＠卿一 ５０ 第ｌ６卷第２期 ２０００年 ３月 农业工程学报 Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＡＥ Ｖｏ】．１６ Ｎｏ．２ Ｍａｒ． ２０００ 农田土地平整方法的组合应用及效果 Ｓ２ ／ 奎 摘④ ｖ／李益农 （中国水利水电科学研究院） 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４～５ 关薯词：屯丝±些｝誊垄±些；平整精度；平地效果 里魅 ．唛回壁当． 咐埘瞧．王 ：干。Ｅ· 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 件下，使工程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１．１～１．５的 范围内 一，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０ ，本文采用以平面法为基础的修正 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 整机具上的应用能大幅度地提高土地平整精 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 度 ］，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１Ｏ～ 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 标采用力矩法求得。平面方程的形式为 Ｅ（ｘ， ）＝ Ｈ十 ｊ · ＋Ｋ · （１） ｊｏ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。 式中 Ｅ（ ， ）——平面点（ ，Ｙ）的设计高程； 方向上的坡度；Ｋ —— 方向上的坡度ｉ 是修正系数。 解如下 和 利用最小二乘法方程联立求 １平地设计方法与试验 １．１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 ∑ —ｔ） · ＋∑（ — ）·（ —ｙ ）· （ｘ－－ｘ￣）．［Ｅ（ ， ）一Ｅ ］ ∑（ —Ｙ ） · ＋∑ — ）·（ —ｙ ）·Ｋ ∑（ —Ｙ ）．［Ｅ（ ， ）一Ｅ］ 收稿日期：１９９９ １２ ２４ 国家 九五 科技攻关项目（９６—００６—０２—０１）的部分内容 Ｄ李福样ｔ高级工程师．北京市车公庄西路２０号 中国水利水 电科学研究院承利所，１０００４４ 设：Ａ＝∑（ —ｔ） ｆ Ｂ＝∑（ ）·（ 一 ）；Ｃ＝∑（ 一五）．［Ｅ（ ， ）一Ｅ ］；Ｄ＝∑（ ｙ ） ；Ｅ＝∑（ —ｙｒ）·［Ｅ（ ． ）一Ｅ］ 第２期 李福样等：农田土地平整方法的组合应用及效果 则 Ｋ Ｂ·Ｅ—Ｄ·Ｃ Ｂ 一Ｄ·＾ 一 式中 和 ——田块中心点坐标；Ｅ ——田块中 心点高程，且： ∑ ８（ 一 ｘ ， ） Ａ ∑ｎ·ｙ ∑ｍ·ｚ 弘一＿ｌ。一— 式中』４ 和 （ｚ， ）——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 点处 方向上的网格点数；ｎ——坐标为Ｙ点处ｚ方向上 的阿格点数。 当任一平面均通过田块中心点（ …ｙ）时，则有 Ｈ—Ｅ 一也·＾Ｋ ·Ｙ 【２） 联立求解公式（１）和（２），得到已知的平面方程 Ｅ ， ）一Ｅ 一ｊｌ（Ｉ·盂一 · ＋Ｋ ·ｄｒ＂＋Ｋ，·ｙ 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 ＾ 【∑Ｃ（ｘ， ））。 ４·｛；∑Ｃ（ｘ 【＋ｌ∑Ｆ（ｘ，ｙ）１） ∑ ！兰： ： ４· 【∑Ｃ（ｘ， ）【＋Ｉ∑Ｆ（ｘ， ）Ｉ｝ 式中 。、Ｖ 、Ｃ（ｚ，Ｙ）、Ｆ（ｚ，Ｙ）和＾．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一∑Ｖ ／∑ ，若初 次计算值超出１．０～１．２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 １．２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Ｓ （ｃｍ）表示 厂■—————■—～ √∑（Ｙ＾．一“） ／（ｎ １） 式中ｈ 一田块内第ｉ个测点的高程，ｃｍ；＾ —— 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。Ｓ 一０是理论 上可达到的最佳精度，而较高的 值则意味着较差 的土地平整程度。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Ｓ 值分别为２～２．５ ｃｍ 和小于１．２ ｃｍ，在葡萄牙则是３～４ ｃｍ和小于１．７ ｃｍ 一。 标准偏差Ｓ 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ＥＤ．一ｈ．ｈ （ｃｍ），再根据小于某一高程偏差绝对值Ｉｈ 一＾ 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１．５ ｃｍ的测点的累 积百分数虽大可达８Ｏ 以上 ］ １．３田间平地试验 １ ９９８～１ ９９９年秋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 ｈｍ。。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８ｏ～１００ ｍ，南北向 长２００￣４００ ｍ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 ｍ 。 表１给出各田块的初始Ｓ 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Ａ １至 Ａ一３和Ａ ６至Ａ一７的地面纵坡在１‰～４Ｙ￣。之间，Ｓ 值在４．１～８．３ ｃｍ范围．地面原始平整状况相对较 好，Ａ一４和Ａ ５两个田块的原始平整状况较差，具有 较高的Ｓ 值（１０．５ ｃｍ和１ ４．８ 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Ｋ 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Ｋ ０，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 农业工程学报 整 表１常规殛激光平地方法下的土地平鼙状况改善程度 Ｔａｂ．１ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｌａｓｅｒ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｌａｎｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ 常规粗平作业前，先环绕待平地块四周设立间 距为２Ｏ 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．实旌土地平整作业。 在田面内，则采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旌工运行，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 增加到６１．０ ～８７．８ ，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。 ２．２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Ａ一４和Ａ一５的平整精 度仍未得到有效改善，其Ｓ 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 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 效果的好坏直接影响到激光平地的精度。常规平地 后，两个田块的岛值高达９～ｌ】ｃｍ，在这种较差的 田块地形条件下．尽管激光精平可 在一定范围内 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 ２．１平地效果评价 表ｌ给出两种平地方法实旌后田块平整状况的 变化及改善程度．在平整的所有田块中，以对Ａ ３ 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Ａ一４和Ａ一５的 地块而言．平地前的范围在２９ ５ ～４７．２ 之间， 圈ｌ常规平地与激光平地后的＆值间的关意 Ｆｉｇ．１ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ Ｓ ｖａｌｕｅｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｌａｓｅｒ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｌａｎｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ 常规平地后提高到４１．９ ～５８．０ ，激光平地后又 第２期 李福祥等：农田土地平整方法的组合应用及效果 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 地最高为５８ ，而激光平地则可接近９Ｏ ，两者间 的差值达３０个百分点。激光平地所能达到的期望精 度随常规平地的平整度下降而减小的趋势表明．激 光精平的效果必须建立在良好的土地粗平基础上。 在我国现有的常规机械平地设备条件下，只有当粗 平后的地面平整精度达到４～５ ｃｍ时，实旌激光平 地作业才能取得较好的土地平整效果。 ［参考文献］ 据平地试验结果得到的关系曲线予以证实，该曲线 描述了常规粗平后的Ｓ 值与激光精平后的Ｓ 值间 的相关关系。可以清楚地看到，常规平地后的土地平 整度愈差，激光平地后的平整精度则愈低。因此要想 获得满意的土地平整效果，应加大常规粗平的力度 和精度，尽可能增加常规方法下的土地平整改善幅 度。平地试验数据表明，在现有的常规平地设备条件 下，粗平后能达到的平均Ｓ 值以４～５ ｃｍ较为现 实。若以激光精平的期望 值以２ ｃｍ为标准，则粗 平后的平整精度（４～５ ｃｍ）与平地设计期望值（２ ｃｍ）间的差值近似为２～３ ｃｍ。这个结论与笔者根据 ［１ Ｈｉｎｚ Ｗ Ｗ，Ｈａｌｄｅｒｍａｎ Ａ Ｄ．Ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｌａｎｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｃｏｓｔ￣ａｎｄ ｂｅｎｅｆｉｔｓ Ｂｕｌｌ Ｎｏ．Ａ１１４ Ｃｏｏｐ Ｅｘｔ Ｓｅｔ． １９７８．Ｔｕｅｓｏｎ．Ａｒｉｚｏｎａ ［２－Ｄｅ Ｓｏｕｓａ ＰＬ，Ｄｅｄｒｉｃｋ Ａ Ｒ，Ｃｔｅｍｍｅｎｓ Ａ Ｊ，ｅ！ａ１． ￣ｎｅｆｉｔｓ ａｎｄ ｃｏｓｔｓ Ｏｆ ｌａｓｅｒ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ—ａ 土地平整作业效率和成本费用分析得出的两种平地 方法组合应用的模式相同 ］，即首先采用常规平地 方法在田间大规模地挖填和搬运土方，较大程度上 修改和改善田块的宏观地形，当田面平整精度距平 地设计值的差值接近３ ｃｍ时，再利用激光平地实施 土地精平作业，以改善田间地面的微地形条件。 ｅａｓｅ ｓｔｕｄｙ．Ｔｒａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ １５ｔｈ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｒａｉｎａｇｅ－１９９３，Ｖｏ１．１－Ｃ ［３］李益农，许迪，李福祥等．农田土地激光平整技术应 用及初步评价．农业工程学报，１９９９，１５（２）：７９－－８４ ［４］Ｗａｌｋｅｒ Ｗ Ｒ．Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ ｆｏｒ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ． ＦＡＯ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｐａｐｅｒ Ｎｏ．４５，１９９２，Ｒｏｍｅ ３结论 ［５］李醒民．水土保持工程学．台北镣氏基金会出版杜， １９６６ 采用本文给出的农田土地平整工程的设计方法 和实施步骤，可以在传统的常规平地方法与激光控 制平地技术的组合应用基础上，获得较高的平地精 度。常规粗平方法所能达到的最大平整精度是３．４ ｃｍ，而激光平地则能达到２．１ ｃｍ，且田块内高程偏 ［６］Ｄｅｄｒｉｃｋ Ａ Ｒ，Ｅｒｉｅ Ｌ Ｊ，Ｃｌｅｍｍｅｎｓ Ａ Ｊ．Ｌｅｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ Ｉｎ：Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ．Ｄ Ｈｉｌｔｅｌ Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ．Ａｅａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ，１９８２ ［７］许迪，李益农，李福祥等．常规土地平整方法与激光 平地技术组合应用分析．水利学报，１９９９，１０ 差绝对值小于３ ｃｍ的测点的累积百分比对常规平 Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌａｎｄ Ｌｅｖｅｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｌｉ Ｆｕｘｉａｎｇ Ｘｕ Ｄｉ Ｌｉ＋Ｙｉｎｏｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ＆Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，Ｂｅ ｎｇ １０００４４） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｌａｓｅｒ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｌａｎｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｗａｓ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐｌａｉｎ ｏｆ Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ａ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒｅａｃｈｅｄ ｗｈｅｎ ａ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔＷＯ ｌａｎｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｆｏｒ ｌａｎｄ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｌａｎｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｅａｒｔｈ—ｍｏｖｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｕｎｔｉＩ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｓｕｒｆａｃａ ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈｅｓ ｔｏ ４～５ ｃｍ １ｅｖｅＩ．Ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ— ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｕｓｅｄ ｉｎ ａｎ ｅｆｆｏｒｔ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｎｅｅｄｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｌａｎｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ；ｌａｓｅｒ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｌａｎｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ；ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ；ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ； ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ
