CN109472102A - 一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法 - Google Patents

一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法，属于水文环境领域。包括蚂蚁河流域SWAT水文模型建立和桥涵构造推算，利用水文数据对模型进行率定和验证，获得小流域逐日流量数据，在相对大的流域范围内，桥涵的构造调查是比较困难的，通过桥涵构造推算进行桥涵的选用和建造，选择适宜的桥涵类型，可以为河流生态管理决策提供理论支持，同时为未来建造桥涵提供合理分布布局，也能为研究蚂蚁河流域冷水鱼迁移受桥涵影响量化过程提供方便操作。

Description

一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法
技术领域
本发明涉及水文领域，尤其涉及一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法。
背景技术
河流和溪流生态系统在现代流域管理中角色越来越重要，河流和水系是全球水文循环的重要组成，合理的开发水资源是整个社会文明发展的支撑。在全球气候变化和人类干扰加剧的背景下，河流及溪流生态系统的健康应得到关注。上世纪70年代以来，在气候变化和人类活动的双重影响下，河网的水系结构与连通格局发生了重大变化，即河网水系衰落、连通受阻等，这在一定程度上又进一步引起了水资源承载能力的下降、水环境恶化、洪漠灾害频发、水安全风险加大等问题，已经成为人水关系不和谐的重要表现，成为影响经济社会可持续发展、水生态系统健康的关键制约因素。
河流水系是生物圈内进行物质循环的重要通道，在河流纵向维度上的营养物输移、水生生物的迁移都是以河流水系为依托完成。河网是河流生态系统中重要的组成部分，是河流健康的指示之一。面对河流生态系统的重要性，人类对河流生态系统的干扰仍在持续和加剧。在过去的两个世纪里，温带地区的大多数大型河流被人为活动严重影响，主要是水利设施的建设，以通航为目的管理工作，土地开垦项目，大流域洪水控制措施。其中水利工程在防洪、发电、航运、灌溉等方面造福人类社会的同时，也造成了河流生态环境不同程度的破坏，其中修建的大坝等水利设施改变了鱼类栖息地的环境，阻碍了鱼类的洄游通道，甚至导致某些溯河洄游鱼类种群的灭绝。又如跨河的道路建设破坏了河流的流态，修建过水涵洞时，由于涵管内壁粗糙度不够，流速过大，也将阻碍鱼类洄游。作为江河水体生物主体的鱼类，其生态价值怎么高估都不过分，保护鱼类的生物多样性就是保护人类自己。
发明内容
本发明的目的是为了解决桥涵建造位置分布不合理，且影响蚂蚁河流域冷水鱼迁移受桥涵影响量化研究过程的问题，而提出的一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法，为未来建造桥涵提供依据，同时为蚂蚁河流域冷水鱼迁移受桥涵影响量化过程提供方便操作。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法，包括以下步骤：
S1、采集蚂蚁河流域基础数据，查阅水文年鉴和文献资料采集逐日流量、逐日水温数据，在科学数据网站下载蚂蚁河流域空间数据，所述空间数据包括有DEM高程数据、土壤数据和土地利用数据，实地考察小支流桥涵构造数据，所述小支流桥涵构造数据包括有桥涵分布地点，类型，跨径，长度，坡度；
S2、构建小流域及蚂蚁河流域的SWAT水文模型，包括矢量分析 DEM高程数据、编辑土壤及土地利用矢量数据属性表、编辑索引气象数据、水文响应单元的划分和SWAT水文模型的率定和验证，
在SWAT水文模型的率定和验证中采用线性回归方程相关系数 (R2)，纳什效率系数(Ens)、相对偏差(PBIAS)三个指数进行研究区适用性的评价，计算如下：
