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《蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第一期

摘要：

基于對(duì)現(xiàn)有確定場(chǎng)地平土標(biāo)高研究的基礎(chǔ)，分析場(chǎng)地平土標(biāo)高確定的過(guò)程與生態(tài)環(huán)境之間的相互影響關(guān)系；從保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)，兼顧土方平衡與土方量最小的要求，建立一種確定平整場(chǎng)地后平土范圍內(nèi)對(duì)原有自然地形的微生物損毀量的計(jì)算模型．利用遺傳算法進(jìn)行求解，得到微生物損毀量最小情況下的最優(yōu)場(chǎng)地平土標(biāo)高．結(jié)合實(shí)例，對(duì)某工業(yè)企業(yè)的場(chǎng)地平整方案進(jìn)行微生物損毀的量化分析，從生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度給出確定場(chǎng)地平土標(biāo)高的最優(yōu)方案．

關(guān)鍵詞：

場(chǎng)地平土標(biāo)高；環(huán)境保護(hù)；填挖高度；微生物損毀量

研究表明環(huán)境污染中工業(yè)污染占很大比例．工業(yè)污染包含很多方面，其中因工業(yè)企業(yè)建設(shè)過(guò)程尤其是場(chǎng)地平整所帶來(lái)的大填大挖而造成的水土流失［1］，會(huì)對(duì)原有生態(tài)環(huán)境中的微生態(tài)數(shù)量造成破壞［2］．合理確定工業(yè)企業(yè)場(chǎng)地平土標(biāo)高，對(duì)減少土石方量、節(jié)省基建投資、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等方面來(lái)講極為重要［3－6］．

1基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的場(chǎng)地平整優(yōu)化

1．1場(chǎng)地平整對(duì)生態(tài)環(huán)境所帶來(lái)的影響“生態(tài)環(huán)境”這一術(shù)語(yǔ)可以從2個(gè)角度去定義：以生物為主體，“生態(tài)環(huán)境”是指“對(duì)生物生長(zhǎng)、發(fā)育、生殖、行為和分布有影響的環(huán)境因子的綜合”；以人類(lèi)為主體，它是指“對(duì)人類(lèi)生存和發(fā)展有影響的自然因子的綜合”［7］．場(chǎng)地平整是將進(jìn)行建設(shè)范圍內(nèi)的自然地面，通過(guò)人工或機(jī)械填挖改造成設(shè)計(jì)所需的平面，以利于平面布置和生產(chǎn)運(yùn)輸．場(chǎng)地平整時(shí)期對(duì)施工所在地區(qū)的土地利用格局造成改變，降低了施工區(qū)域自然系統(tǒng)的生產(chǎn)力，對(duì)施工區(qū)域生態(tài)完整性會(huì)產(chǎn)生一定的負(fù)面影響．對(duì)植被的影響主要是施工期征用土地、臨時(shí)用地、取棄土占地及機(jī)械、人員操作等破壞施工區(qū)域的植被，間接破壞和影響施工作業(yè)區(qū)周?chē)h(huán)境的植被覆蓋率和數(shù)量分布；施工過(guò)程進(jìn)行的土地開(kāi)挖平整使土壤生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物生存環(huán)境發(fā)生改變，特別是對(duì)分布在土壤表層范圍內(nèi)的微生物含量造成了嚴(yán)重的損毀，使土壤中有機(jī)質(zhì)含量降低；同時(shí)土地平整帶來(lái)的大填大挖可能造成局部水土流失，間接對(duì)水環(huán)境造成影響，過(guò)度開(kāi)發(fā)也會(huì)破壞地下水環(huán)境；場(chǎng)地平整施工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵顆粒，會(huì)對(duì)施工區(qū)域的空氣產(chǎn)生污染．生態(tài)環(huán)境的好壞與否直接影響人類(lèi)的正常生存和發(fā)展．對(duì)工業(yè)企業(yè)而言，良好的生態(tài)環(huán)境能夠促進(jìn)企業(yè)未來(lái)可持續(xù)發(fā)展．保護(hù)工業(yè)企業(yè)所在區(qū)域的生態(tài)環(huán)境，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益與社會(huì)效益的共同提升，改變傳統(tǒng)的以破壞生態(tài)環(huán)境為代價(jià)而單一追求企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的局面．

