Wprowadzenie do HEC-RAS

Witamy w systemie analizy rzeki Korpusu Inżynierów armii Stanów Zjednoczonych (HEC-RAS) opracowanym przez Hydrologic Engineering Center. To oprogramowanie umożliwia wykonywanie jednowymiarowych obliczeń stałego przepływu, jedno-i dwuwymiarowych obliczeń niestabilnego przepływu, obliczeń transportu osadów/mobilnego złoża oraz modelowania temperatury wody/jakości wody.

system modelowania HEC-RAS został opracowany jako część oprogramowania hydrologic Engineering Center “Next Generation” (NexGen) firmy hydrologic engineering. Projekt NexGen obejmuje kilka aspektów inżynierii hydrologicznej, w tym: analizę opadu i odpływu (HEC-HMS); hydraulikę rzeki (HEC-RAS); symulację systemu zbiorników (HEC-ResSim); analizę szkód powodziowych (HEC-FDA i HEC-FIA); oraz prognozowanie rzek w czasie rzeczywistym dla operacji zbiornika (CWM).

ten rozdział omawia ogólną filozofię HEC-RAS i daje krótki przegląd możliwości systemu modelowania. Omówiono dokumentację dla HEC-RAS,a także przegląd tego podręcznika.

Ogólna Filozofia systemu modelowania

HEC-RAS jest zintegrowanym systemem oprogramowania, zaprojektowanym do interaktywnego użytku w środowisku wielozadaniowym. System składa się z graficznego interfejsu użytkownika (GUI), oddzielnych komponentów analitycznych, możliwości przechowywania i zarządzania danymi, obiektów graficznych, mapowania i raportowania.

system HEC-RAS zawiera następujące elementy analizy rzek do: (1) jednowymiarowych obliczeń profilu powierzchni wody o stałym przepływie; (2) jednowymiarowej i/lub dwuwymiarowej symulacji niestabilnego przepływu; (3) Quasi niestabilny lub w pełni niestabilny przepływ ruchome obliczenia transportu osadów granicznych (1D i 2D); oraz (4) jednowymiarowa analiza jakości wody. Kluczowym elementem jest to, że wszystkie cztery komponenty wykorzystują wspólną reprezentację danych geometrycznych oraz wspólne procedury obliczeń geometrycznych i hydraulicznych. Oprócz czterech elementów analizy rzeki, system zawiera kilka hydraulicznych funkcji konstrukcyjnych, które można wywołać po obliczeniu profili powierzchni wody. HEC-RAS posiada również rozbudowany system integracji i mapowania danych przestrzennych (HEC-RAS Mapper).

przegląd możliwości programu

HEC-RAS jest przeznaczony do wykonywania jednowymiarowych i dwuwymiarowych obliczeń hydraulicznych dla pełnej sieci naturalnych i zbudowanych kanałów, obszarów nad brzegami/zalewami, obszarów chronionych wałów przeciwpowodziowych itp … poniżej znajduje się opis głównych możliwości HEC-RAS.

interfejs użytkownika

użytkownik komunikuje się z HEC-RAS za pośrednictwem graficznego interfejsu użytkownika (GUI). Głównym celem przy projektowaniu interfejsu było ułatwienie korzystania z oprogramowania, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiego poziomu wydajności dla użytkownika. Interfejs zapewnia następujące funkcje:

• Zarządzanie plikami
• wprowadzanie/edycja danych i interfejsy danych geoprzestrzennych
• analizy rzek
• tabele i graficzne wyświetlanie danych wejściowych i wyjściowych
• mapowanie zalewania i animacje propagacji wody
• urządzenia raportujące
• pomoc On-line

