Einführung in HEC-RAS

Willkommen beim Flussanalysesystem des US Army Corps of Engineers (HEC-RAS), das vom Hydrologic Engineering Center entwickelt wurde. Mit dieser Software können Sie eindimensionale stetige Strömung, ein- und zweidimensionale instationäre Strömungsberechnungen, Sedimenttransport- / Mobilbettberechnungen und Wassertemperatur- / Wasserqualitätsmodellierungen durchführen.

Das HEC-RAS-Modellierungssystem wurde als Teil der hydrologischen Engineering-Software “Next Generation” (NexGen) des Hydrologic Engineering Centers entwickelt. Das NexGen-Projekt umfasst mehrere Aspekte der hydrologischen Technik, darunter: Regen-Abfluss-Analyse (HEC-HMS); Flusshydraulik (HEC-RAS); Reservoirsystemsimulation (HEC-ResSim); Hochwasserschadenanalyse (HEC-FDA und HEC-FIA); und Echtzeit-Flussprognose für den Reservoirbetrieb (CWMS).

Dieses Kapitel behandelt die allgemeine Philosophie von HEC-RAS und gibt einen kurzen Überblick über die Möglichkeiten des Modellierungssystems. Dokumentation für HEC-RAS wird diskutiert, sowie eine Übersicht über dieses Handbuch.

Allgemeine Philosophie des Modellierungssystems

HEC-RAS ist ein integriertes Softwaresystem, das für den interaktiven Einsatz in einer Multitasking-Umgebung entwickelt wurde. Das System besteht aus einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI), separaten Analysekomponenten, Datenspeicherungs- und Verwaltungsfunktionen, Grafik-, Mapping- und Berichtsfunktionen.

Das HEC-RAS-System enthält die folgenden Flussanalysekomponenten für: (1) eindimensionale Berechnung des Wasseroberflächenprofils mit gleichmäßiger Strömung; (2) eindimensionale und / oder zweidimensionale Simulation der instationären Strömung; (3) Quasi instationäre oder vollständig instationäre strömungsbewegliche Grenzsedimenttransportberechnungen (1D und 2D); und (4) eindimensionale Wasserqualitätsanalyse. Ein Schlüsselelement ist, dass alle vier Komponenten eine gemeinsame geometrische Datendarstellung und gemeinsame geometrische und hydraulische Berechnungsroutinen verwenden. Zusätzlich zu den vier Flussanalysekomponenten enthält das System mehrere hydraulische Konstruktionsmerkmale, die nach der Berechnung der Wasseroberflächenprofile aufgerufen werden können. HEC-RAS verfügt auch über ein umfangreiches Geodatenintegrations- und Kartierungssystem (HEC-RAS Mapper).

Übersicht der Programmfunktionen

HEC-RAS wurde entwickelt, um eindimensionale und zweidimensionale hydraulische Berechnungen für ein vollständiges Netzwerk von natürlichen und gebauten Kanälen, Über Ufer- / Überschwemmungsgebieten, Deichschutzgebieten usw. durchzuführen…. Im Folgenden werden die wichtigsten Funktionen von HEC-RAS beschrieben.

Benutzeroberfläche

Der Benutzer interagiert mit HEC-RAS über eine grafische Benutzeroberfläche (GUI). Das Hauptaugenmerk bei der Gestaltung der Benutzeroberfläche lag darauf, die Bedienung der Software zu vereinfachen und gleichzeitig ein hohes Maß an Effizienz für den Benutzer aufrechtzuerhalten. Die Schnittstelle bietet folgende Funktionen:

• Dateiverwaltung
• Dateneingabe/-bearbeitung und Geodatenschnittstellen
• Flussanalysen
• Tabellierung und grafische Darstellung von Eingabe- und Ausgabedaten
• Überschwemmungskartierung und Animationen der Wasserausbreitung
• Berichtseinrichtungen
• Online-Hilfe