1．2場(chǎng)地平土標(biāo)高的選取與生態(tài)環(huán)境的關(guān)系一般情況下影響場(chǎng)地平土標(biāo)高的因素包括設(shè)計(jì)最高洪水位、地下水位、場(chǎng)內(nèi)外運(yùn)輸要求、滿足工藝要求、與周?chē)鷪?chǎng)地標(biāo)高相協(xié)調(diào)、滿足建構(gòu)筑物室內(nèi)外高差的要求、減少土石方工程量和基礎(chǔ)工程量等［3，8］，這些影響因素都直接決定場(chǎng)地平土標(biāo)高的取值．場(chǎng)地平土標(biāo)高選取合理與否將直接影響場(chǎng)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(biāo)高選取不合理，場(chǎng)地平整出現(xiàn)大填大挖，則會(huì)嚴(yán)重?fù)p害土壤中微生物含量，甚至引起局部水土流失，并對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不同程度的破壞．生物量是指某一時(shí)間單位面積或體積棲息地內(nèi)所含1個(gè)或1個(gè)以上生物種，或所含1個(gè)生物群落中所有生物種的總個(gè)數(shù)或總干重（包括生物體內(nèi)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(shí)限任意空間所含生物體的總量一般用重量或能量來(lái)表示，用于種群和群落．用鮮重或干重衡量時(shí)，規(guī)定用B表示；用能量衡量時(shí)，則用QB（也稱(chēng)活體能量，biocontent）表示［9－11］．土壤中微生物一般可分為3類(lèi)：細(xì)菌、放線菌、真菌．這3類(lèi)微生物在土壤中存量一般遵循QuadraticsRatio模型［11］．從保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度出發(fā)，在場(chǎng)地標(biāo)高選取的過(guò)程中除了考慮基本的影響因素外，還應(yīng)著重考慮2個(gè)問(wèn)題：一是應(yīng)避免大填大挖所造成的水土流失；二是應(yīng)盡可能減少對(duì)自然地形的擾動(dòng)，即做到對(duì)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(chǎng)地平土標(biāo)高，達(dá)到場(chǎng)地平整過(guò)程中對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生盡可能小的影響．

1．3基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的場(chǎng)地平整優(yōu)化思路就場(chǎng)地平整施工對(duì)生態(tài)環(huán)境所帶來(lái)的相關(guān)影響以及場(chǎng)地平土標(biāo)高選取與土壤中微生物含量的關(guān)系這2方面進(jìn)行分析，綜合考慮，確定以施工區(qū)域微生物損毀量最小為目標(biāo)函數(shù)建立模型，對(duì)場(chǎng)地平整填挖高度進(jìn)行約束，求解此目標(biāo)函數(shù)下的最優(yōu)場(chǎng)地平整方案，從而達(dá)到在場(chǎng)地平整過(guò)程中最大程度的保護(hù)生態(tài)環(huán)境．

