Introduction to HEC-RAS

Welcome to the U. S. Army Corps of Engineers River Analysis System (HEC-RAS) developed by the Hydrogic Engineering Center. Tämän ohjelmiston avulla voit suorittaa yksiulotteisen tasaisen virtauksen, yksi-ja kaksiulotteisen epävakaan virtauslaskennan, sedimentin kuljetuksen/liikkuvan sängyn laskennan ja veden lämpötilan/veden laadun mallinnuksen.

HEC-RAS-mallinnusjärjestelmä kehitettiin osana hydrologisen Insinöörikeskuksen “seuraavan sukupolven” (NexGen) hydrologista suunnitteluohjelmistoa. NexGen-projekti käsittää useita hydrologisen suunnittelun osa-alueita, mukaan lukien: sateiden valumavesien analysointi (HEC-HMS), jokihydrauliikka (HEC-RAS), säiliöjärjestelmän simulointi (HEC-ResSim), tulvavahinkojen analysointi (HEC-FDA ja HEC-FIA) ja reaaliaikainen jokien ennustaminen tekojärven operaatioille (cwms).

tässä luvussa käsitellään HEC-RAS: n yleistä filosofiaa ja annetaan lyhyt katsaus mallinnusjärjestelmän kykyihin. HEC-RAS: n dokumentointia käsitellään, samoin kuin yleiskatsausta tästä käsikirjasta.

General Philosophy of the Modeling System

HEC-RAS on integroitu ohjelmistojärjestelmä, joka on suunniteltu interaktiiviseen käyttöön moniajoympäristössä. Järjestelmä koostuu graafisesta käyttöliittymästä (GUI), erillisistä analyysikomponenteista, Tietojen tallennus-ja hallintaominaisuuksista, grafiikasta, kartoitus-ja raportointimahdollisuuksista.

HEC-RAS-järjestelmä sisältää seuraavat jokianalyysikomponentit: (1) yksiulotteinen tasaisen virtauksen veden pinnan profiililaskenta; (2) yksiulotteinen ja / tai kaksiulotteinen epävakaan virtauksen simulointi; (3) Quasi epävakaa tai täysin epävakaa virtaus liikkuva raja sedimentin kuljetus laskelmat (1D ja 2D); ja (4) yksi ulotteinen veden laadun analyysi. Keskeinen tekijä on, että kaikki neljä komponenttia käyttävät yhteistä geometrisen datan esittämistä ja yhteisiä geometrisia ja hydraulisia laskentarutiineja. Neljän jokianalyysikomponentin lisäksi järjestelmä sisältää useita hydraulisia suunnitteluominaisuuksia, joihin voidaan vedota, kun veden pintaprofiilit on laskettu. HEC-RAS: lla on myös laaja paikkatietojen integrointi-ja kartoitusjärjestelmä (HEC-RAS Mapper).

yleiskatsaus Ohjelmavalmiuksista

HEC-RAS on suunniteltu suorittamaan yksiulotteisia ja kaksiulotteisia hydraulisia laskutoimituksia täydelle luonnollisten ja rakennettujen kanavien verkostolle, yli-/tulva-alueille, suojelualueille jne…. Seuraavassa on kuvaus HEC-RAS: n tärkeimmistä ominaisuuksista.

käyttöliittymä

käyttäjä on vuorovaikutuksessa HEC-RAS: n kanssa graafisen käyttöliittymän (GUI) kautta. Käyttöliittymän suunnittelussa painotettiin ennen kaikkea ohjelmiston helppokäyttöisyyttä, mutta samalla ylläpidettiin käyttäjän kannalta korkeaa hyötysuhdetta. Rajapinnassa on seuraavat toiminnot:

