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土壤风蚀测试系统

发表时间：2021/5/10 来源：《基层建设》2021年第1期作者：赵芳

[导读] 摘要：土壤风蚀导致土地沙漠化的进程，严重威胁着人类赖以生存的生活环境，为了保护环境做好防风治沙工作，利用可移动式风蚀风洞对土壤风蚀进行研究，设计采用虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI为开发平台，面板包括的内容有风速测定和输沙量测定等，系统集风速采集、运算和分析于一体，提升了土壤风蚀研究的自动化程度。

        内蒙古建筑职业技术学院呼和浩特 010070
        摘要：土壤风蚀导致土地沙漠化的进程，严重威胁着人类赖以生存的生活环境，为了保护环境做好防风治沙工作，利用可移动式风蚀风洞对土壤风蚀进行研究，设计采用虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI为开发平台，面板包括的内容有风速测定和输沙量测定等，系统集风速采集、运算和分析于一体，提升了土壤风蚀研究的自动化程度。
        关键词：土壤风蚀；LabWindows/CVI；风速；输沙量
        0引言
        在我国干旱半干旱地区范围较广，约占全国总面积的一半以上，受气候等因素的影响，土壤风蚀呈现一定的规律性，如北方地区受季节影响较大，冬季春季较强，夏秋季较弱，符合降水量年分布规律。土壤风蚀主要是外力即风作用于地表而引起的尘土和沙石的飞扬、跳跃和滚动的过程，对农作物有一定的影响，同时也加快了土地沙漠化的进程。本文对土壤风蚀的研究主要是利用风洞实验，对样本采取模拟自然风吹，分析实验前后土壤风蚀的变化，从而估算风蚀量，对研究北方地区土壤风蚀的变化及防风治沙有重要意义。
        本研究选用的是内蒙古农业大学自行研制的0FDY-1.2型可移动式风蚀风洞，该风洞既可在室内也可在野外真实地表模拟风吹，通过模拟气流流过实物的流态，评价不同地区地表土壤抗风蚀的能力。
        1系统硬件的组成
        1.1风洞
        风洞采用内蒙古农业大学自行研制的0FDY-1.2型可移动式风蚀风洞，风洞由风机段、收缩段、实验段、蜂窝器、平行棒栅、阻尼网等构成，风洞截面高1.2m，宽1.0m，实验段长度是7.2m，风速范围是0～20m/s。
        1.2传感器
        选用上海贵谷仪表设备有限公司生产的AST-1型标准皮托管，皮托管呈直角，主要任务是感受风洞内气流的总压和静压。
        1.3气压差变送器
        选用南京高华科技有限公司生产的MB500型气压差变送器，其功能是接受传感器中的压力信号，并将其转变为电信号。
        1.4数据采集卡
        选用美国NI公司生产的PCI-MIO-16E-4型，主要任务是完成计算机与外部事物的连接。气压差变送器将电信号放大传输给数据采集卡，从而实现A/D转换。
        2测试系统的设计
        2.1风速检测系统
        采用虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI为开发平台，利用系统提供的C语言编写程序，实现实时数据采集。面板设计的内容包括测试环境（标准大气压和环境温度）、采样时间、风速值的测定及数据存储等。数据采集采用NI-DAQ中的Easy I/O for DAQ函数实现。
        2.2输沙量
        土地沙化和沙尘暴的主要原因是土壤风蚀导致的，它不仅对农业产生影响，还对我们赖以生存的环境造成严重影响，如空气污染等，北方地区尤显突出，主要是半干旱农牧交错的特殊环境，风洞实验的目的是分析不同地表土壤风蚀的变化，从而更好地进行防风治沙和保护环境。

        图1 净风条件下风速与输沙量面板设计
        输沙量分为净风和挟沙风两种情况。净风是由纯净气流产生的风，也就是在实验中风机转动所产生的风。首先，对马铃薯翻地土样在风洞实验段以不同的风速分别吹蚀10分钟，用集沙仪收集不同高度的输沙量；其次，对莜麦残茬地表、草谷子残茬地表和油菜残茬地表也进行同样的试验，得出输沙量与风速的变化符合指数规律。即：

        其中，Z——输沙量，g；
        V——高度Z处的风速，m/s；
        a、b——回归系数。
        在虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI设计的面板中，需创建控件：平均风速、输沙量、系数a、系数b和绘图控件等，并设置控件属性，编辑生成的源代码，其中用到拟合子程序CalculateFit（）代码。并用PlotXY绘制曲线图，即输沙量随风速变化的曲线图。
        挟沙风主要是指有气流流过且携带沙粒磨蚀地表。在风洞实验中，地表要同时受到风与沙的作用，如果风力较强时，地表层中的沙粒会随着气流的运动而迁移，即引发风沙流。通过实验发现，在挟沙风条件下，由于地表土壤受到风的剪切力，使贴地运动的沙粒磨蚀地表，而且蠕动沙粒的数量和速度与风速符合乘幂关系，即风速越大，输沙量也越大。函数关系式为：

        软件设计的过程中，用到拟合子程序PolynomialFit（）及LinFit（f，s，6，z，&xa，&xb，&my）函数，其中，LinFit（）函数中的系数分别表示风速值、输沙量、样本点数、最佳拟合指数、拟合系数、均方误差。再利用PlotXY绘制曲线图，即输沙量与风速之间的关系曲线图。

        图2 挟沙风条件下风速与输沙量面板设计
        3结论
        1）利用风洞实验测得的距地表高度分别为5 cm、10 cm、20 cm和39.8 cm的不同高度的风速值与QDF-3型热球式风速仪测得的风速值进行比较，数值较为准确，操作方便，且具有数据存储功能，较热球式风速仪更为便捷。
        表1 风速测试软件实测的风速值

表2 QDF-3型热球式电风速计实测的风速值

        2）输沙量测试系统较传统的手工测试更为简单，由于采用虚拟仪器编程语言设计用户界面，用户易于掌握，操作简便，从而提升了土壤风蚀研究的自动化程度。
        参考文献：
        [1] 刘君华.虚拟仪器编程语言LabWindows/CVI教程[M].北京：电子工业出版社，2001.
        [2] 赵庆海.测试技术与工程应用[M].北京：化学工业出版社，2005.
        作者简介：赵芳（1980-），女，内蒙古呼和浩特人，内蒙古建筑职业技术学院，讲师，（E-mail）zhaoxiaofang80@126.com。