丘陵地區(qū)土地平整工程設(shè)計(jì)方案優(yōu)化研究

作者簡(jiǎn)介：許琴（1985-），女，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槿蛲恋鼐C合整治、生態(tài)修復(fù)、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、土地開(kāi)發(fā)與規(guī)劃等。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.024

摘? 要：針對(duì)丘陵地區(qū)土地平整工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，建立優(yōu)化模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，確定項(xiàng)目區(qū)的地形特征、土壤特性和水文地質(zhì)條件，選取緩丘地區(qū)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)田塊設(shè)計(jì)、土方計(jì)算和土方調(diào)配等步驟，實(shí)現(xiàn)土地平整工程的設(shè)計(jì)優(yōu)化。研究表明，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案在保證土方平衡的同時(shí)，總土方量減少約9.37%，并得到最優(yōu)土方調(diào)配路徑，為土地整治提供科學(xué)依據(jù)和決策支持。

關(guān)鍵詞：丘陵地區(qū)；土地平整工程；數(shù)字高程模型；優(yōu)化模型；設(shè)計(jì)方案

中圖分類(lèi)號(hào)：S281? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）15-0108-04

Abstract： Aiming at the design problem of land leveling engineering in hilly area， the optimization model and basic database are established， the topographic characteristics， soil characteristics and hydrogeological conditions of the project area are determined， and the gentle hilly area is selected for optimization. The design optimization of land formation engineering is realized through the steps of field design， earthwork calculation and earthwork allocation. The research shows that the optimized design scheme not only ensures the earthwork balance， but also reduces The total earthwork volume by about 9.37%， and obtains the optimal earthwork allocation path， which provides a scientific basis and decision support for land regulation.

Keywords： hilly area; land formation engineering; digital elevation model; optimization model; design scheme

丘陵地區(qū)作為我國(guó)廣泛分布的重要農(nóng)業(yè)區(qū)域，其土地資源分散零碎，農(nóng)田抗災(zāi)能力相對(duì)較弱，成為制約農(nóng)業(yè)與農(nóng)村現(xiàn)代化發(fā)展的瓶頸和難題。為實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，助力農(nóng)村經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，丘陵地區(qū)的土地整治顯得尤為緊迫[1]。當(dāng)前，土地整治的關(guān)鍵在于如何科學(xué)有效地進(jìn)行土地平整工程設(shè)計(jì)，以?xún)?yōu)化土地利用結(jié)構(gòu)，提升土地資源的綜合利用效益[2]。因此，通過(guò)基于數(shù)字高程模型的優(yōu)化研究，結(jié)合數(shù)學(xué)規(guī)劃原理，探索丘陵地區(qū)土地平整工程設(shè)計(jì)的最佳方案，成為解決丘陵地區(qū)土地整治難題的重要途徑。

1? 丘陵地區(qū)土地特性分析

1.1? 地形特征

丘陵地區(qū)的地形特征表現(xiàn)為連綿起伏的低矮山丘，地勢(shì)復(fù)雜多變。其相對(duì)高度一般不超過(guò)200 m，坡度逐漸變化，但整體趨于緩和，大多數(shù)地段的坡度保持在25°以下[3]。這種地形特點(diǎn)使得丘陵地區(qū)形成了起伏的自然地理單元，丘陵山脊和谷地的交替變化呈現(xiàn)豐富的地貌景觀。

1.2? 水文地質(zhì)條件

丘陵地區(qū)的水文地質(zhì)條件是土地平整工程設(shè)計(jì)中不可忽視的重要因素。地下水位的分布和變化直接影響土壤的穩(wěn)定性和農(nóng)作物的生長(zhǎng)。在丘陵地形中，地下水位常常具有較大的空間變異性，受到地形起伏和降雨等因素的影響較為顯著[4]。丘陵地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖石的滲透性和含水層的分布也呈現(xiàn)出多樣性。

2? 實(shí)例分析

2.1? 選取某省丘陵地區(qū)的一塊緩丘地作為研究區(qū)域

為了解其地形、土壤特性以及水文地質(zhì)條件，選擇相對(duì)高度小于30 m且坡度小于25°的緩丘地區(qū)作為研究區(qū)域。該地區(qū)地勢(shì)較為平緩，相對(duì)高度范圍在0～30 m之間，坡度在0～25°之間，表1為研究區(qū)域的土壤特性測(cè)試結(jié)果。

