山地丘陵區(qū)坡式梯田土地整治工程量快速測算方法

王金滿 ，白中科，宿梅雙

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）土地科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2.國土資源部土地整治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100035；3.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085）

梯田是在山區(qū)、丘陵區(qū)的坡地上沿等高線修成臺階式或坡式斷面的耕地。梯田可以改變地形坡度,攔蓄雨水,增加土壤水分,防治水土流失,達(dá)到保水、保土、保肥目的,對于改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件,促進(jìn)糧食生產(chǎn)的穩(wěn)步發(fā)展以及綜合治理與開發(fā)有著顯著的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益?！吨腥A人民共和國水土保持法》規(guī)定,25°以下的坡地一般可修成梯田種植農(nóng)作物,25°以上的則應(yīng)退耕種樹種草。梯田按斷面形式可分為階臺式梯田和波浪式梯田,其中階臺式梯田又分為水平梯田、坡式梯田等[1]。

土地整治是實(shí)現(xiàn)耕地總量動態(tài)平衡的有效措施,也是提高土地質(zhì)量、促進(jìn)土地集約化利用和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要手段,其對促進(jìn)農(nóng)村現(xiàn)代化建設(shè)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的意義。土地整治中土地平整土方量的大小與土地平整的投資直接相關(guān)[2]。由于坡改水平梯田的土方平整量較大,受到投資水平的限制,很多丘陵區(qū)土地整治項(xiàng)目的坡地都進(jìn)行降坡設(shè)計(jì),整理成坡式梯田。在丘陵地區(qū),由于地形起伏,土方量的測算比較困難[3]。當(dāng)前一些學(xué)者對水平梯田土方量的測算方法開展了一定的研究,劉寧等[4]應(yīng)用數(shù)字高程模型（DEM）原理,結(jié)合GIS軟件提出了測算丘陵區(qū)水平梯田土方量的方法；金曉斌[5-8]等也對“3S”技術(shù)在土地平整中的應(yīng)用進(jìn)行了探討；《水土保持綜合治理技術(shù)規(guī)范坡耕地治理技術(shù)》[9]中給出了坡改水平梯田的測算方法和測算公式,但是對坡式梯田沒有做出規(guī)定。準(zhǔn)確快速地測算土方量對開展規(guī)劃設(shè)計(jì)、控制總投資及分配資金具有重要意義。測算坡式梯田土方量的方法不盡相同,當(dāng)前土地整治工程中的坡式梯田土方量的測算方法有縱斷面法、典型田塊法和直接量算法[10]。這些方法測算復(fù)雜、精度差,且具有一定的局限性。因此,丘陵區(qū)土地整治項(xiàng)目坡式梯田需要一種具有廣泛用戶基礎(chǔ)、操作簡單、能充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源且測算結(jié)果精度較高的土方量測算軟件與方法。

由于以往的測算方法針對坡式梯田土方量的較少,所以本文根據(jù)土地整治規(guī)劃設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)圖件特點(diǎn),以湖北省陽新縣三溪鎮(zhèn)低丘崗地改造項(xiàng)目為例,應(yīng)用數(shù)字高程模型（DEM）原理,結(jié)合GIS軟件的統(tǒng)計(jì)功能,提出快速而準(zhǔn)確測算丘陵區(qū)土地整治項(xiàng)目坡式梯田土方量的方法,為丘陵區(qū)土地整治工程坡式梯田土方量測算提供借鑒與參考。

1 研究區(qū)域概況

圖1 湖北省陽新縣三溪鎮(zhèn)低丘崗地改造項(xiàng)目新街片規(guī)劃圖Fig.1 Xinjie area plan of land consolidation project in Sanxi town, Yangxin County, Hubei Province

圖2 坡式梯田斷面設(shè)計(jì)圖Fig.2 Section design of sloped terrace

本文選擇湖北省陽新縣三溪等兩個(gè)鎮(zhèn)低丘崗地改造項(xiàng)目新街片為例（圖1）,介紹采用本方法進(jìn)行土方量測算步驟。項(xiàng)目區(qū)新街片位于東經(jīng)115°48′22″—115°49′13″,北緯29°50′34″—29°50′57″,建設(shè)規(guī)模36.22 hm2。整理區(qū)地貌低丘崗地特征明顯,內(nèi)地勢起伏較大,大部分在10°—15°,最高、最低高程分別為75.27 m和31.56 m。項(xiàng)目區(qū)總共有4個(gè)區(qū)域需要進(jìn)行坡改梯工程,面積分別為2.61 hm2、12.02 hm2、1.21 hm2和4.74 hm2。

2 坡式梯田土方平整量測算原理

2.1 坡式梯田斷面設(shè)計(jì)要素

坡式梯田斷面要素主要包括原地面坡度、降坡后地面坡度、田坎高度、田坎外坡度、田面凈寬、田面毛寬、田坎占地寬度和田面斜寬[11-12]。典型坡式梯田斷面圖如圖2。

2.2 坡式梯田土方量測算

（1）坡式梯田土方量測算原理

根據(jù)坡式梯田斷面設(shè)計(jì)圖,坡式梯田的控方量與填方量相等,且可以結(jié)合施工工藝實(shí)現(xiàn)邊控邊填,因此其總的土方量等于控方量或填方量。本文以坡式梯田填方量來說明坡式梯田土方測算過程,單位面積（1 hm2）坡式梯田填方量可采用式1計(jì)算：

