Introducere în HEC-RAS

Bine ați venit la Corpul de ingineri al Armatei SUA Sistemul de analiză a râurilor (HEC-RAS) dezvoltat de Centrul de inginerie hidrologică. Acest software vă permite să efectuați un flux constant unidimensional, unul și bidimensional calcule debite instabile, transportul sedimentelor/calcule pat mobile, și modelarea temperaturii apei/calitatea apei.

sistemul de modelare HEC-RAS a fost dezvoltat ca parte a software-ului de inginerie hidrologică “Next Generation” (NexGen) al Centrului de inginerie hidrologică. Proiectul NexGen cuprinde mai multe aspecte ale ingineriei hidrologice, inclusiv: analiza precipitațiilor-scurgerilor (HEC-HMS); hidraulica râului (HEC-RAS); simularea sistemului de rezervoare (HEC-ResSim); analiza daunelor cauzate de inundații (HEC-FDA și HEC-FIA); și prognoza în timp real a râurilor pentru operațiunile de rezervoare (CWMS).

acest capitol discută filosofia generală a HEC-RAS și oferă o scurtă trecere în revistă a capacităților sistemului de modelare. Documentația pentru HEC-RAS este discutată, precum și o prezentare generală a acestui manual.

filosofia generală a sistemului de modelare

HEC-RAS este un sistem integrat de software, conceput pentru utilizarea interactivă într-un mediu multi-tasking. Sistemul este compus dintr-o interfață grafică de utilizator (GUI), componente de analiză separate, capacități de stocare și gestionare a datelor, grafică, facilități de cartografiere și raportare.

sistemul HEC-RAS conține următoarele componente de analiză a râurilor pentru: (1) calcule unidimensionale ale profilului suprafeței apei cu debit constant; (2) simulare unidimensională și/sau bidimensională a debitului instabil; (3) calcule de transport al sedimentelor limită mobile cu flux cvasi instabil sau complet instabil (1D și 2D); și (4) analiza calității apei unidimensionale. Un element cheie este că toate cele patru componente utilizează o reprezentare geometrică comună a datelor și rutine comune de calcul geometric și hidraulic. În plus față de cele patru componente de analiză a râului, sistemul conține mai multe caracteristici de proiectare hidraulică care pot fi invocate odată ce profilurile suprafeței apei sunt calculate. HEC-RAS are, de asemenea, un sistem extins de integrare și cartografiere a datelor spațiale (HEC-RAS Mapper).

Prezentare generală a capabilităților programului

HEC-RAS este conceput pentru a efectua calcule hidraulice unidimensionale și bidimensionale pentru o rețea completă de canale naturale și construite, zone supramancare/inundabile, arii protejate de diguri; etc… Următoarea este o descriere a capacităților majore ale HEC-RAS.

Interfață utilizator

utilizatorul interacționează cu HEC-RAS printr-o interfață grafică de utilizator (GUI). Principalul obiectiv în proiectarea interfeței a fost de a facilita utilizarea software-ului, menținând în același timp un nivel ridicat de eficiență pentru utilizator. Interfața oferă următoarele funcții:

• Gestionare fișiere
• introducere/editare date și interfețe de date geospațiale
• analize fluviale
• tabulare și afișaje grafice ale datelor de intrare și ieșire
• cartografiere inundație și animații de propagare a apei
• facilități de raportare
• ajutor On-line

