Inleiding tot HEC-RAS

Welkom bij het U. S. Army Corps of Engineers River Analysis System (HEC-RAS), ontwikkeld door het Hydrologic Engineering Center. Met deze software kunt u eendimensionale gestage flow, een-en tweedimensionale onvaste flow berekeningen, sediment transport/Mobiele bed berekeningen, en watertemperatuur/waterkwaliteit modellering uit te voeren.

het HEC-RAS-modelleringssysteem werd ontwikkeld als onderdeel van de “Next Generation” (NexGen) van hydrologic engineering software van het Hydrologic Engineering Center. Het NexGen-project omvat verschillende aspecten van hydrologische engineering, waaronder: regenval-runoff analyse (HEC-HMS); river hydraulics (HEC-RAS); reservoir system simulation (HEC-ResSim); overstromingsschade analyse (HEC-FDA en HEC-FIA); en real-time River forecasting for reservoir operations (CWMS).

dit hoofdstuk bespreekt de algemene filosofie van HEC-RAS en geeft een kort overzicht van de mogelijkheden van het modelleringssysteem. Documentatie voor HEC-RAS wordt besproken, evenals een overzicht van deze handleiding.

algemene filosofie van het Modelleringssysteem

HEC-RAS is een geïntegreerd softwaresysteem, ontworpen voor interactief gebruik in een multi-tasking omgeving. Het systeem bestaat uit een grafische gebruikersinterface (GUI), afzonderlijke analyse componenten, data opslag en beheer mogelijkheden, grafieken, mapping en rapportage faciliteiten.

het HEC-RAS-systeem bevat de volgende rivieranalysecomponenten voor: (1) eendimensionale berekening van het wateroppervlak met constante stroming; (2) eendimensionale en / of tweedimensionale onvaste stroming simulatie; (3) Quasi-onvaste of volledig onvaste stromen verplaatsbare grenssedimenttransportberekeningen (1D en 2D); en (4) eendimensionale waterkwaliteitsanalyse. Een belangrijk element is dat alle vier de componenten gebruik maken van een gemeenschappelijke geometrische gegevensrepresentatie en gemeenschappelijke geometrische en hydraulische rekenroutines. Naast de vier rivieranalysecomponenten bevat het systeem verschillende hydraulische ontwerpkenmerken die kunnen worden gebruikt zodra de wateroppervlakteprofielen zijn berekend. HEC-RAS heeft ook een uitgebreid systeem voor ruimtelijke data integratie en mapping (HEC-RAS Mapper).

Overview of Program Capabilities

HEC-RAS is ontworpen voor het uitvoeren van eendimensionale en tweedimensionale hydraulische berekeningen voor een volledig netwerk van natuurlijke en geconstrueerde kanalen, overbank/overstromingsvlakte gebieden, dijken beschermde gebieden; enz… Hieronder volgt een beschrijving van de belangrijkste mogelijkheden van HEC-RAS.

gebruikersinterface

de gebruiker interageert met HEC-RAS via een grafische gebruikersinterface (GUI). De belangrijkste focus in het ontwerp van de interface was om het gemakkelijk te maken om de software te gebruiken, met behoud van een hoog niveau van efficiëntie voor de gebruiker. De interface voorziet in de volgende functies:

• Bestandsbeheer
• data entry / editing en geospatiale data interfaces
• Rivieranalyses
• tabel en grafische weergave van input-en outputgegevens
• Inundatiekaarten en animaties van watervoortplanting
• Rapportagefaciliteiten
• On-line help

