3类集沙仪野外测试对比

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

3类集沙仪野外测试对比

刘箴言^,¹, 常春平^,¹, 郭中领¹, 李继锋¹, 王仁德², 李庆², 黄亚鹏¹, 李旭¹, 刘珺¹, 苏振生³

1.河北师范大学资源与环境科学学院/河北省环境演变与生态建设省级重点实验室，河北石家庄 050024

2.河北省科学院地理科学研究所/河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，河北石家庄 050011

3.河北师范大学附属民族学院，河北石家庄 050091

A comparative study on field test of sand collectors

Liu Zhenyan^,¹, Chang Chunping^,¹, Guo Zhongling¹, Li Jifeng¹, Wang Rende², Li Qing², Huang Yapeng¹, Li Xu¹, Liu Jun¹, Su Zhensheng³

1.College of Resource and Environment Sciences / Hebei Key Laboratory of Environmental Change and Ecological Construction，Hebei Normal University，Shijiazhuang 050024，China

2.Institute of Geographical Sciences / Hebei Engineering Research Center for Geographic Information Application，Heibei Academy of Sciences，Shijiazhuang 050011，China

3.Affiliated Nationalities College of Hebei Normal University，Shijiazhuang 050091，China

通讯作者: 常春平（E-mail: ccp690708@hebtu.edu.cn）

收稿日期: 2020-02-11 修回日期: 2020-06-05 网络出版日期: 2020-12-09

基金资助:

国家自然科学基金项目.  41877066.  41901001
河北省自然科学基金项目.  D2018205192.  D2018205212
河北省普通高等学校青年拔尖人才项目.  BJ2016030

Received: 2020-02-11 Revised: 2020-06-05 Online: 2020-12-09

作者简介 About authors

刘箴言（1996－），男，河北石家庄人，硕士研究生，主要从事土壤风蚀研究E-mail:458465960@qq.com , E-mail：458465960@qq.com

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.

Keywords： wind erosion events ; sand collector ; sediment transport rate ; wind erosion model

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本文引用格式

刘箴言, 常春平, 郭中领, 李继锋, 王仁德, 李庆, 黄亚鹏, 李旭, 刘珺, 苏振生. 3类集沙仪野外测试对比. 中国沙漠[J], 2020, 40(6): 33-42 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00062

Liu Zhenyan, Chang Chunping, Guo Zhongling, Li Jifeng, Wang Rende, Li Qing, Huang Yapeng, Li Xu, Liu Jun, Su Zhensheng. A comparative study on field test of sand collectors. Journal of Desert Research[J], 2020, 40(6): 33-42 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2020.00062

0 引言

土壤风蚀是阻碍中国北方地区农牧业发展和生态环境改善的重要因素^［1］，在风蚀事件中精确估算物质输移量是科学认识风沙运动规律^［2］、验证土壤风蚀预测模型精度和客观评价风蚀控制措施的前提^［3］。目前，国内外学者已研制出各种类型的集沙仪，但风沙流精准定量观测仍然是一个迫切需要解决的问题，特别是野外条件下的精准测试尤为关键^［4］。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3类集沙仪是当前土壤风蚀研究中常用的观测仪器。NFOC集沙仪由北京师范大学自主研制^［5］，集沙有效高度为60 cm，由基座、盒体、集沙盒3部分组成，是对Bagnold设计的垂直长口型集沙仪的进一步改进，王仁德等^［6］在此基础上又增加了风向标，使盒体可以360°旋转，风洞试验结果表明NFOC集沙仪集沙效率为13%~70%。MWAC集沙仪是由Wilson 等^［7］研制的一种受天气因素限制较小、适宜进行长时间对跃移风蚀物精确测量的被动式集沙仪，可配置多个集沙单元，集沙单元由进沙管、集沙瓶和排气管组成；Kuntze等^［8］把集沙瓶固定在与地面垂直的桅杆上，安装风向标以确保进沙管面对风向。BSNE集沙仪是Fryrear^［9］研制的一种可以随风向摆动的集沙仪，共有4个集沙盒，进沙口宽度和高度分别是2 cm和5 cm。这3类集沙仪的集沙效率均在风洞内开展了相关测试，Goossens等^［10］研究表明，MWAC和BSNE集沙仪的集沙效率与风速和粒径密切相关，而NFOC集沙仪在风洞中的集沙效率没有表现出随风速变化的明显规律性。在风洞内，BSNE集沙仪的集沙效率是85%~95%，MWAC集沙仪的集沙效率44%~120%^［11］。由于风洞内风场稳定，下垫面单一，受边界层约束，而野外试验条件下风场变幅大，地表特征复杂，实际测试结果与风洞模拟结果存在巨大差异^［12］。因此，开展不同类型集沙仪的野外对比试验研究具有一定的必要性，在一定程度上能够揭示各类集沙仪的野外适应性^［13］。

