自动连续称重式集沙仪的研制与野外测试

发布时间：2020-07-09 09:45

【摘要】：集沙仪是定量监测风沙活动的重要技术手段,现阶段适用范围广、集沙效率高的集沙仪仍以机械型集沙仪为主,但机械集沙仪不能对风沙流进行连续动态观测。本论文研制了一种自动连续称重式集沙仪(Cyclone type Continuous-weigh Sand Trap,简称:CCST),将其应用于在河北坝上沙地和农田土壤的野外风沙观测试验,同时使用BSNE集沙仪、新型随风式平口集沙仪(New Flat Opening Collector,简称:NFOC)对其性能进行验证,并与Wenglor激光粒子计数器进行对比。研究结果如下:(1)自动连续称重式集沙仪结构包括支架、集沙单元、数据采集器和电源。这种集沙仪可以将多个集沙单元进行不同高度的梯度组合,能够单点采集不同高度沙样,可以根据风向调整进沙口方向,降低观测的误差。自动化程度较高,集沙数据精度较高,能够实现对风沙流的实时连续监测。(2)自动连续称重式集沙仪沙地试验中,15 cm、30 cm和60 cm高度的累加集沙量满足随高度增加呈指数减少的规律,15 cm高度输沙通量与风速的关系满足指数关系,由于脉动风引起的震动造成的震动误差,30 cm和60 cm输沙通量与风速的关系较差,0-60 cm高度的输沙通量和新型随风式平口集沙仪观测结果呈显著的线性相关关系(R~2=0.7447)。说明自动连续称重式集沙仪能够很好地捕捉高度在15 cm以下沙物质的输移信息,但随集沙高度的增加风速与输沙通量的相关性变差,说明自动连续称重式集沙仪能够实现野外一定高度内风沙活动的连续监测。(3)自动连续称重式集沙仪农田土壤试验中,5 cm、15 cm和40 cm高度累加集沙量同样满足随高度增加累加沙量呈指数减少的规律,5 cm和15 cm高度输沙通量与风速的关系满足指数关系,由于震动误差的存在,40 cm输沙通量与风速的指数关系较弱,0-40 cm输沙通量也与风速变化一致,并且和BSNE集沙仪所测的输沙通量呈显著的线性相关关系(R~2=0.8912)。表明自动连续称重式集沙仪能够很好地对农田土壤风沙流进行动态观测。(4)自动连续称重式集沙仪所测输沙通量与Wenglor激光粒子计数器所测沙粒数进行了对比分析。Wenglor激光粒子计数器所测每分钟通过沙粒数与风速在三块样地上均具有显著的相关性,其中在粒径较粗河滩沙地上相关性最好。试验还分析了三块样地上Wenglor激光粒子计数器所测每分钟通过沙粒数与自动连续称重式集沙仪所测输沙通量的关系,发现二者相关性显著。综上所述,自动连续称重式集沙仪能够很好地捕捉一定高度风蚀物的输移信息,野外应用效果良好,适合野外高精度风沙活动自动监测,应用前景广,但在大风条件下,仍不可避免地存在仪器抖动、增大数据误差的问题,因此需要进一步改进结构。Wenglor激光粒子计数器也是一种适用于野外风沙观测试验的仪器,但需要解决镜片易污染的问题。
【学位授予单位】：河北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P414
【图文】：

样地,地理位置,集沙仪

图 2.1 研究区样地地理位置图验地块为翻耕农田，该地块西侧、南侧和东侧均为天然细粒河滩沙地在季节性河流沿岸，试验期间为干涸期，，地块西侧为人工灌草地（2001-2002 年退耕），北侧为侵蚀风向的不可蚀边界。其中西侧较细粒沙地的，东侧较粗粒沙地的土壤粒径主要集中在 0.5～0.85 m外观测仪器称重式集沙仪是河北师范大学自主研制的集沙仪，其结据采集器和电源，可以将多个集沙单元进行不同高度的不同高度沙样，进沙口方向可调整，降低观测的误差，数据精度高，集沙效率较高的特点，能够实现对风蚀事

集沙仪,连续称重,粒子计数器,仪器布置

图 2.3 仪器布置图（A.自动连续称重式集沙仪；B.新型随风式平口集沙仪；C.梯度风速仪；D. Wenglor 激光粒子计数器；E. BSNE 集沙仪）2.5 计算方法2.5.1 自动连续称重式集沙仪输沙通量计算方法不同采样时间下，累加集沙量随入口高度的增加呈指数下降。因此，计算连续称重式集沙仪的输沙通量可用q ( z ) =a exp(b z)（1）式中：q (z)是进沙口高度为 z 时的输沙通量(g·cm-2·min-1)；z 是进沙口距离地面的高度(m)；a 和 b 是回归系数[37]。当土壤表面粗糙度较低时，利用这个指数模型，采用 3 个高度的集沙量就可以估算自动连续称重式集沙仪的输沙通量[38]。在 2016 年沙地和 2017 年农田土壤的试验中，观测高度分别为 0～60 cm 和 0～40 cm，因此，二者每分钟的输沙通量计算公式如下：

连续称重,集沙仪,集沙,正视图

103 自动连续称重式集沙仪的研制3.1 自动连续称重式集沙仪的设计与结构自动连续称重式集沙仪的结构包括支架、集沙单元、数据采集器和电源（图3.1、图 3.2）。集沙单元包括封闭箱体、旋风分离器。集沙时，风沙流首先进入旋风分离器内[39]，旋风分离器将风沙流中的气流和沙尘进行分离，被分离后的沙尘自然落入集沙盒内，再由重量传感器对集沙盒内的沙尘进行测重，测重数据传输至数据采集器。因此，自动连续称重式集沙仪具有自动化程度高，集沙数据精度高的特点，能够实现对风蚀事件的实时连续监测。自动连续称重式集沙仪使用竖直支架，将多个集沙单元进行不同高度的梯度组合，能够单点采集不同高度沙样；集沙单元固定在支架的横臂上，可以根据风向调整进沙口方向，降低观测的误差。集沙单元外形可分为上下两部分，上部为旋风分离器，下部由集沙盒和重量传感器组成。其中，集沙单元上部又由旋风分离器筒体和漏斗形状的壳体构成，旋风分离器筒体直径和高度分别为 60 mm 和50 mm，筒体上设置长度为 20 mm 的矩形进沙口，矩形横截面长宽分别为 20 mm和 12 mm，与 Basaran 在风洞中验证时的尺寸一致。风沙流由进沙口进入，经旋风分离器分离作用后，沙尘进入高 70 mm、底座直径 16 mm 的漏斗形状的壳体自然落下，到达集沙单元下部，经验证，旋风分离器出口处的气流十分微弱[40]；集沙单元的下部是一个加盖敞口菱形壳体（214 mm×88 mm×77 mm）

【相似文献】