River Analysis Components

• Steady Flow Water Surface Profiles. Dit onderdeel van het modelleringssysteem is bedoeld voor het berekenen van wateroppervlakteprofielen voor een gestage, geleidelijk gevarieerde stroming. Het systeem kan omgaan met een volledig netwerk van kanalen, een dendritisch systeem, of een enkele rivier reach. De gestage stroomcomponent kan subkritische, superkritische en gemengde stroom regimewateroppervlakteprofielen modelleren.
  de basisberekeningsmethode is gebaseerd op de oplossing van de eendimensionale energievergelijking. De energieverliezen worden berekend aan de hand van de wrijving (vergelijking van de bemanning) en de samentrekking/uitzetting (coëfficiënt vermenigvuldigd met de verandering in de snelheidskop). De momentumvergelijking wordt gebruikt in situaties waar het wateroppervlakteprofiel snel gevarieerd is. Deze situaties omvatten berekeningen van het gemengde stroomregime (d.w.z. hydraulische sprongen), hydraulica van bruggen en het evalueren van profielen bij rivier samenvloeiingen (stroomknooppunten).
  de effecten van verschillende obstakels zoals bruggen, duikers, Dammen, stuwen en andere structuren in de overstromingsvlakte kunnen in de berekeningen worden meegenomen. Het steady flow systeem is ontworpen voor toepassing in overstromingsbeheer en overstromingsverzekering studies om overstromingsovertredingen te evalueren. Ook zijn mogelijkheden beschikbaar voor het beoordelen van de verandering in wateroppervlakte profielen als gevolg van kanaalwijzigingen, en dijken.
  speciale kenmerken van de component “steady flow” zijn: meervoudige plananalyses; meervoudige profielberekeningen; meervoudige brug-en/of duikeropenings-analyse; analyse van de brugafschuiving; optimalisatie van de split flow; en stabiele kanaalontwerp en-analyse.
• Onstabiele Stroomsimulatie. Dit onderdeel van het HEC-RAS modelleringssysteem is in staat om eendimensionale, tweedimensionale en gecombineerde een/tweedimensionale onvaste stroom te simuleren door een volledig netwerk van open kanalen, uiterwaarden en alluviale ventilatoren. De unsteady flow component kan worden gebruikt om subkritische, superkritische en gemengde stroom regime (subkritische, superkritische, hydraulische sprongen, en drawdowns) berekeningen uitgevoerd in de unsteady flow berekeningen module.
  de hydraulische berekeningen voor dwarsdoorsneden, bruggen, duikers en andere hydraulische constructies die werden ontwikkeld voor de constante stroomcomponent werden opgenomen in de onvaste stroommodule.
  bijzondere kenmerken van de onvaste stromingscomponent zijn onder meer: uitgebreide hydraulische constructiecapaciteiten dambreukanalyse; het doorbreken en overtoppen van Dijken; pompstations; navigatiedambewerkingen; onder druk staande leidingsystemen; geautomatiseerde kalibratiefuncties; door de gebruiker gedefinieerde regels; en gecombineerde een-en tweedimensionale onstabiele stroommodellering.
• Sedimenttransport / Verplaatsbare Grensberekeningen. Deze component van het modelleringssysteem is bedoeld voor de simulatie van eendimensionale en tweedimensionale sedimenttransport/verplaatsbare grensberekeningen als gevolg van afschuiving en afzetting over matige tot lange perioden.
  het sedimenttransportpotentieel wordt berekend aan de hand van de korrelgroottefractie, zodat hydraulische sortering en bepantsering kunnen worden gesimuleerd. Belangrijke kenmerken zijn de mogelijkheid om een volledig netwerk van stromen te modelleren, kanaaldregistratie, verschillende dijken en indringing alternatieven, en het gebruik van verschillende vergelijkingen voor de berekening van sediment transport.
  het model is ontworpen om langetermijntrends van afschuiving en afzetting in een stroomkanaal te simuleren die het gevolg kunnen zijn van een wijziging van de frequentie en de duur van de afvoer en het stadium van het water, of van een wijziging van de kanaalgeometrie. Dit systeem kan worden gebruikt om depositie in reservoirs te evalueren, kanaalcontracties te ontwerpen die nodig zijn om de navigatiediepte in stand te houden, de invloed van baggerwerkzaamheden op de depositiesnelheid te voorspellen, maximaal mogelijke afschuiving bij grote overstromingen te schatten en sedimentatie in vaste kanalen te evalueren.
• Waterkwaliteitsanalyse. Dit onderdeel van het modelleringssysteem is bedoeld om de gebruiker in staat te stellen Riverine waterkwaliteitsanalyses uit te voeren. De huidige versie van HEC-RAS kan gedetailleerde temperatuuranalyse en transport uitvoeren van een beperkt aantal waterkwaliteitsbestanddelen (algen, opgeloste zuurstof, Carbonaceuos biologisch zuurstofverbruik, opgeloste Orthofosfaat, opgeloste organische fosfor, opgeloste ammoniumnitraat, opgeloste nitriet stikstof, opgeloste nitraatstikstof en opgeloste organische stikstof). Toekomstige versies van de software zullen de mogelijkheid bevatten om het transport uit te voeren van verschillende aanvullende waterkwaliteitscomponenten.

gegevensopslag en-beheer

gegevensopslag wordt bereikt met behulp van” platte ” bestanden (ASCII en binair), het HEC-DSS (Data Storage System) en HDF5 (Hiërarchical Data Format, versie 5). Gebruikersinvoergegevens worden opgeslagen in platte bestanden onder afzonderlijke categorieën van project, plan, geometrie, gestage flow, onvaste flow, quasi-gestage flow, sedimentgegevens en informatie over de waterkwaliteit. Uitvoergegevens worden voornamelijk opgeslagen in afzonderlijke binaire bestanden (HEC en HDF5). Gegevens kunnen worden overgedragen tussen HEC-RAS en andere programma ‘ s door gebruik te maken van de HEC-DSS.
gegevensbeheer wordt uitgevoerd via de gebruikersinterface. De modeler wordt verzocht een enkele bestandsnaam in te voeren voor het project dat wordt ontwikkeld. Zodra de project bestandsnaam is ingevoerd, worden alle andere bestanden automatisch aangemaakt en benoemd door de interface als dat nodig is. De interface biedt voor het hernoemen, verplaatsen en verwijderen van bestanden op een project-per-project basis.