式中：Qm,i为实测值；Qs,i为模拟值；为实测值平均值和模拟值平均值；n为实测值个数，R2的变化区间是0～1，越接近1，拟合效果越好，Ens与R2的变化是一致的，越趋向于1，模拟效果越好， PBIAS表示的是模拟值与实际测量值之间的偏离程度，越趋近于0，模拟效果越好，综合这三种指数，认为R2＞0.65，Ens＞0.5，|PBIAS| ＜25％时，认定模型适用于模拟区域，
S3、在蚂蚁河流域SWAT水文模型进行1990～2014年流域内的逐日流量模拟，获取局部小流域25年的流量数据，得出该地区的洪峰流量，用于桥涵构造的推算；
S4、进行桥涵构造计算，包括有桥涵设计流量、桥涵跨径计算、涵洞类型选择和涵洞长度确定，
桥涵设计流量计算如下：
Qxs＝M·Qx
式中：Qxs为设计流量；M为周期换算系数；Qx为洪峰流量；
桥涵跨径利用水文计算得出，计算如下：
(1)盖板涵
式中：Qp为设计流量；Lo为跨径；H为涵前壅水高度；h洞为涵洞进口净高；△为涵下要求净空；
(2)拱涵
式中：Qp为设计流量；Lo为跨径；H为涵前壅水高度；
(3)圆管涵
式中：Qp为设计流量；d为圆管直径；
(4)小桥
天然水深ht和天然流速Vt的确定是通过大量的试算，假定不同水位，得出不同的水深，试算出相应的流速及流量，在试算过程中，求得的流量与已知的设计洪峰流量Qp两者相差在±10％范围内，计算有效，记录有效的天然水深ht和天然流速Vt，
桥梁设计中，一般为矩形桥孔断面，由于实际水面宽度等于临界水深hk时的水面宽度Bk，所以Vy为允许流速，即不冲刷平均流速，对于不同的水流情况即自由出流和淹没出流，桥梁跨径的计算公式是不同的，
自由出流：当1.3hk≥ht时，桥下水流为自由出流，
式中：Qp为设计流量；g为重力加速度(9.8m/s2)；ε为挤压系数， ht为天然水深，Vk为桥下临界流速，
淹没出流：当1.3hk＜ht时，桥下水流为非自由出流，
式中：Qp为设计流量；ε为挤压系数，Vy为允许流速，ht为天然水深， Vy为允许流速，
S5、根据S4所计算的桥涵构造对比S1实地小支流桥涵构造数据进行推算验证；
S6、根据S2、S3、S4的计算结果，使用ArcGIS软件分析，叠加蚂蚁河干流矢量图、各级道路矢量图、蚂蚁河流域图层，进行相交分析，然后通过交汇点分析蚂蚁河流域的桥涵构造分布。
优选地，所述DEM高程数据采用SRTMDEM 90M分辨率高程数据拼接加工，所述土壤数据取自ArcGIS切割土壤图和中国土壤数据库，所述土地利用数据通过SWAT的土地利用分类系统进行重新归类，转化为识别代码，并使用索引表与SWAT模型进行连接，所述气象数据由SwatWeather软件识别，所述SWAT水文模型的率定和验证通过SW AT-CUP中SUFI-2系统进行。
优选地，所述S2、S3、S4中的计算通过ArcGIS和MATLAB软件计算所得。
优选地，针对S2中的逐日流量进行划分，利用蚂蚁河流域2009 -2014莲花(二)水文站逐日流量数据进行模型的率定和验证，其中 2009～2012莲花(二)水文站逐日流量数据年用于SWAT水文模型的率定，2013～2014莲花(二)水文站逐日流量数据年用于SWAT水文模型的验证。
优选地，所述S4中的周期换算系数为规定频率P时的周期换算系数，设置为1.33。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法，具备以下有益效果：
(1)本发明中建立了适宜于蚂蚁河流域水文模拟的2个SWAT模型，对蚂蚁河流域进行了水文模拟。其中以西柳树河流域为重点的 SWAT模型一，根据莲花(二)站率定期与验证期模拟结果评价，率定期R2与Ens均大于0.7，较好的模拟了逐日流量。验证期R2为0.73， Ens为0.66，符合模型的精度要求。以蚂蚁河干流流域为重点的SWAT 模型二，根据莲花(二)站率定期与验证期模拟结果评价，率定期 R2与Ens均大于0.6，较好的模拟了逐日流量。验证期R2为0.70，Ens为0.60，符合模型的精度要求，有效建立了适宜于蚂蚁河流域水文模拟的SWAT水文模型。
