Bevezetés a HEC-RAS

Üdvözöljük a US Army Corps of Engineers River Analysis System (HEC-RAS) által kifejlesztett hidrológiai mérnöki központ. Ez a szoftver lehetővé teszi, hogy végre egydimenziós állandó áramlás, egy és kétdimenziós bizonytalan áramlási számítások, üledék szállítás/mobil ágy számítások, és a víz hőmérséklete/vízminőség modellezés.

a HEC-RAS modellező rendszert a hidrológiai mérnöki központ “Next Generation” (NexGen) hidrológiai mérnöki szoftverének részeként fejlesztették ki. A NexGen projekt a hidrológiai tervezés számos aspektusát öleli fel, többek között: Csapadék-lefolyás elemzés (HEC-HMS); folyami hidraulika (HEC-RAS); tározórendszer-szimuláció (HEC-ResSim); árvízkár-elemzés (HEC-FDA és HEC-FIA); és valós idejű folyami előrejelzés a tározó műveletekhez (CWMS).

ez a fejezet a HEC-RAS általános filozófiáját tárgyalja, és rövid áttekintést ad a modellező rendszer képességeiről. A HEC-RAS dokumentációját, valamint a kézikönyv áttekintését tárgyaljuk.

a modellező rendszer általános filozófiája

a HEC-RAS egy integrált szoftverrendszer, amelyet interaktív használatra terveztek többfeladatos környezetben. A rendszer egy grafikus felhasználói felületből (GUI), különálló elemzési komponensekből, adattárolási és kezelési lehetőségekből, grafikus, leképezési és jelentéskészítési lehetőségekből áll.

a HEC-RAS rendszer a következő folyóelemzési komponenseket tartalmazza: (1) egydimenziós állandó áramlású vízfelület-profil számítások; (2) egydimenziós és/vagy kétdimenziós bizonytalan áramlású szimuláció; (3) kvázi bizonytalan vagy teljesen bizonytalan áramlás mozgatható határ üledék szállítási számítások (1D és 2D); és (4) egydimenziós vízminőség-elemzés. A kulcselem az, hogy mind a négy komponens közös geometriai adatábrázolást és közös geometriai és hidraulikus számítási rutinokat használ. A négy folyóelemző elem mellett a rendszer számos hidraulikus tervezési jellemzőt tartalmaz, amelyek a vízfelületi profilok kiszámítása után hívhatók fel. A HEC-RAS kiterjedt téradat-integrációs és térképezési rendszerrel (HEC-RAS Mapper) is rendelkezik.

Áttekintés A program képességeit

HEC-RAS célja, hogy végre egydimenziós és kétdimenziós hidraulikus számítások a teljes hálózat természetes és épített csatornák, overbank/ártéri területek, gát védett területek; stb… Az alábbiakban egy leírást a főbb képességeit HEC-RAS.

felhasználói felület

a felhasználó grafikus felhasználói felületen (GUI) keresztül lép kapcsolatba a HEC-RAS-szal. Az interfész tervezésénél a fő hangsúly a szoftver használatának megkönnyítése volt, miközben továbbra is magas szintű hatékonyságot tartott fenn a felhasználó számára. Az interfész a következő funkciókat biztosítja:

• Fájlkezelés
• adatbevitel/szerkesztés és térinformatikai adatok interfészek
• folyami elemzések
• a bemeneti és kimeneti adatok táblázatos és grafikus megjelenítése
• az áradás feltérképezése és a víz terjedésének animációi
• jelentési lehetőségek
• On-line súgó

folyóelemző komponensek

• állandó áramlású vízfelület profilok. A modellező rendszer ezen alkotóeleme a vízfelület profiljainak kiszámítására szolgál a folyamatos, fokozatosan változó áramlás érdekében. A rendszer képes kezelni a csatornák teljes hálózatát, a dendritikus rendszer, vagy egyetlen folyami elérés. A steady flow komponens képes szubkritikus, szuperkritikus és vegyes áramlású vízfelületi profilok modellezésére.
  az alapvető számítási eljárás az egydimenziós energiaegyenlet megoldásán alapul. Az energiaveszteségeket súrlódással (Manning-egyenlet) és összehúzódással/tágulással (együttható szorozva a sebességfej változásával) értékeljük. A momentumegyenletet olyan helyzetekben alkalmazzák, amikor a vízfelszín profilja gyorsan változik. Ezek a helyzetek magukban foglalják a vegyes áramlási rendszer számításokat (azaz hidraulikus ugrások), hidak hidraulikájátés a profilok értékelése a folyó összefolyásainál (folyami csomópontok).
  a számítások során figyelembe vehetők a különböző akadályok, például hidak, átereszek, gátak, gátak és egyéb ártéri építmények hatásai. A steady flow rendszert az ártéri menedzsment és az árvízbiztosítási tanulmányok alkalmazására tervezték az árvízi behatolások értékelésére. Emellett rendelkezésre állnak képességek a vízfelület profiljainak a csatornamódosítások, valamint a gátak miatt bekövetkező változásának felmérésére.
  a steady flow komponens speciális jellemzői a következők: Több tervelemzés; több profilszámítás; több híd és/vagy áteresznyitás elemzése; hídmosás elemzése; osztott áramlás optimalizálása; valamint stabil csatorna tervezés és elemzés.
• Bizonytalan Áramlási Szimuláció. A HEC-RAS modellező rendszer ezen összetevője képes egydimenziós; kétdimenziós; és kombinált egy / kétdimenziós bizonytalan áramlást szimulálni nyitott csatornák, árterek és hordalékventilátorok teljes hálózatán keresztül. Az instabil áramlás komponens használható szubkritikus, szuperkritikus és vegyes áramlási rendszer (szubkritikus, szuperkritikus, hidraulikus ugrások és lehívások) számítások elvégzésére az instabil áramlás számítási modulban.
  a hidraulikus számítások keresztmetszetek, hidak, átereszek, és más hidraulikus szerkezetek, amelyek kifejlesztették a folyamatos áramlási komponens beépítették a bizonytalan áramlási modul.
  különleges jellemzői A bizonytalan áramlási komponens tartalmazza: Kiterjedt hidraulikus szerkezet képességek gát break analysis; gát törés és overtopping; szivattyútelepek; navigációs gátműveletek; nyomás alatt álló csőrendszerek; automatizált kalibrációs funkciók; Felhasználó által meghatározott szabályok; és kombinált egy-és kétdimenziós instabil áramlásmodellezés.
• Üledékszállítás/Mozgatható Határszámítások. A modellező rendszer ezen eleme egy-és kétdimenziós üledékszállítási/mozgatható határérték-számítások szimulálására szolgál, amelyek közepes vagy hosszú időtartamú súrolásból és lerakódásból származnak.
  az üledék transzportpotenciálját a szemcseméret-frakció alapján számítják ki, ezáltal lehetővé téve a hidraulikus válogatás és páncélozás szimulációját. A főbb jellemzők közé tartozik a patakok teljes hálózatának modellezése, a csatorna kotrása, a különböző gátak és behatolási alternatívák, valamint számos különböző egyenlet használata az üledékszállítás kiszámításához.
  a modellt úgy tervezték, hogy szimulálja a vízfolyás és a lerakódás hosszú távú tendenciáit egy áramcsatornában, amely a vízkibocsátás és a szakasz gyakoriságának és időtartamának módosításából, vagy a csatorna geometriájának módosításából származhat. Ez a rendszer használható a tározókban történő lerakódás értékelésére, a navigációs mélységek fenntartásához szükséges csatorna-összehúzódások tervezésére, a kotrásnak a lerakódás sebességére gyakorolt hatásának előrejelzésére, a nagy árvizek során a lehető legnagyobb súrolás becslésére, valamint a rögzített csatornákban történő ülepedés értékelésére.
• Vízminőség-Elemzés. A modellező rendszer ezen összetevőjének célja, hogy lehetővé tegye a felhasználó számára a folyóvízminőség-elemzések elvégzését. A HEC-RAS jelenlegi verziója korlátozott számú vízminőségi összetevő (algák, oldott oxigén, szén-dioxid biológiai oxigénigény, oldott ortofoszfát, oldott szerves foszfor, oldott ammónium-nitrát, oldott nitrit nitrogén, oldott nitrát nitrogén és oldott szerves nitrogén) részletes hőmérséklet-elemzését és szállítását képes elvégezni. A szoftver jövőbeli verziói több további vízminőség-összetevő szállításának elvégzését is magukban foglalják.

adattárolás és-kezelés

az adattárolás “lapos” fájlok (ASCII és bináris), HEC-DSS (adattároló rendszer) és HDF5 (hierarchikus adatformátum, 5.verzió) használatával történik. A felhasználói bemeneti adatokat lapos fájlokban tárolják a projekt, a terv, a geometria, az állandó áramlás, az instabil áramlás, a kvázi állandó áramlás, az üledékadatok és a vízminőségi információk külön kategóriái alatt. A kimeneti adatok túlnyomórészt különálló bináris fájlokban (HEC és HDF5) vannak tárolva. Az adatok a HEC-RAS és más programok között a HEC-DSS használatával továbbíthatók.
az adatkezelés a felhasználói felületen keresztül történik. A modellezőnek meg kell adnia egy fájlnevet a fejlesztés alatt álló projekthez. Miután megadta a projekt fájlnevét, az összes többi fájl automatikusan létrejön, és szükség szerint megnevezi a felületet. A felület lehetővé teszi a fájlok átnevezését, áthelyezését és törlését projektenként.

