3类集沙仪野外测试对比

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00062

摘要/Abstract

摘要：

通过对比新型平口式集沙仪（New Flat Opening Collector，NFOC）、BSNE（Big Spring Number Eight）集沙仪、MWAC（Modified Wilson and Cook）集沙仪在同一风蚀事件中的观测结果，分析BSNE、MWAC、NFOC集沙仪在定向、非定向状态下输沙率变化特征，探究平均风速、摩阻风速和湍流结构变化对风沙活动的影响。结果表明：定向集沙仪输沙率明显低于非定向集沙仪，BSNE和NFOC集沙仪输沙率均大于MWAC集沙仪，但MWAC集沙仪输沙率与平均风速以及摩阻风速的相关性最优。短时间尺度的湍流活动对输移量影响甚微，却对MWAC集沙仪的定向与非定向输沙率差异存在一定影响。Kawamura模型（0.140<RMSE<0.760）对风蚀事件的预测值与区域地块的实测值更接近，能够相对准确地反映该地区风蚀状况，但这一结论仍需进一步深入探讨。

关键词: 风蚀事件, 集沙仪, 输沙率, 风蚀预测模型

Abstract:

By comparing the observation results of BSNE， MWAC and NFOC sand collectors in the same wind erosion events， we analyzed the characteristics of sediment transport rate in the directional and non-directional state of different types of sand collectors， and explored the effect on wind erosion about average wind speed， friction speed and turbulent structure. The results show that the sediment transport rate of the directional sand collector is obviously lower than that the non-direction sand collector， and the sediment transport rate of both BSNE and NFOC collectors is higher than that of MWAC collectors， but the correlation with wind speed is worse than MWAC collectors. Turbulence on short-time scale has little effect on the amount of sand sediments but has some effect on the sediment transport rate of directional and non-directional about MWAC collectors. By comparing the measured values of various sand collectors and the predicted values of various models， it is shown that the Kawamura model （0.140<RMSE<0.760） is closer to the measured values during the wind erosion events， and can reflect the wind erosion conditions in the region accurately. However， this conclusion still needs to be further discussed.

Key words: wind erosion events, sand collector, sediment transport rate, wind erosion model

中图分类号:

S157

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图/表 12

图1 研究区概况NFOC，New Flat Opening Collector； BSNE，Big Spring Number Eight； MWAC，Modified Wilson and Cook

Fig.1 Study area

表1 集沙仪设置

Table 1 Setting of the sand collectors

项目	MWAC（非定向）	MWAC（定向）	BSNE	NFOC（非定向）	NFOC（定向）
集沙高度/cm	10 25 50 85	10 25 50 85	5 10 15 40	0~60	0~60
仪器数量	2	2	1	2	2

图2 观测期间起沙风风向

Fig.2 Wind direction that causes erosion during observation process

表2 观测期间风因子状况

Table 2 Calculation results of wind factors

日期(月-日)	风蚀事件编号	开始时间	结束时间	U/(m·s^-1)	U_*/(m·s^-1)	Z₀/mm	g	W/（°）	P/（°）
05-12	1	11:00	15:50	10.21	0.477	0.0482	0.12	242.2	260
	2	16:30	17:30	9.38	0.454	0.038	0.12	248.6	260
	3	18:00	18:40	9.88	0.452	0.0298	0.11	249.4	270
05-13	4	10:00	12:30	9.38	0.417	0.0227	0.10	252.7	260
05-13	5	13:00	15:00	8.11	0.430	0.0235	0.10	249.4	260
05-15	6	12:20	14:30	9.65	0.454	0.0273	0.13	253.4	260
	7	14:50	15:20	10.82	0.475	0.0197	0.08	246.8	260
	8	15:20	15:50	11.03	0.474	0.0176	0.08	252.8	260

