生态环境保护的场地平土标高分析范文

《兰州理工大学学报》2016年第一期

摘要：

基于对现有确定场地平土标高研究的基础，分析场地平土标高确定的过程与生态环境之间的相互影响关系；从保护生态环境的角度出发，兼顾土方平衡与土方量最小的要求，建立一种确定平整场地后平土范围内对原有自然地形的微生物损毁量的计算模型．利用遗传算法进行求解，得到微生物损毁量最小情况下的最优场地平土标高．结合实例，对某工业企业的场地平整方案进行微生物损毁的量化分析，从生态环境保护的角度给出确定场地平土标高的最优方案．

关键词：

场地平土标高；环境保护；填挖高度；微生物损毁量

研究表明环境污染中工业污染占很大比例．工业污染包含很多方面，其中因工业企业建设过程尤其是场地平整所带来的大填大挖而造成的水土流失［1］，会对原有生态环境中的微生态数量造成破坏［2］．合理确定工业企业场地平土标高，对减少土石方量、节省基建投资、保护生态环境等方面来讲极为重要［3－6］．

1基于生态环境保护的场地平整优化

1．1场地平整对生态环境所带来的影响“生态环境”这一术语可以从2个角度去定义：以生物为主体，“生态环境”是指“对生物生长、发育、生殖、行为和分布有影响的环境因子的综合”；以人类为主体，它是指“对人类生存和发展有影响的自然因子的综合”［7］．场地平整是将进行建设范围内的自然地面，通过人工或机械填挖改造成设计所需的平面，以利于平面布置和生产运输．场地平整时期对施工所在地区的土地利用格局造成改变，降低了施工区域自然系统的生产力，对施工区域生态完整性会产生一定的负面影响．对植被的影响主要是施工期征用土地、临时用地、取弃土占地及机械、人员操作等破坏施工区域的植被，间接破坏和影响施工作业区周围环境的植被覆盖率和数量分布；施工过程进行的土地开挖平整使土壤生态系统内生物生存环境发生改变，特别是对分布在土壤表层范围内的微生物含量造成了严重的损毁，使土壤中有机质含量降低；同时土地平整带来的大填大挖可能造成局部水土流失，间接对水环境造成影响，过度开发也会破坏地下水环境；场地平整施工过程会产生大量的粉尘颗粒，会对施工区域的空气产生污染．生态环境的好坏与否直接影响人类的正常生存和发展．对工业企业而言，良好的生态环境能够促进企业未来可持续发展．保护工业企业所在区域的生态环境，可以实现企业经济效益、环境效益与社会效益的共同提升，改变传统的以破坏生态环境为代价而单一追求企业经济效益的局面．

1．2场地平土标高的选取与生态环境的关系一般情况下影响场地平土标高的因素包括设计最高洪水位、地下水位、场内外运输要求、满足工艺要求、与周围场地标高相协调、满足建构筑物室内外高差的要求、减少土石方工程量和基础工程量等［3，8］，这些影响因素都直接决定场地平土标高的取值．场地平土标高选取合理与否将直接影响场地平整方式以及填挖方量，从而间接影响土壤中微生物的含量．一旦平土标高选取不合理，场地平整出现大填大挖，则会严重损害土壤中微生物含量，甚至引起局部水土流失，并对生态环境造成不同程度的破坏．生物量是指某一时间单位面积或体积栖息地内所含1个或1个以上生物种，或所含1个生物群落中所有生物种的总个数或总干重（包括生物体内所存食物的重量）．生物量（干重）的单位通常是用g／m2或J／m2表示．某一时限任意空间所含生物体的总量一般用重量或能量来表示，用于种群和群落．用鲜重或干重衡量时，规定用B表示；用能量衡量时，则用QB（也称活体能量，biocontent）表示［9－11］．土壤中微生物一般可分为3类：细菌、放线菌、真菌．这3类微生物在土壤中存量一般遵循QuadraticsRatio模型［11］．从保护生态环境的角度出发，在场地标高选取的过程中除了考虑基本的影响因素外，还应着重考虑2个问题：一是应避免大填大挖所造成的水土流失；二是应尽可能减少对自然地形的扰动，即做到对自然土壤所含的微生物损毁量最小．综合考虑上述因素，合理选取场地平土标高，达到场地平整过程中对生态环境产生尽可能小的影响．

1．3基于生态环境保护的场地平整优化思路就场地平整施工对生态环境所带来的相关影响以及场地平土标高选取与土壤中微生物含量的关系这2方面进行分析，综合考虑，确定以施工区域微生物损毁量最小为目标函数建立模型，对场地平整填挖高度进行约束，求解此目标函数下的最优场地平整方案，从而达到在场地平整过程中最大程度的保护生态环境．

