丘陵地區土地平整工程設計方案優化研究

作者簡介：許琴（1985-），女，碩士，高級工程師。研究方向為全域土地綜合整治、生態修復、高標準農田建設、土地開發與規劃等。

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

摘? 要：針對丘陵地區土地平整工程設計問題，建立優化模型和基礎數據庫，確定項目區的地形特征、土壤特性和水文地質條件，選取緩丘地區進行優化，通過田塊設計、土方計算和土方調配等步驟，實現土地平整工程的設計優化。研究表明，優化后的設計方案在保證土方平衡的同時，總土方量減少約9.37%，并得到最優土方調配路徑，為土地整治提供科學依據和決策支持。

關鍵詞：丘陵地區；土地平整工程；數字高程模型；優化模型；設計方案

中圖分類號：S281? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

丘陵地區作為我國廣泛分布的重要農業區域，其土地資源分散零碎，農田抗災能力相對較弱，成為制約農業與農村現代化發展的瓶頸和難題。為實現鄉村振興戰略，助力農村經濟持續增長，丘陵地區的土地整治顯得尤為緊迫[1]。當前，土地整治的關鍵在于如何科學有效地進行土地平整工程設計，以優化土地利用結構，提升土地資源的綜合利用效益[2]。因此，通過基于數字高程模型的優化研究，結合數學規劃原理，探索丘陵地區土地平整工程設計的最佳方案，成為解決丘陵地區土地整治難題的重要途徑。

1? 丘陵地區土地特性分析

1.1? 地形特征

丘陵地區的地形特征表現為連綿起伏的低矮山丘，地勢復雜多變。其相對高度一般不超過200 m，坡度逐漸變化，但整體趨于緩和，大多數地段的坡度保持在25°以下[3]。這種地形特點使得丘陵地區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豐富的地貌景觀。

1.2? 水文地質條件

丘陵地區的水文地質條件是土地平整工程設計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定性和農作物的生長。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]。丘陵地區的地質構造復雜，巖石的滲透性和含水層的分布也呈現出多樣性。

2? 實例分析

2.1? 選取某省丘陵地區的一塊緩丘地作為研究區域

為了解其地形、土壤特性以及水文地質條件，選擇相對高度小于30 m且坡度小于25°的緩丘地區作為研究區域。該地區地勢較為平緩，相對高度范圍在0～30 m之間，坡度在0～25°之間，表1為研究區域的土壤特性測試結果。

通過對表1數據的分析，可以得出在研究區域內，土壤呈現出不同的質地和養分含量。砂壤土的含水量相對較低，但有機質含量相對較高，有利于作物生長。壤土的含水量適中，養分含量均衡，是較為理想的農業土壤類型。

2.2? 優化模型的建立

在丘陵地區土地平整工程設計中，建立優化模型，如圖1所示。在建立模型時，需要考慮到耕作田塊規模、田塊設計高程、土方平衡和土方最優調配路徑等因素，通過對這些因素的合理權衡和優化，得到一個滿足設計要求的土地平整方案。模型求解過程中，需要綜合考慮各種約束條件，如渠道設計坡度、耕作田塊間高差限制等，確保最終的設計方案符合實際情況。

圖1丘陵地區土地平整優化模型

2.2? 模型優化的思路及目標

在丘陵地區土地平整工程設計中，選擇適宜的優化方法至關重要?？紤]到丘陵地區地形復雜、土壤異質性強的特點，綜合運用數學規劃、地理信息系統（GIS）和數字高程模型（DEM）等方法是一個行之有效的選擇[5]。數學規劃能夠精確計算各項參數，如田塊設計高程和土方調配方案，提高設計的準確性。同時，GIS技術能夠提供精準的地形信息，DEM則為設計提供了高分辨率的地形數據，為模型的準確性提供了堅實基礎，如圖2所示。

（a）? 二維模型? ? ? ? ? ? ? ? （b）? 三維模型

圖2研究區域土地平整優化模型DEM

確定合適的優化目標及權重分配是丘陵地區土地平整工程設計的關鍵環節。首先，需要明確設計的總體目標，如保證耕作田塊之間的高差控制在合理范圍內、實現土方量的平衡等。隨后，根據實際情況和設計要求，為每個優化目標分配相應的權重，以反映其在設計中的相對重要程度。例如，在丘陵地區的設計中，可能會將高差控制和土方平衡等目標賦予較高的權重，以保證農田的排灌順暢和土地資源的充分利用。通過科學合理地確定優化目標和權重分配，可以在設計中更加準確地反映實際需求，為最終的土地平整方案提供可靠的指導。

2.3? 田塊設計

田塊設計在丘陵地區土地平整工程中起著至關重要的作用。通過科學合理地規劃田塊，可以有效提高土地利用效率，優化灌溉排水系統，降低土地平整工程的成本，同時也為作物的生長提供了良好的條件。

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

2）田塊設計需要考慮灌溉排水系統的布局。丘陵地區的灌溉排水系統是土地平整工程設計中的重要環節。根據地形特征，確定灌溉渠道的走向和位置，保證水資源的合理利用，避免水資源浪費和灌溉不足的情況發生。同時，還需要設置合適的排水系統，確保在降雨過程中及時排除多余的積水，防止作物受水害。

3）田塊的形狀和大小也是田塊設計的重要考慮因素。在丘陵地區，一般采用矩形或梯形的田塊形狀，這樣可以方便機械化作業，提高農作物的種植密度，從而提高產量。田塊的大小需要根據具體地形和作物種類來確定，一般來說，應該控制在合適的范圍內，既方便管理又能夠保證作物的正常生長[6]。

