作者简介：许琴（1985-），女，硕士，高级工程师。研究方向为全域土地综合整治、生态修复、高标准农田建设、土地开发与规划等。
DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.15.024
摘 要：针对丘陵地区土地平整工程设计问题，建立优化模型和基础数据库，确定项目区的地形特征、土壤特性和水文地质条件，选取缓丘地区进行优化，通过田块设计、土方计算和土方调配等步骤，实现土地平整工程的设计优化。研究表明，优化后的设计方案在保证土方平衡的同时，总土方量减少约9.37%，并得到最优土方调配路径，为土地整治提供科学依据和决策支持。
关键词：丘陵地区；土地平整工程；数字高程模型；优化模型；设计方案
中图分类号：S281 文献标志码：A 文章编号：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
丘陵地区作为我国广泛分布的重要农业区域，其土地资源分散零碎，农田抗灾能力相对较弱，成为制约农业与农村现代化发展的瓶颈和难题。为实现乡村振兴战略，助力农村经济持续增长，丘陵地区的土地整治显得尤为紧迫[1]。当前，土地整治的关键在于如何科学有效地进行土地平整工程设计，以优化土地利用结构，提升土地资源的综合利用效益[2]。因此，通过基于数字高程模型的优化研究，结合数学规划原理，探索丘陵地区土地平整工程设计的最佳方案，成为解决丘陵地区土地整治难题的重要途径。
1 丘陵地区土地特性分析
1.1 地形特征
丘陵地区的地形特征表现为连绵起伏的低矮山丘，地势复杂多变。其相对高度一般不超过200 m，坡度逐渐变化，但整体趋于缓和，大多数地段的坡度保持在25°以下[3]。这种地形特点使得丘陵地区形成了起伏的自然地理单元，丘陵山脊和谷地的交替变化呈现丰富的地貌景观。
1.2 水文地质条件
丘陵地区的水文地质条件是土地平整工程设计中不可忽视的重要因素。地下水位的分布和变化直接影响土壤的稳定性和农作物的生长。在丘陵地形中，地下水位常常具有较大的空间变异性，受到地形起伏和降雨等因素的影响较为显着[4]。丘陵地区的地质构造复杂，岩石的渗透性和含水层的分布也呈现出多样性。
2 实例分析
2.1 选取某省丘陵地区的一块缓丘地作为研究区域
为了解其地形、土壤特性以及水文地质条件，选择相对高度小于30 m且坡度小于25°的缓丘地区作为研究区域。该地区地势较为平缓，相对高度范围在0～30 m之间，坡度在0～25°之间，表1为研究区域的土壤特性测试结果。
通过对表1数据的分析，可以得出在研究区域内，土壤呈现出不同的质地和养分含量。砂壤土的含水量相对较低，但有机质含量相对较高，有利于作物生长。壤土的含水量适中，养分含量均衡，是较为理想的农业土壤类型。
2.2 优化模型的建立
在丘陵地区土地平整工程设计中，建立优化模型，如图1所示。在建立模型时，需要考虑到耕作田块规模、田块设计高程、土方平衡和土方最优调配路径等因素，通过对这些因素的合理权衡和优化，得到一个满足设计要求的土地平整方案。模型求解过程中，需要综合考虑各种约束条件，如渠道设计坡度、耕作田块间高差限制等，确保最终的设计方案符合实际情况。
图1丘陵地区土地平整优化模型
2.2 模型优化的思路及目标
在丘陵地区土地平整工程设计中，选择适宜的优化方法至关重要。考虑到丘陵地区地形复杂、土壤异质性强的特点，综合运用数学规划、地理信息系统（GIS）和数字高程模型（DEM）等方法是一个行之有效的选择[5]。数学规划能够精确计算各项参数，如田块设计高程和土方调配方案，提高设计的准确性。同时，GIS技术能够提供精准的地形信息，DEM则为设计提供了高分辨率的地形数据，为模型的准确性提供了坚实基础，如图2所示。