• Tiedostonhallinta
• tiedonsyöttö/editointi ja paikkatietoliitännät
• Jokianalyysit
• syöte-ja tuotostietojen taulukointi ja graafiset näytöt
• tulvaveden leviämisen kartoitus ja animaatiot
• raportointipalvelut
• on-line help

jokianalyysit

• tasaisen virtaavan veden pintaprofiilit. Tämä mallintamisjärjestelmän osa on tarkoitettu veden pintaprofiilien laskemiseen tasaista, asteittain vaihtelevaa virtausta varten. Järjestelmä voi käsitellä koko kanavaverkon, dendriittisen järjestelmän tai yhden joen ulottuman. Tasainen virtaus komponentti pystyy mallinnus alikriittinen, ylikriittinen, ja sekoitettu virtaus järjestelmän veden pinnan profiileja.
  laskennallinen perusmenetelmä perustuu yksiulotteisen energiayhtälön ratkaisuun. Energiahäviöt arvioidaan kitkan (Manningin yhtälö) ja supistumisen/laajenemisen (kerroin kerrottuna nopeuspään muutoksella) avulla. Liikemäärän yhtälöä hyödynnetään tilanteissa, joissa veden pinnan profiili vaihtelee nopeasti. Näitä tilanteita ovat sekalaiset virtauslaskelmat (eli hydrauliset hypyt), siltojen hydrauliikka ja profiilien arviointi jokien yhtymäkohdissa (virtojen liittymissä).
  laskelmissa voidaan ottaa huomioon erilaisten esteiden, kuten siltojen, purojen, patojen, vallien ja muiden tulvatasangon rakenteiden vaikutukset. Tasavirtajärjestelmä on suunniteltu käytettäväksi tulvatasankojen hallinnassa ja tulvavakuutustutkimuksissa, joissa arvioidaan tulvaveden aiheuttamia tuhoja. Käytettävissä on myös valmiuksia arvioida veden pintaprofiilien muutoksia, jotka johtuvat kanavan muutoksista, ja vallit.
  tasavirtakomponentin erityispiirteitä ovat: useita suunnitelma-analyysejä; useita profiililaskelmia; useita silta-ja/tai culvert-avausanalyysejä; siltojen scour-analyysi; jakovirtauksen optimointi; ja vakaa kanavan suunnittelu ja analyysi.
• Epävakaa Virtaussimulaatio. Tämä HEC-RAS-mallinnusjärjestelmän komponentti pystyy simuloimaan yksiulotteisia, kaksiulotteisia ja yhdistettyjä yksi/kaksiulotteisia epävakaita virtauksia avoimen verkon, tulvatasanteiden ja alluviaalipuhaltimien läpi. Epävakaata virtauskomponenttia voidaan käyttää alikriittisten, ylikriittisten ja sekavirtausjärjestelmien (alikriittiset, ylikriittiset, hydrauliset hypyt ja nostot) laskutoimituksiin epävakaassa virtauslaskennassa.
  tasavirtakomponenttia varten kehitetyt poikkileikkausten, siltojen, sulkujen ja muiden hydraulirakenteiden hydrauliset laskelmat sisällytettiin epävakaaseen virtausmoduuliin.
  epävakaan virtauskomponentin erityispiirteitä ovat: laaja hydraulinen rakenneominaisuus padon murtoanalyysi; Vallin murtuminen ja ylitys; Pumppaamot; navigointipatotoiminnot; paineistetut putkijärjestelmät; automatisoidut kalibrointiominaisuudet; Käyttäjän määrittämät säännöt; ja yhdistetyt yksi-ja kaksiulotteiset epävakaat virtausmallinnukset.
• Sedimentin Kuljetus/Liikkuvat Rajalaskennat. Tämä mallintamisjärjestelmän osa on tarkoitettu simuloimaan yksi-ja kaksiulotteisia sedimentin kuljetus – /liikuteltavien rajalaskelmia, jotka johtuvat hankauksesta ja laskeumasta kohtalaisilla tai pitkillä ajanjaksoilla.
  sedimentin kuljetuspotentiaali lasketaan raekokofraktiolla, jolloin voidaan simuloida hydraulista lajittelua ja panssarointia. Tärkeimpiä ominaisuuksia ovat kyky mallintaa koko virtaverkosto, kanavan ruoppaus, erilaiset vallit ja tunkeutumisvaihtoehdot sekä useiden eri yhtälöiden käyttö sedimenttikuljetusten laskennassa.
  malli on suunniteltu simuloimaan puron ja laskeuman pitkän aikavälin suuntauksia virtakanavassa, joka voi johtua veden purkautumisen tiheyden ja keston ja vaiheen muuttamisesta tai kanavan geometrian muuttamisesta. Tätä järjestelmää voidaan käyttää laskeuman arviointiin altaissa, suunnistussyvyyksien ylläpitoon tarvittavien kanavien suunnitteluun, ruoppauksen vaikutuksen ennustamiseen laskeumanopeuteen, suurimman mahdollisen huuhtoutumisen estimointiin suurten tulvailmiöiden aikana ja sedimentaation arviointiin kiinteissä kanavissa.
• Veden Laadun Analyysi. Tämän mallintamisjärjestelmän osan tarkoituksena on, että käyttäjä voi tehdä jokiveden laatuanalyysejä. HEC-RAS: n nykyinen versio pystyy suorittamaan yksityiskohtaisen lämpötilaanalyysin ja kuljettamaan rajallisen määrän vedenlaadun ainesosia (levät, liuennut happi, Carbonaceous Biologinen hapenkulutus, liuennut Ortofosfaatti, liuennut orgaaninen fosfori, liuennut ammoniumnitraatti, liuennut Nitriittityppi, liuennut Nitraattityppi ja liuennut orgaaninen typpi). Ohjelmiston tuleviin versioihin sisältyy kyky kuljettaa useita muita vedenlaadun ainesosia.

