Introduktion til HEC-RAS

velkommen til US Army Corps of Engineers River Analysis System (HEC-RAS) udviklet af Hydrologic Engineering Center. Dette program giver dig mulighed for at udføre endimensionel stabil strømning, en og to-dimensionelle ustabile strømningsberegninger, sedimenttransport/mobile sengeberegninger og vandtemperatur/vandkvalitetsmodellering.

HEC-RAS-modelleringssystemet blev udviklet som en del af Hydrologic Engineering Centers “næste Generation” (næste Generation) af hydrologisk ingeniørprogram. Projektet omfatter flere aspekter af hydrologisk teknik, herunder: regn-afstrømningsanalyse (HEC-HMS); flodhydraulik (HEC-RAS); reservoir system simulation (HEC-ResSim); flood damage analysis (HEC-FDA og HEC-FIA); og realtids flodprognoser for reservoiroperationer.

dette kapitel diskuterer HEC-RAS ‘ generelle filosofi og giver et kort overblik over modelleringssystemets muligheder. Dokumentation for HEC-RAS diskuteres, samt en oversigt over denne manual.

generel filosofi for Modelleringssystemet

HEC-RAS er et integreret system af programmer, designet til interaktiv brug i et multi-tasking miljø. Systemet består af en grafisk brugergrænseflade (GUI), separate analysekomponenter, datalagring og styringsfunktioner, grafik, kortlægning og rapporteringsfaciliteter.

HEC-RAS-systemet indeholder følgende flodanalysekomponenter til: (1) en-dimensionel konstant strømning af vandoverfladeprofilberegninger; (2) endimensionel og/eller todimensionel ustabil strømningssimulering; (3) kvasi ustabil eller fuldstændig ustabil strømning bevægelig grænse sediment transport beregninger (1D og 2D); og (4) endimensionel vandkvalitetsanalyse. Et nøgleelement er, at alle fire komponenter bruger en fælles geometrisk datarepræsentation og fælles geometriske og hydrauliske beregningsrutiner. Ud over de fire flodanalysekomponenter indeholder systemet flere hydrauliske designfunktioner, der kan påberåbes, når vandoverfladeprofilerne er beregnet. HEC-RAS har også et omfattende geodataintegrations-og kortlægningssystem (HEC-RAS Mapper).

oversigt over programfunktioner

HEC-RAS er designet til at udføre endimensionelle og todimensionale hydrauliske beregninger for et komplet netværk af naturlige og konstruerede kanaler, overbank/oversvømmelsesområder, levebeskyttede områder; osv… Det følgende er en beskrivelse af HEC-RAS ‘ vigtigste muligheder.

brugergrænseflade

brugeren interagerer med HEC-RAS gennem en grafisk brugergrænseflade (GUI). Hovedfokus i designet af grænsefladen var at gøre det nemt at bruge programmet, samtidig med at der opretholdes et højt effektivitetsniveau for brugeren. Interfacet indeholder følgende funktioner:

• filhåndtering
• dataindtastning/redigering og geospatiale datagrænseflader
• flodanalyser
• tabulering og grafiske displays af input-og outputdata
• Oversvømmelseskortlægning og animationer af vandformering
• Rapporteringsfaciliteter
• on-line hjælp

flod analyse komponenter

• jævnstrøm vandoverfladeprofiler. Denne komponent i modelleringssystemet er beregnet til beregning af vandoverfladeprofiler for stabil gradvist varieret strømning. Systemet kan håndtere et komplet netværk af kanaler, et dendritisk system eller en enkelt flod rækkevidde. Den konstante strømningskomponent er i stand til at modellere subkritiske, superkritiske og blandede strømningsregime vandoverfladeprofiler.
  den grundlæggende beregningsprocedure er baseret på løsningen af den endimensionelle energiligning. Energitab vurderes ved friktion (Mannings ligning) og sammentrækning/ekspansion (koefficient multipliceret med ændringen i hastighedshoved). Momentumligningen anvendes i situationer, hvor vandoverfladeprofilen hurtigt varieres. Disse situationer inkluderer beregninger af blandet strømningsregime (dvs.hydrauliske Spring), hydraulik af broer og evaluering af profiler ved flodkonfluenser (strømkryds).
  virkningerne af forskellige forhindringer såsom broer, kulverter, dæmninger, overløb og andre strukturer i oversvømmelsessletten kan overvejes i beregningerne. Det stabile strømningssystem er designet til anvendelse i oversvømmelsesstyring og oversvømmelsesforsikringsundersøgelser for at evaluere oversvømmelsesindgreb. Der er også muligheder for at vurdere ændringen i vandoverfladeprofiler på grund af kanalændringer og dækninger.
  særlige træk ved komponenten med stabil strømning inkluderer: flere plananalyser; flere profilberegninger; flere bro-og / eller culvert-åbningsanalyser; broskuranalyse; optimering af delt strøm; og stabil kanaldesign og analyse.
• Ustabil Strømning Simulering. Denne komponent i HEC-RAS-modelleringssystemet er i stand til at simulere endimensionel; todimensionel; og kombineret en/todimensionel ustabil strømning gennem et komplet netværk af åbne kanaler, flodsletter og alluviale fans. Den ustabile strømningskomponent kan bruges til at udføre subkritiske, superkritiske og blandede strømningsregime (subkritiske, superkritiske, hydrauliske spring og træk) beregninger i modulet ustabile strømningsberegninger.
  de hydrauliske beregninger for tværsnit, broer, kulverter og andre hydrauliske strukturer, der blev udviklet til komponenten med stabil strømning, blev inkorporeret i det ustabile strømningsmodul.
  særlige træk ved den ustabile strømningskomponent omfatter: Omfattende hydraulisk struktur kapaciteter Dam break analyse; levee brud og overtopping; pumpestationer; navigation dæmning operationer; tryk rørsystemer; automatiserede kalibrering funktioner; brugerdefinerede regler; og kombineret en og to-dimensionel ustabil strøm modellering.
• Sedimenttransport/Bevægelige Grænseberegninger. Denne komponent i modelleringssystemet er beregnet til simulering af endimensionelle og todimensionale sedimenttransport/bevægelige grænseberegninger som følge af skure og aflejring over moderate til lange tidsperioder.
  sedimenttransportpotentialet beregnes ved kornstørrelsesfraktion, hvorved simulering af hydraulisk sortering og rustning muliggøres. Vigtige funktioner inkluderer evnen til at modellere et komplet netværk af vandløb, kanaludmudring, forskellige levee-og indgrebsalternativer og brugen af flere forskellige ligninger til beregning af sedimenttransport.
  modellen er designet til at simulere langsigtede tendenser for skure og aflejring i en strømkanal, der kan skyldes ændring af hyppigheden og varigheden af vandudladningen og scenen eller ændring af kanalgeometrien. Dette system kan bruges til at evaluere aflejring i reservoirer, designe kanalkontraktioner, der kræves for at opretholde navigationsdybder, forudsige indflydelsen af uddybning på aflejringshastigheden, estimere maksimal mulig skur under store oversvømmelseshændelser og evaluere sedimentering i faste kanaler.
• Vandkvalitetsanalyse. Denne komponent i modelleringssystemet er beregnet til at give brugeren mulighed for at udføre flodvandkvalitetsanalyser. Den nuværende version af HEC-RAS kan udføre detaljeret temperaturanalyse og transport af et begrænset antal vandkvalitetsbestanddele (alger, opløst ilt, Carbonaceuos biologisk iltbehov, opløst Orthophosphat, opløst organisk fosfor, opløst ammoniumnitrat, opløst Nitritkvælstof, opløst nitratkvælstof og opløst organisk Nitrogen). Fremtidige versioner af programmet vil omfatte evnen til at udføre transport af flere yderligere vandkvalitetsbestanddele.

datalagring og styring

datalagring udføres ved hjælp af “flade” filer (ASCII og binær), HEC-DSS (datalagringssystem) og HDF5 (hierarkisk dataformat, version 5). Brugerinputdata gemmes i flade filer under separate kategorier af projekt, plan, geometri, stabil strømning, ustabil strømning, kvasi-stabil strømning, sedimentdata og vandkvalitetsoplysninger. Outputdata gemmes overvejende i separate binære filer (HEC og HDF5). Data kan overføres mellem HEC-RAS og andre programmer ved hjælp af HEC-DSS.
Data management opnås gennem brugergrænsefladen. Modelleren anmodes om at indtaste et enkelt filnavn for det projekt, der udvikles. Når projektfilnavnet er indtastet, oprettes alle andre filer automatisk og navngives af grænsefladen efter behov. Interfacet giver mulighed for omdøbning, flytning og sletning af filer på projekt-for-projekt basis.