本文选择康保县牧场地区东北部的一处农田地块，使用3种类型的集沙仪测试土壤风蚀活动，比较定向和非定向两种状态下同类集沙仪输沙率的差异，即集沙仪随风向转动是否对集沙性能有所提升，探究风速及湍流对输沙率的影响程度，确定该地区风蚀测定的最优集沙仪类型，并利用多种风蚀模型进一步检验集沙仪的适宜性。

1 试验区与方法

1.1　试验区概况

试验区域位于河北坝上地区康保县境内康保牧场所属的旱作农田（42°07'51"N、114°48'24"E），属于北方农牧交错带（图1A）。大陆性季风气候，1月平均气温约为-17.7 ℃，7月平均气温约为18.4 ℃，年干燥度达2.15，年均风速为2.99 m·s^-1，其中3—5月风力最大，月均风速达3.48 m·s^-1，相对湿度4.32；1—2 月和12月次之；9—11 月稍次；6—8 月风力最小。土地利用方式以耕地、草地、林地为主。该区域由于长期农田开垦和过度放牧，土壤风蚀严重，是中国北方土壤风蚀最严重地区之一，也是京津风沙源主要治理区。

图1

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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

1.2　试验仪器与方法

本试验所需的BSNE、MWAC以及NFOC集沙仪共计9台。整个试验地块大致呈西北-东南走向，西侧地势较高，地块南侧和西侧均为天然草地，东北侧为退耕灌木林地，在样地西北侧布设5道高约15 cm、直径100 m的圆弧形直立沙障，在沙障内侧紧贴地表铺设宽约8 m的防尘网，直立沙障和防尘网共同组成不可蚀边界（图1B）。在野外条件下，气流结构不稳定，不同时间段风蚀物输移量变化较大，为了保证不同集沙仪测试条件的一致性，在前期多次预试验基础上，把集沙仪并排布置在地块下风向160 m处可以确保风蚀物输移量达到饱和。各个集沙仪间距为1.5 m，BSNE集沙仪布设在其他两类集沙仪之间（仅1台），MWAC和NFOC集沙仪按定向和非定向两种方式布置。2台定向MWAC集沙仪通过固定其旋翼的方式使其不可转动；2台定向NFOC集沙仪通过三角架固定其底部，呈定向集沙状态；其余集沙仪均布设为非定向集沙状态，使用梯度风速仪进行风速和风向的实时监测，设置在距离不可蚀边界约100 m处地块中部，由太阳能电池板供给电源，布置仪器详见图1、表1。

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

MWAC，Modified Wilson and Cook； BSNE，Big Spring Number Eight； NFOC，New Flat Opening Collector

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在较高的风速条件下，MWAC和BSNE集沙单元内的滞压较高，粒径较小的颗粒物质对气流变化的惯性弱且响应时间较短，随着高度增加滞压效应明显，集沙单元入口易产生涡流使细小颗粒物难以进入^［14］。而NFOC集沙仪均匀分布有30个4 cm²进沙口，相邻两个集沙盒之间有间隔块分隔产生的间隙，后盖和顶盖上密布直径为0.5 cm的出风口，能够收集地表以上60 cm范围内所有的风蚀物，受粒径影响较小。本次野外试验所用集沙仪沿同一直线排列进行设置，为了保证各类型集沙仪测量和计算结果的一致性（BSNE集沙仪的最大集沙高度是40 cm），选取MWAC集沙仪10、25、50 cm高度上的集沙量及NFOC集沙仪0~40 cm高度的集沙量计算同等高度范围的输沙率^［15］。

