Introduction à HEC-RAS

Bienvenue dans le Système d’Analyse des rivières du Corps des Ingénieurs de l’Armée américaine (HEC-RAS) développé par le Centre d’Ingénierie Hydrologique. Ce logiciel vous permet d’effectuer des calculs d’écoulement régulier unidimensionnel, des calculs d’écoulement instable unidimensionnel et bidimensionnel, des calculs de transport de sédiments / de lit mobile et une modélisation de la température et de la qualité de l’eau.

Le système de modélisation HEC-RAS a été développé dans le cadre du logiciel de génie hydrologique ” Next Generation ” (NexGen) du Centre d’ingénierie hydrologique. Le projet NexGen englobe plusieurs aspects de l’ingénierie hydrologique, notamment: l’analyse des précipitations et des eaux de ruissellement (HEC-HMS); l’hydraulique fluviale (HEC-RAS); la simulation des systèmes de réservoirs (HEC-ResSim); l’analyse des dommages causés par les inondations (HEC-FDA et HEC-FIA); et la prévision fluviale en temps réel pour l’exploitation des réservoirs (MCG).

Ce chapitre traite de la philosophie générale de HEC-RAS et donne un bref aperçu des capacités du système de modélisation. La documentation pour HEC-RAS est discutée, ainsi qu’un aperçu de ce manuel.

Philosophie générale du Système de modélisation

HEC-RAS est un système intégré de logiciels, conçu pour une utilisation interactive dans un environnement multitâche. Le système est composé d’une interface utilisateur graphique (GUI), de composants d’analyse distincts, de capacités de stockage et de gestion des données, de graphiques, de cartographie et de rapports.

Le système HEC-RAS contient les composants d’analyse de rivière suivants pour : (1) calculs unidimensionnels du profil de surface de l’eau à débit constant ; (2) simulation unidimensionnelle et/ou bidimensionnelle de l’écoulement instable; (3) Calculs de transport de sédiments à la limite mobile d’écoulement quasi instable ou totalement instable (1D et 2D); et (4) analyse unidimensionnelle de la qualité de l’eau. Un élément clé est que les quatre composants utilisent une représentation de données géométriques commune et des routines de calcul géométriques et hydrauliques communes. En plus des quatre composantes d’analyse de la rivière, le système contient plusieurs caractéristiques de conception hydraulique qui peuvent être invoquées une fois les profils de surface de l’eau calculés. HEC-RAS dispose également d’un vaste système d’intégration et de cartographie des données spatiales (HEC-RAS Mapper).

Aperçu des capacités du programme

HEC-RAS est conçu pour effectuer des calculs hydrauliques unidimensionnels et bidimensionnels pour un réseau complet de canaux naturels et construits, de zones surbaissées / de plaines inondables, d’aires protégées de digues; etc. Voici une description des principales capacités de HEC-RAS.

Interface utilisateur

L’utilisateur interagit avec HEC-RAS via une interface utilisateur graphique (GUI). L’objectif principal de la conception de l’interface était de faciliter l’utilisation du logiciel, tout en maintenant un haut niveau d’efficacité pour l’utilisateur. L’interface fournit les fonctions suivantes:

• Gestion de fichiers
• Interfaces de saisie/édition de données et de données géospatiales
• Analyses fluviales
• Tabulation et affichage graphique des données d’entrée et de sortie
• Cartographie des inondations et animations de propagation de l’eau
• Installations de reporting
• Aide en ligne

Composantes d’analyse des rivières

• Profils De Surface De l’eau À Débit constant. Ce composant du système de modélisation est destiné au calcul des profils de surface de l’eau pour un débit constant et varié. Le système peut gérer un réseau complet de canaux, un système dendritique ou un seul tronçon de rivière. Le composant à débit constant est capable de modéliser les profils de surface de l’eau sous-critiques, supercritiques et à régime d’écoulement mixte.
  La procédure de calcul de base est basée sur la solution de l’équation d’énergie unidimensionnelle. Les pertes d’énergie sont évaluées par frottement (équation de Manning) et contraction/dilatation (coefficient multiplié par la variation de la tête de vitesse). L’équation de momentum est utilisée dans des situations où le profil de surface de l’eau varie rapidement. Ces situations comprennent des calculs de régime d’écoulement mixte (c.-à-d. des sauts hydrauliques), l’hydraulique des ponts et l’évaluation des profils aux confluences des rivières (jonctions des cours d’eau).
  Les effets de divers obstacles tels que les ponts, ponceaux, barrages, déversoirs et autres structures dans la plaine inondable peuvent être pris en compte dans les calculs. Le système à débit constant est conçu pour être utilisé dans les études de gestion des plaines inondables et d’assurance contre les inondations pour évaluer les empiétements des voies d’inondation. En outre, des capacités sont disponibles pour évaluer le changement des profils de surface de l’eau en raison des modifications des canaux et des digues.
  Les caractéristiques spéciales de la composante d’écoulement régulier comprennent : analyses de plans multiples; calculs de profils multiples; analyse de l’ouverture de plusieurs ponts et/ou ponceaux; analyse de l’affouillement des ponts; optimisation de l’écoulement fractionné; et conception et analyse de canaux stables.
• Simulation d’écoulement instable. Ce composant du système de modélisation HEC-RAS est capable de simuler un écoulement instable unidimensionnel, bidimensionnel et combiné un/ deux dimensions à travers un réseau complet de canaux ouverts, de plaines inondables et de ventilateurs alluviaux. Le composant d’écoulement instable peut être utilisé pour effectuer des calculs de régime d’écoulement sous-critique, supercritique et mixte (sauts et prélèvements hydrauliques sous-critiques, supercritiques) dans le module de calculs d’écoulement instable.
  Les calculs hydrauliques pour les sections transversales, les ponts, les ponceaux et les autres structures hydrauliques qui ont été développés pour le composant à écoulement constant ont été incorporés au module à écoulement instable.
  Les caractéristiques spéciales du composant d’écoulement instable comprennent: des capacités étendues de structure hydraulique Analyse de rupture de barrage; rupture et dépassement de digues; Stations de pompage; opérations de barrage de navigation; systèmes de tuyaux sous pression; fonctions d’étalonnage automatisées; Règles définies par l’utilisateur; et modélisation combinée des flux instables à une et deux dimensions.
• Calculs de Transport de sédiments/Limites mobiles. Ce composant du système de modélisation est destiné à la simulation de calculs unidimensionnels et bidimensionnels de transport de sédiments / limites mobiles résultant de l’affouillement et du dépôt sur des périodes de temps modérées à longues.
  Le potentiel de transport des sédiments est calculé par fraction granulométrique, permettant ainsi la simulation du tri hydraulique et de l’armage. Les principales caractéristiques comprennent la capacité de modéliser un réseau complet de cours d’eau, le dragage des canaux, diverses alternatives de levées et d’empiétement, et l’utilisation de plusieurs équations différentes pour le calcul du transport des sédiments.
  Le modèle est conçu pour simuler les tendances à long terme de l’affouillement et du dépôt dans un canal de cours d’eau qui pourraient résulter de la modification de la fréquence et de la durée de l’écoulement de l’eau et de l’étage, ou de la modification de la géométrie du canal. Ce système peut être utilisé pour évaluer les dépôts dans les réservoirs, concevoir les contractions des canaux nécessaires pour maintenir les profondeurs de navigation, prédire l’influence du dragage sur le taux de dépôt, estimer l’affouillement maximal possible lors de grandes inondations et évaluer la sédimentation dans des canaux fixes.
• Analyse de la qualité de l’eau. Ce composant du système de modélisation est destiné à permettre à l’utilisateur d’effectuer des analyses de la qualité de l’eau en rivière. La version actuelle de HEC-RAS peut effectuer une analyse détaillée de la température et le transport d’un nombre limité de constituants de la qualité de l’eau (Algues, Oxygène Dissous, Demande Biologique en Oxygène Carboné, Orthophosphate Dissous, Phosphore Organique Dissous, Nitrate d’Ammonium Dissous, Azote Nitrite Dissous, Azote Nitrate Dissous et Azote Organique Dissous). Les futures versions du logiciel incluront la possibilité d’effectuer le transport de plusieurs constituants supplémentaires de la qualité de l’eau.

Stockage et gestion des données

Le stockage des données se fait à l’aide de fichiers “plats” (ASCII et binaires), du HEC-DSS (Système de stockage de données) et du HDF5 (Format de données Hiérarchique, version 5). Les données d’entrée de l’utilisateur sont stockées dans des fichiers plats sous des catégories distinctes de projet, de plan, de géométrie, d’écoulement stable, d’écoulement instable, d’écoulement quasi stable, de données sur les sédiments et d’informations sur la qualité de l’eau. Les données de sortie sont principalement stockées dans des fichiers binaires séparés (HEC et HDF5). Les données peuvent être transférées entre HEC-RAS et d’autres programmes en utilisant le HEC-DSS.
La gestion des données s’effectue via l’interface utilisateur. Le modeleur est invité à saisir un nom de fichier unique pour le projet en cours de développement. Une fois le nom de fichier du projet entré, tous les autres fichiers sont automatiquement créés et nommés par l’interface selon les besoins. L’interface permet de renommer, de déplacer et de supprimer des fichiers projet par projet.Graphiques

, Cartographie des inondations et Rapports Les graphiques

comprennent des graphiques X-Y du schéma du système fluvial, des sections transversales, des profils, des courbes de cotation, des hydrographies et des cartes des inondations. Un tracé tridimensionnel du terrain et de nombreux résultats de simulation sont maintenant disponibles. La cartographie des inondations est réalisée dans la partie Mappeur HEC-RAS du logiciel. Les cartes d’inondation peuvent également être animées, et contenir plusieurs couches d’arrière-plan (terrain, photographie aérienne, etc)). La sortie tabulaire est disponible. Les utilisateurs peuvent choisir parmi des tables prédéfinies ou développer leurs propres tables personnalisées. Toutes les sorties graphiques et tabulaires peuvent être affichées à l’écran, envoyées directement à une imprimante (ou un traceur) ou transmises dans le presse-papiers Windows à d’autres logiciels, tels qu’un traitement de texte ou une feuille de calcul.
Les installations de rapport permettent la sortie imprimée des données d’entrée ainsi que des données de sortie. Les rapports peuvent être personnalisés en fonction de la quantité et du type d’informations souhaitées.

Documentation HEC-RAS

Le package HEC-RAS comprend plusieurs documents. Chaque document est conçu pour aider le modélisateur à apprendre à utiliser un aspect particulier du système de modélisation. Il existe trois documents majeurs:

Aperçu de ce manuel

Ce manuel de l’utilisateur est la documentation principale sur l’utilisation du système HEC-RAS. Le manuel est organisé comme suit:

• Les chapitres 1-2 fournissent une introduction et un aperçu de HEC-RAS, ainsi que des instructions sur la façon d’installer le logiciel.
• Les chapitres 3-4 décrivent comment utiliser le logiciel HEC-RAS d’un point de vue d’ensemble. La compréhension du fonctionnement de ce système avec les projets est également discutée, y compris la définition de tous les types de fichiers utilisés.
• Le chapitre 5 explique comment saisir et modifier des données géométriques pour représenter la rivière, la plaine inondable et les structures hydrauliques.
• Les chapitres 6 et 7 expliquent en détail comment effectuer les différents types d’analyses hydrauliques disponibles, telles que la modélisation d’écoulement stable 1D et la modélisation d’écoulement instable 1D
• Le chapitre 8 fournit des discussions détaillées sur la façon de visualiser les résultats graphiques et tabulaires, ainsi que sur la façon de développer des tables définies par l’utilisateur.
• Le chapitre 9 décrit comment effectuer une analyse de l’empiétement des voies de crue.
• Le chapitre 10 fournit des discussions sur le “dépannage” et la compréhension des erreurs, des Avertissements et des Notes les plus courants.
• Le chapitre 11 décrit comment effectuer des calculs de bridge scour depuis HEC-RAS.
• Le chapitre 12 décrit comment effectuer des modifications de canal dans HEC-RAS.
• Le chapitre 13 décrit comment utiliser les fonctions de conception hydraulique dans HEC-RAS pour effectuer une conception et une analyse stables des canaux, ainsi que des calculs du potentiel de transport des sédiments et du dimensionnement des rip rap.
• Le chapitre 14 contient des sujets sur les utilisations avancées des capacités de simulation des débits instables, notamment: régime d’écoulement mixte pour les débits instables; analyse des ruptures de digues; franchissement et rupture de digues; modélisation des stations de pompage; barrages de navigation; et règles définies par l’utilisateur pour contrôler les opérations des portes.
• L’annexe A contient une liste de références.
• L’annexe B contient une description détaillée des formats de fichiers utilisés pour importer et exporter des données SIG vers et depuis HEC-RAS.
• L’annexe C contient une description de toutes les variables de sortie disponibles dans le programme HEC-RAS.
• L’annexe D explique comment importer les données HEC-2 dans HEC-RAS