elementy analizy rzeki

• profile powierzchni wody o stałym przepływie. Ten element systemu modelowania jest przeznaczony do obliczania profili powierzchni wody dla stałego, stopniowo zmienianego przepływu. System może obsługiwać pełną sieć kanałów, system dendrytyczny lub pojedynczy zasięg rzeki. Komponent o stałym przepływie jest w stanie modelować profile powierzchni wody w reżimie subkrytycznym, nadkrytycznym i mieszanym.
  Podstawowa procedura obliczeniowa opiera się na rozwiązaniu jednowymiarowego równania energii. Straty energii są oceniane przez tarcie (równanie Manninga) i skurcz/Rozszerzanie (współczynnik pomnożony przez zmianę prędkości głowicy). Równanie pędu jest wykorzystywane w sytuacjach, gdy profil powierzchni wody jest szybko zmieniany. Sytuacje te obejmują obliczenia mieszanego reżimu przepływu (tj. skoki hydrauliczne), hydraulikę mostów i ocenę profili przy ujściach rzek (skrzyżowaniach strumieni).
  skutki różnych przeszkód, takich jak mosty, przepusty, zapory, jazy i inne konstrukcje na równinie zalewowej mogą być brane pod uwagę w obliczeniach. System steady flow jest przeznaczony do stosowania w zarządzaniu równiną przeciwpowodziową i badaniach ubezpieczeń przeciwpowodziowych w celu oceny naruszeń wałów przeciwpowodziowych. Dostępne są również możliwości oceny zmiany profili powierzchni wody w wyniku modyfikacji kanałów i wałów przeciwpowodziowych.
  cechy szczególne komponentu steady flow obejmują: analizę wielu planów; obliczenia wielu profili; analizę otwarcia wielu mostów i/lub przepustów; analizę czyszczenia mostów; optymalizację przepływu dzielonego; oraz projektowanie i analizę stabilnego kanału.
• Symulacja Niestabilnego Przepływu. Ten element systemu modelowania HEC-RAS jest w stanie symulować jednowymiarowy, dwuwymiarowy i połączony jeden/dwuwymiarowy niestabilny przepływ przez pełną sieć otwartych kanałów, obszarów zalewowych i wentylatorów aluwialnych. Komponent niestabilnego przepływu może być używany do wykonywania obliczeń podkrytycznych, nadkrytycznych i mieszanych reżimów przepływu (podkrytycznych, nadkrytycznych, skoków hydraulicznych i odciągów) w module obliczeń niestabilnego przepływu.
  obliczenia hydrauliczne dla przekrojów, mostów, przepustów i innych konstrukcji hydraulicznych, które zostały opracowane dla komponentu stałego przepływu, zostały włączone do modułu niestacjonarnego przepływu.
  cechy szczególne komponentu o niestabilnym przepływie obejmują: rozbudowane możliwości struktury hydraulicznej analiza zerwania zapory; naruszanie wałów przeciwpowodziowych i przewrócenie; przepompownie; operacje zapór nawigacyjnych; systemy rur pod ciśnieniem; funkcje automatycznej kalibracji; Zasady zdefiniowane przez Użytkownika; i połączone jedno-i dwuwymiarowe modelowanie niestabilnego przepływu.
• Ten element systemu modelowania jest przeznaczony do symulacji jednowymiarowych i dwuwymiarowych obliczeń transportu osadów / ruchomych granic wynikających z czyszczenia i osadzania w umiarkowanych i długich okresach czasu.
  potencjał transportu osadu jest obliczany przez ułamek wielkości ziarna, umożliwiając w ten sposób symulację sortowania hydraulicznego i zbrojenia. Główne cechy obejmują możliwość modelowania pełnej sieci strumieni, pogłębianie kanałów, różne alternatywy wałów i wtrąceń oraz wykorzystanie kilku różnych równań do obliczeń transportu osadów.
  model został zaprojektowany do symulacji długoterminowych trendów ścierania i osadzania w kanale strumienia, które mogą wynikać z modyfikacji częstotliwości i czasu trwania odpływu wody i stopnia lub modyfikacji geometrii kanału. System ten może być używany do oceny osadzania się w zbiornikach, projektowania skurczów kanałów wymaganych do utrzymania głębokości nawigacji, przewidywania wpływu pogłębiania na szybkość osadzania, szacowania maksymalnego możliwego szorowania podczas dużych powodzi i oceny sedymentacji w stałych kanałach.
• Analiza Jakości Wody. Ten element systemu modelowania ma umożliwić użytkownikowi wykonywanie analiz jakości wód rzecznych. Obecna wersja HEC-RAS może wykonywać szczegółową analizę temperatury i transport ograniczonej liczby składników jakości wody (algi, rozpuszczony tlen, biologiczne zapotrzebowanie na tlen Carbonaceuos, rozpuszczony Ortofosforan, rozpuszczony fosfor Organiczny, rozpuszczony azotan amonu, rozpuszczony azotyn, rozpuszczony azot azotanowy i rozpuszczony azot Organiczny). Przyszłe wersje oprogramowania będą zawierać możliwość transportu kilku dodatkowych składników jakości wody.