componente de analiză fluvială

• profile de suprafață a apei cu debit constant. Această componentă a sistemului de modelare este destinată calculării profilelor de suprafață a apei pentru un flux constant variat treptat. Sistemul poate gestiona o rețea completă de canale, un sistem dendritic sau un singur râu. Componenta flux constant este capabil de modelare subcritic, supercritic, și regim mixt de curgere profile de suprafață de apă.
  procedura de calcul de bază se bazează pe soluția ecuației energiei unidimensionale. Pierderile de energie sunt evaluate prin frecare (ecuația lui Manning) și contracție/expansiune (coeficient înmulțit cu schimbarea capului de viteză). Ecuația impulsului este utilizată în situațiile în care profilul suprafeței apei este rapid variat. Aceste situații includ calcule ale regimului de flux mixt (adică salturi hidraulice), hidraulica podurilor și evaluarea profilurilor la confluențele râurilor (joncțiuni de flux).
  efectele diferitelor obstacole, cum ar fi podurile, podurile, Barajele, barajele și alte structuri din Câmpia inundabilă pot fi luate în considerare în calcule. Sistemul de flux constant este proiectat pentru aplicarea în studiile de gestionare a inundațiilor și de asigurare a inundațiilor pentru a evalua încălcările inundațiilor. De asemenea, sunt disponibile capacități pentru evaluarea modificării profilurilor suprafeței apei datorită modificărilor canalului și digurilor.
  caracteristicile speciale ale componentei de flux constant includ: analize multiple ale planului; calcule multiple ale profilului; analiza de deschidere a podurilor multiple și/sau a canalului; analiza de scurgere a podului; optimizarea fluxului divizat; și proiectarea și analiza canalului stabil.
• Simularea Debitului Instabil. Această componentă a sistemului de modelare HEC-RAS este capabilă să simuleze unidimensional; bidimensional; și combinat flux instabil unu/bidimensional printr-o rețea completă de canale deschise, câmpii inundabile și ventilatoare aluvionare. Componenta debitului instabil poate fi utilizată pentru a efectua calcule subcritice, supercritice și mixte (salturi subcritice, supercritice, hidraulice și trageri) în modulul de calcul al debitului instabil.
  calculele hidraulice pentru secțiuni transversale, poduri, podețe și alte structuri hidraulice care au fost dezvoltate pentru componenta de flux constant au fost încorporate în modulul de debit instabil.
  caracteristicile speciale ale componentei debitului instabil includ: capacități extinse de structură hidraulică analiza ruperii barajului; încălcarea și depășirea digului; stații de pompare; operațiuni de baraj de navigație; sisteme de conducte sub presiune; caracteristici de calibrare automată; reguli definite de utilizator; și modelarea combinată a fluxului instabil unu și bidimensional.
• Transportul Sedimentelor/Calcule Limită Mobile. Această componentă a sistemului de modelare este destinată simulării transportului unidimensional și bidimensional al sedimentelor/calculelor limită Mobile rezultate din curățare și depunere pe perioade de timp moderate până la lungi.
  potențialul de transport al sedimentelor este calculat prin fracțiunea dimensiunii granulelor, permițând astfel simularea sortării și armării hidraulice. Caracteristicile majore includ capacitatea de a modela o rețea completă de fluxuri, dragarea canalelor, diverse diguri și alternative de încălcare și utilizarea mai multor ecuații diferite pentru calculul transportului sedimentelor.
  modelul este conceput pentru a simula tendințele pe termen lung de curățare și depunere într-un canal de flux care ar putea rezulta din modificarea frecvenței și duratei descărcării și etapei apei sau modificarea geometriei canalului. Acest sistem poate fi utilizat pentru a evalua depunerea în rezervoare, pentru a proiecta contracțiile canalului necesare pentru a menține adâncimile de navigație, pentru a prezice influența dragării asupra ratei de depunere, pentru a estima scurgerea maximă posibilă în timpul evenimentelor mari de inundații și pentru a evalua sedimentarea în canale fixe.
• Analiza Calității Apei. Această componentă a sistemului de modelare este destinată să permită utilizatorului să efectueze analize ale calității apei fluviale. Versiunea actuală a HEC-RAS poate efectua o analiză detaliată a temperaturii și transportul unui număr limitat de constituenți ai calității apei (alge, oxigen dizolvat, cererea biologică de oxigen Carbonaceuos, ortofosfat dizolvat, fosfor Organic dizolvat, azotat de amoniu dizolvat, azot nitrit dizolvat, azot azotat dizolvat și azot Organic dizolvat). Versiunile viitoare ale software-ului vor include capacitatea de a efectua transportul mai multor componente suplimentare de calitate a apei.

stocarea și gestionarea datelor

stocarea datelor se realizează folosind fișiere “plate” (ASCII și binare), HEC-DSS (sistem de stocare a datelor) și HDF5 (format de date ierarhic, versiunea 5). Datele de intrare ale utilizatorului sunt stocate în fișiere plate în categorii separate de proiect, plan, geometrie, flux constant, flux instabil, flux cvasi-constant, date despre sedimente și informații despre calitatea apei. Datele de ieșire sunt stocate predominant în fișiere binare separate (HEC și HDF5). Datele pot fi transferate între HEC-RAS și alte programe prin utilizarea HEC-DSS.
gestionarea datelor se realizează prin interfața cu utilizatorul. Modelatorul este solicitat să introducă un singur nume de fișier pentru proiectul în curs de dezvoltare. Odată ce numele fișierului de proiect este introdus, toate celelalte fișiere sunt create automat și numit de interfața după cum este necesar. Interfața prevede redenumirea, mutarea și ștergerea fișierelor pe bază de proiect cu proiect.