表3 输沙率的各时段计算结果

Table 3 Calculation results for each period of sand transport rate

日期（月-日）	开始时间	结束时间	BSNE /(g·cm^-2·min^-1)	定向NFOC /(g·cm^-2·min^-1)	非定向NFOC /(g·cm^-2·min^-1)	定向MWAC /(g·cm^-2·min^-1)	非定向MWAC /(g·cm^-2·min^-1)
05-12	11:00	15:50	0.035	0.027	0.033	0.019	0.034
	16:30	17:30	0.064	0.053	0.072	0.028	0.029
	18:00	18:40	0.038	0.032	0.033	0.019	0.021
05-13	10:00	12:30	0.009	0.011	0.012	0.004	0.005
	13:00	15:00	0.001	0.001	0.002	0.001	0.001
05-15	12:20	14:30	0.050	0.053	0.061	0.024	0.037
	14:50	15:20	0.240	0.219	0.235	0.080	0.086
	15:20	15:50	0.206	0.222	0.259	0.078	0.080

图3 定向集沙与非定向集沙的输沙率相关关系MWAC，Modified Wilson and Cook; NFOC，New Flat Opening Collector

Fig.3 Correlation between directional and non-directional sediment transport rates

图4 不同类型集沙仪的输沙率相关关系MWAC，Modified Wilson and Cook; NFOC，New Flat Opening Collector； BSNE，Big Spring Number Eight

Fig.4 Correlation of sediment transport rate among different types of collector

图5 输沙率与平均风速的关系MWAC，Modified Wilson and Cook; NFOC，New Flat Opening Collector； BSNE，Big Spring Number Eight

Fig.5 Correlation between sediment transport rate and average wind speed

图6 输沙率与摩阻风速的关系MWAC，Modified Wilson and Cook; NFOC，New Flat Opening Collector； BSNE，Big Spring Number Eight

Fig.6 Correlation between the sediment transport rate and frictional velocity

图7 湍流度与输沙率之差的关系MWAC，Modified Wilson and Cook; NFOC，New Flat Opening Collector

Fig.7 Correlation between the difference of sediment transport rate and the degree of turbulence

表4 不同模型的输沙量计算方程

Table 4 Sediment transport equations for different models

模型	方程
Bagnold模型^[22]	$q = C B ρ g u * 3 d D 12$
Kawamura模型^[23]	$q = C K ρ g u * - u * t u * + u * t 2$
Zingg模型^[24]	$q = C z d D 34 ρ g τ 0 ρ 32$
Lettau-Lettau模型^[25]	$q = C L d D 12 ρ g u * 2 u * - u * t$
Hsu模型^[26]	$q = C H u * g D 12 3$

表4 不同模型的输沙量计算方程

Table 4 Sediment transport equations for different models

模型	方程
Bagnold模型^[22]	$q = C B ρ g u * 3 d D 12$
Kawamura模型^[23]	$q = C K ρ g u * - u * t u * + u * t 2$
Zingg模型^[24]	$q = C z d D 34 ρ g τ 0 ρ 32$
Lettau-Lettau模型^[25]	$q = C L d D 12 ρ g u * 2 u * - u * t$
Hsu模型^[26]	$q = C H u * g D 12 3$

表5 5种模型预测值与实测结果对比

Table 5 Predicted values of five different models and measured results

	Bagnold模型^[22]		Kawamura模型^[23]		Zingg模型^[24]		Lettau-Lettau模型^[25]		Hsu模型^[26]
	R²	RMSE	R²	RMSE	R²	RMSE	R²	RMSE	R²	RMSE
非定向NFOC	0.6801	0.777	0.6793	0.760	0.6801	0.788	0.6825	0.770	0.6801	0.774
非定向MWAC	0.3711	0.264	0.3706	0.250	0.3711	0.273	0.3724	0.258	0.3711	0.261
BSNE	0.7278	0.733	0.7268	0.716	0.7278	0.743	0.7309	0.726	0.7278	0.730
定向MWAC	0.5615	0.155	0.5607	0.140	0.5615	0.165	0.5636	0.149	0.5615	0.153
定向NFOC	0.6899	0.667	0.689	0.650	0.6899	0.678	0.6925	0.660	0.6899	0.664

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