Introduzione a HEC-RAS

Benvenuti nel sistema di analisi fluviale (HEC-RAS) dell’Esercito degli Stati Uniti sviluppato dal Centro di ingegneria idrologica. Questo software consente di eseguire un flusso costante unidimensionale, calcoli di flusso instabile uno e bidimensionale, calcoli di trasporto di sedimenti/letto mobile e modellazione della temperatura dell’acqua/qualità dell’acqua.

Il sistema di modellazione HEC-RAS è stato sviluppato come parte del software di ingegneria idrologica “Next Generation” (NexGen) del Hydrologic Engineering Center. Il progetto NexGen comprende diversi aspetti dell’ingegneria idrologica, tra cui: analisi delle precipitazioni-deflusso (HEC-HMS); idraulica fluviale (HEC-RAS); simulazione del sistema di serbatoi (HEC-ResSim); analisi dei danni da inondazioni (HEC-FDA e HEC-FIA); e previsione fluviale in tempo reale per le operazioni di serbatoi (CWMS).

Questo capitolo discute la filosofia generale di HEC-RAS e fornisce una breve panoramica delle capacità del sistema di modellazione. La documentazione per HEC-RAS è discussa, così come una panoramica di questo manuale.

Filosofia generale del sistema di modellazione

HEC-RAS è un sistema integrato di software, progettato per l’uso interattivo in un ambiente multi-tasking. Il sistema è composto da un’interfaccia utente grafica (GUI), componenti di analisi separati, capacità di archiviazione e gestione dei dati, grafica, mappatura e reporting.

Il sistema HEC-RAS contiene i seguenti componenti di analisi fluviale per: (1) calcoli del profilo superficiale dell’acqua a flusso costante unidimensionale; (2) simulazione di flusso instabile unidimensionale e / o bidimensionale; (3) Calcoli di trasporto dei sedimenti di confine mobili a flusso quasi instabile o completamente instabile (1D e 2D); e (4) analisi della qualità dell’acqua unidimensionale. Un elemento chiave è che tutti e quattro i componenti utilizzano una comune rappresentazione geometrica dei dati e comuni routine di calcolo geometrico e idraulico. Oltre ai quattro componenti di analisi del fiume, il sistema contiene diverse caratteristiche di progettazione idraulica che possono essere richiamate una volta calcolati i profili superficiali dell’acqua. HEC-RAS ha anche un ampio sistema di integrazione e mappatura dei dati spaziali (HEC-RAS Mapper).

Panoramica delle capacità del programma

HEC-RAS è progettato per eseguire calcoli idraulici unidimensionali e bidimensionali per una rete completa di canali naturali e costruiti, aree overbank/floodplain, aree protette argini; ecc The Di seguito è riportata una descrizione delle principali capacità di HEC-RAS.

Interfaccia utente

L’utente interagisce con HEC-RAS tramite un’interfaccia utente grafica (GUI). L’obiettivo principale nella progettazione dell’interfaccia era quello di rendere facile l’uso del software, pur mantenendo un alto livello di efficienza per l’utente. L’interfaccia mette a disposizione per le seguenti funzioni:

• La gestione dei File
• Dati/modifica voce e dati geospaziali interfacce
• Fiume analisi
• Tabulazione e rappresentazione grafica di input e output di dati
• Inondazione di mappatura e animazioni di propagazione dell’acqua
• creazione di strutture
• guida In linea

