农田土地平整方法的组合应用及效果3

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1、第16卷 第2期 2000年3月农 业 工 程 学 报 T ransactions of the CSA EVol . 16 No. 2 M ar. 2000农田土地平整方法的组合应用及效果3李福祥 许 迪 李益农(中国水利水电科学研究院)摘 要:采用修正平面法完成农田土地平整的工程设计,在常规平地方法和激光平地技术应用基础上对2种方法实施后的平地效果进行分析评价。激光平地精度随常规方法的平整程度下降而减小的趋势表明,激光精细平地的效应必须建立在良好的土地粗平基础上。在我国现有的常规平地机械设备条件下,粗平后地面平整精度达到45cm时,实施激光精平作业才能取得较好的平地效果。关键词:常规平地;

2、激光平地;平整精度;平地效果;应用模式收稿日期: 19992122243 国家 “九五” 科技攻关项目(962006202201)的部分内容 李福祥,高级工程师,北京市车公庄西路20号 中国水利水 电科学研究院水利所, 100044土地平整方法包括常规土地平整措施和激光控制平地技术。 常规平地方法采用的设备有推土机、 铲运机和刮平机,它具有土方运移量大、 平地费用相对较低的特点,适合于在地面起伏较大、 原始平整度较差的田面内完成粗平,改变田块的宏观地形。 由于平地效果主要取决推土机和刮平机的施工精度,故受设备自身缺陷和人工操平精度的影响,当达到一定田面平整度后便很难再有提高。激光控制在农田平整

3、机具上的应用能大幅度地提高土地平整精度13,其感应系统的灵敏性至少比人工视觉判断和平地机具上操作人员的手动液压系统准确1050倍。激光平地的作业效率高,适宜在常规粗平基础上完成田面精平,改善地面微地形条件,但平地费用相对较高,铲运设备容积有限。因此,充分利用常规粗平方法和激光精平技术的长处及特点,可获得较好的土地平整效果。本文给出农田土地平整的工程设计方法及田间实施步骤,根据平整精度指标对常规粗平和激光精平的效果进行分析评价,探讨两种平地方法的应用模式。1 平地设计方法与试验111 平地工程设计 土地平整工程设计的原则是在有利于提高地面灌溉质量、 促进作物生长和防止田间水土流失的条件下,使工程

4、作业的土方运移量最小且搬运距离最短。 设计中应保持挖方与填方的比率在111115的范围内4,考虑到填方区内的土壤密度较小,填土遇水下沉后会影响田面的平整精度,故挖方量一般应大于填方量。常规平地的工程设计方法有平面法、 断面法、 等高线调整法等5,本文采用以平面法为基础的修正平面法。 将平整的田块划分为若干四方形网格,利用最小二乘法或线性回归拟合法对二维田块内所有网格点的高程进行计算,由建立的平面方程确定田块的设计纵、 横向坡度,并依据网格面积加权计算法得到田间的平均高程,完成挖填方比的平衡计算。当田块近似为方形或长方形时,取田块平均高程点的位置在中心点,若为不规则田块,其中心点坐标采用力矩法求

5、得。平面方程的形式为E(x,y)=H+Kxx+Kyy(1)式中 E(x,y) 平面点(x,y)的设计高程;Kxx方向上的坡度;Kyy方向上的坡度;H是修正系数。Kx和Ky利用最小二乘法方程联立求解如下 (x-xc)2Kx+(x-xc)(y-yc)Ky=(x-xc)E(x,y)-Ec (y-yc)2Ky+(x-xc)(y-yc)Kx=(y-yc)E(x,y)-Ec设:A=(x-xc)2;B=(x-xc)(y-yc);C=(x-xc)E(x,y) -Ec;D=(y-yc)2;E=(y-yc)E(x,y) -Ec05 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc

6、Co., Ltd. All rights reserved.则Kx=BE-DC B2-DAKy=BC-AE B2-DA式中 xc和yc田块中心点坐标;Ec田块中心点高程,且:Ec=H(x,y)E(x,y) H(x,y)H(x,y) =A(x,y) Asyc=ny nxc=mx m式中 As和A(x,y)分别是田块内网格的标准控制面积和实际控制面积;m坐标为x点处y方向上的网格点数;n坐标为y点处x方向上的网格点数。当任一平面均通过田块中心点(xc,yc)时,则有H=Ec-Kxxc-Kyyc(2)联立求解公式(1)和(2),得到已知的平面方程E(x,y)=Ec-Kxxc-Kyyc+Kxx+Kyy

7、并用来计算田块内各网格点处的设计高程。对每个网格的挖、 填方量,采用四点法计算如下VCi=AiC(x,y)24C(x,y)+F(x,y)VF i=AiF(x,y)24C(x,y)+F(x,y)式中 VCi、VFi、C(x,y)、F(x,y)和Ai分别是网格的挖、 填方量,网格4个点的挖、 填深度和网格的面积。对于挖填方比率R=VCiVF i,若初 次计算值超出110112范围,则可通过调整田块中心点高程值重新计算地块的挖、 填方量,直至R值达到适宜的范围为止。有关修正平面法的计算步骤和挖填方比的试算过程已编制成相应的计算软件。激光平地采用的工程设计思路类似于修正平面法,即根据田块各测点的高程来

8、确定精平的设计高程,原则是通过选择适当的设计高程,使平地作业的挖填方量基本相同。由于田间整体地形的改变和定形,尤其是田块纵向坡度的大小已由常规粗平确定,故激光平整土地的搬运土方量和平整的难易程度应低于常规平地。112 土地平整精度 平整土地的精度及质量采用平整精度指标予以定量,使用田块内所有测点的地面高程的标准偏差值Sd(cm)表示Sd=ni= 1(hi-hti)2(n-1)(3)式中 hi田块内第i个测点的高程, cm;hti 第i个测点的期望高程, cm ,一般指该点的平地设计 高程;n田块内所有测点的数量。Sd= 0是理论 上可达到的最佳精度,而较高的Sd值则意味着较差 的土地平整程度。

