王志紅，劉吉波，祖維濤

（1.貴州工程應(yīng)用技術(shù)學(xué)院礦業(yè)工程學(xué)院，貴州 畢節(jié) 551700；2.江西理工大學(xué)土木與測繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

耕地是人們賴以生存的重要保障。進(jìn)行土地整理，需要科學(xué)、合理地統(tǒng)籌土地整理、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)營建設(shè)和社會(huì)建設(shè)的協(xié)調(diào)發(fā)展[1-2]。本研究對(duì)增加耕地面積，實(shí)現(xiàn)耕地動(dòng)態(tài)平衡，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，促進(jìn)新農(nóng)村建設(shè)和區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義。[1]

在土地整理過程中，基于ArcGIS地形現(xiàn)狀圖建立DEM并生成坡度圖進(jìn)行坡度分析，為進(jìn)行田塊設(shè)計(jì)提供依據(jù)。土地平整的目的就是使項(xiàng)目區(qū)在挖填基本平衡的情況下形成一個(gè)平面，所以土方量的計(jì)算是必要步驟。土方量的計(jì)算常見方法有方格網(wǎng)法、斷面法、高線法及DTM法。[3]南方CASS具有成熟的土方量計(jì)算一體化解決方案，利用程序設(shè)計(jì)語言也可以編寫土方量計(jì)算程序。[4]各種方法都有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，適用于不同的情況。本文以項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)狀圖為基礎(chǔ)資料，根據(jù)高程點(diǎn)利用ArcGIS軟件建立項(xiàng)目區(qū)DEM模型，并生成坡度圖；對(duì)坡度圖進(jìn)行分析并進(jìn)行田塊設(shè)計(jì)；參照土地整治工程中土方計(jì)算的要求，計(jì)算項(xiàng)目區(qū)的土方量。最后，成果還可為確定灌排方式和田間道路工程布局提供決策依據(jù)，同時(shí)為后期土地整理工程的實(shí)施提供技術(shù)參考。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

項(xiàng)目區(qū)位于貴定縣寶山街道高源村，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，以低山為主，地貌多樣，涵蓋山地、丘陵、陡土、坡土、梯土、壩田、沖田、梯田等土地資源。地理坐標(biāo)：東經(jīng)107°18′54.26″、北緯26°33′49.37″。項(xiàng)目區(qū)總面積592.94畝，建設(shè)規(guī)模592.94畝，新增耕地面積504.46畝。項(xiàng)目區(qū)位置見圖1。

圖1 項(xiàng)目區(qū)位置示意圖

項(xiàng)目區(qū)土壤類別為黃棕壤土，部分土體厚度達(dá)到0.6m，土體平均厚度0.2m左右。項(xiàng)目區(qū)土壤情況較為復(fù)雜，具體情況見圖2。

圖2 項(xiàng)目區(qū)土壤情況

項(xiàng)目區(qū)的土地所有權(quán)為高源村集體所有，權(quán)屬界限清晰無爭議。根據(jù)2018年貴定縣土地利用現(xiàn)狀變更調(diào)查結(jié)果和項(xiàng)目區(qū)實(shí)測現(xiàn)狀，項(xiàng)目區(qū)土地總面積為592.94畝，具體土地利用結(jié)構(gòu)情況見表1。

表1 土地利用結(jié)構(gòu)表

通過項(xiàng)目區(qū)實(shí)地踏勘調(diào)查，地塊一東部有水井2個(gè)、破損三十立方蓄水池9個(gè)、水塘2個(gè)；地塊二東南部有1個(gè)天然泉眼，地塊三南部有1個(gè)水井。區(qū)內(nèi)水池為中國煙草所修，現(xiàn)已破損無蓄水能力。水井及泉眼常年有流水，其中地塊一內(nèi)的2個(gè)水井為村民飲用水源。具體分布見圖3所示。

圖3 地塊一、地塊二和地塊三水源位置示意圖

2 土地平整技術(shù)方法

2.1 土地平整技術(shù)要求

項(xiàng)目區(qū)為平緩坡地，存在一定坡度，適合進(jìn)行田塊修筑，田塊設(shè)計(jì)按照等高線分布，寬度不宜小于3m，開發(fā)后耕地土壤質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為：有機(jī)質(zhì)宜大于2%，礫石含量不宜超過5%，PH值以5-8為宜[5]。本區(qū)域水田土地平整建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)相關(guān)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)地情況，平整后應(yīng)滿足土地平整工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，見表2所示。

表2 土地平整工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 土地平整設(shè)計(jì)

土地平整之前，需要對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行地形分析，故先建立項(xiàng)目區(qū)的DEM模型。以地塊三為例，根據(jù)已有現(xiàn)狀圖，提取出該區(qū)域高程點(diǎn)和等高線，然后將高程數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入ArcGIS中，生成TIN文件，再由TIN構(gòu)建DEM。DEM建立后，再生成項(xiàng)目區(qū)坡度圖，如圖4所示。