2基于生态环境保护的场地平整优化模型的确定

根据文献［11］可知微生物在土壤中存量一般遵循QuadraticsRatio模型．微生物数量的多少与土壤深度相关．为了得到场地平整过程中对原有自然地形中微生物的扰动量，需要知道平土范围内任意1点k的施工高度Ck．设计地面上任意1点的设计标高可以由5个条件来确定：水平投影方向上的坐标x、y，x、y方向上各自的设计坡度ix、iy以及坐标原点的设计标高H0．在现有关于确定场地平土标高研究的基础上，将目标函数从求场地范围内的所有施工高度的平方和最小值转变为求场地范围内微生物损毁量最小值，依此建立模型．根据微生物数量与土壤深度相关理论可以得到下述公式．通过对场地平土标高与土壤中微生物含量两者之间关系的分析研究，可知要做到在场地平整过程中尽可能地保护生态环境，需要对平整场地任意一点k的设计高程Hk和场地平整坡度ix、iy以及施工高度Ck进行约束．约束条件的选取是为了使平整后整个场地的设计标高Hk能在保证企业正常生产的前提下尽可能接近自然地面，减少对土壤中微生物的损毁，减少大填大挖，避免局部水土流失现象的发生．在现有关于场地平整研究的基础上，要求设计标高Hk和场地平整坡度ix、iy在一定范围内取值，此取值范围既能够确保平整后场地对原有土壤扰动较小，又能够满足场内的运输要求．对施工高度Ck加以控制，使场地平整避开土壤中微生物含量较多的土层，避免大填大挖的出现．改进后约束条件。2运用遗传算法对模型进行求解进行场地平整的优化计算，必须选择合适的优化算法，这是实现优化设计至关重要的一步．目前，应用较多的算法有梯度投影法、简约梯度法、二次规划法、复合形法等．这些方法都有一定的适用性．这些算法存在的共同缺点是要求函数连续、导数存在、单峰等．由于场地平整优化设计的目标函数复杂，导数求解困难，有时导数根本不存在，这更增加了处理问题的难度；因此针对上述方法存在的问题，提出一种基于遗传算法的场地平整优化的新方法，这种方法可在一个可行域中自动搜索一个最优或较优解．遗传算法是一种基于自然选择、生物进化过程来求解问题的方法．遗传算法反复修改对于个体解决方案的种群．在每一步，遗传算法随机地从当前种群中选择若干个体作为父辈，借用生物遗传学的观点，通过自然选择、交叉、变异机制模拟生物遗传过程，使用它们产生下一代的子种群．在连续若干代之后，种群朝着优化解的方向进化．可以用遗传算法来求解各种不适宜于用标准优化算法求解的优化问题，包括目标函数不连续、不可微、随机或高度非线性的问题．运用遗传算法对此模型求解的步骤如下．

2．1个体编码场地平整优化问题的需要求解得出X＝（H0、ix、iy）这3个变量．将设计变量按一定的编码方式转化为一定长度的二进制位串（染色体），建立位串与实际设计变量之间的一一对应关系．二进制的位串长度取于计算精度，位串越长，搜索的范围越大，优化速度将受到影响；位长度越小，搜索的范围就越小，失去了优化的意义．

2．2适应度函数由于场地平整优化是约束优化问题，在应用遗传算法时，需要转化为无约束优化问题，这里采用常用的一种处理措施，外惩罚函数法．将约束条件加以惩罚后体现在目标函数中，则场地平整优化问题描述。

2．3遗传操作对每一个个体Xk＝（ix）k，（iy）k，（H0）［k］计算适应度，生成下一代．如果生成的种群达不到优化的终止条件，则按照适应度选择优良个体、父代进行交叉或变异，生成子代；然后用子代取代父代，再生成下一个子代．在进行每代的遗传操作时，保存该代的最优个体，以加快收敛速度．如果达到了最优目标函数，则遗传操作结束．

2．4停止规则上述步骤完成了遗传算法的一次迭代，是否继续迭代取决于算法制定的停止规则．常用的停止规则是事先确定一个最大的遗传代数，算法迭代达到该数值时停止．采用对各代的最佳解进行监控与最大迭代次数相结合的方法，动态确定停止规则，即每次迭代完成后，若得到的解的性能在100代进化过程中无法改进或改进甚微时，停止计算；否则，继续迭代．这种停止规则具有较强的自适应性．应用Matlab遗传算法优化工具箱，根据上述定义参数可对实际问题进行直接求解．

3实例计算

由于土壤中微生物存量与地质地貌有很大关系，地质地貌不同，土壤微生物存量函数关系式就有所不同．在实例计算时，为了便于求解，选用黄土高原刺槐林地这种地质地貌进行研究计算．项目所在地位于陕西省定边县境内．定边县东与本省靖边县相接，南与甘肃省华池县和环县接壤，西与宁夏盐池县相邻，北与内蒙古鄂托克前旗交界，为陕、甘、宁、蒙4省区交界地．项目所在地区属黄土高原丘陵沟壑地形．黄土质地疏松，又多暴雨，植被稀疏，侵蚀强烈．由于场地占地较大，为了图面效果清晰明了，在实例计算中选用100m×100m的正方形场地进行示例．为了计算简单，将原始地面高程统一减掉1600m．确定ix，iy及H0的值，使其满足对原有地形土壤扰动量最小，且尽可能的使填挖平衡和土方量最小的要求，避免大填大挖，此处不考虑余土工程量．首先，对《黄土高原刺槐林地土壤微生物的分布特征》进行曲线拟合，如图3所示．由图可知，当填挖高度在2m以内对土壤微生物扰动较大，且变化急剧；当填挖高度在2m以外时对生物量扰动较小，变化趋缓。

4结论

从保护生态环境角度出发，对场地平土标高的确定进行优化，提出一种新的确定最优场地平整方式的思路以及一套系统完整的量化分析方法．定性分析与定量分析相结合，在最大限度保护环境的前提下确定场地平土标高．结合算例验证该方法的可行性与实用性．本文研究对减少场地平整过程中对生态环境所造成的不良影响有一定的研究意义．然而，论文只是从微生物损毁量最小这一单一目标去考虑场地平整的环境保护问题，后续研究还可以从更多方面去探索研究，建立多目标函数求解基于生态环境保护下的场地平整优化问题．

作者：杨秋侠 蒋玉琼 单位：西安建筑科技大学 土木工程学院