘下风向10H-10.5H范围内，即背风侧的气流重拾辐合区内，在所述气流重拾辐合区内的两个相邻的所述小草坪11的水平距离和垂直距离均为H/2，在沙丘下风向10.5H-L范围内，即沙丘背风侧的重新辐合气流区，在所述重新辐合气流区内的两个相邻的所述小草坪11的水平距离和垂直距离均为H，根据气流的分布分区域，不同区域的小草坪11的设置间距不同，提高测试的精度。

一种用于使用所述沙丘背风侧风沙强度测量装置的测量方法，其测量方法包括以下步骤：

S1：对预测定的沙丘背风侧区域进行现场踏查，在航拍范围的四角、监测样区的四角及中心点布设地面控制点不少于9个监测点8，用于多期无人机图像校正，利用无人机航拍获取该区域的正射影像图，提取试验区域植被覆盖度情况，测量沙丘间距L以及沙丘高度H，在影像图上规划好人工草坪布设区域面积及范围，在人工草坪布设范围内，依次等间距沙丘高度1H分别绘制中轴线的平行线和垂线若干，其中在10H-10.5H内，平行线和垂直线的间距0.5H，交点即为草坪的布设点位。在反向气流区0-10H和重新辐合气流区内10.5H-L，相邻四个布设点构成的四边形对角线焦点，布设风蚀强度监测加密点，在图上获得所以各监测点8的位置以及草坪1布设的边界范围，导入高精度差分GPS，用于现场放样、布线、定点；

S2：记下初始时间，开始风沙强度测试，在前一个沙丘2上检测风速和风向以及近地表沙粒撞击能量和粒子总数，每5分钟记录一次；

S3：去掉小草坪11上的螺钉7，盖好封堵盖5，对每个小草坪11编号，记录采样时间，收集对应小草坪11的沙物质，按照小草坪11编号记录装入对应编号的密封袋，计算空间ij位置上单位时间单位面积风沙活动强度Eij；Eij＝Mij/(T·S)，其中Eij为空间ij位置上单位时间单位面积内的风沙活动量g/min·cm

S4：取下封堵盖5，再按步骤S1布置小草坪11，进行再次采样。

由以上公式求得沙丘背风侧空间任意一点ij的风沙活动强度Eij；计算所得的数据录入Excel中，将对应空间点位经纬度统计整理后，数据表格应该具有一下字段及字段类型信息：草坪样点编号int整型、经度坐标float浮点型、纬度坐标float浮点型集沙重量float浮点型、起沙风时间float浮点型、草坪面积float浮点型、风沙活动强度float浮点型、观测开始日期Data日期、观测结束日期Data日期、备注txt文本类型。使用ArcMap进行邻近自然空间插值得到整个观测区内风沙活动强度分布图。

有益效果：通过草坪1的设置，能有效留住风沙，配合堵塞组件防止沙流失，准确测定沙丘背风侧区域内风沙强度，对于揭示背风侧气流与沙丘形态区域气流之间的关系，研究背风侧土壤风蚀、沙物质的运动特征具有十分重要的意义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“内”、“外”、“周侧”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。