Graphics, Inundation Mapping, and Reporting

Graphics omvatten X-Y plots van de rivier systeem schema, doorsneden, profielen, rating curves, hydrographs, en inundation mapping. Een driedimensionale plot van het terrein en veel van de simulatieresultaten zijn nu beschikbaar. Inundatie mapping wordt bereikt in het HEC-RAS Mapper gedeelte van de software. Inundatiekaarten kunnen ook worden geanimeerd en bevatten meerdere achtergrondlagen (terrein, luchtfotografie, enz…). Tabeluitvoer is beschikbaar. Gebruikers kunnen kiezen uit vooraf gedefinieerde tabellen of hun eigen aangepaste tabellen ontwikkelen. Alle grafische en tabeluitvoer kan op het scherm worden weergegeven, rechtstreeks naar een printer (of plotter) worden verzonden of via het Windows-Klembord naar andere software worden verzonden, zoals een tekstverwerker of spreadsheet.
Rapportagefaciliteiten maken zowel de gedrukte output van inputgegevens als outputgegevens mogelijk. Rapporten kunnen worden aangepast aan de hoeveelheid en het type van de gewenste informatie.

HEC-RAS documentatie

het HEC-RAS pakket bevat verschillende documenten. Elk document is ontworpen om de modeler te helpen een bepaald aspect van het modelleringssysteem te gebruiken. Er zijn drie belangrijke stukken documentatie:

overzicht van deze handleiding

deze gebruikershandleiding is de belangrijkste documentatie over het gebruik van het HEC-RAS-systeem. De handleiding is als volgt georganiseerd:

• Hoofdstukken 1-2 geven een inleiding en overzicht van HEC-RAS, evenals instructies over hoe de software te installeren.
• in hoofdstukken 3-4 wordt beschreven hoe de HEC-RAS-software moet worden gebruikt vanuit een overzichtsperspectief. Inzicht in hoe dit systeem werkt met projecten wordt ook besproken, inclusief het definiëren van alle bestandstypen die worden gebruikt.
• in hoofdstuk 5 wordt uitgelegd hoe geometrische gegevens moeten worden ingevoerd en bewerkt om de rivier -, overstromingsvlakte-en waterbouwkundige structuren weer te geven.
• hoofdstukken 6 en 7 leggen in detail uit hoe de verschillende soorten hydraulische analyses die beschikbaar zijn, zoals 1D steady flow modeling en 1D Unsteady Flow Modeling
• uit te voeren hoofdstuk 8 geeft gedetailleerde discussies over hoe grafische en tabeluitvoer te bekijken, evenals hoe door de gebruiker gedefinieerde tabellen te ontwikkelen.
• in hoofdstuk 9 wordt beschreven hoe een analyse van overstromingsdoorbraak kan worden uitgevoerd.
• hoofdstuk 10 geeft discussies over “Trouble Shooting” en het begrijpen van de meest voorkomende fouten, waarschuwingen en opmerkingen.
• hoofdstuk 11 beschrijft hoe bridge scour berekeningen uit te voeren vanuit HEC-RAS.
• hoofdstuk 12 beschrijft hoe kanaalwijzigingen binnen HEC-RAS kunnen worden uitgevoerd.
• hoofdstuk 13 beschrijft hoe de hydraulische ontwerpfuncties in HEC-RAS moeten worden gebruikt voor het uitvoeren van stabiele kanaalontwerp en-analyse, alsmede voor het berekenen van het sedimenttransportpotentieel en de rip rap-dimensionering.
• hoofdstuk 14 bevat onderwerpen over geavanceerd gebruik van de onvastheidssimulatiemogelijkheden, waaronder: gemengde Stroomregeling voor onvastheidssimulatie; dambreukanalyse; overtopping en breuk van Dijken; modellering van pompstations; navigatiedammen; en door de gebruiker gedefinieerde regels voor het regelen van gate-operaties.
• Bijlage A bevat een lijst met referenties.
• Bijlage B bevat een gedetailleerde beschrijving van de bestandsformaten die worden gebruikt voor het importeren en exporteren van GIS-gegevens van en naar HEC-RAS.
• Bijlage C bevat een beschrijving van alle uitvoervariabelen die beschikbaar zijn in het HEC-RAS-programma.
• Bijlage D bespreekt hoe HEC-2-gegevens in HEC-RAS kunnen worden geïmporteerd