（a） 二维模型 （b） 三维模型
图2研究区域土地平整优化模型DEM
确定合适的优化目标及权重分配是丘陵地区土地平整工程设计的关键环节。首先，需要明确设计的总体目标，如保证耕作田块之间的高差控制在合理范围内、实现土方量的平衡等。随后，根据实际情况和设计要求，为每个优化目标分配相应的权重，以反映其在设计中的相对重要程度。例如，在丘陵地区的设计中，可能会将高差控制和土方平衡等目标赋予较高的权重，以保证农田的排灌顺畅和土地资源的充分利用。通过科学合理地确定优化目标和权重分配，可以在设计中更加准确地反映实际需求，为最终的土地平整方案提供可靠的指导。
2.3 田块设计
田块设计在丘陵地区土地平整工程中起着至关重要的作用。通过科学合理地规划田块，可以有效提高土地利用效率，优化灌溉排水系统，降低土地平整工程的成本，同时也为作物的生长提供了良好的条件。
1）根据地形特征和土壤性质，合理划分土地。在丘陵地区，地形起伏较大，因此需要根据地势高低，避免在高处形成积水，避免在低洼地形成滞水区，以保证农作物生长的良好条件。此外，还需要考虑土壤质地和养分含量的差异，合理分配作物的种植面积，从而最大程度地发挥土地的生产潜力。
2）田块设计需要考虑灌溉排水系统的布局。丘陵地区的灌溉排水系统是土地平整工程设计中的重要环节。根据地形特征，确定灌溉渠道的走向和位置，保证水资源的合理利用，避免水资源浪费和灌溉不足的情况发生。同时，还需要设置合适的排水系统，确保在降雨过程中及时排除多余的积水，防止作物受水害。
3）田块的形状和大小也是田块设计的重要考虑因素。在丘陵地区，一般采用矩形或梯形的田块形状，这样可以方便机械化作业，提高农作物的种植密度，从而提高产量。田块的大小需要根据具体地形和作物种类来确定，一般来说，应该控制在合适的范围内，既方便管理又能够保证作物的正常生长[6]。
4）田块设计还需要考虑田块之间的高差和间距。高差的设置需要根据地形起伏和灌溉排水系统的要求来确定，保证水资源的顺畅流动，避免水流速度过快或过慢。田块间的间距需要考虑到农机作业的需要，保证农机能够顺利通过，从而提高作业效率。
2.4 土方计算
土方计算主要包括土地平整区域和耕作田块的设计高程确定，以及挖填方量的计算与调配[7]。
1）在丘陵地区，地形起伏较大，因此需要合理设置土地平整区域，以保证排灌顺畅。平整区域内的设计高程计算需要考虑到农渠的长度和间隔，以及土地的相对高度。根据实际情况，可以选择实测田块高程点求平均值或采用DEM模拟三维地形表面的方法计算现状高程，然后根据设计要求确定设计高程，从而实现土地平整区域的设计。
2）耕作田块是土地平整工程中最基本的管理单位，其设计高程的确定直接影响着作物的生长发育和灌溉排水情况。田块的方向设计需考虑作物生长的光照条件，同时也要考虑坡度、水流等因素的影响。田块的形状设计应考虑机械化作业的要求，一般以矩形或直角梯形为主，并尽量配合地形特点。
3）土方计算是土地平整工程设计的关键环节，涉及现状高程和设计高程之差的计算，决定了土方的挖填量，进而影响工程的施工量和成本，图3为丘陵地区土方计算模型。
图3丘陵地区土方平整计算模型
土方计算涉及到挖方和填方2个过程，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组成部分[8]。土方计算公式如下
Q挖=？撞（Si挖×Hi挖）， （1）
Q填=？撞（Si填×Hi填），（2）
式中：Q挖 为挖方总量； Si挖 表示第i个挖方区域的面积； Hi挖 表示第i个挖方区域的深度；Q填 为填方总量；Si填表示第i个填方区域的面积；Hi填表示第i个填方区域的高度。
