山地丘陵区坡式梯田土地整治工程量快速测算方法

王金满 ，白中科，宿梅双

（1.中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京 100083；2.国土资源部土地整治重点实验室，北京 100035；3.中国科学院生态环境研究中心，北京 100085）

梯田是在山区、丘陵区的坡地上沿等高线修成台阶式或坡式断面的耕地。梯田可以改变地形坡度,拦蓄雨水,增加土壤水分,防治水土流失,达到保水、保土、保肥目的,对于改善农业生产条件,促进粮食生产的稳步发展以及综合治理与开发有着显著的生态效益和经济效益。《中华人民共和国水土保持法》规定,25°以下的坡地一般可修成梯田种植农作物,25°以上的则应退耕种树种草。梯田按断面形式可分为阶台式梯田和波浪式梯田,其中阶台式梯田又分为水平梯田、坡式梯田等[1]。

土地整治是实现耕地总量动态平衡的有效措施,也是提高土地质量、促进土地集约化利用和保护生态环境的重要手段,其对促进农村现代化建设和经济可持续发展具有极其重要的意义。土地整治中土地平整土方量的大小与土地平整的投资直接相关[2]。由于坡改水平梯田的土方平整量较大,受到投资水平的限制,很多丘陵区土地整治项目的坡地都进行降坡设计,整理成坡式梯田。在丘陵地区,由于地形起伏,土方量的测算比较困难[3]。当前一些学者对水平梯田土方量的测算方法开展了一定的研究,刘宁等[4]应用数字高程模型（DEM）原理,结合GIS软件提出了测算丘陵区水平梯田土方量的方法；金晓斌[5-8]等也对“3S”技术在土地平整中的应用进行了探讨；《水土保持综合治理技术规范坡耕地治理技术》[9]中给出了坡改水平梯田的测算方法和测算公式,但是对坡式梯田没有做出规定。准确快速地测算土方量对开展规划设计、控制总投资及分配资金具有重要意义。测算坡式梯田土方量的方法不尽相同,当前土地整治工程中的坡式梯田土方量的测算方法有纵断面法、典型田块法和直接量算法[10]。这些方法测算复杂、精度差,且具有一定的局限性。因此,丘陵区土地整治项目坡式梯田需要一种具有广泛用户基础、操作简单、能充分利用现有数据资源且测算结果精度较高的土方量测算软件与方法。

由于以往的测算方法针对坡式梯田土方量的较少,所以本文根据土地整治规划设计要求的基础图件特点,以湖北省阳新县三溪镇低丘岗地改造项目为例,应用数字高程模型（DEM）原理,结合GIS软件的统计功能,提出快速而准确测算丘陵区土地整治项目坡式梯田土方量的方法,为丘陵区土地整治工程坡式梯田土方量测算提供借鉴与参考。

1 研究区域概况

图1 湖北省阳新县三溪镇低丘岗地改造项目新街片规划图Fig.1 Xinjie area plan of land consolidation project in Sanxi town, Yangxin County, Hubei Province

图2 坡式梯田断面设计图Fig.2 Section design of sloped terrace

本文选择湖北省阳新县三溪等两个镇低丘岗地改造项目新街片为例（图1）,介绍采用本方法进行土方量测算步骤。项目区新街片位于东经115°48′22″—115°49′13″,北纬29°50′34″—29°50′57″,建设规模36.22 hm2。整理区地貌低丘岗地特征明显,内地势起伏较大,大部分在10°—15°,最高、最低高程分别为75.27 m和31.56 m。项目区总共有4个区域需要进行坡改梯工程,面积分别为2.61 hm2、12.02 hm2、1.21 hm2和4.74 hm2。

2 坡式梯田土方平整量测算原理

2.1 坡式梯田断面设计要素

坡式梯田断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、田面净宽、田面毛宽、田坎占地宽度和田面斜宽[11-12]。典型坡式梯田断面图如图2。

2.2 坡式梯田土方量测算

（1）坡式梯田土方量测算原理

根据坡式梯田断面设计图,坡式梯田的控方量与填方量相等,且可以结合施工工艺实现边控边填,因此其总的土方量等于控方量或填方量。本文以坡式梯田填方量来说明坡式梯田土方测算过程,单位面积（1 hm2）坡式梯田填方量可采用式1计算：

式1中,V填为单位面积坡式梯田填方量（m3）；SOAC为三角形∆OAC的断面面积（m2）；L为单位面积梯田的长度（m）。

（2）三角形∆OAC的断面面积

（3）1 hm2梯田的长度L

（4）台面高差H′与田坎高度H的关系

（5）坡式梯田填方量测算公式推导[11]