Tietojen tallennus ja hallinta

Tietojen tallennus tapahtuu käyttämällä “litteitä” tiedostoja (ASCII ja binary), HEC-DSS (tietojen tallennusjärjestelmä) ja HDF5 (hierarkkinen tietomuoto, versio 5). Käyttäjän syöttötiedot tallennetaan litteisiin tiedostoihin erillisiin projekti -, suunnitelma -, geometria -, tasainen virtaus, epävakaa virtaus, lähes vakaa virtaus, sedimenttitiedot ja veden laatua koskevat tiedot. Lähtötiedot tallennetaan pääasiassa erillisiin binääritiedostoihin (HEC ja HDF5). Tietoja voidaan siirtää HEC-RAS: n ja muiden ohjelmien välillä käyttämällä HEC-DSS: ää.
tiedonhallinta tapahtuu käyttöliittymän kautta. Mallintajaa pyydetään syöttämään yksi tiedostonimi kehitettävälle projektille. Kun projektin tiedostonimi on syötetty, käyttöliittymä luo kaikki muut tiedostot automaattisesti ja nimeää ne tarpeen mukaan. Käyttöliittymä mahdollistaa tiedostojen uudelleennimeämisen, siirtämisen ja poistamisen projektikohtaisesti.

grafiikka, tulvaveden kartoitus ja raportointi

grafiikka sisältää jokijärjestelmän X-Y-kaaviot, poikkileikkaukset, profiilit, luokituskäyrät, hydrografit ja tulvaveden kartoitus. Maaston kolmiulotteinen kuvaaja ja monet simulaatiotulokset ovat nyt saatavilla. Inundation kartoitus suoritetaan HEC-RAS kartoitus osa ohjelmiston. Tulvakarttoja voidaan myös animoida, ja ne sisältävät useita taustakerroksia (maasto, ilmakuvaus jne.). Taulukkotuloste on saatavilla. Käyttäjät voivat valita ennalta määritellyistä taulukoista tai kehittää omia räätälöityjä taulukoitaan. Kaikki graafiset ja taulukkomuotoiset tulosteet voidaan näyttää näytöllä, lähettää suoraan tulostimelle (tai piirturille) tai siirtää Windowsin leikepöydän kautta muihin ohjelmistoihin, kuten tekstinkäsittelyohjelmaan tai laskentataulukkoon.
raportointimahdollisuudet mahdollistavat tulostettujen syöttötietojen sekä tulostustietojen tulostamisen. Raportteja voidaan räätälöidä halutun tiedon määrän ja tyypin mukaan.