(2)本发明中创建了一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算的方法。根据桥涵设计规则，结合SWAT模型模拟出的流量，对桥涵构造进行推算。利用2015年4月16日至4月17日西柳树河流域桥涵构造考察结果进行验证，跨径推算误差在0.83％～15.00％，推算结果比较符合精度要求。根据桥涵推算方法，推算出蚂蚁河干流桥梁和涵洞推算点，共有40个，其中有桥梁31座，涵洞9座。桥梁主要分布在河流的下游，靠近松花江干流一侧，而涵洞主要分布在河流的上游地区。造成这种分布的主要原因是上游的流量小，符合建造涵洞的要求，而下游的流量较大，适于建造桥梁。
(3)本发明中结合SWAT水文模型通过对蚂蚁河流域的桥涵构造推算可以为未来解决桥涵建造位置提供合理布局，同时能帮助量化研究蚂蚁河流域冷水鱼迁移受桥涵影响过程提供有效支持，方便研究者的研究。
附图说明
图1为本发明提出的基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法的技术路线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法，包括以下步骤：
S1、采集蚂蚁河流域基础数据，查阅水文年鉴和文献资料采集逐日流量、逐日水温数据，在科学数据网站下载蚂蚁河流域空间数据，空间数据包括有DEM高程数据、土壤数据和土地利用数据，实地考察小支流桥涵构造数据，小支流桥涵构造数据包括有桥涵分布地点，类型，跨径，长度，坡度；
S2、构建小流域及蚂蚁河流域的SWAT水文模型，包括矢量分析 DEM高程数据、编辑土壤及土地利用矢量数据属性表、编辑索引气象数据、水文响应单元的划分和SWAT水文模型的率定和验证，
在SWAT水文模型的率定和验证中采用线性回归方程相关系数 (R2)，纳什效率系数(Ens)、相对偏差(PBIAS)三个指数进行研究区适用性的评价，计算如下：
式中：Qm,i为实测值；Qs,i为模拟值；为实测值平均值和模拟值平均值；n为实测值个数，R2的变化区间是0～1，越接近1，拟合效果越好，Ens与R2的变化是一致的，越趋向于1，模拟效果越好， PBIAS表示的是模拟值与实际测量值之间的偏离程度，越趋近于0，模拟效果越好，综合这三种指数，认为R2＞0.65，Ens＞0.5，|PBIAS| ＜25％时，认定模型适用于模拟区域，
S3、在蚂蚁河流域SWAT水文模型进行1990～2014年流域内的逐日流量模拟，获取局部小流域25年的流量数据，得出该地区的洪峰流量，用于桥涵构造的推算；
S4、进行桥涵构造计算，包括有桥涵设计流量、桥涵跨径计算、涵洞类型选择和涵洞长度确定，
桥涵设计流量计算如下：
Qxs＝M·Qx
式中：Qxs为设计流量；M为周期换算系数；Qx为洪峰流量；
桥涵跨径利用水文计算得出，计算如下：
(1)盖板涵
式中：Qp为设计流量；Lo为跨径；H为涵前壅水高度；h洞为涵洞进口净高；△为涵下要求净空；
(2)拱涵
式中：Qp为设计流量；Lo为跨径；H为涵前壅水高度；
(3)圆管涵
式中：Qp为设计流量；d为圆管直径；
(5)小桥
天然水深ht和天然流速Vt的确定是通过大量的试算，假定不同水位，得出不同的水深，试算出相应的流速及流量，在试算过程中，求得的流量与已知的设计洪峰流量Qp两者相差在±10％范围内，计算有效，记录有效的天然水深ht和天然流速Vt，
桥梁设计中，一般为矩形桥孔断面，由于实际水面宽度等于临界水深hk时的水面宽度Bk，所以Vy为允许流速，即不冲刷平均流速，对于不同的水流情况即自由出流和淹没出流，桥梁跨径的计算公式是不同的，
自由出流：当1.3hk≥ht时，桥下水流为自由出流，
式中：Qp为设计流量；g为重力加速度(9.8m/s2)；ε为挤压系数，ht为天然水深，Vk为桥下临界流速，
淹没出流：当1.3hk＜ht时，桥下水流为非自由出流，
式中：Qp为设计流量；ε为挤压系数，Vy为允许流速，ht为天然水深， Vy为允许流速，