圖4 地塊三坡度圖

坡度的急緩，地勢(shì)的起伏，對(duì)水田的水土流失和積聚都有影響，會(huì)直接影響農(nóng)作物的生長。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地形條件，本區(qū)域土地平整分為0-5°、5-10°、10-15°、15-25°共4個(gè)坡度帶，地形坡度大于25°的不進(jìn)行整治，為田塊規(guī)劃設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

田塊平整區(qū)主要沿等高線繪制，土地平整工程布局根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地面條件和地形環(huán)境，依照“大彎就勢(shì)，小彎取直，高挖低填、分段求平”的原則，將578.14畝荒草地劃分成三個(gè)地塊并開發(fā)成534塊水平梯田，其中地塊一開發(fā)成142個(gè)小格田、地塊二開發(fā)成158個(gè)小格田，地塊三開發(fā)成234個(gè)小格田。梯田最小凈寬為4.32m、梯田最小凈長為5.09m，地塊格田分布如圖5所示。平整后的田塊有利于水土保持、田間機(jī)械化作業(yè)和農(nóng)作物的生長發(fā)育以及經(jīng)營管理。

圖5 地塊三格田設(shè)計(jì)分布圖

2.3 土方量計(jì)算方法

土地平整目的是使項(xiàng)目區(qū)在挖填基本平衡的基礎(chǔ)上形成一個(gè)平面，包含兩個(gè)方面的內(nèi)容。

2.3.1 設(shè)計(jì)高程計(jì)算

為保證挖填工程量最小和挖填基本平衡，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)地形實(shí)際情況，劃分不同的高程設(shè)計(jì)區(qū)域，因地制宜地進(jìn)行田面高程設(shè)計(jì)[8]。計(jì)算設(shè)計(jì)高程步驟為：

設(shè)小梯田的面積分別為 S1、S2、……Sn，設(shè)計(jì)高程為 Hs，各角點(diǎn)高程分別為H1、H2、……Hn，則各梯田角點(diǎn)的挖填高度分別為H1-Hs、H2-Hs、……、Hn-Hs。據(jù)土方平整原則，挖填方量總和為零[9]，即

對(duì)（1）式計(jì)算可得設(shè)計(jì)高程Hs

2.3.2 土方計(jì)算

土地平整分區(qū)的目的是分別統(tǒng)計(jì)各坡度級(jí)的平整面積，設(shè)計(jì)不同的地塊寬度以及確定相鄰地塊高度，以進(jìn)行工程量計(jì)算。計(jì)算土方量的方法有很多，有DTM法、方格網(wǎng)法、斷面法、等高線法[10]，本文采用方格網(wǎng)法進(jìn)行計(jì)算。

方格網(wǎng)計(jì)算土方量的基本原理是：將待平整的土地分成若干塊，獲取各網(wǎng)格點(diǎn)的地面高程，根據(jù)平均高程和設(shè)計(jì)坡度計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)的填挖邊界和填挖量，最后計(jì)算土方量。

根據(jù)設(shè)計(jì)高程和地面高程計(jì)算出施工高度。計(jì)算每個(gè)方格網(wǎng)的零點(diǎn)，確定零線位置。零線位置是挖填平衡量的關(guān)鍵。

土方量計(jì)算一般分為四種情況：

當(dāng)方格網(wǎng)的四個(gè)角點(diǎn)為全挖或全填時(shí)（方格網(wǎng)邊長為a），其計(jì)算公式為式（3），如圖6所示。

圖6 四點(diǎn)填方或挖方示意圖

當(dāng)方格網(wǎng)中三點(diǎn)填方或挖方時(shí)，如圖7所示，計(jì)算公式為式（4）:

圖7 三點(diǎn)填方或挖方示意圖

當(dāng)方格的四個(gè)角點(diǎn)中兩點(diǎn)挖方或填方時(shí)，如圖8所示，其計(jì)算公式為式（5）和式（6）:

圖8 兩點(diǎn)填方或挖方示意圖

當(dāng)方格中一點(diǎn)填方或挖方時(shí)，如圖9所示，其計(jì)算公式為式（7）:

圖9 一點(diǎn)填方或挖方示意圖

h1、h2、h3、h4為施工高度；a為方格邊長。

3 土地平整土方量計(jì)算

3.1 基于Python的方格網(wǎng)法土方量計(jì)算程序設(shè)計(jì)

利用Python語言，按兩種思路實(shí)現(xiàn)了方格網(wǎng)法土方量計(jì)算。[6]一是按式（3）-（7）的形式分四個(gè)函數(shù)分別直接計(jì)算土方量，需提前計(jì)算方格的邊長a、參數(shù)b和c的值。二是將上述功能整合為一體，用一個(gè)函數(shù)完成計(jì)算。這里以第二種方法為例表示土石方計(jì)算的Python語言實(shí)現(xiàn)。