1.3　重要参数计算

1.3.1　输沙率

本文的输沙率即40 cm高度内的单位面积输沙量。输沙率计算公式为：

Q_{z} = a e^{- b z}

（1）

式中：Q_z为进沙口高度为z的输沙率（g·cm^-2·min^-1）；z为进沙口距离地表的高度（m）；a和b为回归系数。0~40 cm每分钟的输沙率Q_0~40（g·cm^-2·min^-1）可用积分方法计算：

Q_{0 - 40} = \frac{\int_{40}^{0} a \cdot e^{- b z} \cdot d z}{40}

（2）

1.3.2　湍流度

风速是野外风蚀观测的基础，在评估风蚀事件的强度时，通常将平均风速代替瞬时风速来进行风况的研究^［16］。但野外实际情况下造成沙粒运动的风都是湍流形式的，风速变化频率、幅度和周期对输沙量均会产生较大影响^［17］，风速脉动强度是瞬时风速概率分布函数的标准差，可采用10 min时距的脉动风速标准差和平均风速之比来表示湍流的强弱^［18］，即为湍流度g。

\sqrt[]{\bar{u'^{2}}} = \sqrt[]{\frac{1}{n} {\sum_{i = 1}^{n} (u - \bar{u})}^{2}}

（3）

g = \frac{\sqrt[]{\bar{u'^{2}}}}{\bar{u}}

（4）

式中： $\sqrt[]{\bar{u'^{2}}}$ 为风速脉动强度；u为瞬时风速； $\bar{u}$ 为平均风速。

1.3.3　均方根误差

均方根误差可以用来衡量观测值同预测值之间的偏差：

σ = \sqrt[]{{\frac{1}{n} \sum_{i = 1}^{n} (x_{i} - x)}^{2}}

（5）

式中：x_i为观测值，x为预测值。

2 结果与分析

2.1　观测期间风因子状况

风因子参数计算采用2 m高度梯度风速仪60 s时距数据，风向观测精度为0.1°，5月12—15日对风蚀活动进行8次分时段观测。样地风多分布在WSW、W方位（图2），高频风向247.5°~270°，定向集沙仪的进沙口朝向设置为260°或270°，基本与主导风向一致。

图2

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图2 观测期间起沙风风向

Fig.2 Wind direction that causes erosion during observation process

采用最小二乘法确定了土壤表面空气动力学粗糙度^［19］，并对各时段摩阻风速进行了计算^［20-21］， 2019年5月12日3次试验平均风速达9.82 m·s^-1，摩阻风速（U_*）为0.461，空气动力学粗糙度（Z₀）较大，为0.039 mm，湍流度达0.11以上，属于高湍流强度范畴；5月13日2次试验观测的平均风速为8.75 m·s^-1，摩阻风速（U_*）和空气动力学粗糙度（Z₀）较低；5月15日观测的3次风蚀达到风蚀活动强度的峰值，平均风速达10.50 m·s^-1，湍流的变化幅度较大，而空气动力学粗糙度（Z₀）则为历次风蚀事件观测的最低值（表2）。

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

U为风速，U_*为摩阻风速，Z₀为空气动力学粗糙度，g为湍流度，W为风向，P为集沙仪进沙口方向，W、U、U_*、g以及Z₀均为相应实验时段内的平均值。

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湍流度的变化和空气动力学粗糙度（Z₀）相关性较强，说明地表特征是影响风的湍流结构变化的重要因素，且随着风蚀活动的发育，空气动力学粗糙度（Z₀）大致呈降低的趋势，表明风蚀初期地表覆盖物质较复杂，对风速的减弱作用较强，而在经历多次风蚀活动后地表较为平滑，抗侵蚀能力逐渐减弱。

2.2　集沙仪实测输沙率

2.2.1　同类集沙仪定向与非定向对比

由于NFOC及MWAC集沙仪均设置2台进行野外观测，因此需对相同设置方式的集沙仪分别进行输沙率的计算， 2台定向NFOC集沙仪之间输沙率的误差为4%，2台非定向NFOC集沙仪之间输沙率的误差为2%，定向和非定向MWAC集沙仪误差则分别为1%及4%，误差较小，因此选取各类型的集沙仪实测输沙率的平均值进行分析处理。

如表3所列，不同集沙仪输沙率差异较大。但是当所有高度上的集沙仪单元一起考虑时，定向集沙仪和非定向集沙仪输沙率仍具有很强的相关性（图3）。

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

BSNE，Big Spring Number Eight； NFOC，New Flat Opening Collector； MWAC，Modified Wilson and Cook。