S5、根据S4所计算的桥涵构造对比S1实地小支流桥涵构造数据进行推算验证；
S6、根据S2、S3、S4的计算结果，使用ArcGIS软件分析，叠加蚂蚁河干流矢量图、各级道路矢量图、蚂蚁河流域图层，进行相交分析，然后通过交汇点分析蚂蚁河流域的桥涵构造分布。
DEM高程数据采用SRTMDEM 90M分辨率高程数据拼接加工，土壤数据取自ArcGIS切割土壤图和中国土壤数据库，土地利用数据通过 SWAT的土地利用分类系统进行重新归类，转化为识别代码，并使用索引表与SWAT模型进行连接，气象数据由SwatWeather软件识别，SWAT水文模型的率定和验证通过SWAT-CUP中SUFI-2系统进行。
S2、S3、S4中的计算通过ArcGIS和MATLAB软件计算所得。
针对S2中的逐日流量进行划分，利用蚂蚁河流域2009-2014莲花(二)水文站逐日流量数据进行模型的率定和验证，其中2009～2 012莲花(二)水文站逐日流量数据年用于SWAT水文模型的率定，2 013～2014莲花(二)水文站逐日流量数据年用于SWAT水文模型的验证。
S4中的周期换算系数为规定频率P时的周期换算系数，设置为1. 33。
实施例2：
本方案首先结合收集的基础数据，构建蚂蚁河流域的SWAT水文模型，利用水文数据对SWAT水文模型进行率定和验证，获得小流域逐日流量数据。SWAT模型的构建在ArcGIS平台中完成，需要输入D EM高程数据、土地利用数据、土壤数据、降雨、气温、辐射、湿度、风速等数据；模型的率定和验证使用SWAT-CUP软件，手动和自动率定方法结合，获得最佳的参数组合；本研究中只使用模拟的流量数据，因此主要侧重逐日流量的率定，泥沙和营养物等不予考虑，主要步骤如下：
步骤一：输入DEM高程数据，DEM高程数据采用SRTMDEM 90M分辨率高程数据，由美国太空总署和国防部国家测绘局联合测量，可免费获取覆盖地球80％以上的陆地表面高程数据，本方案数据来源于中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据镜像网站下载，对下载的 DEM高程数据进行拼接和加工，投影坐标为D_Krasovsky_1940，该高程用于SWAT模型中子流域的划分，但是这种划分的精度是有限的，需要加入实际河流进行对比，以提高模型模拟的精度。
步骤二：处理土壤数据，参照下表。
中国的土壤数据质地体系采用国际制，而SWAT模型中输入的土壤数据为美国制土壤粒径，所以土壤粒径需要进行转化，本研究中使用MATLAB进行三次样条插值计算，两种质地体系的土壤粒径对比见下表2。土壤物理特性中SOL_BD、SOL_AWC、SOL_K三个变量由SPAW软件根据土壤颗粒组成计算得到。土壤水文单元根据经验模型计算土壤下渗系数，进而查表获得。USLE_K即土壤侵蚀力因子在本研究中利用Williams等在EPIC模型中发展起来的土壤可蚀性因子K值得估算方法。土壤的有机碳、颗粒组成资料由中国土壤数据库查询获得。
其公式如下：
KUSLE＝fcsand·fcl-si·forgc·fhisand
式中：fcsand为粗糙沙土质地土壤侵蚀因子；fcl-si为粘壤土土壤侵蚀因子；forgc为土壤有机质因子；fhisand为高沙质土壤侵蚀因子。
式中：sd为砂粒含量百分数；si为粉粒含量百分数；cl为粘粒含量百分数；c为有机碳含量百分数。
步骤三：在SWAT水文模型中的土地利用分类系统转化土地利用数据，并使用索引表进行连接，研究区土地利用类型及代码见下表。