grafik, Oversvømmelseskortlægning og rapportering

grafik omfatter skematiske, tværsnit, profiler, vurderingskurver, hydrografer og oversvømmelseskortlægning. Et tredimensionelt plot af terrænet og mange af simuleringsresultaterne er nu tilgængelige. Oversvømmelseskortlægning udføres i HEC-RAS Mapper-delen af programmet. Oversvømmelseskort kan også animeres og indeholde flere baggrundslag (terræn, luftfotografering osv.). Tabeludgang er tilgængelig. Brugere kan vælge mellem foruddefinerede tabeller eller udvikle deres egne tilpassede tabeller. Alle grafiske og tabelform output kan vises på skærmen, sendes direkte til en printer (eller plotter), eller ledes gennem vinduer Udklipsholder til andre programmer, såsom et tekstbehandlingsprogram eller regneark.
Rapporteringsfaciliteter giver mulighed for trykt output af inputdata såvel som outputdata. Rapporter kan tilpasses med hensyn til mængden og typen af ønskede oplysninger.

HEC-RAS-dokumentation

HEC-RAS-pakken indeholder flere dokumenter. Hvert dokument er designet til at hjælpe modellereren med at lære at bruge et bestemt aspekt af modelleringssystemet. Der er tre store stykker dokumentation:

oversigt over denne Manual

denne brugervejledning er den primære dokumentation for, hvordan man bruger HEC-RAS-systemet. Håndbogen er organiseret som følger:

• Kapitel 1-2 giver en introduktion og oversigt over HEC-RAS, samt instruktioner om, hvordan du installerer programmet.
• Kapitel 3-4 beskriver, hvordan man bruger HEC-RAS-programmet fra et oversigtsperspektiv. At forstå, hvordan dette system fungerer med projekter, diskuteres også, herunder at definere alle de filtyper, der bruges.
• Kapitel 5 forklarer, hvordan man indtaster og redigerer geometriske data for at repræsentere flod -, flodslette-og hydrauliske strukturer.
• Kapitel 6 og 7 forklarer detaljeret, hvordan man udfører de forskellige typer hydrauliske analyser, der er tilgængelige, såsom 1D-stabil strømningsmodellering og 1D-ustabil Strømningsmodellering
• Kapitel 8 Giver detaljerede diskussioner om, hvordan man får vist grafisk og tabelformet output, samt hvordan man udvikler brugerdefinerede tabeller.
• Kapitel 9 beskriver, hvordan man udfører en oversvømmelsesanalyseanalyse.
• Kapitel 10 giver diskussioner om “fejlfinding” og forståelse af de mest almindelige fejl, advarsler og noter.
• Kapitel 11 beskriver, hvordan man udfører broskurberegninger indefra HEC-RAS.
• Kapitel 12 beskriver, hvordan du udfører kanalændringer inden for HEC-RAS.
• Kapitel 13 beskriver, hvordan man bruger de hydrauliske designfunktioner i HEC-RAS til udførelse af stabil kanaldesign og analyse samt beregninger af sedimenttransportpotentiale og rip rap-størrelse.
• Kapitel 14 indeholder emner om avancerede anvendelser af de ustabile strømningssimuleringsfunktioner, herunder: blandet strømningsregime for ustabil strømning; analyse af dæmningsbrud; levee overtopping og overtrædelse; modellering af pumpestationer; navigationsdæmninger; og brugerdefinerede regler for styring af portoperationer.
• tillæg A indeholder en liste over referencer.
• tillæg B indeholder en detaljeret beskrivelse af de filformater, der anvendes til import og eksport af GIS-data til og fra HEC-RAS.
• Appendiks C indeholder en beskrivelse af alle de outputvariabler, der er tilgængelige fra HEC-RAS-programmet.
• Appendiks D diskuterer, hvordan man importerer HEC-2-data til HEC-RAS