通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)的分析，可以得出在研究區(qū)域內(nèi)，土壤呈現(xiàn)出不同的質(zhì)地和養(yǎng)分含量。砂壤土的含水量相對(duì)較低，但有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，有利于作物生長(zhǎng)。壤土的含水量適中，養(yǎng)分含量均衡，是較為理想的農(nóng)業(yè)土壤類(lèi)型。

2.2? 優(yōu)化模型的建立

在丘陵地區(qū)土地平整工程設(shè)計(jì)中，建立優(yōu)化模型，如圖1所示。在建立模型時(shí)，需要考慮到耕作田塊規(guī)模、田塊設(shè)計(jì)高程、土方平衡和土方最優(yōu)調(diào)配路徑等因素，通過(guò)對(duì)這些因素的合理權(quán)衡和優(yōu)化，得到一個(gè)滿足設(shè)計(jì)要求的土地平整方案。模型求解過(guò)程中，需要綜合考慮各種約束條件，如渠道設(shè)計(jì)坡度、耕作田塊間高差限制等，確保最終的設(shè)計(jì)方案符合實(shí)際情況。

圖1丘陵地區(qū)土地平整優(yōu)化模型

2.2? 模型優(yōu)化的思路及目標(biāo)

在丘陵地區(qū)土地平整工程設(shè)計(jì)中，選擇適宜的優(yōu)化方法至關(guān)重要?？紤]到丘陵地區(qū)地形復(fù)雜、土壤異質(zhì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)規(guī)劃、地理信息系統(tǒng)（GIS）和數(shù)字高程模型（DEM）等方法是一個(gè)行之有效的選擇[5]。數(shù)學(xué)規(guī)劃能夠精確計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)，如田塊設(shè)計(jì)高程和土方調(diào)配方案，提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，GIS技術(shù)能夠提供精準(zhǔn)的地形信息，DEM則為設(shè)計(jì)提供了高分辨率的地形數(shù)據(jù)，為模型的準(zhǔn)確性提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，如圖2所示。

（a）? 二維模型? ? ? ? ? ? ? ? （b）? 三維模型

圖2研究區(qū)域土地平整優(yōu)化模型DEM

確定合適的優(yōu)化目標(biāo)及權(quán)重分配是丘陵地區(qū)土地平整工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先，需要明確設(shè)計(jì)的總體目標(biāo)，如保證耕作田塊之間的高差控制在合理范圍內(nèi)、實(shí)現(xiàn)土方量的平衡等。隨后，根據(jù)實(shí)際情況和設(shè)計(jì)要求，為每個(gè)優(yōu)化目標(biāo)分配相應(yīng)的權(quán)重，以反映其在設(shè)計(jì)中的相對(duì)重要程度。例如，在丘陵地區(qū)的設(shè)計(jì)中，可能會(huì)將高差控制和土方平衡等目標(biāo)賦予較高的權(quán)重，以保證農(nóng)田的排灌順暢和土地資源的充分利用。通過(guò)科學(xué)合理地確定優(yōu)化目標(biāo)和權(quán)重分配，可以在設(shè)計(jì)中更加準(zhǔn)確地反映實(shí)際需求，為最終的土地平整方案提供可靠的指導(dǎo)。

2.3? 田塊設(shè)計(jì)

田塊設(shè)計(jì)在丘陵地區(qū)土地平整工程中起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)科學(xué)合理地規(guī)劃田塊，可以有效提高土地利用效率，優(yōu)化灌溉排水系統(tǒng)，降低土地平整工程的成本，同時(shí)也為作物的生長(zhǎng)提供了良好的條件。

1）根據(jù)地形特征和土壤性質(zhì)，合理劃分土地。在丘陵地區(qū)，地形起伏較大，因此需要根據(jù)地勢(shì)高低，避免在高處形成積水，避免在低洼地形成滯水區(qū)，以保證農(nóng)作物生長(zhǎng)的良好條件。此外，還需要考慮土壤質(zhì)地和養(yǎng)分含量的差異，合理分配作物的種植面積，從而最大程度地發(fā)揮土地的生產(chǎn)潛力。

2）田塊設(shè)計(jì)需要考慮灌溉排水系統(tǒng)的布局。丘陵地區(qū)的灌溉排水系統(tǒng)是土地平整工程設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)地形特征，確定灌溉渠道的走向和位置，保證水資源的合理利用，避免水資源浪費(fèi)和灌溉不足的情況發(fā)生。同時(shí)，還需要設(shè)置合適的排水系統(tǒng)，確保在降雨過(guò)程中及時(shí)排除多余的積水，防止作物受水害。