在实际应用中，需要对各个区域的面积和深度进行准确测量，以获得准确的土方量。此外，对于不规则形状的区域，可以采用分块计算的方法，将其分解为多个规则形状的区域，然后分别计算其土方量，最后累加得到总的土方量。
4）土方调配。通过合理设置土方调配方案，可以最大程度地减少土方运输成本，提高施工效率。土方调配的计算包括运输重心的确定、平均运距的计算及最优调配路径的确定。通过数学规划方法，可以实现土方调配方案的优化，从而为土地平整工程的实施提供科学依据。
田块的运输重心可以采用以下计算公式
式中：X、Y分别表示田块的横向和纵向运输重心坐标；xi、yi分别表示田块内各栅第i个的横纵坐标；Ai表示第i个栅格的面积。
平均运距是土方调配过程中的重要参数，影响土方的运输成本和效率。计算平均运距时，首先确定挖方区域和填方区域的重心坐标，对于每个挖方区域和填方区域，可以通过计算其中心点的坐标来表示其重心位置；然后计算重心之间的直线距离，使用直线距离公式来计算每个挖方区域和填方区域之间的距离。假设2个区域的重心坐标分别为（x1，y1）、（x2、y2），则它们之间的直线距离L可以通过以下公式计算
L=■。 （5）
将所有区域之间的直线距离Li求和，然后除以区域总数n，即可得到平均运距L。在实际情况中，还可能需要考虑其他因素，如道路情况、地形特征等，这些因素也会对土方调配的运输距离产生影响。
通过以上步骤，可以计算出挖方区域和填方区域之间的平均运距，从而为土方调配方案的制定提供重要参考。
3 模型计算结果分析及评价
本文首先进行数据的预处理，包括数据格式的转换、数字化、定义投影信息等，以建立现状地图数据库。随后，利用ArcGIS9.3软件的三维分析模块，基于高程点、等高线和项目区范围线，建立了TIN模型，并经过精度检验确保其合格性。随后，将TIN模型插值为分辨率为1 m的规则格网DEM，以便后续的土地平整工程设计计算。
考虑到项目区主要种植水稻，对灌排渠道的设计要求较高。结合已有的土地利用现状图上的道路、河流、林带等线状地物，以及规划道路、沟、渠等，将项目区划分为平整区域。一般情况下，平整区域内包括一条农渠，其周边为耕作田块。根据综合设计标准和实际情况，确定了农渠的长度、间距，以及耕作田块的规模、长度、宽度等参数。同时，设置了农渠的设计坡度和相邻耕作田块内部高差的要求，保证了设计的合理性。
根据以上要求，将项目区划分为了10个平整区域，区域规模为386 hm2，包含了1 952个耕作田块。在确定了平整区域和耕作田块后，利用DEM计算了现状高和设计高。鉴于田块数量众多，本文以典型区域2为例，共包含11个耕作田块。通过模型求解，典型丘陵地区土地平整区域内的耕作田块之间的最大高差得到显着降低，从现状高程的113.16 m降至设计高程的89.37 m。相邻田块的高差也在合理范围内，不超过0.05 m，达到了最初设计要求，计算结果如图4所示。基于耕作田块的设计高程，结合现状高程和设计高程，计算得到耕作田块的土方量的净挖方量或净填方量，计算结果如图5所示。
图4研究区域田块高程计算结果
图5研究区域田块土方计算结果
4 结论
综合以上结果分析，本研究在丘陵地区土地平整工程设计方案优化方面取得了一定的成果。通过综合考虑地形特征、土壤特性、水文地质条件等因素，建立了相应的优化模型，得到了符合实际情况的优化设计方案。这对于提高土地利用效率、保护环境、促进农业可持续发展具有一定的理论和实践意义。同时，本研究也为类似丘陵地区的土地平整工程提供了一种科学、合理的设计方法和参考依据。
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