通过式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）和台面高度（H′）密切相关,只要确定了α、 β和H（或θ、 β和H′）3个坡式梯田断面参数就可确定坡式梯田土方平整量。在土壤特性等因素确定的条件下,地面坡度是确定参数α、 β和H的关键因素。因此,只要确定了整理区坡度的分布情况,坡式梯田填方量的计算就容易了。

3 基于GIS的坡式梯田土方平整量快速测算方法

GIS具有坡度统计功能,这为利用GIS进行坡式梯田土方量计算提供了可行性,应用GIS技术测算土方量是GIS软件空间分析功能的体现。应用GIS 软件测算土方量需要项目区的等高线、高程点等高程数据,一般项目区都具有最新测量的数字化地形图,为GIS软件的应用提供了基础数据。本文运用MAPGIS快速测算坡式梯田土方量基本步骤如图3。

4 测算实例

4.1 测算结果

根据提出的运用MAPGIS快速测算坡式梯田土方量基本步骤,借助MAPGIS对湖北省阳新县三溪等二个镇低丘岗地改造项目新街片进行坡度分区（图4）,并对不同坡度范围的坡地进行降坡设计（表1）,然后带入坡式梯田土方平整量测算公式,快速测算土地平整量并进行汇总（表1）,本方法用时时间较短,完成整个计算只需要1个小时,快速简单。

4.2 对比分析

本文选用了借助AutoCAD软件进行人工判读确定坡度的方法与此方法进行比较,不同整理区坡度与土方量计算见表1。在同一台计算上完成坡度分区与土方计算人工判读的方法共花费了5个小时,耗费时间较长。两种方法除在部分较小的坡度面积上存在一定的差异外,其他坡度面积差异较小,4个土地平整区总土方量除A区两种计算方法相差9.6%外,其他三区两种方法都在3%以内。说明本方法精度较高,具有一定的可行性。

图3 坡式梯田土方平整量快速测算流程Fig.3 Fast estimation process of sloped terrace earthwork

图4 整理区域坡度分区图Fig.4 Slope map of land leveling area

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

5 结论与讨论

本文提出了针对山地丘陵地区梯田土方量测算的一种新方法,并将此种方法应用于实际项目区,通过研究得出以下结论：

（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）和台面高度（H′）密切相关,只要确定了α、 β和H（或θ、 β和H′）三个坡式梯田断面参数就可确定坡式梯田土方平整量,利用GIS进行坡式梯田土方量测算具有可行性。

（2）本文提出的测算土方量方法原理清楚、测算速度便捷；只需运用GIS统计获得整理区不同坡度分区的面积,就可依据坡式梯田断面要素（田坎高度、田坎坡度和降坡后田面坡度）快速测算不同坡度范围的土地平整量,大大减小了土方量测算的工作量。

（3）该方法具有简便、快捷的特点,具有较强的实用性,可为丘陵区坡式梯田土地平整工程的规划设计提供快速的技术依据。

（References）:

［1］ 王礼先.水土保持工程学［M］.北京：中国林业出版社,2000.

［2］ 柳长顺,杜丽娟.Arcview在土地整理项目土方量计算中的运用［J］.农业工程学报,2003,19（2）：224-227.

［3］ 董捷,张安录.南方丘陵地区的土地整理——以广西上思县为例［J］.中国土地科学,2004,18（2）：53-55.

［4］ 刘宁,郧文聚,雷廷武.丘陵地区梯田土方量的快速计算方法及应用［J］.农业工程学报,2007,23（4）：47-51.

［5］ 金晓斌,李海涛,周寅康,等.基于DEM的丘陵山区土地整理项目辅助决策［J］.中国土地科学,2004,18（1）：39-44.

［6］ 鲁成树,吴次芳,汪峰,等.农地整理土方工程量计算及调配中地理信息系统的应用［J］.农业工程学报,2003,19（6）：289-292.

［7］ 昌龙然,张伟,李灿,等.基于GIS技术的土地平整工程相关问题探讨［J］.西南农业大学学报（社会科学版）,2008,6（3）：9-12.

［8］ 鲍海君,吴次芳,叶艳妹,等.土地整理中田块设计和“3S”技术应用研究［J］.农业工程学报,2002,18（1）：169-172.

［9］ 中华人民共和国水利部.GB/T16453.1-2008.中华人民共和国国家标准——水土保持综合治理技术规范坡耕地治理技术［S］.北京：中国标准出版社,2008.

［10］ 范玉芳,罗友进,魏朝富.西南丘陵山区坡耕地水平梯田工程设计分析［J］.山地学报,2010,28（5）：560-565.

［11］ 郑财贵,邱道持,田水松.丘陵地区坡式梯田土方量计算公式推导［J］.西南大学学报(自然科学版),2009,31（1）：173-178.

［12］ 周文刚,刘秀华,杨朝现.西南丘陵山区土地整理现状与对策研究［J］.西南师范大学学报（自然科学版）,2008,33（2）：104-109.