3）田塊的形狀和大小也是田塊設(shè)計(jì)的重要考慮因素。在丘陵地區(qū)，一般采用矩形或梯形的田塊形狀，這樣可以方便機(jī)械化作業(yè)，提高農(nóng)作物的種植密度，從而提高產(chǎn)量。田塊的大小需要根據(jù)具體地形和作物種類(lèi)來(lái)確定，一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)該控制在合適的范圍內(nèi)，既方便管理又能夠保證作物的正常生長(zhǎng)[6]。

4）田塊設(shè)計(jì)還需要考慮田塊之間的高差和間距。高差的設(shè)置需要根據(jù)地形起伏和灌溉排水系統(tǒng)的要求來(lái)確定，保證水資源的順暢流動(dòng)，避免水流速度過(guò)快或過(guò)慢。田塊間的間距需要考慮到農(nóng)機(jī)作業(yè)的需要，保證農(nóng)機(jī)能夠順利通過(guò)，從而提高作業(yè)效率。

2.4? 土方計(jì)算

土方計(jì)算主要包括土地平整區(qū)域和耕作田塊的設(shè)計(jì)高程確定，以及挖填方量的計(jì)算與調(diào)配[7]。

1）在丘陵地區(qū)，地形起伏較大，因此需要合理設(shè)置土地平整區(qū)域，以保證排灌順暢。平整區(qū)域內(nèi)的設(shè)計(jì)高程計(jì)算需要考慮到農(nóng)渠的長(zhǎng)度和間隔，以及土地的相對(duì)高度。根據(jù)實(shí)際情況，可以選擇實(shí)測(cè)田塊高程點(diǎn)求平均值或采用DEM模擬三維地形表面的方法計(jì)算現(xiàn)狀高程，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定設(shè)計(jì)高程，從而實(shí)現(xiàn)土地平整區(qū)域的設(shè)計(jì)。

2）耕作田塊是土地平整工程中最基本的管理單位，其設(shè)計(jì)高程的確定直接影響著作物的生長(zhǎng)發(fā)育和灌溉排水情況。田塊的方向設(shè)計(jì)需考慮作物生長(zhǎng)的光照條件，同時(shí)也要考慮坡度、水流等因素的影響。田塊的形狀設(shè)計(jì)應(yīng)考慮機(jī)械化作業(yè)的要求，一般以矩形或直角梯形為主，并盡量配合地形特點(diǎn)。

3）土方計(jì)算是土地平整工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涉及現(xiàn)狀高程和設(shè)計(jì)高程之差的計(jì)算，決定了土方的挖填量，進(jìn)而影響工程的施工量和成本，圖3為丘陵地區(qū)土方計(jì)算模型。

圖3丘陵地區(qū)土方平整計(jì)算模型

土方計(jì)算涉及到挖方和填方2個(gè)過(guò)程，土方的挖填量直接反映了土地平整工程的施工量，也是工程成本的重要組成部分[8]。土方計(jì)算公式如下

Q挖=？撞（Si挖×Hi挖）， （1）

Q填=？撞（Si填×Hi填），（2）

式中：Q挖 為挖方總量； Si挖 表示第i個(gè)挖方區(qū)域的面積； Hi挖 表示第i個(gè)挖方區(qū)域的深度；Q填 為填方總量；Si填表示第i個(gè)填方區(qū)域的面積；Hi填表示第i個(gè)填方區(qū)域的高度。

在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)各個(gè)區(qū)域的面積和深度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，以獲得準(zhǔn)確的土方量。此外，對(duì)于不規(guī)則形狀的區(qū)域，可以采用分塊計(jì)算的方法，將其分解為多個(gè)規(guī)則形狀的區(qū)域，然后分別計(jì)算其土方量，最后累加得到總的土方量。

4）土方調(diào)配。通過(guò)合理設(shè)置土方調(diào)配方案，可以最大程度地減少土方運(yùn)輸成本，提高施工效率。土方調(diào)配的計(jì)算包括運(yùn)輸重心的確定、平均運(yùn)距的計(jì)算及最優(yōu)調(diào)配路徑的確定。通過(guò)數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，可以實(shí)現(xiàn)土方調(diào)配方案的優(yōu)化，從而為土地平整工程的實(shí)施提供科學(xué)依據(jù)。

田塊的運(yùn)輸重心可以采用以下計(jì)算公式

式中：X、Y分別表示田塊的橫向和縱向運(yùn)輸重心坐標(biāo)；xi、yi分別表示田塊內(nèi)各柵第i個(gè)的橫縱坐標(biāo)；Ai表示第i個(gè)柵格的面積。