Komponenten der Flussanalyse

• Profile der Wasseroberfläche mit gleichmäßigem Durchfluss. Diese Komponente des Modellierungssystems dient zur Berechnung von Wasseroberflächenprofilen für eine stetig allmählich variierende Strömung. Das System kann ein vollständiges Netzwerk von Kanälen, ein dendritisches System oder eine einzelne Flussreichweite handhaben. Die stetige Strömungskomponente ist in der Lage, Wasseroberflächenprofile mit unterkritischem, überkritischem und gemischtem Strömungsregime zu modellieren.
  Das grundlegende Rechenverfahren basiert auf der Lösung der eindimensionalen Energiegleichung. Energieverluste werden durch Reibung (Manning-Gleichung) und Kontraktion / Expansion (Koeffizient multipliziert mit der Änderung des Geschwindigkeitskopfes) bewertet. Die Impulsgleichung wird in Situationen verwendet, in denen das Wasseroberflächenprofil schnell variiert wird. Diese Situationen umfassen Berechnungen des gemischten Strömungsregimes (d. H. Hydraulische Sprünge), die Hydraulik von Brücken und die Bewertung von Profilen an Flusszusammenflüssen (Bachkreuzungen).
  Die Auswirkungen verschiedener Hindernisse wie Brücken, Durchlässe, Dämme, Wehre und andere Strukturen im Überschwemmungsgebiet können in den Berechnungen berücksichtigt werden. Das Steady-Flow-System ist für die Anwendung in Überschwemmungsgebietsmanagement- und Hochwasserversicherungsstudien zur Bewertung von Überschwemmungseingriffen konzipiert. Außerdem stehen Funktionen zur Beurteilung der Änderung der Wasseroberflächenprofile aufgrund von Kanalmodifikationen und Deichen zur Verfügung.
  Zu den besonderen Merkmalen der Steady-Flow-Komponente gehören: mehrere Plananalysen; mehrere Profilberechnungen; mehrere Brücken- und / oder Dükeröffnungsanalysen; Brückenreinigungsanalyse; Split-Flow-Optimierung; und stabiles Kanaldesign und -analyse.
• Instationäre Strömungssimulation. Diese Komponente des HEC-RAS-Modellierungssystems ist in der Lage, eindimensionale zu simulieren; zweidimensional; und kombinierte ein- / zweidimensionale instationäre Strömung durch ein vollständiges Netzwerk offener Kanäle, Auen und Schwemmfächer. Die instationäre Strömungskomponente kann verwendet werden, um Berechnungen des unterkritischen, überkritischen und gemischten Strömungsregimes (unterkritische, überkritische, hydraulische Sprünge und Drawdowns) im Modul instationäre Strömungsberechnungen durchzuführen.
  Die hydraulischen Berechnungen für Querschnitte, Brücken, Durchlässe und andere hydraulische Konstruktionen, die für die Komponente Steady Flow entwickelt wurden, wurden in das Modul instationäre Strömung integriert.
  Besondere Merkmale der instationären Strömungskomponente umfassen: umfangreiche hydraulische Strukturfähigkeiten Dammbruchanalyse; Deichbruch und Überfüllung; Pumpstationen; navigation Dammoperationen; Druckrohrsysteme; automatisierte Kalibrierungsfunktionen; Benutzerdefinierte Regeln; und kombinierte ein- und zweidimensionale instationäre Strömungsmodellierung.
• Sedimenttransport/Bewegliche Grenzberechnungen. Diese Komponente des Modellierungssystems ist für die Simulation von eindimensionalen und zweidimensionalen Sedimenttransport- / Beweglichkeitsgrenzenberechnungen vorgesehen, die sich aus der Reinigung und Ablagerung über mittlere bis lange Zeiträume ergeben.
  Das Sedimenttransportpotential wird durch Korngrößenfraktion berechnet, wodurch die hydraulische Sortierung und Panzerung simuliert werden kann. Zu den Hauptmerkmalen gehören die Möglichkeit, ein vollständiges Netzwerk von Bächen zu modellieren, Kanalbaggern, verschiedene Deich- und Eingriffsalternativen, und die Verwendung verschiedener Gleichungen für die Berechnung des Sedimenttransports.
  Das Modell wurde entwickelt, um langfristige Trends der Reinigung und Ablagerung in einem Stromkanal zu simulieren, die sich aus der Änderung der Häufigkeit und Dauer des Wasserabflusses und der Stufe oder der Änderung der Kanalgeometrie ergeben können. Dieses System kann verwendet werden, um die Ablagerung in Reservoirs zu bewerten, Kanalkontraktionen zu entwerfen, die zur Aufrechterhaltung der Navigationstiefen erforderlich sind, den Einfluss des Ausbaggerns auf die Ablagerungsrate vorherzusagen, die maximal mögliche Reinigung bei großen Hochwasserereignissen abzuschätzen und die Sedimentation in festen Kanälen zu bewerten.
• Analyse der Wasserqualität. Diese Komponente des Modellierungssystems soll es dem Benutzer ermöglichen, Flusswasserqualitätsanalysen durchzuführen. Die aktuelle Version von HEC-RAS kann eine detaillierte Temperaturanalyse und den Transport einer begrenzten Anzahl von Wasserqualitätsbestandteilen durchführen (Algen, gelöster Sauerstoff, biologischer Sauerstoffbedarf von Carbonaceuos, gelöstes Orthophosphat, gelöster organischer Phosphor, gelöstes Ammoniumnitrat, gelöster Nitritstickstoff, gelöster Nitratstickstoff und gelöster organischer Stickstoff). Zukünftige Versionen der Software werden die Möglichkeit bieten, den Transport mehrerer zusätzlicher Wasserqualitätsbestandteile durchzuführen.