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图3

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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

定向MWAC集沙仪和非定向MWAC集沙仪的输沙率也存在很强的相关性（R²=0.9651）；定向NFOC集沙仪和非定向NFOC集沙仪的输沙率呈显著的线性相关关系（R²=0.995）。

2.2.2　不同类集沙仪定向及非定向对比

由表3可以看出，无论定向或非定向状态，各时段NFOC和BSNE集沙仪的输沙率基本均高于MWAC集沙仪，这与集沙仪的进沙口面积密切相关，且MWAC集沙仪的旋翼设计也存在缺陷，旋翼材质较软使得集沙单元震动幅度大，影响正常集沙，同时集沙瓶的进沙管狭窄及进沙口面积小导致MWAC集沙仪输沙率偏低。

在定向状态下，NFOC集沙仪的输沙率为0.001~0.222 g·cm^-2·min^-1，而MWAC集沙仪的输沙率为0.001~0.080 g·cm^-2·min^-1；在非定向状态下，NFOC集沙仪的输沙率为0.002~0.259 g·cm^-2·min^-1，MWAC集沙仪的输沙率为0.001~0.086 g·cm^-2·min^-1，BSNE集沙仪的输沙率为0.001~0.240 g·cm^-2·min^-1。不同类集沙仪定向及非定向集沙的关系呈线性相关，非定向NFOC与MWAC集沙仪的输沙率显著相关，R²=0.9219；定向NFOC和MWAC集沙仪的输沙率相关性较非定向状态强，R²=9846。BSNE集沙仪与非定向MWAC、NFOC集沙仪的输沙率也呈显著相关关系，R²分别为0.9367和0.9715（图4）。

图4

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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

2.3　输沙率与空气动力学特征值关系

3种类型的集沙仪输沙率和平均风速之间呈现出一定的相关性（图5）。MWAC及NFOC集沙仪在非定向状态下与平均风速的相关系数分别为0.7722和0.6432；定向状态下相关系数分别是0.7029和0.6478。BSNE集沙仪与平均风速的相关系数为0.645。可见，NFOC集沙仪受摆放方式影响小，而MWAC集沙仪受到摆放方式的影响较大，MWAC集沙仪与风速的匹配关系要优于NFOC及BSNE集沙仪。

图5

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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

将平均风速和相应时段内湍流度进行拟合回归分析，相关性并不显著，说明在短时段风蚀事件的观测中平均风速和风的湍流结构之间相关性不强，湍流度对输沙率的影响甚微，而风的湍流结构更易受到地表覆盖状况的影响。

MWAC集沙仪输沙率与摩阻风速的相关性较强，满足y=0.5674x+0.4334（R²=0.6643）与y=0.5197x+0.4378（R²=0.5373）关系式；NFOC、BSNE集沙仪与摩阻风速也呈一定的相关关系，R²分别为0.4419、0.4371和0.4649（图6）。

图6

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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

在定向与非定向两种状态下，MWAC集沙仪输沙率相差2.25%~44.71%，NFOC集沙仪输沙率相差1.85%~26.01%。对MWAC集沙仪而言，主要是集沙过程中受到风的湍流影响，定向状态以及非定向状态下集沙仪输沙率的差值与湍流度之间呈显著的线性相关关系（图7），即湍流越强烈，非定向集沙仪的输沙率就越高于定向集沙仪。NFOC集沙仪受湍流结构的影响并不显著，这可能与集沙仪自身可旋转式固定座和集沙盒分体设计有关。

图7

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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

2.4　模型预测值与实测值对比

不同模型的输沙预测方程如表4所示，使用回归分析的方法将Bagnold模型、Kawamura模型、Zingg模型、Hsu模型、lettau-lettau模型^［22-26］的预测值和不同集沙仪的实测输沙通量值对比，拟合结果详见表5。