Grafica, cartografierea inundațiilor și raportarea

Grafica include parcele X-Y ale schemei sistemului fluvial, secțiuni transversale, profiluri, curbe de rating, hidrografii și cartografierea inundațiilor. Un teren tridimensional al terenului și multe dintre rezultatele simulării sunt acum disponibile. Maparea inundațiilor se realizează în porțiunea de mapare HEC-RAS a software-ului. Hărțile de inundație pot fi, de asemenea, animate și conțin mai multe straturi de fundal (teren, fotografie aeriană etc.). Ieșirea tabelară este disponibilă. Utilizatorii pot selecta din tabele predefinite sau pot dezvolta propriile tabele personalizate. Toate ieșire grafice și tabulare pot fi afișate pe ecran, trimise direct la o imprimantă (sau plotter), sau a trecut prin Clipboard Windows la alte software-uri, cum ar fi un procesor de text sau foaie de calcul.
facilitățile de raportare permit tipărirea datelor de intrare, precum și a datelor de ieșire. Rapoartele pot fi personalizate în funcție de cantitatea și tipul de informații dorite.

documentație HEC-RAS

pachetul HEC-RAS include mai multe documente. Fiecare document este conceput pentru a ajuta modelatorul să învețe să folosească un anumit aspect al sistemului de modelare. Există trei piese majore de documentare:

Prezentare generală a acestui Manual

acest manual de utilizare este documentul principal cu privire la modul de utilizare a sistemului HEC-RAS. Manualul este organizat după cum urmează:

• capitolele 1-2 oferă o introducere și o prezentare generală a HEC-RAS, precum și instrucțiuni despre cum să instalați software-ul.
• capitolele 3-4 descriu modul de utilizare a software-ului HEC-RAS dintr-o perspectivă de ansamblu. Înțelegerea modului în care funcționează acest sistem cu proiectele este, de asemenea, discutată, inclusiv definirea tuturor tipurilor de fișiere utilizate.
• capitolele 5 explică modul de introducere și editare a datelor geometrice pentru a reprezenta râul, lunca inundabilă și structurile hidraulice.
• capitolele 6 și 7 explică în detaliu modul de efectuare a diferitelor tipuri de analize hidraulice disponibile, cum ar fi modelarea fluxului constant 1D și modelarea fluxului instabil 1D
• Capitolul 8 oferă discuții detaliate despre modul de vizualizare a rezultatelor grafice și tabulare, precum și despre modul de elaborare a tabelelor definite de utilizator.
• Capitolul 9 descrie modul de efectuare a unei analize de încălcare a inundațiilor.
• Capitolul 10 oferă discuții despre “rezolvarea problemelor” și înțelegerea celor mai frecvente erori, avertismente și note.
• Capitolul 11 descrie modul de efectuare a calculelor Bridge scour din cadrul HEC-RAS.
• Capitolul 12 descrie modul de efectuare a modificărilor de canal în cadrul HEC-RAS.
• Capitolul 13 descrie modul de utilizare a funcțiilor de proiectare hidraulică în HEC-RAS pentru efectuarea proiectării și analizei stabile a canalelor, precum și a calculelor potențiale de transport al sedimentelor și dimensionarea rap rip.
• Capitolul 14 conține subiecte privind utilizările avansate ale capacităților de simulare a debitului instabil, inclusiv: regim de flux mixt pentru fluxul instabil; analiza ruperii barajului; depășirea și încălcarea digului; modelarea stațiilor de pompare; baraje de navigație; și reguli definite de utilizator pentru controlul operațiunilor de poartă.
• Anexa A conține o listă de referințe.
• Anexa B conține o descriere detaliată a formatelor de fișiere utilizate pentru importul și exportul datelor GIS către și de la HEC-RAS.
• Anexa C conține o descriere a tuturor variabilelor de ieșire disponibile din programul HEC-RAS.
• Anexa D discută despre modul de importare a datelor HEC – 2 în HEC-RAS