Datenspeicherung und -verwaltung

Die Datenspeicherung erfolgt mit “flachen” Dateien (ASCII und binär), dem HEC-DSS (Data Storage System) und HDF5 (Hierarchical Data Format, Version 5). Benutzereingabedaten werden in flachen Dateien in separaten Kategorien wie Projekt, Plan, Geometrie, stetiger Fluss, instationärer Fluss, quasi stetiger Fluss, Sedimentdaten und Wasserqualitätsinformationen gespeichert. Die Ausgabedaten werden überwiegend in separaten Binärdateien (HEC und HDF5) gespeichert. Mit dem HEC-DSS können Daten zwischen HEC-RAS und anderen Programmen übertragen werden.
Die Datenverwaltung erfolgt über die Benutzeroberfläche. Der Modellierer wird aufgefordert, einen einzigen Dateinamen für das zu entwickelnde Projekt einzugeben. Sobald der Projektdateiname eingegeben wurde, werden alle anderen Dateien automatisch erstellt und von der Schnittstelle nach Bedarf benannt. Die Schnittstelle ermöglicht das Umbenennen, Verschieben und Löschen von Dateien projektweise.

Grafiken, Überschwemmungskartierung und Berichterstattung

Grafiken enthalten Xy-Diagramme des Flusssystemschemas, Querschnitte, Profile, Bewertungskurven, Hydrographien und Überschwemmungskartierung. Ein dreidimensionales Diagramm des Geländes und viele der Simulationsergebnisse sind jetzt verfügbar. Die Überflutungskartierung erfolgt im HEC-RAS-Mapper-Teil der Software. Überschwemmungskarten können auch animiert werden und enthalten mehrere Hintergrundebenen (Gelände, Luftaufnahmen usw.). Tabellarische Ausgabe ist verfügbar. Benutzer können aus vordefinierten Tabellen auswählen oder ihre eigenen benutzerdefinierten Tabellen entwickeln. Alle grafischen und tabellarischen Ausgaben können auf dem Bildschirm angezeigt, direkt an einen Drucker (oder Plotter) gesendet oder über die Windows-Zwischenablage an andere Software wie ein Textverarbeitungsprogramm oder eine Tabelle übergeben werden.
Berichtseinrichtungen ermöglichen die gedruckte Ausgabe von Eingabedaten sowie Ausgabedaten. Berichte können an die Menge und Art der gewünschten Informationen angepasst werden.

HEC-RAS-Dokumentation

Das HEC-RAS-Paket enthält mehrere Dokumente. Jedes Dokument soll dem Modellierer helfen, einen bestimmten Aspekt des Modellierungssystems zu erlernen. Es gibt drei Hauptdokumentationen:

Überblick über dieses Handbuch

Dieses Benutzerhandbuch ist die Hauptdokumentation zur Verwendung des HEC-RAS-Systems. Das Handbuch ist wie folgt organisiert:

• Die Kapitel 1-2 geben eine Einführung und Übersicht über HEC-RAS sowie Anweisungen zur Installation der Software.
• In den Kapiteln 3-4 wird die Verwendung der HEC-RAS-Software aus einer Übersichtsperspektive beschrieben. Es wird auch erläutert, wie dieses System mit Projekten funktioniert, einschließlich der Definition aller verwendeten Dateitypen.
• In Kapitel 5 wird erläutert, wie geometrische Daten eingegeben und bearbeitet werden, um Fluss-, Auen- und Wasserbauwerke darzustellen.
• In den Kapiteln 6 und 7 wird ausführlich erläutert, wie die verschiedenen Arten von hydraulischen Analysen durchgeführt werden, die verfügbar sind, z. B. 1D Steady Flow Modeling und 1D Insteady Flow Modeling
• Kapitel 8 enthält detaillierte Erläuterungen zur Anzeige grafischer und tabellarischer Ausgaben sowie zur Entwicklung benutzerdefinierter Tabellen.
• In Kapitel 9 wird beschrieben, wie eine Analyse des Eindringens von Flutwegen durchgeführt wird.
• Kapitel 10 enthält Diskussionen über “Fehlerbehebung” und das Verständnis der häufigsten Fehler, Warnungen und Hinweise.
• Kapitel 11 beschreibt die Durchführung von Bridge-Scour-Berechnungen innerhalb von HEC-RAS.
• Kapitel 12 beschreibt, wie Kanalmodifikationen innerhalb von HEC-RAS durchgeführt werden.
• In Kapitel 13 wird beschrieben, wie die hydraulischen Konstruktionsfunktionen in HEC-RAS für die Durchführung des stabilen Kanaldesigns und der Analyse sowie für die Berechnung des Sedimenttransportpotenzials und die Rip-Rap-Dimensionierung verwendet werden.
• Kapitel 14 enthält Themen zur erweiterten Verwendung der instationären Strömungssimulationsfunktionen, einschließlich: gemischtes Strömungsregime für instationäre Strömung; Dammbruchanalyse; Deichüberhöhung und -durchbrechung; Modellierung von Pumpstationen; Navigationsdämme; und benutzerdefinierte Regeln zur Steuerung des Torbetriebs.
• Anhang A enthält eine Referenzliste.
• Anhang B enthält eine detaillierte Beschreibung der Dateiformate, die für den Import und Export von GIS-Daten nach und von HEC-RAS verwendet werden.
• Anhang C enthält eine Beschreibung aller aus dem HEC-RAS-Programm verfügbaren Ausgangsvariablen.
• Anhang D erläutert, wie HEC-2-Daten in HEC-RAS importiert werden