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]	$q = C_{B} (\frac{ρ}{g}) u_{*}^{3} {(\frac{d}{D})}^{\frac{1}{2}}$
Kawamura模型^[23]	$q = C_{K} (\frac{ρ}{g}) (u_{} - u_{ t}) {(u_{} + u_{ t})}^{2}$
Zingg模型^[24]	$q = C_{z} {(\frac{d}{D})}^{\frac{3}{4}} \frac{ρ}{g} {(\frac{τ_{0}}{ρ})}^{\frac{3}{2}}$
Lettau-Lettau模型^[25]	$q = C_{L} {(\frac{d}{D})}^{\frac{1}{2}} (\frac{ρ}{g}) u_{}^{2} (u_{} - u_{* t})$
Hsu模型^[26]	$q = C_{H} {(\frac{u_{*}}{{(g D)}^{\frac{1}{2}}})}^{3}$

q为最大输沙通量（kg·m^-1·s^-1）；ρ为空气密度（1.29 kg·m^-3）；g为重力加速度（9.8 m·s^-1）；d为平均粒径；D为粒径参数（0.25 mm）；u_*为摩阻风速（m·s^-1）；u_*t为起动摩阻风速（m·s^-1）；C_B、C_K、C_Z、C_L、C_H为经验系数。牧场地区的土壤平均粒径d为0.224 mm，起动摩阻风速u_*t为0.1967 m·s^-1。

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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

拟合为y=ax+b正态回归，其中a为最小二乘法的斜率，b为y轴截距；采用R²和RMSE（均方根误差）来检查拟合的结果，均方根误差是用来衡量观测值同预测值之间偏差的一项指标。NFOC，New Flat Opening Collector； MWAC，Modified Wilson and Cook; BSNE，Big Spring Number Eight。

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模型的预测值与定向状态下的集沙仪实测值更为接近，Lettau-Lettau模型的R²值最高，与各个类型集沙仪的实测值拟合最优，在考虑RMSE的情况下^［27］，Kawamura模型与各集沙仪的均方根误差最低，表明与实测值偏差最小，离散程度也最小。

3 结论

各类集沙仪输沙率差异显著，但同类集沙仪定向及非定向状态的输沙率具有很强的相关性，MWAC集沙仪的输沙率显著相关，满足关系式y=0.9647x-0.0038（R²=0.9651）；NFOC集沙仪的输沙率相关性显著，关系式为y=0.8937x-0.0014（R²=0.995）。在定向集沙状态下，NFOC集沙仪与MWAC集沙仪输沙率的相关性更显著，满足y=0.3377x+0.0053关系式（R²=0.9846）；非定向集沙状态下二者的相关性关系式为y=0.2982x+0.0103（R²=0.9219）。

定向状态的集沙仪的输沙率明显低于非定向状态集沙仪，若不考虑集沙仪摆放情况，各时段内NFOC和BSNE集沙仪的输沙率均高于MWAC集沙仪，BSNE集沙仪的输沙率略低于NFOC集沙仪，这可能是BSNE集沙仪随着集沙高度增加对小粒径的颗粒物收集效率降低造成的，二者野外实测输沙效率也较为接近，但仍需大量的实测数据进一步验证。MWAC集沙仪的输沙率较低，可能不适用于单次风蚀事件的观测，对MWAC集沙仪而言，扩大其进沙口面积和收容瓶体积是提高其短期风蚀事件中收集效率的一项有效改进方法。

3类集沙仪与平均风速及摩阻风速呈线性相关关系，并且MWAC集沙仪与平均风速以及摩阻风速的相关性要优于NFOC集沙仪以及BSNE集沙仪，说明MWAC集沙仪可能更适用于在野外观测，因为在野外环境中，气流不稳定，集沙仪会随着实际风向变化而不断摆动或震动，湍流对输沙率影响效果显著，湍流度与MWAC集沙仪的输沙率差值呈显著正相关关系。

集沙仪实测值与各种模型预测值差异较大，对比结果表明Kawamura模型相对较准确地反映该地区风蚀状况，但仍需要大量的实测结果进行进一步校正。非定向集沙仪的实测值要高于定向集沙仪的实测值，但定向集沙仪测试结果与模型预测的相关性更显著，这是由于试验期间风向变动小，采用定向集沙仪能更准确地反映风蚀事件，也说明不同模型均有一定的适应条件，选取适宜的模型才能更准确预测区域土壤风蚀。

参考文献

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被引期刊影响因子

[1]

张春来，宋长青，王振亭，等.

土壤风蚀过程研究回顾与展望

［J］.地球科学进展，2018，33（1）：27-41.