HEC-RAS-dokumentaatio

HEC-RAS-paketti sisältää useita asiakirjoja. Jokainen dokumentti on suunniteltu auttamaan mallintajaa oppimaan käyttämään tiettyä mallintamisjärjestelmän osaa. On olemassa kolme suurta asiakirjaa:

yleiskatsaus tähän käsikirjaan

tämä käyttöohje on ensisijainen asiakirja siitä, miten HEC-RAS-järjestelmää käytetään. Käsikirja on järjestetty seuraavasti:

• luvuissa 1-2 esitetään HEC-RAS-järjestelmän esittely ja yleiskatsaus sekä ohjeet ohjelmiston asentamisesta.
• luvuissa 3-4 kuvataan, miten HEC-RAS-ohjelmistoa käytetään yleiskatsauksen näkökulmasta. Lisäksi keskustellaan siitä, miten tämä järjestelmä toimii projektien kanssa, mukaan lukien kaikkien käytettyjen tiedostotyyppien määrittely.
• luvuissa 5 selitetään, miten joki -, tulva-ja hydraulirakenteita kuvaavia geometrisia tietoja voidaan syöttää ja muokata.
• luvuissa 6 ja 7 selitetään yksityiskohtaisesti, miten voidaan suorittaa erilaisia saatavilla olevia hydraulisia analyysejä, kuten 1D tasaisen virtauksen mallinnus ja 1D epävakaan virtauksen mallinnus
• luvussa 8 käsitellään yksityiskohtaisesti graafisen ja taulukkomuotoisen tuotoksen tarkastelua sekä käyttäjän määrittelemien taulukoiden kehittämistä.
• luvussa 9 kuvataan, miten tulvavesianalyysi tehdään.
• luvussa 10 käydään keskusteluja “Ongelmalaukauksesta” ja ymmärretään yleisimmät virheet, Varoitukset ja muistiinpanot.
• luvussa 11 kuvataan, miten HEC-RAS-järjestelmän puitteissa suoritetaan siltojen scour-laskelmia.
• luvussa 12 kuvataan, miten kanavamuutoksia tehdään HEC-RAS-järjestelmässä.
• luvussa 13 kuvataan, miten HEC-RAS: n hydraulisia suunnittelutoimintoja käytetään vakaan kanavan suunnitteluun ja analysointiin, sedimentin kuljetuspotentiaalilaskelmiin ja rip-rap-mitoitukseen.
• Luku 14 sisältää aiheita epävakaan virtauksen simulointivalmiuksien edistyneistä käyttötarkoituksista, mukaan lukien: epävakaan virtauksen sekavirtausjärjestelmä; padon murtoanalyysi; padon ylitys ja murtuminen; pumppuasemien mallintaminen; navigointipadot; ja käyttäjän määrittelemät säännöt porttien toiminnan valvomiseksi.
• Liite A sisältää lähdeluettelon.
• Liite B sisältää yksityiskohtaisen kuvauksen tiedostomuodoista, joita käytetään GIS-tietojen tuomiseen ja viemiseen HEC-RAS: iin ja sieltä pois.
• Liite C sisältää kuvauksen kaikista HEC-RAS-ohjelmasta saatavilla olevista lähtömuuttujista.
• liitteessä D käsitellään sitä, miten HEC-2-tiedot tuodaan HEC-RAS: iin