步骤四：检测气象、水文数据，利用尚志、通河、哈尔滨、牡丹江4个气象站建立了天气发生器，建立天气发生器需要的数据有逐日平均气压、平均风速、平均气温、日最高气温、日最低气温、平均相对湿度、20-20时降水量、小型蒸发量、大型蒸发量、日照时数。天气发生器能够弥补模型中缺失的各项气象数据，提高模型模拟的精确度。将1970-2014年气象数据整理为SwatWeather软件能够识别的文件，得到天气发生器的各项参数，SWAT模型需输入的实测气象数据主要包括2007-2014年逐日降水、最高气温、最低气温、相对湿度、平均风速、太阳辐射，实测数据来源于中国气象数据网。进行的水文模拟时间尺度为日尺度，所需的水文数据为逐日流量数据。由于日流量数据获得的困难较大，本方案利用蚂蚁河流域2009-2014莲花(二) 水文站逐日流量数据进行SWAT水文模型的率定和验证，其中2009～ 2012年莲花(二)水文站逐日流量数据用于SWAT水文模型的率定， 2013～2014年莲花(二)水文站逐日流量数据用于SWAT水文模型的验证。
步骤五：进行SWAT水文模型的率定和验证，本方案的率定和验证使用SWAT-CUP，检验SWAT水文模型是否适用于蚂蚁河流域的水文过程模拟。使用2009-2012年莲花(二)水文站流量数据进行率定， 2013-2014年莲花(二)水文站流量数据进行验证，模型预热时间为2年即2007-2008年，SWAT水文模型输入的数据有些是难以获得的，依靠模型自带的模块运行，会存在一定误差。本方案使用SWAT-CUP 中SUFI-2优化算法进行SWAT水文模型的率定和验证，选定参数23 个，其敏感性分析如下表。
SWAT水文模型进行模拟分析结果评价显示如下表。
率定期R2与Ens均大于0.6，较好的模拟了逐日流量。验证期20 13～2014年R2为0.70，Ens为0.60，符合模型模拟的精度要求。在S WAT日流量模拟中，该模拟结果还是比较满意的，说明建立的蚂蚁河流域SWAT水文模型适用于蚂蚁河干流的水文模拟。因此成功建立蚂蚁河流域的SWAT水文模型。
通过上述方案，可以建立蚂蚁河流域的多个SWAT水文模型，基于已建立的水文模型结构，对1990～2014年流域内的逐日流量进行模拟，目的是为获得局部小流域25年的流量数据，获得该地区的洪峰流量，用于该流域桥涵构造的推算。
实施例3：
参照《公路工程技术标准JTGB01-2014》和《公路桥涵设计规范JTGD60-2004》，结合SWAT模型模拟之后得出洪峰流量进行桥涵构造推算。
步骤一：计算桥涵设计流量，公式如下：
Qxs＝M·Qx
其中M周期换算系数，本方案基础为25年一遇洪水，需转化为 50年一遇洪水，令已知频率为p1的周期转换系数为1时，查下表得的规定频率为p时的周期换算系数，为1.33。
步骤二：叠加道路、水系图层，得出涵洞分布位置，通过以下两表确定涵洞类型和涵洞长度。
步骤三：利用水文计算得出桥涵跨径，计算如下：
(1)盖板涵
式中：Qp为设计流量；Lo为跨径；H为涵前壅水高度；h洞为涵洞进口净高；△为涵下要求净空。
(2)拱涵
式中：Qp为设计流量；Lo为跨径；H为涵前壅水高度。
(3)圆管涵
式中：Qp为设计流量；d为圆管直径。
(4)小桥
在桥涵勘测设计中，桥涵跨越的明渠水流多为均匀流，如果碰上弯曲的河沟，通常也要裁弯取直，使建桥前的水流仍具有均匀流的条件。水在明渠中的均勾流动也有急流与缓流之分，因此在这两种不同水流性质的河段上建桥，其水力计算也各有其特点。对于缓流，小桥过水情况实际是宽顶堰。由于墩台和路堤挤压水流，使桥孔压缩，从而抬高了桥前水位，进入桥孔后，桥前的势能便转化为桥下的动能，使桥下流速增大，水流可能出现急流。因此，其水流的衔接情况也与堰闸出流有相近之处。这样便可根据桥下收缩断面水深的共轭水深与下游河沟正常水深的关系进行分析，把水流分为自由出流与淹没出流。
小桥孔径的计算比较复杂，具体步骤是：利用大量的水力学试算，确定未建桥前的天然水深ht和断面流速Vt；根据初拟的桥型和桥孔情况，确定桥下临界水深hk，并进行水力计算图式判定是否符合要求；进行水力计算，确定小桥的孔径；辨别道路等级，根据道路宽度确定桥长。
天然水深ht和天然流速Vt的确定是通过大量的试算，假定不同水位，得出不同的水深，试算出相应的流速及流量。在试算过程中，当求得的流量与已知的设计洪峰流量Qp两者相差在±10％范围内，那么这时的计算是有效的。此时所求得的流量对应的水深为天然水深 ht，此时的流速为天然流速Vt，试算表见下表。
