生態環境保護的場地平土標高分析范文

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《蘭州理工大學學報》2016年第一期

摘要：

基于對現有確定場地平土標高研究的基礎，分析場地平土標高確定的過程與生態環境之間的相互影響關系；從保護生態環境的角度出發，兼顧土方平衡與土方量最小的要求，建立一種確定平整場地后平土范圍內對原有自然地形的微生物損毀量的計算模型．利用遺傳算法進行求解，得到微生物損毀量最小情況下的最優場地平土標高．結合實例，對某工業企業的場地平整方案進行微生物損毀的量化分析，從生態環境保護的角度給出確定場地平土標高的最優方案．

關鍵詞：

場地平土標高；環境保護；填挖高度；微生物損毀量

研究表明環境污染中工業污染占很大比例．工業污染包含很多方面，其中因工業企業建設過程尤其是場地平整所帶來的大填大挖而造成的水土流失［1］，會對原有生態環境中的微生態數量造成破壞［2］．合理確定工業企業場地平土標高，對減少土石方量、節省基建投資、保護生態環境等方面來講極為重要［3－6］．

1基于生態環境保護的場地平整優化

1．1場地平整對生態環境所帶來的影響“生態環境”這一術語可以從2個角度去定義：以生物為主體，“生態環境”是指“對生物生長、發育、生殖、行為和分布有影響的環境因子的綜合”；以人類為主體，它是指“對人類生存和發展有影響的自然因子的綜合”［7］．場地平整是將進行建設范圍內的自然地面，通過人工或機械填挖改造成設計所需的平面，以利于平面布置和生產運輸．場地平整時期對施工所在地區的土地利用格局造成改變，降低了施工區域自然系統的生產力，對施工區域生態完整性會產生一定的負面影響．對植被的影響主要是施工期征用土地、臨時用地、取棄土占地及機械、人員操作等破壞施工區域的植被，間接破壞和影響施工作業區周圍環境的植被覆蓋率和數量分布；施工過程進行的土地開挖平整使土壤生態系統內生物生存環境發生改變，特別是對分布在土壤表層范圍內的微生物含量造成了嚴重的損毀，使土壤中有機質含量降低；同時土地平整帶來的大填大挖可能造成局部水土流失，間接對水環境造成影響，過度開發也會破壞地下水環境；場地平整施工過程會產生大量的粉塵顆粒，會對施工區域的空氣產生污染．生態環境的好壞與否直接影響人類的正常生存和發展．對工業企業而言，良好的生態環境能夠促進企業未來可持續發展．保護工業企業所在區域的生態環境，可以實現企業經濟效益、環境效益與社會效益的共同提升，改變傳統的以破壞生態環境為代價而單一追求企業經濟效益的局面．

1．2場地平土標高的選取與生態環境的關系一般情況下影響場地平土標高的因素包括設計最高洪水位、地下水位、場內外運輸要求、滿足工藝要求、與周圍場地標高相協調、滿足建構筑物室內外高差的要求、減少土石方工程量和基礎工程量等［3，8］，這些影響因素都直接決定場地平土標高的取值．場地平土標高選取合理與否將直接影響場地平整方式以及填挖方量，從而間接影響土壤中微生物的含量．一旦平土標高選取不合理，場地平整出現大填大挖，則會嚴重損害土壤中微生物含量，甚至引起局部水土流失，并對生態環境造成不同程度的破壞．生物量是指某一時間單位面積或體積棲息地內所含1個或1個以上生物種，或所含1個生物群落中所有生物種的總個數或總干重（包括生物體內所存食物的重量）．生物量（干重）的單位通常是用g／m2或J／m2表示．某一時限任意空間所含生物體的總量一般用重量或能量來表示，用于種群和群落．用鮮重或干重衡量時，規定用B表示；用能量衡量時，則用QB（也稱活體能量，biocontent）表示［9－11］．土壤中微生物一般可分為3類：細菌、放線菌、真菌．這3類微生物在土壤中存量一般遵循QuadraticsRatio模型［11］．從保護生態環境的角度出發，在場地標高選取的過程中除了考慮基本的影響因素外，還應著重考慮2個問題：一是應避免大填大挖所造成的水土流失；二是應盡可能減少對自然地形的擾動，即做到對自然土壤所含的微生物損毀量最小．綜合考慮上述因素，合理選取場地平土標高，達到場地平整過程中對生態環境產生盡可能小的影響．

1．3基于生態環境保護的場地平整優化思路就場地平整施工對生態環境所帶來的相關影響以及場地平土標高選取與土壤中微生物含量的關系這2方面進行分析，綜合考慮，確定以施工區域微生物損毀量最小為目標函數建立模型，對場地平整填挖高度進行約束，求解此目標函數下的最優場地平整方案，從而達到在場地平整過程中最大程度的保護生態環境．

