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高山峡谷地区石坎水平梯田优化设计浅析 摘要：土地开发整理是解决水电工程移民安置对生产资料需求的重要方法之一，由于水电工程大多位于高山峡谷地区，山高坡陡，土层薄，石料丰富，土地开发整理建设以修筑石坎梯田为主。通过对石坎梯田断面要素和工程量的分析，以田坎高度和田坎侧坡坡率作为设计变量，以每公顷梯田的造价为目标函数，提出了石坎梯田的通用优化设计数学模型，并进行了实际优化计算。优化设计表明，优化设计方案与常规修筑方法相比，具有工程量小、田坎稳定、土地利用率高、便于机械耕作等优点。提出不同地形条件下经济合理的石坎梯田断面参数值，以期为后续石坎梯田工程精确设计提供有益的参考。 关键词：水电工程；移民安置；石坎梯田；优化设计 1 引言 土地开发整理是解决水电工程移民安置对生产资料需求的重要方法之一，由于水电工程大多位于高山峡谷地区，山高坡陡，土层薄，石料丰富，土地开发整理建设以修筑石坎梯田为主。实施石坎坡改梯工程有助于增加移民安置环境容量、改善农业生产条件、实现移民安置既定目标，同时也有助于防治水土流失、改善生态环境。 目前，关于土地开发整理坡改梯研究较多的主要集中在2方面：一是在研究区域方面，对北方黄土高原丘陵区及部分南方丘陵区坡改梯研究较多，而对南方高山峡谷地区坡改梯研究较少；二是在梯田断面要素（田面宽度、田坎高度等）确定方面，研究主要集中在考虑地形坡度、石坎稳定性、工程量、机械化作业、土地利用率等单个或部分因素对梯田断面要素确定的影响方面，此外，蔡江碧运用矢量法进行了二维梯田设计，提出用需功量或效功比作为设计质量评价指标较为合适。沈显生对山区坡改梯中的光能利用问题进行了研究，提出在山区坡改梯中, 按照作物高度和山坡坡度决定梯地的宽度的计算公式。而对上述影响梯田断面要素的地形坡度、石坎稳定性、工程量、机械化作业、土地利用率结合起来进行高山峡谷地区梯田统筹优化设计研究的较少。高山峡谷地区石坎梯田仍以一般丘陵区梯田的规划设计方法进行设计，未能因地制宜的针对高山峡谷地区特定的自然社会条件进行深入研究探讨。缺乏通过对工程量、石坎稳定性、土地利用率及耕作方式等方面结合的统筹规划设计，致使部分水电移民工程石坎梯田存在单位面积投资高、石坎稳定性差、土地利用率低、不适合机械耕作等问题。水电移民工程高山峡谷地区石坎梯田的优化设计就是要在保证梯田经济实用、安全稳定的前堤下，确定出最为合理的梯田断面。高山峡谷地区复杂的区域条件决定了石坎梯田布局及设计参数确定的难度，还需要依据实践情况开展大量的石坎梯田规划设计的分析研究工作。因此，本文通过对石坎梯田断面要素和工程量的分析，以田坎高度和田坎侧坡坡度作为设计变量，以每公顷梯田的造价为目标函数，提出了石坎梯田的通用优化设计数学模型，并进行了实际优化计算。 2 石坎梯田优化设计方案 2.1优化设计总体原则 石坎梯田优化设计应在满足各种限制因素下，在可行方案中选择最优方案，实现石坎梯田技术、经济上的合理性，其优化设计总体原则包括：（1）田坎稳定；（2）田坎占地少，土地利用率高；（3）便于机械耕作；（4）工程量较小。 2.2 石坎梯田断面要素及相互关系 石坎梯田断面要素主要有原地面坡度、田面宽度、石坎高度、田坎坡度等。其相互关系如下： 图1：石坎水平梯田断面要素图 梯田宽度：Bm=H?cotθ 田面净宽：B= Bm-D= H?cotθ-D 田坎底宽：D=d+H?cotβ 梯田斜坡长：Bx=H/sinθ 式中：θ—原地面坡度（°）；d—田坎顶宽（m）；D—田坎底宽，（m）；β—田坎坡度（°）；H—石坎高度（m）；Bx—原坡面斜宽（m）；Bm—田面毛宽（m）；B—田面净宽（m）。 2.3 工程投资计算 石坎梯田的工程量由石方工程量和土方工程量两部分组成，根据梯田断面要素几何关系，可推算出梯田单位面积（亩）的挖（填）土方量为：Vt=1/8?H?666.7=83.3H 要更为准确地反映土方工程量，还应考虑到土方运移量的大小，为此以土方的需功量（土方量乘以运距）来计算土方工程量，土方的运距以挖方重心到填方重心的距离来计，其大小为2/3?Bm，那么单位面积（亩）梯田的土方需功量就为：Wt=2/3?Bm?Vt 每米长度梯田石坎的砌石方量为：Vs’=0.5?（2d+H?cotβ）?H=d?H+0.5H2?cotβ 那么可求得单位面积（亩）梯田的砌石方量为：Vs=666.7?（d?H+0.5H2?cotβ）/B 如果单位土方需功量的费用为Kt（元/m3?m），单位干砌石的造价为Ks（元/m3），那么单位面积石坎梯田的投资为：Z＝Kt?Wt +Ks?Vs 2.4 石坎梯田优化设计综合模型 2.4.1变量设置 由前面分析可知，当原地面坡度θ、田坎顶宽d给定后，石坎梯田的断面要素和工程量都可由石坎高度H和田坎坡率cotβ确定，为此取H和cotβ作为变量进行优化。 2.4.2目标函数 优化设计的目的是在保证梯田稳定、满足机械作业条件、较高的土地利用率的条件下，追求较高的经济效益，对于石坎梯田来讲，梯田的产出随田宽 或坎高 的变化是不大的，这样只要使梯田的造价较低，其经济效益也就较大, 因此就可以单位面积梯田的投资作为目标函数, 求其最小值。根据石坎梯田的断面要素和工程量公式，得优化设计目标函数如下： 2.4.3约束条件 在求解目标函数最小值的同时，首先要保证梯田满足梯田稳定、机械作业条件、较高的土地利用率和适应地形、地质状况，这些要求都可通过约束条件来反映。 （1）便于机械耕作 梯田设计田面宽度必须大于耕作要求的最小田宽B1，要求最小田宽根据当地耕作机具情况来决定，目前常用的四轮拖拉机耕种时的最小回转直径为4m，因此从满足机械耕种方便的角度考虑，梯田的田面宽度B1应不小于4m。可得田宽约束为：B＝H?（cotθ- cotβ）-D≥B1 ，B1+D-H?（cotθ- cotβ）≤0 3结论 西南高山峡谷地区地区水力资源丰富，水力资源作为国家积极发展的清洁能源，目前正处于开发高峰期，而水电工程的移民安置问题已成为影响水电工程后续发展的主要因素之一，作为解决水电工程移民安置生产资料重要途径的石坎坡改梯工程，对实现水电工程移民安置区的可持续发展及经济效益、社会效益、生态效益具有重要影响。因此，其前期的规划设计工作显得尤为重要。本文在前人研究的基础上，综合考虑地形坡度、石坎稳定性、工程量、机械化作业、土地利用率等因素，对高山峡谷地区石坎梯田进行了优化设计，提出不同地形条件下经济合理的石坎梯田断面要素，主要结论如下： （1）对地形坡度为5~10°石坎坡改梯区域，田坎高度采用1.05m，田坎侧坡坡率采用0.007，田面净宽度为8.6 m时，石坎梯田断面达到最优。 （2）对地形坡度为10~15°石坎坡改梯区域，田坎高度采用1.19m，田坎侧坡坡率采用0.031，田面净宽度为5.16 m时，石坎梯田断面达到最优。 参考文献 [1]高鹏,刘作新.小流域坡耕地集流梯田工程设计与应用[J].水利学报, 2004, 8: 1—6. [2]张晓虹.系统工程在甘肃梯田建设中的应用[J]. 甘肃水利水电技术, 2005,41(2):167-168. [3]郭子安.黄土区机修梯田施工工程设计优化方法初探[J].甘肃水利水电技术, 2011, 47(7): 46-47. 本文来源：https://www.dywdw.cn/6cdd5229a5c30c22590102020740be1e650eccba.html
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2022-04-15