桥梁设计中，一般为矩形桥孔断面，由于实际水面宽度等于临界水深hk时的水面宽度Bk，所以Vy为允许流速，即不冲刷平均流速，查下表得。对于不同的水流情况即自由出流和淹没出流，桥梁跨径的计算公式是不同的。
渠道的允许流速表
①自由出流：当1.3hk≥ht时，桥下水流为自由出流。
式中：Qp为设计流量；g为重力加速度(9.8m/s2)；ε为挤压系数，见表15；Vk为桥下临界流速。
②淹没出流：当1.3hk＜ht时，桥下水流为非自由出流。
式中：Qp为设计流量；ε为挤压系数，Vy为允许流速；ht为天然水深； Vy为允许流速。
桥梁的挤压系数ε
步骤四：桥涵推算验证和蚂蚁河干流涵洞推算结果，因河流的长度适中，实际考察工作量可以接受，本方案选取蚂蚁河子流域西柳树河为桥涵构造试算区域，利用ArcGIS软件叠加水系、道路、流域图层，进行相交提取，得出西柳树河流域具体的桥涵位置分布。在ArcGIS 中叠加后的结果如下图，桥涵推算点有13处，实际考察中有11处为桥涵，考察点与推算点位置大致相同，其中不吻合的两处可能由于道路数据的不准确性造成。同时根据考察情况发现，在同样可以建造小桥和涵洞的地方，该区域更倾向于建造小桥，根据桥涵设计原则，推测可能是地处山区的原因。
基于已建立的SWAT模型模拟出的25年小流域逐日流量，获得西柳树河各子流域洪峰流量，进行折算后得到桥涵的设计流量，具体见下表。
西柳树河流域各子流域洪峰流量及设计流量
根据桥涵设计规则，对桥涵构造进行推算，推算方法参考《公路工程技术标准JTGB01-2014》及《公路桥涵设计规范JTGD60-2004》。利用2016年4月16日至4月17日在西柳树河流域桥涵构造考察结果进行验证，结果对比见下表，推算误差在3.43％～18.82％左右，误差较大的只有1个，推算结果比较符合精度要求，表明该推算方法在蚂蚁河流域适用，可用于蚂蚁河流域桥涵构造的推算。
桥涵推算与验证
使用ArcGIS软件作为分析工具，在软件中叠加蚂蚁河干流矢量图、各级道路矢量图、蚂蚁河流域图层，并进行相交分析。其中河流与道路会相交形成交汇点，这些交汇点在实际环境中是要建造桥梁或涵洞的，即为蚂蚁河干流桥梁和涵洞推算点，推算点共有40个，推算依据已经验证的桥涵推算方法，既使用SWAT模型模拟的流量，计算出设计流量，结合国内公路桥涵设计要求，推算出40个交汇点中有桥梁31座，涵洞9座，前31个点适宜建造桥梁和小桥。推算结果显示，其中特殊大桥有8座，大桥11座，中桥10座，小桥2座，具体构造见下表1，2，3，4。
表1蚂蚁河干流特殊大桥构造推算结果
表2蚂蚁河干流大桥构造推算结果
表3蚂蚁河干流中桥构造推算结果
表4蚂蚁河干流小桥构造推算结果
涵洞构造推算同样依据已验证的桥涵推算方法，涵洞长度依据不同等级公路宽度计算。33号、36号、39号、40号所在道路为二级公路，34号、37号所在道路为三级公路，32号、35号、38号所在道路为四级道路。推算结果如下：
蚂蚁河干流涵洞推算结果表
该桥涵构造推算方法推算的桥涵类型结果符合桥涵建造的原则，可以为河流生态管理决策提供理论支持，同时为未来建造桥涵提供合理分布布局，也能为研究蚂蚁河流域冷水鱼迁移受桥涵影响量化过程提供方便操作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集蚂蚁河流域基础数据，查阅水文年鉴和文献资料采集逐日流量、逐日水温数据，在科学数据网站下载蚂蚁河流域空间数据，所述空间数据包括有DEM高程数据、土壤数据和土地利用数据，实地考察小支流桥涵构造数据，所述小支流桥涵构造数据包括有桥涵分布地点，类型，跨径，长度，坡度；
S2、构建小流域及蚂蚁河流域的SWAT水文模型，包括矢量分析DEM高程数据、编辑土壤及土地利用矢量数据属性表、编辑索引气象数据、水文响应单元的划分和SWAT水文模型的率定和验证，
在SWAT水文模型的率定和验证中采用线性回归方程相关系数(R2)，纳什效率系数(Ens)、相对偏差(PBIAS)三个指数进行研究区适用性的评价，计算如下：
