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AZ-WS101风水复合侵蚀观测系统

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1  引言
侵蚀导致土地退化,引发和加剧灾害,并引发一系列环境问题,研究并治理是保护土地资源的需要,也是经济和社会可持续发展的基本保障。据最新的全国水土流失面积普查结果,目前我国水土流失面积已达356万km2(水蚀面积165km2,风蚀面积191km2),其中“水蚀风蚀交错区”面积为26万km2,成为当前土壤侵蚀防治和荒漠化治理的重点和难点所在。
长期以来,风蚀和水蚀研究相互独立,相关研究主要集中在水蚀的可蚀性和风蚀的风蚀度上,对风水复合侵蚀的研究很少。而风水复合侵蚀作用下土壤的可蚀性是认识风水复合侵蚀机理的一个重要环节。因此,定量化研究风水复合侵蚀条件下的土壤可蚀性及其过程和机理,建立基于模拟实验数据的侵蚀模型以及完善基于野外实时观测数据的拟合过程将成为今后的重要研究方向。
2  观测系统设计
2.1 目标
AZ-WS101风水复合侵蚀观测系统着重于从风水复合侵蚀的外营力、影响因素和结果等角度统一考虑,通过风速和风蚀量的实时监测、降雨-径流-土壤侵蚀过程中不同时空点处降雨等级、径流流量和流速、泥沙含量的实时获取以及风蚀、水蚀后地貌特征变化的精确测量,研究和评价地表风水侵蚀的状况及其影响因素。主要用于研究草地、农田、坡地、流域以及荒漠等生态系统类型的风蚀、水蚀和风水蚀复合侵蚀作用机理、过程及其发展规律,为风蚀、水蚀模拟-预报模型的建立与检验提供必要的数据支撑,为水土保持和生态建设提供科学依据。


                    
2.2 系统组成和技术指标
AZ-WS101风水复合侵蚀观测系统由外营力、侵蚀影响因子、样品收集、样品分析、侵蚀结果等观测单元组成。

侵蚀外营力
激光雨滴谱仪:土壤侵蚀不仅与降雨量相关,还受降雨强度的影响。激光雨滴谱仪用于监测区分下落中的毛毛雨、大雨、冰雹、雪花、雪球以及各种介于雪花和冰雹之间的降水,计算各种降雨类型的强度、总量、能见度,并且进行必要的分析,绘出雨滴谱图。
降雨粒径0.16~8 mm,粒子速度0.2~20 m/s, 最小测量强度0.005 mm/h 毛毛雨,最大测量强度250 mm/h,雨中能见度:MOR 0 – 99.999m,粒子等级440种(22种直径x 20种速度);

降雨模拟器:2-6个降水喷头可选,2.5m安装高度可实现有效降雨面积1.5×4.5m,标准降水调节强度10mm/h~100mm/h
 WMO标准气象站:完整的气象监测系统,采集方式和数据存储符合WMO世界气象组织和《中国气象局地面气象监测规范》要求。既可作为森林、农田等小气候监测,也可以作为地面气象观测系统。
侵蚀影响因子
 饱和导水率测量系统:通过实验室方法,测量原状土样的饱和导水率。
测量范围:0.01cm/d~5000cm/d
测量精度:2%
样品体积:250ml
样品收集
 风蚀沉淀物测量范围0-1200g,精度0.1g;自动风向控制和自动沉淀物收集器;RAM内存容量:5min时间间隔,可连续监测80天。
 水蚀流量:测量分别为1升和3升;侵蚀样品收集装置:24个样品瓶,体积1L;数据采集器可以控制采样瓶的采样阶段与采样顺位等。
 
样品分析
 激光粒度仪:用于分析收集物颗粒的粒径分布及形态因子。
粒度大小范围 0.1-2000μm;粒形大小范围 2-3600μm
侵蚀结果
3D激光地貌仪:用于分析侵蚀前后地貌变化
最长测量时间2.5小时(面积1m2,步长5mm时);激光测距器分辨率±1mm,X、Y、Z轴分辨率±2mm;不受被测物颜色和空气温度的影响;可在海拔0-3000m测量;数据以txt格式保存,易于做出三维图形。
 
3  观测内容
3.1 风水复合侵蚀外营力观测
应用WMO气象站监测侵蚀地点常规气象因子,如风速、风向、空气温湿度、土壤水分、太阳总辐射、地面净辐射等;应用激光雨滴谱仪监测降雨形态,降雨强度、雨滴谱分布等;必要时可用模拟降雨器模拟各种强度的自然降雨。并测量土壤的饱和与非饱和导水率,全面监测风水复合侵蚀发生时的各种背景资料。
3.2 风水复合侵蚀样品收集
风蚀收集器的称重间隔通常设置为5min,量程1200g,需定期带走收集器中的土壤颗粒用于后期分析。可根据现场情况,在不同高度设置多个风沙收集器。
对于水蚀收集系统,应根据监测地点降雨情况,设置合理的样品采集与排出的比例。此外,通常还需要准备24个备用采样瓶,以便在采样瓶满后及时更换。
3.3 风水复合侵蚀结果观测
激光粒度仪可测量径流泥沙样品和风蚀积沙样品的粒径分布和形状因子,用于分析不同粒径粒型颗粒的迁移和沉积特征,破面及沟谷水力土壤侵蚀公式的计算等,为分析侵蚀影响因素提供依据。3D激光地貌分析仪可测量自然条件下风蚀、水蚀和降雨模拟器模拟试验条件下水蚀后的地貌,其结果即可作为侵蚀结果,也可作为遥感影像判读的地面样点数据。
4   应用案例
4.1 风蚀和水蚀测量单元用于海拉尔地区研究草原退化
呼伦贝尔草原是我国现今保存最为完好的草原之一,近年来,由于各种经济利益的驱使和自然条件的退化,目前该地区草原退化现象严重,部分地区甚至有沙漠化的危险。诸种导致草原生态系统退化的原因中,风蚀和水蚀的作用占据了主导地位。因此,对于风蚀和水蚀作用对草原退化的影响的研究成为当地生态系统退化与修复研究的重要课题。
中国环科院区域生态所将风蚀和水蚀测量单元安装于侵蚀区域,监测草原退化的风水外营力。


 

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