Fiume Componenti di Analisi

• Flusso Costante di Acqua Profili di Superficie. Questo componente del sistema di modellazione è destinato al calcolo dei profili superficiali dell’acqua per un flusso costante e gradualmente variato. Il sistema può gestire una rete completa di canali, un sistema dendritico o una singola portata fluviale. Il componente a flusso costante è in grado di modellare profili di superficie dell’acqua a regime subcritico, supercritico e misto.
  La procedura computazionale di base si basa sulla soluzione dell’equazione dell’energia unidimensionale. Le perdite di energia sono valutate per attrito (equazione di Manning) e contrazione/espansione (coefficiente moltiplicato per la variazione della velocità di testa). L’equazione della quantità di moto viene utilizzata in situazioni in cui il profilo della superficie dell’acqua viene rapidamente variato. Queste situazioni includono calcoli di regime di flusso misto (cioè salti idraulici), idraulica dei ponti e valutazione dei profili alle confluenze fluviali (giunzioni di flusso).
  Gli effetti di varie ostruzioni come ponti, canali sotterranei, dighe, dighe e altre strutture nella pianura alluvionale possono essere considerati nei calcoli. Il sistema di flusso costante è progettato per l’applicazione nella gestione delle pianure alluvionali e negli studi di assicurazione contro le inondazioni per valutare le invasioni delle alluvioni. Inoltre, sono disponibili funzionalità per valutare la variazione dei profili superficiali dell’acqua a causa di modifiche del canale e argini.
  Le caratteristiche speciali del componente a flusso costante includono: analisi di piani multipli; calcoli di profili multipli; analisi di apertura di ponti e/o canali sotterranei multipli; analisi di setacciatura di ponti; ottimizzazione del flusso diviso; progettazione e analisi di canali stabili.
• Simulazione di flusso instabile. Questo componente del sistema di modellazione HEC-RAS è in grado di simulare un flusso instabile unidimensionale, bidimensionale e combinato uno/bidimensionale attraverso una rete completa di canali aperti, pianure alluvionali e ventole alluvionali. Il componente flusso instabile può essere utilizzato per eseguire calcoli subcritici, supercritici e a flusso misto (subcritici, supercritici, salti idraulici e prelievi) nel modulo calcoli flusso instabile.
  I calcoli idraulici per sezioni trasversali, ponti, canali sotterranei e altre strutture idrauliche sviluppate per il componente a flusso costante sono stati incorporati nel modulo a flusso instabile.
  Le caratteristiche speciali del componente di flusso instabile includono: ampie capacità della struttura idraulica Analisi della rottura della diga; breccia e overtopping dell’argine; Stazioni di pompaggio; operazioni diga di navigazione; sistemi di tubi pressurizzati; funzioni di calibrazione automatizzate; Regole definite dall’utente; e combinato uno e due-dimensionale modellazione flusso instabile.
• Trasporto di sedimenti/Calcolo del limite mobile. Questo componente del sistema di modellazione è destinato alla simulazione di calcoli di trasporto di sedimenti unidimensionali e bidimensionali/limiti mobili risultanti da setacciatura e deposizione su periodi di tempo da moderati a lunghi.
  Il potenziale di trasporto dei sedimenti è calcolato per frazione granulometrica, consentendo così la simulazione dello smistamento idraulico e dell’armatura. Le caratteristiche principali includono la capacità di modellare una rete completa di flussi, dragaggio dei canali, varie alternative di argini e sconfinamenti e l’uso di diverse equazioni diverse per il calcolo del trasporto dei sedimenti.
  Il modello è progettato per simulare le tendenze a lungo termine di setacciatura e deposizione in un canale di flusso che potrebbero derivare dalla modifica della frequenza e della durata dello scarico e dello stadio dell’acqua o dalla modifica della geometria del canale. Questo sistema può essere utilizzato per valutare la deposizione nei serbatoi, progettare le contrazioni dei canali necessarie per mantenere le profondità di navigazione, prevedere l’influenza del dragaggio sulla velocità di deposizione, stimare la massima setacciatura possibile durante i grandi eventi di inondazione e valutare la sedimentazione nei canali fissi.
• Analisi della qualità dell’acqua. Questo componente del sistema di modellazione ha lo scopo di consentire all’utente di eseguire analisi della qualità delle acque fluviali. La versione attuale di HEC-RAS può eseguire analisi dettagliate della temperatura e il trasporto di un numero limitato di costituenti di qualità dell’acqua (alghe, ossigeno disciolto, richiesta di ossigeno biologico Carbonaceuos, ortofosfato disciolto, fosforo organico disciolto, nitrato di ammonio disciolto, azoto nitrito disciolto, azoto nitrato disciolto e azoto organico disciolto). Le versioni future del software includeranno la possibilità di eseguire il trasporto di diversi componenti aggiuntivi di qualità dell’acqua.