式1中,V填為單位面積坡式梯田填方量（m3）；SOAC為三角形?OAC的斷面面積（m2）；L為單位面積梯田的長度（m）。

（2）三角形?OAC的斷面面積

（3）1 hm2梯田的長度L

（4）臺面高差H′與田坎高度H的關(guān)系

（5）坡式梯田填方量測算公式推導(dǎo)[11]

通過式5可以得出,坡式梯田填方量大小和田坎坡度（α）、原地面坡度（θ）、降坡后地面坡度（β）、田坎高度（H）和臺面高度（H′）密切相關(guān),只要確定了α、 β和H（或θ、 β和H′）3個(gè)坡式梯田斷面參數(shù)就可確定坡式梯田土方平整量。在土壤特性等因素確定的條件下,地面坡度是確定參數(shù)α、 β和H的關(guān)鍵因素。因此,只要確定了整理區(qū)坡度的分布情況,坡式梯田填方量的計(jì)算就容易了。

3 基于GIS的坡式梯田土方平整量快速測算方法

GIS具有坡度統(tǒng)計(jì)功能,這為利用GIS進(jìn)行坡式梯田土方量計(jì)算提供了可行性,應(yīng)用GIS技術(shù)測算土方量是GIS軟件空間分析功能的體現(xiàn)。應(yīng)用GIS 軟件測算土方量需要項(xiàng)目區(qū)的等高線、高程點(diǎn)等高程數(shù)據(jù),一般項(xiàng)目區(qū)都具有最新測量的數(shù)字化地形圖,為GIS軟件的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文運(yùn)用MAPGIS快速測算坡式梯田土方量基本步驟如圖3。

4 測算實(shí)例

4.1 測算結(jié)果

根據(jù)提出的運(yùn)用MAPGIS快速測算坡式梯田土方量基本步驟,借助MAPGIS對湖北省陽新縣三溪等二個(gè)鎮(zhèn)低丘崗地改造項(xiàng)目新街片進(jìn)行坡度分區(qū)（圖4）,并對不同坡度范圍的坡地進(jìn)行降坡設(shè)計(jì)（表1）,然后帶入坡式梯田土方平整量測算公式,快速測算土地平整量并進(jìn)行匯總（表1）,本方法用時(shí)時(shí)間較短,完成整個(gè)計(jì)算只需要1個(gè)小時(shí),快速簡單。

4.2 對比分析

本文選用了借助AutoCAD軟件進(jìn)行人工判讀確定坡度的方法與此方法進(jìn)行比較,不同整理區(qū)坡度與土方量計(jì)算見表1。在同一臺計(jì)算上完成坡度分區(qū)與土方計(jì)算人工判讀的方法共花費(fèi)了5個(gè)小時(shí),耗費(fèi)時(shí)間較長。兩種方法除在部分較小的坡度面積上存在一定的差異外,其他坡度面積差異較小,4個(gè)土地平整區(qū)總土方量除A區(qū)兩種計(jì)算方法相差9.6%外,其他三區(qū)兩種方法都在3%以內(nèi)。說明本方法精度較高,具有一定的可行性。

圖3 坡式梯田土方平整量快速測算流程Fig.3 Fast estimation process of sloped terrace earthwork

圖4 整理區(qū)域坡度分區(qū)圖Fig.4 Slope map of land leveling area

表1 坡式梯田土方平整量測算表Tab.1 Earthwork calculation of sloping terrace land leveling

5 結(jié)論與討論

本文提出了針對山地丘陵地區(qū)梯田土方量測算的一種新方法,并將此種方法應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目區(qū),通過研究得出以下結(jié)論：

（1）坡式梯田土方量大小和田坎坡度（α）、原地面坡度（θ）、降坡后地面坡度（β）、田坎高度（H）和臺面高度（H′）密切相關(guān),只要確定了α、 β和H（或θ、 β和H′）三個(gè)坡式梯田斷面參數(shù)就可確定坡式梯田土方平整量,利用GIS進(jìn)行坡式梯田土方量測算具有可行性。

（2）本文提出的測算土方量方法原理清楚、測算速度便捷；只需運(yùn)用GIS統(tǒng)計(jì)獲得整理區(qū)不同坡度分區(qū)的面積,就可依據(jù)坡式梯田斷面要素（田坎高度、田坎坡度和降坡后田面坡度）快速測算不同坡度范圍的土地平整量,大大減小了土方量測算的工作量。

（3）該方法具有簡便、快捷的特點(diǎn),具有較強(qiáng)的實(shí)用性,可為丘陵區(qū)坡式梯田土地平整工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供快速的技術(shù)依據(jù)。

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