2基于生態環境保護的場地平整優化模型的確定

根據文獻［11］可知微生物在土壤中存量一般遵循QuadraticsRatio模型．微生物數量的多少與土壤深度相關．為了得到場地平整過程中對原有自然地形中微生物的擾動量，需要知道平土范圍內任意1點k的施工高度Ck．設計地面上任意1點的設計標高可以由5個條件來確定：水平投影方向上的坐標x、y，x、y方向上各自的設計坡度ix、iy以及坐標原點的設計標高H0．在現有關于確定場地平土標高研究的基礎上，將目標函數從求場地范圍內的所有施工高度的平方和最小值轉變為求場地范圍內微生物損毀量最小值，依此建立模型．根據微生物數量與土壤深度相關理論可以得到下述公式．通過對場地平土標高與土壤中微生物含量兩者之間關系的分析研究，可知要做到在場地平整過程中盡可能地保護生態環境，需要對平整場地任意一點k的設計高程Hk和場地平整坡度ix、iy以及施工高度Ck進行約束．約束條件的選取是為了使平整后整個場地的設計標高Hk能在保證企業正常生產的前提下盡可能接近自然地面，減少對土壤中微生物的損毀，減少大填大挖，避免局部水土流失現象的發生．在現有關于場地平整研究的基礎上，要求設計標高Hk和場地平整坡度ix、iy在一定范圍內取值，此取值范圍既能夠確保平整后場地對原有土壤擾動較小，又能夠滿足場內的運輸要求．對施工高度Ck加以控制，使場地平整避開土壤中微生物含量較多的土層，避免大填大挖的出現．改進后約束條件。2運用遺傳算法對模型進行求解進行場地平整的優化計算，必須選擇合適的優化算法，這是實現優化設計至關重要的一步．目前，應用較多的算法有梯度投影法、簡約梯度法、二次規劃法、復合形法等．這些方法都有一定的適用性．這些算法存在的共同缺點是要求函數連續、導數存在、單峰等．由于場地平整優化設計的目標函數復雜，導數求解困難，有時導數根本不存在，這更增加了處理問題的難度；因此針對上述方法存在的問題，提出一種基于遺傳算法的場地平整優化的新方法，這種方法可在一個可行域中自動搜索一個最優或較優解．遺傳算法是一種基于自然選擇、生物進化過程來求解問題的方法．遺傳算法反復修改對于個體解決方案的種群．在每一步，遺傳算法隨機地從當前種群中選擇若干個體作為父輩，借用生物遺傳學的觀點，通過自然選擇、交叉、變異機制模擬生物遺傳過程，使用它們產生下一代的子種群．在連續若干代之后，種群朝著優化解的方向進化．可以用遺傳算法來求解各種不適宜于用標準優化算法求解的優化問題，包括目標函數不連續、不可微、隨機或高度非線性的問題．運用遺傳算法對此模型求解的步驟如下．

2．1個體編碼場地平整優化問題的需要求解得出X＝（H0、ix、iy）這3個變量．將設計變量按一定的編碼方式轉化為一定長度的二進制位串（染色體），建立位串與實際設計變量之間的一一對應關系．二進制的位串長度取于計算精度，位串越長，搜索的范圍越大，優化速度將受到影響；位長度越小，搜索的范圍就越小，失去了優化的意義．

2．2適應度函數由于場地平整優化是約束優化問題，在應用遺傳算法時，需要轉化為無約束優化問題，這里采用常用的一種處理措施，外懲罰函數法．將約束條件加以懲罰后體現在目標函數中，則場地平整優化問題描述。

2．3遺傳操作對每一個個體Xk＝（ix）k，（iy）k，（H0）［k］計算適應度，生成下一代．如果生成的種群達不到優化的終止條件，則按照適應度選擇優良個體、父代進行交叉或變異，生成子代；然后用子代取代父代，再生成下一個子代．在進行每代的遺傳操作時，保存該代的最優個體，以加快收斂速度．如果達到了最優目標函數，則遺傳操作結束．

2．4停止規則上述步驟完成了遺傳算法的一次迭代，是否繼續迭代取決于算法制定的停止規則．常用的停止規則是事先確定一個最大的遺傳代數，算法迭代達到該數值時停止．采用對各代的最佳解進行監控與最大迭代次數相結合的方法，動態確定停止規則，即每次迭代完成后，若得到的解的性能在100代進化過程中無法改進或改進甚微時，停止計算；否則，繼續迭代．這種停止規則具有較強的自適應性．應用Matlab遺傳算法優化工具箱，根據上述定義參數可對實際問題進行直接求解．

3實例計算

由于土壤中微生物存量與地質地貌有很大關系，地質地貌不同，土壤微生物存量函數關系式就有所不同．在實例計算時，為了便于求解，選用黃土高原刺槐林地這種地質地貌進行研究計算．項目所在地位于陜西省定邊縣境內．定邊縣東與本省靖邊縣相接，南與甘肅省華池縣和環縣接壤，西與寧夏鹽池縣相鄰，北與內蒙古鄂托克前旗交界，為陜、甘、寧、蒙4省區交界地．項目所在地區屬黃土高原丘陵溝壑地形．黃土質地疏松，又多暴雨，植被稀疏，侵蝕強烈．由于場地占地較大，為了圖面效果清晰明了，在實例計算中選用100m×100m的正方形場地進行示例．為了計算簡單，將原始地面高程統一減掉1600m．確定ix，iy及H0的值，使其滿足對原有地形土壤擾動量最小，且盡可能的使填挖平衡和土方量最小的要求，避免大填大挖，此處不考慮余土工程量．首先，對《黃土高原刺槐林地土壤微生物的分布特征》進行曲線擬合，如圖3所示．由圖可知，當填挖高度在2m以內對土壤微生物擾動較大，且變化急劇；當填挖高度在2m以外時對生物量擾動較小，變化趨緩。

4結論

從保護生態環境角度出發，對場地平土標高的確定進行優化，提出一種新的確定最優場地平整方式的思路以及一套系統完整的量化分析方法．定性分析與定量分析相結合，在最大限度保護環境的前提下確定場地平土標高．結合算例驗證該方法的可行性與實用性．本文研究對減少場地平整過程中對生態環境所造成的不良影響有一定的研究意義．然而，論文只是從微生物損毀量最小這一單一目標去考慮場地平整的環境保護問題，后續研究還可以從更多方面去探索研究，建立多目標函數求解基于生態環境保護下的場地平整優化問題．

作者：楊秋俠 蔣玉瓊 單位：西安建筑科技大學 土木工程學院