2基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的場(chǎng)地平整優(yōu)化模型的確定

根據(jù)文獻(xiàn)［11］可知微生物在土壤中存量一般遵循QuadraticsRatio模型．微生物數(shù)量的多少與土壤深度相關(guān)．為了得到場(chǎng)地平整過(guò)程中對(duì)原有自然地形中微生物的擾動(dòng)量，需要知道平土范圍內(nèi)任意1點(diǎn)k的施工高度Ck．設(shè)計(jì)地面上任意1點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高可以由5個(gè)條件來(lái)確定：水平投影方向上的坐標(biāo)x、y，x、y方向上各自的設(shè)計(jì)坡度ix、iy以及坐標(biāo)原點(diǎn)的設(shè)計(jì)標(biāo)高H0．在現(xiàn)有關(guān)于確定場(chǎng)地平土標(biāo)高研究的基礎(chǔ)上，將目標(biāo)函數(shù)從求場(chǎng)地范圍內(nèi)的所有施工高度的平方和最小值轉(zhuǎn)變?yōu)榍髨?chǎng)地范圍內(nèi)微生物損毀量最小值，依此建立模型．根據(jù)微生物數(shù)量與土壤深度相關(guān)理論可以得到下述公式．通過(guò)對(duì)場(chǎng)地平土標(biāo)高與土壤中微生物含量?jī)烧咧g關(guān)系的分析研究，可知要做到在場(chǎng)地平整過(guò)程中盡可能地保護(hù)生態(tài)環(huán)境，需要對(duì)平整場(chǎng)地任意一點(diǎn)k的設(shè)計(jì)高程Hk和場(chǎng)地平整坡度ix、iy以及施工高度Ck進(jìn)行約束．約束條件的選取是為了使平整后整個(gè)場(chǎng)地的設(shè)計(jì)標(biāo)高Hk能在保證企業(yè)正常生產(chǎn)的前提下盡可能接近自然地面，減少對(duì)土壤中微生物的損毀，減少大填大挖，避免局部水土流失現(xiàn)象的發(fā)生．在現(xiàn)有關(guān)于場(chǎng)地平整研究的基礎(chǔ)上，要求設(shè)計(jì)標(biāo)高Hk和場(chǎng)地平整坡度ix、iy在一定范圍內(nèi)取值，此取值范圍既能夠確保平整后場(chǎng)地對(duì)原有土壤擾動(dòng)較小，又能夠滿足場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)輸要求．對(duì)施工高度Ck加以控制，使場(chǎng)地平整避開(kāi)土壤中微生物含量較多的土層，避免大填大挖的出現(xiàn)．改進(jìn)后約束條件。2運(yùn)用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解進(jìn)行場(chǎng)地平整的優(yōu)化計(jì)算，必須選擇合適的優(yōu)化算法，這是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要的一步．目前，應(yīng)用較多的算法有梯度投影法、簡(jiǎn)約梯度法、二次規(guī)劃法、復(fù)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(diǎn)是要求函數(shù)連續(xù)、導(dǎo)數(shù)存在、單峰等．由于場(chǎng)地平整優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)復(fù)雜，導(dǎo)數(shù)求解困難，有時(shí)導(dǎo)數(shù)根本不存在，這更增加了處理問(wèn)題的難度；因此針對(duì)上述方法存在的問(wèn)題，提出一種基于遺傳算法的場(chǎng)地平整優(yōu)化的新方法，這種方法可在一個(gè)可行域中自動(dòng)搜索一個(gè)最優(yōu)或較優(yōu)解．遺傳算法是一種基于自然選擇、生物進(jìn)化過(guò)程來(lái)求解問(wèn)題的方法．遺傳算法反復(fù)修改對(duì)于個(gè)體解決方案的種群．在每一步，遺傳算法隨機(jī)地從當(dāng)前種群中選擇若干個(gè)體作為父輩，借用生物遺傳學(xué)的觀點(diǎn)，通過(guò)自然選擇、交叉、變異機(jī)制模擬生物遺傳過(guò)程，使用它們產(chǎn)生下一代的子種群．在連續(xù)若干代之后，種群朝著優(yōu)化解的方向進(jìn)化．可以用遺傳算法來(lái)求解各種不適宜于用標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化算法求解的優(yōu)化問(wèn)題，包括目標(biāo)函數(shù)不連續(xù)、不可微、隨機(jī)或高度非線性的問(wèn)題．運(yùn)用遺傳算法對(duì)此模型求解的步驟如下．

2．1個(gè)體編碼場(chǎng)地平整優(yōu)化問(wèn)題的需要求解得出X＝（H0、ix、iy）這3個(gè)變量．將設(shè)計(jì)變量按一定的編碼方式轉(zhuǎn)化為一定長(zhǎng)度的二進(jìn)制位串（染色體），建立位串與實(shí)際設(shè)計(jì)變量之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系．二進(jìn)制的位串長(zhǎng)度取于計(jì)算精度，位串越長(zhǎng)，搜索的范圍越大，優(yōu)化速度將受到影響；位長(zhǎng)度越小，搜索的范圍就越小，失去了優(yōu)化的意義．

2．2適應(yīng)度函數(shù)由于場(chǎng)地平整優(yōu)化是約束優(yōu)化問(wèn)題，在應(yīng)用遺傳算法時(shí)，需要轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，這里采用常用的一種處理措施，外懲罰函數(shù)法．將約束條件加以懲罰后體現(xiàn)在目標(biāo)函數(shù)中，則場(chǎng)地平整優(yōu)化問(wèn)題描述。