9、 在美国,常规平地方法和激光平地 技术所能达到的田面最小Sd值分别为2215 cm 和小于112 cm ,在葡萄牙则是34 cm和小于117cm2。标准偏差Sd反映了田面平整的总体状况,要想 评价田间地面形状的分布差异及特征,可利用分布 偏差计算给出定量描述。首先计算田块内各测点的 高程与期望高程间的高程偏差值EDi=hi-hti (cm),再根据小于某一高程偏差绝对值hi-hti的 测点的累积百分比数来反映地面平整度的分布状 况。以美国土地利用局规定的标准为例,激光平地 后,田块内高程偏差绝对值小于115 cm的测点的累 积百分数最大可达80%以上6。113 田间平地试验19981999年秋

10、季在北京市昌平县百善渠灌 区完成土地平整试验,平整土地面积28 hm2。整个农田被划分为面积不同、 初始平整状况不一的9个田块,其中每个田块的东西向宽80100 m ,南北向 长200400m不等,作物种植方向为南北向。平地 过程中首先利用推土机、 铲运机和刮平机等常规平 地机具使田面达到一定平整度后,再采用激光控制 技术完成土地精平,精平铲运设备的容积为2 m3。表1给出各田块的初始Sd值,它是在20 m正 方形网格测量结果上计算得到的。其中地块A21至A23和A26至A27的地面纵坡在1 4之间,Sd 值在411813 cm范围,地面原始平整状况相对较 好,A24和A25两个田块的原始平整

11、状况较差,具有 较高的Sd值(1015 cm和1418 cm),且田块的地势 在纵横两个方向上都呈现出凸面形状。根据地面畦 灌对行水坡度的要求以及土地平整工程的设计要 求,田间南北纵向的设计坡度Ky应保持在2左 右,并消除水流推进方向上的倒坡畦段和局部田面 的凹凸点;在垂直水流方向的东西坡面则应保持水 平状态,即Kx0,减少地面灌溉过程中横向畦面受 水不均的现象。 平地田间设计中,将每个田块沿纵坡 方向划分为若干个平地作业单元,其中南北向的土 地平整按设计纵坡施工,东西向实施地面零坡度平15 第2期李福祥等:农田土地平整方法的组合应用及效果 1995-2005 Tsinghua Tongfan

12、g Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.整。表1 常规及激光平地方法下的土地平整状况改善程度Tab. 1 Effective evaluation of conventional and laser2controlled land leveling procedures平整地块平地面积hm2平地前Sdcm常规土地平整激光控制土地平整平地后Sdcm绝对改善度D cm相对改善度%平地后Sdcm绝对改善度D cm相对改善度%A21451951001915143171132517A22241831411428132141102914A232813318

13、41554122131153914A244101591011513186122183114A2541418111431423126145104319A2635124190135183121173417A27361151301813113161173211A28361241311930163170161410A29341131011126182110192210常规粗平作业前,先环绕待平地块四周设立间距为20 m的标桩,在桩上根据地面测量结果注明该点的平地作业设计高程,即给出标桩位置处地面的挖填深度。 推土机手将依据每个桩柱上的标志,操作平地机具在其附近挖高填低,实施土地平整作业。在田面内,则采

14、用水准仪随时定点监测各测点的地面高程,指挥推土机和铲运机施工运行,控制测点处的挖填方数量。 粗平结束后,根据复测的地面平整状况,在每个平地作业单元内,按照平地设计高程确定激光平地铲运机具刀口的起始位置点,并固定激光接收器在铲运设备桅杆上的位置,使接收器的中心点与激光平面重合,随后由拖拉机牵引的铲运机具即可在田块内按一定行进规律往复运动,逐步完成对整个地块的自动精平作业。2 结果与讨论211 平地效果评价 表1给出两种平地方法实施后田块平整状况的变化及改善程度,在平整的所有田块中,以对A23地块的改善力度最大,获得的平地效果最佳。对两种平地方法应用前后各地块内所有测点的高程与期望高程间的偏差值小

15、于某一绝对值的测点的累积百分比进行统计。以高程偏差的绝对值小于3 cm的测点的累计百分数为例,对除A24和A25的地块而言,平地前的范围在2915%4712%之间,常规平地后提高到4119%5810% ,激光平地后又增加到6110%8718% ,高程偏差绝对值小于3 cm 的测点的数量已占这些田块内全部测点的大多数, 田间微地形分布状况得到了较大程度的改善。图1 常规平地与激光平地后的Sd值间的关系Fig. 1 Correlation betweenSdvalues obtainedby conventional and laser2controlledland leveling proced

16、ures212 组合应用模式 表1结果表明在经过常规粗平与激光精平措施 后,初始平整状况很差的地块A24和A25的平整精 度仍未得到有效改善,其Sd值仍高达6 cm以上。 究 其原因主要在于常规粗平工作的力度不够,没能明显地改变整个地块的宏观地形。由于激光精平的效 果往往是建立在常规粗平的基础上,因此土地粗平 效果的好坏直接影响到激光平地的精度。常规平地 后,两个田块的Sd值高达911 cm ,在这种较差的 田块地形条件下,尽管激光精平可以在一定范围内25农业工程学报2000年 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.提高土地的平整度,但就整体效果而言,无法获得满 意的土地平整结果。这个事实可以由图1给出的根 据平