przechowywanie i zarządzanie danymi

przechowywanie danych odbywa się za pomocą “płaskich” plików (ASCII i binarnych), HEC-DSS (system przechowywania danych) i HDF5 (hierarchiczny Format Danych, wersja 5). Dane wejściowe użytkownika są przechowywane w płaskich plikach w oddzielnych kategoriach projektu, planu, geometrii, stałego przepływu, niestabilnego przepływu, quasi-stałego przepływu, danych osadu i informacji o jakości wody. Dane wyjściowe są przechowywane głównie w oddzielnych plikach binarnych (HEC i HDF5). Dane mogą być przesyłane między HEC-RAS i innych programów za pomocą HEC-DSS.
zarządzanie danymi odbywa się za pośrednictwem interfejsu użytkownika. Program modelujący jest proszony o wprowadzenie pojedynczej nazwy pliku dla rozwijanego projektu. Po wprowadzeniu nazwy pliku projektu wszystkie inne pliki są automatycznie tworzone i nazwane przez interfejs w razie potrzeby. Interfejs umożliwia zmienianie nazw, przenoszenie i usuwanie plików na zasadzie projektu po projekcie.

grafika, mapowanie zalewania i raportowanie

grafika obejmuje wykresy X-Y schematu systemu rzecznego, przekroje, profile, krzywe oceny, hydrografy i mapowanie zalewania. Trójwymiarowy wykres terenu i wiele wyników symulacji są już dostępne. Mapowanie zalewania odbywa się w części oprogramowania HEC-RAS Mapper. Mapy zalewowe mogą być również animowane i zawierać wiele warstw tła (teren, zdjęcia lotnicze itp.). Dostępne jest wyjście tabelaryczne. Użytkownicy mogą wybierać spośród wstępnie zdefiniowanych tabel lub tworzyć własne niestandardowe tabele. Wszystkie wyjścia graficzne i tabelaryczne mogą być wyświetlane na ekranie, wysyłane bezpośrednio do drukarki (lub plotera) lub przekazywane przez Schowek Windows do innego oprogramowania, takiego jak edytor tekstu lub arkusz kalkulacyjny.
funkcje raportowania pozwalają na wydruk danych wejściowych oraz danych wyjściowych. Raporty można dostosować do ilości i rodzaju żądanych informacji.

dokumentacja HEC-RAS

pakiet HEC-RAS zawiera kilka dokumentów. Każdy dokument ma na celu pomóc modelarzowi nauczyć się korzystać z określonego aspektu systemu modelowania. Istnieją trzy główne elementy dokumentacji:

przegląd tego podręcznika

Ten podręcznik użytkownika jest podstawową dokumentacją dotyczącą korzystania z systemu HEC-RAS. Podręcznik jest zorganizowany w następujący sposób:

• rozdziały 1-2 zawierają wprowadzenie i przegląd HEC-RAS, a także instrukcje dotyczące instalacji oprogramowania.
• rozdziały 3-4 opisują, jak korzystać z oprogramowania HEC-RAS z punktu widzenia ogólnego. Omówiono również sposób, w jaki ten system działa z projektami, w tym definiowanie wszystkich używanych typów plików.
• rozdziały 5 wyjaśniają, jak wprowadzać i edytować dane geometryczne reprezentujące rzekę, tereny zalewowe i struktury hydrauliczne.
• rozdziały 6 i 7 szczegółowo wyjaśniają, jak wykonywać różne rodzaje dostępnych analiz hydraulicznych, takich jak modelowanie stałego przepływu 1D i modelowanie niestałego przepływu 1D
• Rozdział 8 zawiera szczegółowe dyskusje na temat sposobu wyświetlania wyników graficznych i tabelarycznych, a także tworzenia tabel zdefiniowanych przez użytkownika.
• Rozdział 9 opisuje, jak przeprowadzić analizę naruszenia Zalewu.
• Rozdział 10 zawiera dyskusje na temat “rozwiązywania problemów” i zrozumienia najczęstszych błędów, ostrzeżeń i notatek.
• Rozdział 11 opisuje, jak wykonywać obliczenia czyszczenia mostka z poziomu HEC-RAS.
• Rozdział 12 opisuje jak wykonać modyfikacje kanału w HEC-RAS.
• Rozdział 13 opisuje, jak korzystać z funkcji projektowania hydraulicznego w HEC-RAS do wykonywania stabilnego projektowania i analizy kanałów, a także obliczeń potencjału transportu osadów i rozmiaru rip rap.
• Rozdział 14 zawiera tematy dotyczące zaawansowanych zastosowań możliwości symulacji niestabilnego przepływu, w tym: mieszany reżim przepływu dla niestabilnego przepływu; analiza przerwania zapory; przetaczanie i łamanie wałów; modelowanie stacji pomp; zapory nawigacyjne; i zdefiniowane przez użytkownika zasady sterowania operacjami wrót.
• Dodatek B zawiera szczegółowy opis formatów plików używanych do importowania i eksportowania danych GIS do i z HEC-RAS.
• Dodatek C zawiera opis wszystkich zmiennych wyjściowych dostępnych w programie HEC-RAS.
• dodatek D omawia sposób importowania danych HEC-2 do HEC-RAS