統(tǒng)一的土方量計(jì)算函數(shù)設(shè)計(jì)思路為：函數(shù)參數(shù)為設(shè)計(jì)標(biāo)高和網(wǎng)格四個(gè)角點(diǎn)的三維坐標(biāo)，角點(diǎn)按順時(shí)針順序排列。首先計(jì)算四個(gè)角點(diǎn)距離設(shè)計(jì)標(biāo)高的垂直距離dh，位于標(biāo)高平面上部dh符號(hào)取負(fù)，表示待挖，位于標(biāo)高平面下部dh符號(hào)取正，表示待填。其次按不同情況分別計(jì)算挖填方量，當(dāng)四個(gè)角點(diǎn)的dh均為正或均為負(fù)時(shí)，按四點(diǎn)挖填方公式計(jì)算土方量；當(dāng)一個(gè)角點(diǎn)dh為正，其余三個(gè)角點(diǎn)dh為負(fù)或一個(gè)角點(diǎn)dh為負(fù)，其余三個(gè)角點(diǎn)dh為正時(shí)，按一點(diǎn)和三點(diǎn)挖填方公式分別計(jì)算土方量；當(dāng)前兩個(gè)角點(diǎn)dh為正，后兩個(gè)角點(diǎn)dh為負(fù)或前兩個(gè)角點(diǎn)dh為負(fù)，后兩個(gè)角點(diǎn)dh為正時(shí)，按兩點(diǎn)挖填方公式計(jì)算土方量。程序部分代碼如下：

#統(tǒng)一的方格網(wǎng)法挖填方計(jì)算，返回挖填方的數(shù)量，格網(wǎng)角點(diǎn)順時(shí)針排列。

3.2 基于CASS的土方量計(jì)算

考慮表土剝離厚度為20cm，先將表土剝離堆放到一側(cè)，待地塊平整到設(shè)計(jì)高程時(shí)再行回填。項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)平整地塊為534塊。利用方格網(wǎng)法計(jì)算土方量，其優(yōu)點(diǎn)是方便快捷且精度高，以地塊三為例，利用方格網(wǎng)法計(jì)算地塊三的土方量。

圖10 地塊三復(fù)合線

提取地塊三的地面高程點(diǎn)，在CASS中形成一個(gè)閉合的復(fù)合線，見圖10所示。在CASS中點(diǎn)擊“方格網(wǎng)法土方計(jì)算”，選中區(qū)域復(fù)合線，彈出“方格網(wǎng)法土方計(jì)算”對(duì)話框，然后輸入高程點(diǎn)坐標(biāo)文件，設(shè)置斜面（基準(zhǔn)點(diǎn)）、拾取基準(zhǔn)點(diǎn)、向下方向上一點(diǎn)等參數(shù)，計(jì)算出挖填方量，如圖11所示。圖中格網(wǎng)線上下標(biāo)高分別為平均地面高程和設(shè)計(jì)高程，格網(wǎng)交點(diǎn)處數(shù)值是地面高程和設(shè)計(jì)高程的高差稱為施工高度，“+”為挖，“-”為填，中間T和W表示該方格范圍內(nèi)的填挖方量。

圖11 挖填方量結(jié)果（部分）

3.3 格田信息庫建立與查詢

為有效指導(dǎo)土地開發(fā)項(xiàng)目施工，利用ArcGIS實(shí)現(xiàn)了三個(gè)地塊格田信息庫的建立和查詢。在Arc-GIS中打開地塊圖形文件，為地塊建立數(shù)據(jù)庫，并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)字段：面積、坡度、壘坎長、土坎量、客土量、挖方面積、填方面積、挖方量、填方量、挖填差。打開該圖層的屬性表并進(jìn)行編輯，將土地平整計(jì)算量錄入屬性表后保存，使用ArcGIS的Geodatabase實(shí)現(xiàn)對(duì)格田地塊屬性的查詢管理。

4 結(jié)束語

針對(duì)貴定縣高源村作為后備耕地資源的荒草地，基于項(xiàng)目區(qū)的基本條件、土地利用現(xiàn)狀，對(duì)土地整理進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)，針對(duì)其中的土地平整工程進(jìn)行了研究與實(shí)施。首先建立DEM模型，并在ArcGIS中生成坡度圖，進(jìn)行田塊設(shè)計(jì)，建立格田信息數(shù)據(jù)庫。在土地平整中，土方量計(jì)算是其中最重要的部分之一，基于Python程序設(shè)計(jì)語言對(duì)土方量計(jì)算進(jìn)行了程序設(shè)計(jì)，以描述土方量的實(shí)現(xiàn)原理；利用南方CASS軟件的“方格網(wǎng)法土方計(jì)算”功能，實(shí)現(xiàn)了土方量的計(jì)算。本文可為后期土地整理工程的實(shí)施提供技術(shù)參考。