平均運(yùn)距是土方調(diào)配過(guò)程中的重要參數(shù)，影響土方的運(yùn)輸成本和效率。計(jì)算平均運(yùn)距時(shí)，首先確定挖方區(qū)域和填方區(qū)域的重心坐標(biāo)，對(duì)于每個(gè)挖方區(qū)域和填方區(qū)域，可以通過(guò)計(jì)算其中心點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)表示其重心位置；然后計(jì)算重心之間的直線距離，使用直線距離公式來(lái)計(jì)算每個(gè)挖方區(qū)域和填方區(qū)域之間的距離。假設(shè)2個(gè)區(qū)域的重心坐標(biāo)分別為（x1，y1）、（x2、y2），則它們之間的直線距離L可以通過(guò)以下公式計(jì)算

L=■。 （5）

將所有區(qū)域之間的直線距離Li求和，然后除以區(qū)域總數(shù)n，即可得到平均運(yùn)距L。在實(shí)際情況中，還可能需要考慮其他因素，如道路情況、地形特征等，這些因素也會(huì)對(duì)土方調(diào)配的運(yùn)輸距離產(chǎn)生影響。

通過(guò)以上步驟，可以計(jì)算出挖方區(qū)域和填方區(qū)域之間的平均運(yùn)距，從而為土方調(diào)配方案的制定提供重要參考。

3? 模型計(jì)算結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

本文首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、數(shù)字化、定義投影信息等，以建立現(xiàn)狀地圖數(shù)據(jù)庫(kù)。隨后，利用ArcGIS9.3軟件的三維分析模塊，基于高程點(diǎn)、等高線和項(xiàng)目區(qū)范圍線，建立了TIN模型，并經(jīng)過(guò)精度檢驗(yàn)確保其合格性。隨后，將TIN模型插值為分辨率為1 m的規(guī)則格網(wǎng)DEM，以便后續(xù)的土地平整工程設(shè)計(jì)計(jì)算。

考慮到項(xiàng)目區(qū)主要種植水稻，對(duì)灌排渠道的設(shè)計(jì)要求較高。結(jié)合已有的土地利用現(xiàn)狀圖上的道路、河流、林帶等線狀地物，以及規(guī)劃道路、溝、渠等，將項(xiàng)目區(qū)劃分為平整區(qū)域。一般情況下，平整區(qū)域內(nèi)包括一條農(nóng)渠，其周邊為耕作田塊。根據(jù)綜合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際情況，確定了農(nóng)渠的長(zhǎng)度、間距，以及耕作田塊的規(guī)模、長(zhǎng)度、寬度等參數(shù)。同時(shí)，設(shè)置了農(nóng)渠的設(shè)計(jì)坡度和相鄰耕作田塊內(nèi)部高差的要求，保證了設(shè)計(jì)的合理性。

根據(jù)以上要求，將項(xiàng)目區(qū)劃分為了10個(gè)平整區(qū)域，區(qū)域規(guī)模為386 hm2，包含了1 952個(gè)耕作田塊。在確定了平整區(qū)域和耕作田塊后，利用DEM計(jì)算了現(xiàn)狀高和設(shè)計(jì)高。鑒于田塊數(shù)量眾多，本文以典型區(qū)域2為例，共包含11個(gè)耕作田塊。通過(guò)模型求解，典型丘陵地區(qū)土地平整區(qū)域內(nèi)的耕作田塊之間的最大高差得到顯著降低，從現(xiàn)狀高程的113.16 m降至設(shè)計(jì)高程的89.37 m。相鄰田塊的高差也在合理范圍內(nèi)，不超過(guò)0.05 m，達(dá)到了最初設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果如圖4所示?；诟魈飰K的設(shè)計(jì)高程，結(jié)合現(xiàn)狀高程和設(shè)計(jì)高程，計(jì)算得到耕作田塊的土方量的凈挖方量或凈填方量，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4研究區(qū)域田塊高程計(jì)算結(jié)果

圖5研究區(qū)域田塊土方計(jì)算結(jié)果

4? 結(jié)論

綜合以上結(jié)果分析，本研究在丘陵地區(qū)土地平整工程設(shè)計(jì)方案優(yōu)化方面取得了一定的成果。通過(guò)綜合考慮地形特征、土壤特性、水文地質(zhì)條件等因素，建立了相應(yīng)的優(yōu)化模型，得到了符合實(shí)際情況的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。這對(duì)于提高土地利用效率、保護(hù)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有一定的理論和實(shí)踐意義。同時(shí)，本研究也為類(lèi)似丘陵地區(qū)的土地平整工程提供了一種科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)方法和參考依據(jù)。

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