Archiviazione e gestione dei dati

L’archiviazione dei dati viene eseguita utilizzando file “flat” (ASCII e binari), HEC-DSS (Data Storage System) e HDF5 (Hierarchical Data Format, versione 5). I dati di input dell’utente sono memorizzati in file flat in categorie separate di progetto, piano, geometria, flusso costante, flusso instabile, flusso quasi costante, dati sui sedimenti e informazioni sulla qualità dell’acqua. I dati di output sono memorizzati prevalentemente in file binari separati (HEC e HDF5). I dati possono essere trasferiti tra HEC-RAS e altri programmi utilizzando il HEC-DSS.
La gestione dei dati avviene tramite l’interfaccia utente. Al modellatore viene richiesto di inserire un singolo nome file per il progetto in fase di sviluppo. Una volta inserito il nome del file del progetto, tutti gli altri file vengono creati automaticamente e nominati dall’interfaccia secondo necessità. L’interfaccia prevede la ridenominazione, lo spostamento e la cancellazione dei file su base progetto per progetto.

Grafica, mappatura delle inondazioni e reporting

I grafici includono diagrammi XY dello schema del sistema fluviale, sezioni trasversali, profili, curve di valutazione, idrografi e mappatura delle inondazioni. Una trama tridimensionale del terreno e molti dei risultati della simulazione sono ora disponibili. La mappatura delle inondazioni viene eseguita nella parte HEC-RAS Mapper del software. Le mappe di inondazione possono anche essere animate e contengono più livelli di sfondo (terreno, fotografia aerea, ecc.). Uscita tabulare è disponibile. Gli utenti possono scegliere tra tabelle predefinite o sviluppare le proprie tabelle personalizzate. Tutti gli output grafici e tabulari possono essere visualizzati sullo schermo, inviati direttamente a una stampante (o plotter) o passati attraverso gli Appunti di Windows ad altri software, come un word-processor o un foglio di calcolo.
Le strutture di segnalazione consentono l’output stampato dei dati di input e dei dati di output. I report possono essere personalizzati in base alla quantità e al tipo di informazioni desiderate.

Documentazione HEC-RAS

Il pacchetto HEC-RAS include diversi documenti. Ogni documento è progettato per aiutare il modellatore imparare a utilizzare un particolare aspetto del sistema di modellazione. Ci sono tre principali pezzi di documentazione:

Panoramica di questo manuale

Questo manuale utente è la documentazione principale su come utilizzare il sistema HEC-RAS. Il manuale è organizzato come segue:

• I capitoli 1-2 forniscono un’introduzione e una panoramica di HEC-RAS, nonché le istruzioni su come installare il software.
• I capitoli 3-4 descrivono come utilizzare il software HEC-RAS da una prospettiva panoramica. Viene anche discusso il modo in cui questo sistema funziona con i progetti, inclusa la definizione di tutti i tipi di file utilizzati.
• Il capitolo 5 spiega come inserire e modificare i dati geometrici per rappresentare il fiume, la pianura alluvionale e le strutture idrauliche.
• I capitoli 6 e 7 spiegano in dettaglio come eseguire i diversi tipi di analisi idrauliche disponibili, come la modellazione a flusso costante 1D e la modellazione a flusso instabile 1D
• Il capitolo 8 fornisce discussioni dettagliate su come visualizzare l’output grafico e tabellare, nonché su come sviluppare tabelle definite dall’utente.
• Il capitolo 9 descrive come eseguire un’analisi di invasione delle alluvioni.
• Il capitolo 10 fornisce discussioni su “Risoluzione dei problemi” e comprensione degli errori, degli avvisi e delle note più comuni.
• Il capitolo 11 descrive come eseguire i calcoli di pulizia del ponte dall’interno di HEC-RAS.
• Il capitolo 12 descrive come eseguire le modifiche dei canali all’interno di HEC-RAS.
• Il capitolo 13 descrive come utilizzare le funzioni di progettazione idraulica in HEC-RAS per eseguire la progettazione e l’analisi di canali stabili, nonché i calcoli del potenziale di trasporto dei sedimenti e il dimensionamento rip rap.
• Il capitolo 14 contiene argomenti sugli usi avanzati delle funzionalità di simulazione del flusso instabile, tra cui: regime di flusso misto per flusso instabile; analisi della rottura delle dighe; superamento e violazione degli argini; modellazione delle stazioni di pompaggio; dighe di navigazione e regole definite dall’utente per il controllo delle operazioni di gate.
• L’appendice A contiene un elenco di riferimenti.
• L’appendice B contiene una descrizione dettagliata dei formati di file utilizzati per importare ed esportare dati GIS da e verso HEC-RAS.
• L’appendice C contiene una descrizione di tutte le variabili di output disponibili dal programma HEC-RAS.
• L’appendice D illustra come importare i dati HEC-2 in HEC-RAS