grafika, Áradástérképezés és jelentés

a grafikák tartalmazzák a folyórendszer vázlatos vázlatait, keresztmetszeteit, profiljait, minősítési görbéit, hidrográfiáit és áradástérképeit. A terep háromdimenziós ábrázolása és számos szimulációs eredmény már elérhető. Az áradás leképezése a szoftver HEC-RAS leképező részében történik. Az elárasztási térképek animálhatók, és több háttérréteget is tartalmazhatnak (terep, légi fényképezés stb.). Táblázatos kimenet áll rendelkezésre. A felhasználók előre meghatározott táblázatok közül választhatnak, vagy saját testreszabott táblákat dolgozhatnak ki. Minden grafikus és táblázatos kimenet megjeleníthető a képernyőn, közvetlenül elküldhető egy nyomtatóra (vagy plotterre), vagy átadható a Windows vágólapján keresztül más szoftvereknek, például szövegszerkesztőnek vagy táblázatkezelőnek.
a jelentési lehetőségek lehetővé teszik a bemeneti adatok, valamint a kimeneti adatok nyomtatott kimenetét. A jelentések testreszabhatók a kívánt információ mennyiségére és típusára.

HEC-RAS dokumentáció

a HEC-RAS csomag több dokumentumot tartalmaz. Minden dokumentum célja, hogy segítsen a modellezőnek megtanulni a modellező rendszer egy adott aspektusának használatát. Három fő dokumentáció van:

a kézikönyv áttekintése

ez a felhasználói kézikönyv a HEC-RAS rendszer használatának elsődleges dokumentációja. A kézikönyv a következőképpen szerveződik:

• az 1-2. fejezet bemutatja és áttekinti a HEC-RAS-t, valamint útmutatást ad a szoftver telepítéséhez.
• a 3-4.fejezet áttekintő szempontból ismerteti a HEC-RAS szoftver használatát. Megvitatják annak megértését is, hogy ez a rendszer hogyan működik a projektekkel, ideértve az összes használt fájltípus meghatározását is.
• az 5.fejezet ismerteti, hogyan lehet geometriai adatokat bevinni és szerkeszteni a folyó, az ártér és a hidraulikus szerkezetek ábrázolásához.
• a 6.és 7. fejezet részletesen ismerteti, hogyan kell elvégezni a rendelkezésre álló különböző típusú hidraulikus elemzéseket, mint például az 1D egyenletes áramlású modellezés és az 1D bizonytalan áramlású modellezés
• a 8. fejezet részletes megbeszéléseket tartalmaz a grafikus és táblázatos kimenet megtekintéséről, valamint a felhasználó által definiált táblázatok kidolgozásáról.
• a 9.fejezet leírja, hogyan kell elvégezni az árvíz behatolási elemzését.
• a 10.fejezet a “hibaelhárításról” és a leggyakoribb hibák, figyelmeztetések és megjegyzések megértéséről szól.
• a 11.fejezet leírja, hogyan kell elvégezni a hídmosási számításokat a HEC-RAS-on belül.
• a 12.fejezet leírja, hogyan kell végrehajtani a csatornamódosításokat a HEC-RAS-on belül.
• a 13. fejezet leírja, hogyan kell használni a HEC-RAS hidraulikus tervezési funkcióit a stabil csatorna tervezéséhez és elemzéséhez, valamint az üledékszállítási potenciál számításához és a rip rap méretezéséhez.
• a 14.fejezet az instabil áramlásszimulációs képességek fejlett felhasználási területeit tartalmazza, többek között: vegyes áramlású rendszer az instabil áramláshoz; gátszakadás-elemzés; gátfeltörés-elemzés; Szivattyúállomások modellezése; navigációs gátak; valamint a kapu műveleteinek vezérlésére szolgáló felhasználó által meghatározott szabályok.
• az A. függelék tartalmazza a hivatkozások listáját.
• a B. függelék részletes leírást tartalmaz a térinformatikai adatok HEC-RAS-ba és HEC-RAS-ból történő importálásához és exportálásához használt fájlformátumokról.
• a C. függelék tartalmazza a HEC-RAS programból elérhető összes kimeneti változó leírását.
• a D. függelék a HEC-2 ADATOK HEC-RAS-ba történő importálását tárgyalja