4）田塊設計還需要考慮田塊之間的高差和間距。高差的設置需要根據地形起伏和灌溉排水系統的要求來確定，保證水資源的順暢流動，避免水流速度過快或過慢。田塊間的間距需要考慮到農機作業的需要，保證農機能夠順利通過，從而提高作業效率。

2.4? 土方計算

土方計算主要包括土地平整區域和耕作田塊的設計高程確定，以及挖填方量的計算與調配[7]。

1）在丘陵地區，地形起伏較大，因此需要合理設置土地平整區域，以保證排灌順暢。平整區域內的設計高程計算需要考慮到農渠的長度和間隔，以及土地的相對高度。根據實際情況，可以選擇實測田塊高程點求平均值或采用DEM模擬三維地形表面的方法計算現狀高程，然后根據設計要求確定設計高程，從而實現土地平整區域的設計。

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

3）土方計算是土地平整工程設計的關鍵環節，涉及現狀高程和設計高程之差的計算，決定了土方的挖填量，進而影響工程的施工量和成本，圖3為丘陵地區土方計算模型。

圖3丘陵地區土方平整計算模型

土方計算涉及到挖方和填方2個過程，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個挖方區域的面積； Hi挖 表示第i個挖方區域的深度；Q填 為填方總量；Si填表示第i個填方區域的面積；Hi填表示第i個填方區域的高度。

在實際應用中，需要對各個區域的面積和深度進行準確測量，以獲得準確的土方量。此外，對于不規則形狀的區域，可以采用分塊計算的方法，將其分解為多個規則形狀的區域，然后分別計算其土方量，最后累加得到總的土方量。

4）土方調配。通過合理設置土方調配方案，可以最大程度地減少土方運輸成本，提高施工效率。土方調配的計算包括運輸重心的確定、平均運距的計算及最優調配路徑的確定。通過數學規劃方法，可以實現土方調配方案的優化，從而為土地平整工程的實施提供科學依據。

田塊的運輸重心可以采用以下計算公式

式中：X、Y分別表示田塊的橫向和縱向運輸重心坐標；xi、yi分別表示田塊內各柵第i個的橫縱坐標；Ai表示第i個柵格的面積。

平均運距是土方調配過程中的重要參數，影響土方的運輸成本和效率。計算平均運距時，首先確定挖方區域和填方區域的重心坐標，對于每個挖方區域和填方區域，可以通過計算其中心點的坐標來表示其重心位置；然后計算重心之間的直線距離，使用直線距離公式來計算每個挖方區域和填方區域之間的距離。假設2個區域的重心坐標分別為（x1，y1）、（x2、y2），則它們之間的直線距離L可以通過以下公式計算

L=■。 （5）

將所有區域之間的直線距離Li求和，然后除以區域總數n，即可得到平均運距L。在實際情況中，還可能需要考慮其他因素，如道路情況、地形特征等，這些因素也會對土方調配的運輸距離產生影響。

通過以上步驟，可以計算出挖方區域和填方區域之間的平均運距，從而為土方調配方案的制定提供重要參考。

3? 模型計算結果分析及評價

本文首先進行數據的預處理，包括數據格式的轉換、數字化、定義投影信息等，以建立現狀地圖數據庫。隨后，利用ArcGIS9.3軟件的三維分析模塊，基于高程點、等高線和項目區范圍線，建立了TIN模型，并經過精度檢驗確保其合格性。隨后，將TIN模型插值為分辨率為1 m的規則格網DEM，以便后續的土地平整工程設計計算。

考慮到項目區主要種植水稻，對灌排渠道的設計要求較高。結合已有的土地利用現狀圖上的道路、河流、林帶等線狀地物，以及規劃道路、溝、渠等，將項目區劃分為平整區域。一般情況下，平整區域內包括一條農渠，其周邊為耕作田塊。根據綜合設計標準和實際情況，確定了農渠的長度、間距，以及耕作田塊的規模、長度、寬度等參數。同時，設置了農渠的設計坡度和相鄰耕作田塊內部高差的要求，保證了設計的合理性。

根據以上要求，將項目區劃分為了10個平整區域，區域規模為386 hm2，包含了1 952個耕作田塊。在確定了平整區域和耕作田塊后，利用DEM計算了現狀高和設計高。鑒于田塊數量眾多，本文以典型區域2為例，共包含11個耕作田塊。通過模型求解，典型丘陵地區土地平整區域內的耕作田塊之間的最大高差得到顯著降低，從現狀高程的113.16 m降至設計高程的89.37 m。相鄰田塊的高差也在合理范圍內，不超過0.05 m，達到了最初設計要求，計算結果如圖4所示?；诟魈飰K的設計高程，結合現狀高程和設計高程，計算得到耕作田塊的土方量的凈挖方量或凈填方量，計算結果如圖5所示。

圖4研究區域田塊高程計算結果

圖5研究區域田塊土方計算結果

4? 結論

綜合以上結果分析，本研究在丘陵地區土地平整工程設計方案優化方面取得了一定的成果。通過綜合考慮地形特征、土壤特性、水文地質條件等因素，建立了相應的優化模型，得到了符合實際情況的優化設計方案。這對于提高土地利用效率、保護環境、促進農業可持續發展具有一定的理論和實踐意義。同時，本研究也為類似丘陵地區的土地平整工程提供了一種科學、合理的設計方法和參考依據。

參考文獻：

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