2．3遺傳操作對(duì)每一個(gè)個(gè)體Xk＝（ix）k，（iy）k，（H0）［k］計(jì)算適應(yīng)度，生成下一代．如果生成的種群達(dá)不到優(yōu)化的終止條件，則按照適應(yīng)度選擇優(yōu)良個(gè)體、父代進(jìn)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(gè)子代．在進(jìn)行每代的遺傳操作時(shí)，保存該代的最優(yōu)個(gè)體，以加快收斂速度．如果達(dá)到了最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，則遺傳操作結(jié)束．

2．4停止規(guī)則上述步驟完成了遺傳算法的一次迭代，是否繼續(xù)迭代取決于算法制定的停止規(guī)則．常用的停止規(guī)則是事先確定一個(gè)最大的遺傳代數(shù)，算法迭代達(dá)到該數(shù)值時(shí)停止．采用對(duì)各代的最佳解進(jìn)行監(jiān)控與最大迭代次數(shù)相結(jié)合的方法，動(dòng)態(tài)確定停止規(guī)則，即每次迭代完成后，若得到的解的性能在100代進(jìn)化過(guò)程中無(wú)法改進(jìn)或改進(jìn)甚微時(shí)，停止計(jì)算；否則，繼續(xù)迭代．這種停止規(guī)則具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性．應(yīng)用Matlab遺傳算法優(yōu)化工具箱，根據(jù)上述定義參數(shù)可對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行直接求解．

3實(shí)例計(jì)算

由于土壤中微生物存量與地質(zhì)地貌有很大關(guān)系，地質(zhì)地貌不同，土壤微生物存量函數(shù)關(guān)系式就有所不同．在實(shí)例計(jì)算時(shí)，為了便于求解，選用黃土高原刺槐林地這種地質(zhì)地貌進(jìn)行研究計(jì)算．項(xiàng)目所在地位于陜西省定邊縣境內(nèi)．定邊縣東與本省靖邊縣相接，南與甘肅省華池縣和環(huán)縣接壤，西與寧夏鹽池縣相鄰，北與內(nèi)蒙古鄂托克前旗交界，為陜、甘、寧、蒙4省區(qū)交界地．項(xiàng)目所在地區(qū)屬黃土高原丘陵溝壑地形．黃土質(zhì)地疏松，又多暴雨，植被稀疏，侵蝕強(qiáng)烈．由于場(chǎng)地占地較大，為了圖面效果清晰明了，在實(shí)例計(jì)算中選用100m×100m的正方形場(chǎng)地進(jìn)行示例．為了計(jì)算簡(jiǎn)單，將原始地面高程統(tǒng)一減掉1600m．確定ix，iy及H0的值，使其滿足對(duì)原有地形土壤擾動(dòng)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(duì)《黃土高原刺槐林地土壤微生物的分布特征》進(jìn)行曲線擬合，如圖3所示．由圖可知，當(dāng)填挖高度在2m以內(nèi)對(duì)土壤微生物擾動(dòng)較大，且變化急劇；當(dāng)填挖高度在2m以外時(shí)對(duì)生物量擾動(dòng)較小，變化趨緩。

4結(jié)論

從保護(hù)生態(tài)環(huán)境角度出發(fā)，對(duì)場(chǎng)地平土標(biāo)高的確定進(jìn)行優(yōu)化，提出一種新的確定最優(yōu)場(chǎng)地平整方式的思路以及一套系統(tǒng)完整的量化分析方法．定性分析與定量分析相結(jié)合，在最大限度保護(hù)環(huán)境的前提下確定場(chǎng)地平土標(biāo)高．結(jié)合算例驗(yàn)證該方法的可行性與實(shí)用性．本文研究對(duì)減少場(chǎng)地平整過(guò)程中對(duì)生態(tài)環(huán)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(biāo)去考慮場(chǎng)地平整的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，后續(xù)研究還可以從更多方面去探索研究，建立多目標(biāo)函數(shù)求解基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)下的場(chǎng)地平整優(yōu)化問(wèn)題．

作者：楊秋俠 蔣玉瓊 單位：西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院