式中：Qm,i为实测值；Qs,i为模拟值；为实测值平均值和模拟值平均值；n为实测值个数，R2的变化区间是0～1，越接近1，拟合效果越好，Ens与R2的变化是一致的，越趋向于1，模拟效果越好，PBIAS表示的是模拟值与实际测量值之间的偏离程度，越趋近于0，模拟效果越好，综合这三种指数，认为R2＞0.65，Ens＞0.5，|PBIAS|＜25％时，认定模型适用于模拟区域，
S3、在蚂蚁河流域SWAT水文模型进行1990～2014年流域内的逐日流量模拟，获取局部小流域25年的流量数据，得出该地区的洪峰流量，用于桥涵构造的推算；
S4、进行桥涵构造计算，包括有桥涵设计流量、桥涵跨径计算、涵洞类型选择和涵洞长度确定，
桥涵设计流量计算如下：
Qxs＝M·Qx
式中：Qxs为设计流量；M为周期换算系数；Qx为洪峰流量；
桥涵跨径利用水文计算得出，计算如下：
(1)盖板涵
式中：Qp为设计流量；Lo为跨径；H为涵前壅水高度；h洞为涵洞进口净高；△为涵下要求净空；
(2)拱涵
式中：Qp为设计流量；Lo为跨径；H为涵前壅水高度；
(3)圆管涵
式中：Qp为设计流量；d为圆管直径；
(4)小桥
天然水深ht和天然流速Vt的确定是通过大量的试算，假定不同水位，得出不同的水深，试算出相应的流速及流量，在试算过程中，求得的流量与已知的设计洪峰流量Qp两者相差在±10％范围内，计算有效，记录有效的天然水深ht和天然流速Vt，
桥梁设计中，一般为矩形桥孔断面，由于实际水面宽度等于临界水深hk时的水面宽度Bk，所以Vy为允许流速，即不冲刷平均流速，对于不同的水流情况即自由出流和淹没出流，桥梁跨径的计算公式是不同的，
自由出流：当1.3hk≥ht时，桥下水流为自由出流，
式中：Qp为设计流量；g为重力加速度(9.8m/s2)；ε为挤压系数，ht为天然水深，Vk为桥下临界流速，
淹没出流：当1.3hk＜ht时，桥下水流为非自由出流，
式中：Qp为设计流量；ε为挤压系数，Vy为允许流速，ht为天然水深，Vy为允许流速，
S5、根据S4所计算的桥涵构造对比S1实地小支流桥涵构造数据进行推算验证；
S6、根据S2、S3、S4的计算结果，使用ArcGIS软件分析，叠加蚂蚁河干流矢量图、各级道路矢量图、蚂蚁河流域图层，进行相交分析，然后通过交汇点分析蚂蚁河流域的桥涵构造分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法，其特征在于：所述DEM高程数据采用SRTMDEM 90M分辨率高程数据拼接加工，所述土壤数据取自ArcGIS切割土壤图和中国土壤数据库，所述土地利用数据通过SWAT的土地利用分类系统进行重新归类，转化为识别代码，并使用索引表与SWAT模型进行连接，所述气象数据由SwatWeather软件识别，所述SWAT水文模型的率定和验证通过SWAT-CUP中SUFI-2系统进行。
3.根据权利要求1所述的一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法，其特征在于：所述S2、S3、S4中的计算通过ArcGIS和MATL AB软件计算所得。
4.根据权利要求1所述的一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法，其特征在于：针对S2中的逐日流量进行划分，利用蚂蚁河流域2009-2014莲花(二)水文站逐日流量数据进行模型的率定和验证，其中2009～2012莲花(二)水文站逐日流量数据年用于SWAT水文模型的率定，2013～2014莲花(二)水文站逐日流量数据年用于SWAT水文模型的验证。
根据权利要求1所述的一种基于蚂蚁河流域的桥涵构造推算方法，其特征在于：所述S4中的周期换算系数为规定频率P时的周期换算系数，设置为1.33。
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